多导生理记录仪的研制和应用.docx

多导生理记录仪的研制和应用金 安，安刚，张日辉，安源，赵华摘要 目的：设计一种多导生理记录仪, 可 以 监 测 心 电 、血 压 、肌张力等多种生理参数 。 方法：该系统通过前置放大器 放 大 生 物 信 号, 经 A/D 转 换 后, 通过软件模拟示波器模块显示信号波形, 同时进行数据存储; 配 套软件可以分析采集 的 数 据, 绘制相应曲线并保存为通用的 Word、Excel 格 式 。 结果：通 过 实 验 证 明, 该系统可准确记录兔的心电 、呼 吸 实验, 蛙骨骼肌收缩实验, 坐骨神经干动作电位实验 。 结论：该系统可以准确地记录实验动物或离体器官的生物信号 ，已 应用于吉林大学 、长春中医药大学等院校的生理药理试验中, 并取得了较好的教学效果 。关键词 生 理 记 录 仪 ；生 物 信 号 ；生 理 实 验中国图书资料分类号 R318.6 文献标识码 A 文章编号 10038868（2010）03-0042-03Development and Application of Multi-lead Physiological RecorderJIN An1, AN Gang1, ZHANG Ri-hui2, AN Yuan3, ZHAO Hua1（1. Bethune Medical College, Jilin University, Changchun 130021, China; 2. Department of Sports Humanities, Shenyang Sports College, Shenyang 110102, China; 3. Department of Biology Technology,Changchun Normal University, Changchun 130032, China）Abstract Objective To design a multi-lead physiological recorder to monitor the physiological signals such as ECG, blood pressure and muscular tension. Methods The preamplifier was used to amplify the biological signals, and after A/D conversion, the signal waveform display by the analog oscilloscope and data storage were performed. Then the data were acquired, and corresponding curve was formed and saved as Work or Excel format. Results Experiments showed that the multi-lead physiological recorder could be used for the rabbit ECG & respiration test, frog skeletal muscle contraction test and sciatic nerve trunk action potential test. Conclusion The multi -lead physiological recorder can record the biological signals of the experimental animal or excised organ, which has been applied in physiology and pharmacology experiments of Jilin University and Changchun University of Traditional Chinese Medicine. Chinese Medical Equipment Journal，2010，31（3）：42-44Key words physiological recorder; biological signal; physiological experiment1 引言多 导生理记录仪是一种综合的生理参数记录仪 ，该 系 统 首先通过传感器 采集到生物信号 （心 电 、血 压 、肌 张 力 等 ），信号经过前置放大器放大后进行 A/D 转 换 ，转换后的数字信号 可以通过显示设备显示出来 ，也可存储在存储设备中1。 国 内相 关 仪 器 的 研 发 始 于 20 世 纪 80 年 代 中 后 期 ，老 式 的 多 导 生 理 记 录 仪 主 要使用记录纸进行数据的记录 ， 其 缺 点 明 显 ，比如 ：走 纸 速 度 不均匀造成记录数据不准确 ；不能长时间记录 ， 且 光 敏 记 录纸不能长久保存等 2。 新型的多导生理记录仪主 要 是 在 电 路 性能和存储方式上进行了改进 ，本文设计的多导 生 理 记 录 仪 就是这样一类设备 。 