微机在医学仪器中的应用

1、精选优质文档-倾情为你奉上心电图(ECG) 50V-50mV0005-100Hz.3dB脑电图(EEG) 2-10V(头皮1-100Hz(头皮)胃电图(EGG) 10V-80mV 0-1Hz人体生理信号的特点：幅值小，约从几微伏到几毫伏。频率低，约从0.01 Hz到10kHz.随机性强，易为干扰与噪声所掩敲.设计要点：熟悉电子仪器的工作原理，掌握微机硬件和软件，而且要认真考虑到医疗仪器对人体的绝对安全，包括电气的安全与人体接触部位的消毒及其有效性。安全与有效是任何医疗仪器所必须遵循的规则现代医疗器械发展的总趋势可用"直观、无创、高效、经济"八个字来慨括格雷码与普通二进制相比

2、，其优点是，格雷码中的数当它从一种位模式步进到另一种时，它只改变一位。与自然二进制的情况相比，在测量连续的角位置时，它减小了不确定性。精确表示及恢复的条件是，信号必须频带有限，而且采样频率不能低于信号最高频率的2倍。f.>2fm内插：应用离散时间上的数值重建信号的过程称为内插。(1)零阶保待或单点内插，(2)线性或两点内插(3)低通内插·零阶保护内插后的信号被低通滤波一般n 位转换器需要n+1个电阻.并且LSB电阻必须是反馈电阳的2" 倍。例如电阻R值为5 kO.因此，一个8位的D/A转换器需要9个电阻，范围从5kO到1.28MO<256X5kO).转换器误差：

3、"失调"或"零点误差"定义为传输函数偏离零点的模拟值"斜率"或"增益"误差：传输函数的斜率偏离它的理想值积分非线性误差：失调误差与增益误差都为零时.传输函数对理想直线特性的最大偏移微分非线性误差：任一量化单元对其理想模拟值的偏差。逐次逼近式A/D转换器：转换速度快，转换精度较高，抗干扰能力较差双斜积分A/D转换器：转换速度很慢，转换精度高，抗干扰能力较强并行或特高速A/D转换器：转换速度较快，转换精度低，抗干扰能力强数据采集的核心内容是把模拟信号转换成为数字信号。因此，数据来集系统中的关键器件就是模/数转换器，简称

4、A/D转换器或ADC.此外，一个数据采集系统中一般包括下列各种器件:传感器(Transducers)、信号修整电路、模拟多路器、S/H电路、程序控制定序器等当"保持"指令到达时.开关S断开，电容器C上的电压及S/H电路输出电压均保持在.保持"指令到达瞬间的模拟俏号值。选用A/D转换器一般要考虑三个主要因素:速度、精度与价格。接口是连接微处理器芯片(CPU)与外围芯片(如程序存储器，数据存储器等)及做处理机与外部设备(如键盘、显示器)之间的桥梁。它能减轻CPU的负担，使CPU能够更充分地发挥任务管理、数据处理和逻辑判断的作用，从而提高整机的工作效率和仪器的功能。接口

5、大体可分为两大类:专用接口与通用接口。只读存储器可分为固定只读存储器(ROM)、可编程序只读存储器(PROM)和可擦写只读存储器(EPROM)三种。数据输入行地址列地址数据输入/出行列读、写地电源不连接 I/O接口结构典型的I/O接口(8IC55， 82C55 及82C5l)内部结构主要包含:数据寄存器、状态寄存器、控制寄存器，此外还有总线缓冲器、译码器及联络控制逻辑等。它们的作用如下。I)数据寄存器缓冲器)它包括数据输入寄存器和数据输出寄存器。由于外部设备与 CPU的数据处理速度不同，通常把传输数据暂存在这些缓冲器中，以便CPU和外设之间数据交换时能协调工作。2) 控制寄存嚣(控制口)它的作

6、用是存放CPU发来的控制命令(控制字)和其他的信息。这些控制命令包括设置接口的工作方式，设定某些参数及功能。3) 状态寄存幡(状态口)它的作用是保存设备的现行状态信息，提供给CPU判断使用。这些状态信息有输出数据"准备好"、设备"忙"或"闲"、数据错误检测等。以上三种寄存器是接口中最主要的寄存器，为了便于对它们的访问，每个寄存辑都有一个地址代码，即喘口地址。4) 总钱罐冲帽它包括数据总线和地址总钱缓冲或驱动)逻辑电路、译码棉及联络控制电路，是为 CPU和外设之间进行信号转换和按用户要求进行正确I/O设计的.I/O接口的功能1) I/O

