实验一与实验二_血氧饱和度检测仪设计实验
第一部分 综合实验箱简介2第二部分 实验项目4实验一 温度测试4实验二 心血管参数测试9实验三 肺功能参数测试22实验四 握力测试31实验五 血压测试36实验六 心电测试41实验七 血氧饱和度测试50实验八 脉搏波波速测试59第三部分 附录77一、心血管参数测试77二、肺功能参数测试79三、血压测量81四、接口器件-PDIUSBD12USB84五、软件及USB驱动安装88 第一部分 综合实验箱简介YJ-02型医学电子教学仪器综合实验箱以高性能的W78E516单片机作为核心控制器件，配以外存储器、接口器件、模/数转换等电路实现模拟信号的采集、转换和处理，以及各种状态的检测和控制。实验箱由温度测试、心血管功能测试、肺功能测试、握力测试、血压测试、心电测试、脉搏波波速测试、血氧饱和度测试等实验组成，实验箱采用模块设计。主板电路布局见图1.1。主板包含血压测试、心电测试两个实验模块。所有实验均由单片机配合程序分别控制完成，实验数据通过USB口上传到PC机。实验箱右侧上方有一个通讯指示灯(LED)，当实验箱与PC机联机通讯成功时通讯指示灯点亮，表示实验箱与PC机处于联机通讯测试状态。实验箱应用软件应用于32位win9X或Win2000或WinXP及Win7(32位及64位)平台，显示器屏幕推荐分辨率为1024*768，实验数据、曲线和参数均可在PC机上显示和保存。图1.1 电路布局图本实验箱供电电源为直流+10V+18V/1A，由外部提供。在实验前，用导线将电源引入实验箱左上侧的两个标有+15V和GND字样的接线柱，正端接红色接线柱，负端接黑色接线柱。打开PCB板上的电源开关，电源指示(绿色)灯亮，表明电源接通，可以正常操作。当出现异常时，应首先关闭电源，再检查相关电路，正常后再重新开启电源。实验前用USB连接线将实验箱的USB口与PC机USB口相连。在PC机退出联机通讯操作之前，不要关闭实验箱电源。【实验时，严禁带电装卸集成电路或更换元器件。严禁在联机通讯状态带电拔USB通讯线。拔传感器时，不要用手直接拉传感器线，应握住传感器根部插头拔除。禁止将插线或其它导体放置于实验箱PCB板上，以免造成短路，损坏器件。】第二部分 实验项目实验一 血氧饱和度测量仪设计实验一. 实验目的1.了解血氧饱和度测试的意义和无创伤测试基本原理。2.掌握血氧饱和度测试的基本方法。3.了解血氧探头的构成及特性。二. 实验的意义和原理1.血氧饱和度测定的意义血氧饱和度是衡量人体血液携带氧能力的重要参数。由于氧通过呼吸进入细胞进而被血红蛋白所氧合是由多个环节组成，其中任何一个环节出现问题均可导致供氧障碍。监测动脉血氧饱和度可以对肺的氧合和血红蛋白携带能力进行估计，在临床上具有重要的意义。在临床实践中，估计动脉氧合能力有多种方法，最常用的是取动脉血，但这种方法需要动脉穿刺或者插管，且不能连续监测。无创伤检测动脉血氧饱和度的方法，是一种采用脉搏血氧测量法的动脉血氧饱和度测量方法，它的特点是能够在无创伤条件下实现连续测量动脉血氧饱和度，使用方便，应用前景广泛。2.脉搏血氧测量法基本建模原理脉搏血氧测量法的原理是基于光学定律-朗伯特比尔定律建立无创伤血氧饱和度测量的模型和基于光学脉搏容积描记法建立动脉组织的模型。比尔定律认为：光通过物质时，它的强度会或多或少的减弱，这种现象叫做光的吸收。实验证明：当单色光通过溶液时，透射光的强度与溶液的浓度、厚度、入射光的波长有关。称为吸光度。换言之，如果我们测出吸光度，而厚度、入射光的波长已知，则可以计算出溶液的浓度。脉搏血氧测量正是利用了这一原理。