本系统具有高灵敏度 、高 阻 抗 、低 漏 电 流 等 特 点 ，记录的信息保存在计算机硬盘上 ，便 于 配 套 软 件 的 分 析 。 配套软件包括常规生理药理教学内容 ，例 如 ：心 肌 细 胞 动 作 电 位 实 验 、血 压 调 节 实 验 、呼吸调节实验和 蛙心电和心肌收缩时相试验等3。2 硬件设计2.1 整体设计多导生理记录仪采集的各种生理信号多为微弱信号且有 很 多 干 扰 ，不能直接进行信号处理 。所以必须先把传感器采集 来的各种生理信号放大 ， 放大后进行滤波得到的才是真 实 的 生 理 信 号 。 因 此 ，系统中需要前置放大电路和滤波器 。 采 集 来的信号为模拟信号 ， 不能被计算机识别 ， 所 以 需 要 进 行 A/D转 换 。 在 实 验 当 中 ，有时需要给标本电刺激 ，刺 激 脉 冲 由 计 算 机 发 出 ，经 过 D/A 转换之后作用于标本 。 因 此 ，系 统 中 需 要 A/D 转 换 和 D/A 转 换 电 路 。 另 外 ，放 大 器 的 选 择 ，滤 波 的 大 小 和 传感器的敏感度等需通过程控开关实现 ，所 以 ，电 路 中 包 括 了程 控 开 关 电 路 。本系统的硬件包 括 放 大 器 模 块 、4 路 A/D 转 换 输 入 模 块 、1 路 D/A 输 出 模 块 、多 路 转 换 开 关 。 系统的整体框图如图 1 所 示 。该系统的硬件部分置于一体 ，安装在计算机机箱内系统板 扩 展 槽 上 。 样 机 图 如 图 2 所 示 。I/O 设 备11111存 储 设 备1111111 处 理 软 件作者简介：金 安 （1982-），男 ，吉 林 长 春 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 研 究 方 向 为神 经 生 理 、 心 肌 电 生 理 ，E-mail：； 安 刚 （1962-），男 ，吉 林 长 春 人 ，教 授 ，硕士研究生导师 ，主要从事生理学心肌电生理 、医学信号监控处理等方面的研究和医学仪器的开发工作 。作者单位：130021 长春 吉林大学白求恩医学院 （金 安 、安 刚 、赵 华 ）；110102 沈阳 沈阳体育学院运动人体科学系（张日辉）；130032 长春 长春师范学院生物技术系（安 源）通讯作者：安 刚 ，E-mail：图 1 系统的整体框图前置放大器前置放大器的设计是系统性能好坏的关键 。 我 们 是 根 据 生理实验要求和生物体内 、外信号的技术指标进行设计的 。测 量的生理信号大体分为电变量和非电变量信号 2 类 。 电 变 量2.2医 疗 卫 生 装 备2010 年 03 月 第 31 卷 第 03 期 Chinese Medical Equipment JournalVol31No03March2010111 计 算 机输 出 刺 激D/A 转 换 电 路各 类 生 物 信 号前 置 放 大 器A/D 转 换 电 路1生理药理实验模块包括 ：坐骨神经动作电位实验 ，心 肌 细胞动作电位实验 ，血 压 调 节 ，呼 吸 调 节 ，HRV 分 析 ，强 度-时 间 曲 线 、 血流动力学实验 ； 药理实验模块包括 ： 半 衰 期 计 算 ， pAZ、pDZ、LD50、ED50、t 检 验 等 。3.2 多导记录模块该模块功能有四道记录 ，二 道 记 录 ，被测的生物信号以普 通记录器描笔走纸方式进行连续平行移动显示 ， 一 道 一 个 刺 激 记 录 ，可以同时显示被测得的生物信号和刺激脉冲波形 。3.3 示波器模块双踪示波器记录 ， 使其被测得的生物信号波形以示 波 器 扫 描 方 式 显 示 。 触 发 示 波 记 录 ，由刺激脉冲触发扫描 ，能 同 时 显示测得的生物信号的刺激脉冲波形 。 触发示波记录也可以 进行同步叠加记录 ， 即将刺激后测得的生物信号叠加反 应 依 次 显 示 出 来9。3.4 数据处理模块可以动态或静态地对保存的记录或测得 的 信 号 进 行 处 理 ，如 ：微 分 、积 分 、频 率 谱 、功 率 谱 、直方图计算等分析处理 ， 可以进行点点测量 、区 间 测 量 、面积或斜率测量 。该系统软件部分可以对生物信号进行采集 、显 示 、存 储 和 处 理 。 该系统也可以对存储在计算机硬盘的数据进行重新显 示 、测 量 和 打 印 。4 结果为了验证该系统 ， 我们使用该系统记录了蛙骨骼肌 复 合 收 缩 的 实 验 。肌肉兴奋的外在表现是收缩 。给肌肉一个有效刺 激 ，肌肉将发生一次收缩 ，称 为 单 收 缩 。 单收缩一般要经历潜 伏 期 、收缩期和舒张期等 3 个 过 程 。使 用 相 继 的 2 个 有 效 刺 激 作 用 于 肌 肉 ， 如 果 相 继 的 2 个刺激的间隔时间大于该肌 肉 单 收缩的全部时间 ，则出现波形互相分开的 2 个 单 收 缩 ；逐 渐 缩 短 2 个刺激的间隔时间 ， 使 第 2 个 刺 激 落 在 第 1 个 收 缩 的 舒 张 期 ，从 而 引 起 2 个单收缩的复合 ，即舒张期复合收缩 ；再 缩 短 2 个刺激的间隔时间 ， 使 第 2 个刺激落在前一个收缩 的 收 缩 期 或 缩 短 期 ，此 时 ，前 后 2 个单收缩也会复合起来 ，形 成 一个收缩幅度比较高的收缩波形 ，称为收缩期复合收缩 。