7、数据缓冲器 用以解决主机高速和外设低速的矛盾，使CPU和外设在交换倩息时取得同步和速度匹配。2) 信息格式转换和电平转换。因为CPU所处理的是并行数据，而有的外设只能处理串行数据。因此，接口就应具有数据"并""串"和"串""并"的转换能力。另外，在串行通信中，接口还应完成电平转换功能，EIA电平与TTL也平的相互转换。3) 提供状态信号为微机提供外设的状态信号，如设备"准备好"、"忙"或"闲"等。4) 设备选择微机系统一般带有多台外设，而CPU在同一时间里

8、只能与一台外设交换信息，这就要借助接口中的地址译码电路对外设进行寻址。5） 时序控制1/0接口还能提供时序控制功能。有的接口具有自己的时钟发生器，以广泛地满足 CPU和外设在时序方面的要求。6) 可编程用户可以通过编程确定它们的工作方式。电气特性包括信号逻辑电平、传输速率、I/O阻抗等。为抑制传输过程中的共模噪声干扰，RS-232C采用较高传输电压士5-士15 V.常用的有士12 V和士10V，而且采用负逻辑电平，即逻辑O 电平规定为十5-+15V，逻辑1 为一5-15V.因此RS-232C标准接口与TTL/CMOS电平之间必须经过电平转换。总线上的设备可完成的功能发送者: 用来向其他设备发送

9、倩息。但总线上不允许有两个以上的发送者同时工作。接收者: 接收来自其他设备的信息。总线上可以有多个接收者同时工作。控制器: 主要功能是，确定挂在总线上哪些设备应该发送信息和哪些设备应该接收信息。如果系统中的控制器不止一个，则其中必有一个是系统控制器。系统控制器具有"总线清除"和"允许遥控"等特殊功能，并规定不能有两个或两个以上的控制器同时工作。总线信号交换技术为了保证倍息可靠地异步传递。在IEEE-488接口系统中，每传递一个数据字节，不管它是设备消息还是接r1i内息，在发送者与接受者之间必须进行一次三线挂钩过程。总线上的三钱挂钩由DAV、NRFD、ND

10、AC这三条线控制，其中DAV线由发送者驱动，DAV=l时表示双向数据总线是有般的。NRFO和NDAC线均由接受者驱动。总线上的设备对这两条线在逻辑上都是"线或"关系。当总钱上的所有接收者都处于可接收状态时，NRFD=0。当总线上所有接收者均接收完生存时，NDAC="O"。图4.56所示的是IEEE-488总钱信号交换的时序阁，下面结合阳来说明兰线挂钩的工作过程。从开始，发送者测试NRFO与NOAC两线的状态，若同时为低，则将数据送到数据总线上。这时发送者监视NRFO钱，以等待每一个设备都释放此线，团中虚线表示一个接一个设备准备好接收数据，最后到处，所有设

11、备准备就绪，NRFD线变高。于是发送者使OAV线有效，接收者一旦识别到这一点，便立即将NRFD拉回到低电平，这意味着在结束处理此数据字节之前不准备接收别的数据。这时发送者又监视NDAC线，直至所有接收者均接收到数据字节为止。当所有接收者将数据字节接收完毕时NDAC线变高。发送者识别到这一状态后就使DAV线无效，井撤销数据信息，同时所有接收者开始把各自的NDAC线变低电平，以便开始接收下一个数据字节。至此，一次三线挂钩工作完成。此后，按此定时关系重复进行。从上述可见，该定时关系有较大的灵活性，如果总线上的是快速设备，则字节传输速度就快;如果是慢速设备，则会使传输过程进行得慢一些。这意味着快速与慢

12、速设备可同时挂在总线上，这是三线挂钩技术最重要的特点。字符存储由CGRAM、CGROM和DDRAM三部分构成啧墨印字技术是利用一个压纸卷筒和输纸进给系统输送纸张，当纸通过喷墨打印头时，让墨水通过细啧嘴，在强电场下以高速墨水束喷到纸上，形成点阵头构成字符或图气泡产生原理BJ喷墨打印机是利用膜沸腾现象来使加热元件表面产生和消失气泡的。所谓膜沸腾现象是指加热物体与液态易蒸发物质接触时，在加热体和液体的界面会暂时产生具有一定厚度的蒸汽层(小气泡层)，将加热体与液体隔离，延缓了加热体的热散射，致使液体汽化速度减缓的现象。赤热金属线在水中的散热时间关系曲线如图6. 10所示。从曲线可以看出，在曲线D点以后