在脉搏血氧测量法中，假设忽略动脉血管中其它成份影响仅考虑氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb),则血氧饱和度SpO2的定义是： SpO2表示氧合血红蛋白含量；表示还原血红蛋白含量。两种血红蛋白在红光谱区吸收差别很大，而在近红外光谱区，吸收差别较小，所以不同氧饱和度的血液光吸收程度主要与两种血红蛋白含量比例有关。也就是说由于在红光谱区和近红外光谱区里，氧合血红蛋白和还原血红蛋白有自已独特的吸收光谱，因此根据比尔定律可以决定血红蛋白含量的相对百分比，即血氧饱和度。为了把问题简化，脉搏血氧测定法假设的组织模型由两部份组成：无血组织（皮肤，骨骼，静脉血等）表现为固定的光吸收，即直流成份。而动脉血管（由氧合血红蛋白和还原血红蛋白组成的动脉血液）则为脉动变化的光吸收，即交流变化的信号。假定光衰减量的变化完全是由于动脉容积搏动所引起，从而就可以从光的总衰减量中除去直流成份，用余下的交流成份进行分光光度分析，计算出动脉血氧饱和度。 SpO2K1R+K2R+K3式中，K1,K2,K3是经验常数，而R是在某个很小的时间间隔上，两种光电信号幅度变化量之比。3.动脉血氧探头动脉血氧探头是由红光发光二极管、近红外发光二极管和高性能光敏二极管组成的混合光学传感器。使用波长660nm的红光和940nm的近红外光作为射入光源，利用手指作为盛装血红蛋白的透明容器，测定通过手指的光传导强度，来计算血红蛋白浓度和血氧饱和度。一般认为SpO2正常应不低于94。探头上壁固定两个并列的发光二极管，下壁有一个光电检测器将透过手指的红光和红外光转换成电信号，它所检测到的信号越弱，表示光信号穿透指尖时，被那里的组织、血液吸收掉的越多。4.电路实现原理图2. 71 动脉血氧饱和度测试电路原理图上图中，左上的标有(1)的部分是探头电路结构图。RED-LED是红光发光二极管，IR-LED是近红外发光二极管，其右边是光敏二极管。右上的标有(2)的部分是发光管驱动电路。为了保证光源的稳定，发光二极管采用恒流源进行驱动。PC4,PC5是主板通过程序发出的控制信号，例如，当PC5=1时，Q14、Q10、Q15、Q17导通，+5V通过Q10的集电极加到红外管的阳极，Q15的集电极加到红外管的阴极，向近红外二极管提供稳定的电流，使之发光。同理，当PC4=1时，红光二极管获得电流发光。这样，PC4和PC5交替控制相应的电路工作，形成产生控制红光、红外光发光的时序信号。上图中下方标有(3)的部分是同步解调放大电路。负责将两路微弱的脉搏信号从干扰信号中检测出来，将信号同步解调还原，再从中分离出交流信号AC,直流信号DC和放大滤波到一定数值，提供给计算机进行模数转换及处理。图中AD7是直流信号，AD6是交流信号。为了避免AD6出现负信号，在交流信号通道中，设有基准电平调整电路。三、实验步骤和测试结果图2.72 血氧饱和度测试电路布局图1、 将血氧模板固定于主板上方，但模板上方的26芯插座(J5)与主板的26芯插座(J2)不连接。图2.73 血氧探头驱动电路布局图用连接线将模板PC4插孔及+5VA插孔与主板右侧的4.05V插孔相连。使模板获得电源，同时用连接线将模板右侧GND插孔与主板GND插孔相连，将模板下部GND插孔与PC5插孔相连。装上血氧探头，取下短路器J7,使其开路。开启主板电源，用电流表测量I2(1)插孔与I2(2)插孔之间的电流，上面插孔I2(1)为正端，应为10mA左右，如果偏离，调整RW10。调整以后拔除连接线，插上J7。用连接线将PC5插孔与主板左侧的4.05V插孔相连，同时用连接线将模板右侧GND插孔与主板GND插孔相连，模板的下部GND孔与PC4插孔相连。取下短路器J6,使其开路。