试 验 操 作 步 骤 ： 第 1 步 ， 制 备 坐 骨 神 经 - 腓 肠 肌 标 本 ， 将 标 本 置于任氏液中浸泡 1015 min； 第 2 步 ， 将 标 本 固 定 于 标 本 夹 上 ， 将跟腱上的系绳系于机械 电 换 能 器 上 ， 并 使 肌 肉处于自然拉长的长度 ； 第 3 步 ， 连 接 仪 器 ， 换 能 器 输 出 插 头 插 入 仪 器 的 第 4 道 输 入 插 口 ， 仪 器 第 5 通道的刺激输出 连接到刺激电极 ； 第 4 步 ， 打开软件设置实验参数 ， 刺 激 的 波 宽 为 0.3 ms， 刺 激 的 强 度 为 3 V， 刺 激 的 个 数 为 10 个 ， 采 样 时 间 为 1050 ms/点 ，记录的结果如图 3 所 示 。（a）外 壳（b）A/D 板（c）放 大 板图 2 样机的外观及内部电路板信 号 （例 如 心 电 、 脑 电 、 肌 电 、AP、 诱 发 电 位 等 ） 都 为 不 同 频 率的 交 变 信 号 ， 可 以 用 交流或直流放大器放大 ； 非 电 变 量 信 号（如 压 力 、张 力 、流 速 、温 度 等 ）都可通过传感器转换为直流分 量 的 低 频 信 号 ，可以用直流放大器放大4。 在类似产品中 ，信号的放大倍数一般为 100、200、400、800、1 600、3 200， 滤 波 范 围 为 10 Hz、100 Hz、1 kHz、10 kHz， 时 间 常 数 为 50 ms、100 ms、1 s。 从上述值中可以看出 ，当放大倍数为 3 200 时，使用 12 位 模数转换芯片 AD574，转换的灵敏度为 10/4 096=2.44 mV。 该 设备的最小灵敏度为 2.44/3 200=0.000 7 mV，满足最小幅值的 要 求5。 前置放大器要求高输入阻抗 ，滤波电路采用一级 有 源滤波器6。2.3 程控开关程控开关就是使用程序来控制前置放大器选择调节开关 的 通 断 ，该系统使用的是芯片 4051 多 路 转 换 开 关 。 I/O 芯 片8255 是 程控开关中心控制器 ，计算机的数据总线和控制总线 也 和 8255 相 连 。 8255 的 A 口控制生物电放大器一的滤波 、时 间 常 数 、放 大 倍 数 等 3 个 调 节 开 关 ；B 口控制生物电放大器二 的 滤 波 、时 间 常 数 、放 大 倍 数 等 3 个 调 节 开 关 ；C 口 控 制 压 力 敏 感 度 、压 力 直 流 平 衡 、张 力 敏 感 度 、张力直流平衡等 4 个 调 节 开 关7。2.4 A/D 转换电路12 位模数转换芯片 AD574 低八位数据线和 8255 的 A 口 相 连 ，高四位数据线和 8255 的 B 口 相 连 ，转换后的数据通 过 8255 进 入 计 算 机 。 其 他 引 脚 和 8255 的 C 口 相 连 ，通 过 计 算 机 控 制 8255 输 出 来 控 制 AD574 的转换状态和输入状态 。 另 一 方 面 ，多路模拟信号的输入由多路开关实现 ，由 8255 的 C 口输出控制其多路转换开关 的 逻 辑 状 态 ， 以 实 现 4 路 的 接 替 转 换 采 集7。2.5 D/A 转换电路首先用一个运算放大器 A1 把 输出的电流转变为电压 ， 此时输出的电压为单极性 （正 电 压 ）。 再把另一运算放大器 A2 的 输 出 端 通 过 R1 和 R3 与 参 考 电 压 VREF 连 接 。 R1 和 R3 的 接点输入运算放大器 A2 的 负 向 输 入 端 ，这 样 ，参 考 电 压 经 过 R1 向 A2 提 供 一 个 偏 流 I1，方 向 与 I2 相 反 。 由 于 R1 和 R2 比 例 为 21，VREF 与 A1 同 向 ，所 以 VREF 产 生 的 偏 流 为 A1 输 出 的 1/2， 这就使运算放大器 A2 输 出 相 对 于 A1 上 移 了 1/2， 产生了双极性输出8。3 软件设计软件部分包括生理药理实验模块 、多 导 记 录 模 块 、示 波 器 模块和数据处理模块等 。3.1 生理药理实验模块图 3蛙骨骼肌复合收缩实验医 疗 卫 生 装 备2010 年 03 月 第 31 卷 第 03 期 Chinese Medical Equipment JournalVol31No03March2010图 3 显 示 的 是 2 个 通 道 的 记 录 ， 上 面 的 通 道 记 录 了 机械电换能器采集 的肌肉收缩的强度和时间的曲线 ； 下 面 的 通道记录的是输出的刺激的强度和时间 。 图中可以看出一共 给 了 骨 骼 肌 10 次 刺 激 ， 每次的刺激强度为 3 V， 而 每 次 给 骨 骼肌刺激之后骨骼肌都会出现一次收缩 。 从上面的通道记录 可 以 看 出 ，每次收缩都发生在前一次舒张的时候 ，多 次 的 刺 激引起了收缩的复合 ，最后一次刺激和第 1 次 刺 激 比 较 ，刺 激 的 强 度 没 有 变 化 ，但肌肉收缩的强度和第 1 次相比是加强了的 ， 这证明骨骼肌出现了复合收缩 。