开启主板电源，用电流表测量I1(1)插孔与I1(2)插孔之间的电流，上面插孔I1(1)为正端，应为10mA左右，如果偏离，调整RW11。调整以后拔除连接线，插上J6。2、 断开电源，将模板J5与主板J2用扁平线相连，PC4接+5VA,PC5接GND。接通电源。图2.74交直流信号调理电路布局图将食指或中指放入血氧探头，用示波器观察V4输出，应有波形出现，其峰峰值应为4V左右。如果不是，调整RW9,一般RW9阻值在 30K-35K范围，可用万用表测量，测量方法将表笔放入连接RW9两端标注为1和2的两个插孔。然后观测VAC波形，其基准应在0V以上，以适应A/D转换的需要，幅度为04.5V,若不符合，调整RW7,一般RW7的2与1之间电阻为6K左右，2与3之间电阻为4K左右。测量RW7须将模板与主板连接断开。3、 将手指放入血氧探头，用示波器观察VDC波形，调节RW8，使幅值为2.0V左右的直流信号，如前所述，这是从探头的输出信号中分离出来的直流分量，如果幅值过大或过小，可调整放大器的反馈电阻RW8,一般，RW8阻值在 4.5K5.5K 之间。可预先调好，调整RW8的方法与RW9类似。4、 拔除PC4,PC5上的连线。在实验箱主板USB指示灯亮的情况下，点击计算机主菜单“血氧饱和度实验”按钮进入血氧饱和度测试，显示如下：图 2.755、 测试者将探头夹住手指，不要说话、动作，在实验箱主板USB指示灯亮的情况下，点击“测试” 按钮，血氧饱和度测试开始，此时从探头采集到的波形显示在屏幕上，其中显示的曲线分别为透射过来的红光波形和红外光波形。左边数码管显示血氧饱和度，右边数码管显示心率，且实时刷新。如下图所示： 此处插入测试图片图 2.766、 当显示的波形符合脉搏波形，可以点击“停止”按钮，此时屏幕上的波形停止滚动，显示当前的波形和当前的血氧饱和度及心率，若再点击“测试”按钮则继续测试，如下图所示：此处插入测试图片图 2.777、 保存测试波形的方法：当测试结束（即点击“停止”按钮后，波形显示不再变化），点击“保存”按钮将测试的数据保存为文本文件，测试的波形将保存为“*.SP0”格式或者“*.txt”的文件。学生可在老师指导下编写计算机程序，调用文本文件。8、 点击“打开”按钮可以打开已保存的文件，方法如下：图 2.78例如：选择zq.SP0文件，打开后显示界面如下：此处插入图片图 2.799、实验完毕，插线除去。四、实验总结（1）实验原理总结（2）实验过程总结（3）实验心得与创新性设想实验二 脉搏波波速测试仪设计实验一. 实验目的YJ-02型医学电子教学仪器综合试验箱 1、了解脉搏波波速的测量意义和原理。2、掌握脉搏波波速的测量方法。二. 实验的意义和原理 1、测量脉搏波波速的意义心脑血管疾病是导致死亡的主要疾病之一，心脑血管疾病发病的主要原因与动脉的病变有关，动脉病变是心脑血管疾病的病理基础。目前治疗的手段与方法中往往忽视了病变的关键血管壁的改变，随着对心血管病变的研究逐渐深入，人们意识到血管壁的病变是各种心血管事件发生的基础。我们知道动脉弹性的改变早于结构改变，早期发现和干预血管病变的进展是延缓和控制心血管事件的根本措施，有研究表明，大动脉功能和结构的损害，是导致早期血管改变，发生包括高血压在内的许多心血管病的危险因素，而动脉僵硬度已被认为是心血管病独立的危险因子，已经成为研究的热点课题。截止目前，用于评价大动脉的结构和功能的方法已有很多。如血管造影或其它成像技术等有创方法可精确评价动脉管腔或分心动脉壁结构，但是这些方法由于操作复杂、费用高昂，需要非常精密的设备，限制了其在临床中的应用；另外，还有一些无创检测方法，如超声技术（高分辨