5 结论以上实验证明了该系统可以准确地采集生物信号 ， 在 生 理学药理学相关试验中有广泛的用途 。 该系统具有实时处理 能 力 ，结 果 可 靠 ，操 作 方 便 ，性 价 比 高 ，可作为智能化的生物信 号记录处理设备 ，适 用 于 大 、中 、专院校的生理药理学教学与 科 研 工 作 。 该系统已经在一些院校和研究所得到越来越广泛 的 应 用 。参考文献1 裴 建 明 ，王 高 峰 ，张 晓 东 ，等. 浅 谈 生理学多样化教学手段的综合 应 用J. 中国高等医学教育 ， 2002（2）：38-39.侯 孝 林 ，刘 红 ， 王 保 华 ， 等 . 多道电生理记录分析系统的设计 J.中国医疗器械杂志 ，2004，28（1）：5-11.刘 玉 娥 ， 周 玉 琴 ， 常 翠 明 . 生理学药理学及心 理 学 实 验 指 导 M.北 京 ： 科 学 出 版 社 ，2008： 66-75.朱 大 诚 ， 陈 秀 琴 . 生理学实验教程 M. 北 京 ： 人民医学出版社 ，2009：60-65.边 春 元 ，李 文 涛 ，江 杰 ，等. C51 单片机经典模块设 计 与 应 用 M.北 京 ：机械工业出版社 ，2008：25-29.张 洪 润 ，王 德 超. 模 拟 电 路 与 数 字 电 路 M. 北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ， 2009： 297-300.胡 汉 才. 单 片 机 原 理 及 接 口 技 术 M. 北 京 ： 清华大学出版社 ，1996：257-259王 守 中. 51 单片机开发入门与经典实例M. 北 京 ：人 民 邮 电 出 版 社 ，2007：189-191.陆 枫 ， 何 云 峰 . 计算机图形学基础 M. 北 京 ： 电子工业出版社 ，2008：288-312.2345678910 滕 利 荣. 生物学基础实验教程M. 吉 林 ： 吉林科学技术出版社 ，1999： 238-240.（收 稿 ：2009-07-26 修 回 ：2009-09-23）荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨荨(荨荨上接第 34 页荨荨）参考文献Gunn J，Cumberland D. Does stent design influence restenosisJ. E- uropean Heart Journal，1999，20（14）：1 009-1 013.王小平， 焦延鹏. 新型可降解金属血管支架的有限元力学分析J.机械设计与研究，2007，23（5）：59-61.Chua S N D，Mac Donald B J，Hashmi M S J. Finite element simulat- ion of stent and balloon interactionJ. J Mater Process Technol， 2003（143/144）：591-597.Chua S N D，Mac Donald B J，Hashmi M S J. Effects of varying slot- ted tube（stent）geometry on its expansion behavior using finite elem- ent method J. J Mater Process Technol，2004 （155/156）：1 764 -1 771.Chua S N D，Mac Donald B J，Hashmi M S J. Finite element simula- tion of slotted tube （stent）with the presence of plaque and artery by balloon expansionJ. J Mater Process Technol，2004（155/156）：1 772-1 779.Etave F，Finet G，Boivin M， et al. Mechanical properties of coronary stents determined by using finite element analysisJ. J Biomechan - ics，2001，34 （8）：1 065-1 075.Dumoulin C，Cochelin B. Mechanical behaviour modelling of balloo-nexpandable stentsJ. J Biomechanics，2000，33（11）：1 461-1470. Chua S N D，Mac Donald B J，Hashmi M S J. Finite-element simula- tion of stent expansionJ. J Mater Process Technol ，2002，120：335-340.Migliavacca F，Petrini L，Montanari V，et al. A predictive study of the mechanical behaviour of coronary stents