13、出现一段下降的趋势，即随着时间的增加，散热量逐渐减小，这一现象正是蒸汽膜产生造成的，即产生了膜沸腾现象。产生膜沸腾现象的先决条件是加热的脉冲电压帽值要足够高，脉冲宽度足够小。激光打印机结构墨粉、感光鼓或称晒鼓)、显影轧辊、初级高压电晕放电线生命参数信号监测部分包括心电、脉搏、血氧饱和度、血压、体温、呼吸等监测模块。血压测量采用振动元创血压测量.通过单片机控制气泵和电磁间来实现血压的自动测量。脉搏、血氧饱和度的监视IJ 采用光电技术检测出透过手指的红和红外两种不同的波长光信号的脉动及直流成分来进行分析o 呼吸检测电路是利用呼吸阻抗法原理，借用测量心电的胸部监护电极，果用高频激励脉冲使呼吸波信号调

14、制在其之上，然后对被调制伯号进行解调、放大、滤坡、获得呼吸曲线，再通过波形变换转换HI反应呼吸频率的数字倩号来完成检测任务的。体温检测来用ADC590温度传感掘。心电信号经放大、滤波处理后，一路供波形显示，另一路再经被形变换为数字俏号，便于心率提取。采血仪采血时，由直流电机带动抽气泵向外抽气，导致密封的缓冲瓶及采血试管中空气量减少，气压降低，产生负压，将血液均句地吸入来血试管内。当电机停止旋转时，缓冲瓶及来血试管内的气压立即恢复到正常气压，采血停止。电机的启停通过单片机 AT89C2051 控制.在本机和来血试管之间设置了缰冲瓶，主要是防止血液流入本机，避免仪棉出现故障。基于PC机的医学仪棚的

15、一般组成如阁8. 1 所示，它主要由五部分组成:传感器、生物医学借号放大黯且控制接口$八/D数据来集电路FPC机(包括主机、显示器、键盘、鼠标)，打印机(撒光打印机或啧墨打印机h高速数字倩号处理电路基于PC机的医学仪器的一般组成它主要由五部分组成:传感器、生物医学借号放大黯且控制接口$八/D数据来集电路FPC机(包括主机、显示器、键盘、眠标)，打印机(撒光打印机或啧墨打印机h高速数字倩号处理电路。高速数字借号处理电路只是在需要高速处理数据的仪晤中才使用，例如，在超声多普勒血流仪、数字式 B坦、诱发电位仪中都使用高速数字信号处理电路I/O接口设计注意用户所用I/O接口地址不得与PC机内部使用的I

16、/O接口地址重复，否则将影响系统正常运行。PC机采用AO-A9进行地址译码，因此端口地址号为000H-3FFH，共1 024个，其000H-1FFH为系统全部占用，200H-3FFH为系统部分占用，所以用户必须查阅所用PC机的说明，使用200H-3FFH中PC机系统未占用的部分。用户所用的中断请求线也不得与PC机内部使用的中断请求线重复。一般使用IRQ3-IRQ7中未接有外部设备的中断请求线，若这几条中断请求线已被占用，则使用附加扩展槽上的系统未使用的中断请求线，例如，IRQ10-IRQ12。从扩展槽引向用户扩展板的PC机总线都要经过驱动，例如，地址总线、控制总线都要用74LS244驱动，数据

17、总线要经过74LS245双向驱动.利用超声多普勒原理，当反射的超声波遇到运动的血流运动物体 运动方向后，由血球产生的反射倩号舍引起多菁勒频移.对回波倩号进行分析处理后，就能得到血流的速度、方向等倩息.经颅多菁勒血流仪是将超声探头置于头颅骨的某些孔洞就较蹲的区域处，将超声射入颅内，人射的超声搜可直接作用于颅内的脑动脉、前动脉、基底动脉等。心电模块图8. 35所示的是心电模块的硬件框图。 CPU1采用三路AID转换器分别来样心电倩号、呼吸信号及温度信号。以250Hz的频率分时采样12导联的心电信号:以60Hz的频率采样呼吸信号。该模块巧妙利用一对RA和LA(左、右手)电极同时测取心电信号和呼吸阻抗

18、信号，然后分路进行处理。一旦RA、LA或LL中任一电极脱落，导联脱落检测电路会立即测出并通知CPU1，CPU1获取转换后的心电、无创血压、呼吸数据再进行心率、心律失常类别判断、呼吸率等计算。测量体温时，由于体温变化很慢，为防止漂移，采用压频变换器 (VFC)将热敏电阻应变桥测出的缓变电压换成相应的频率，通过光电隔离后反变换 (F/C)恢复出体温变化信息，经AID变换送CPU10CPU1计算出相应的体温值，最后把所有的数据原始的心电、无创血压、呼吸数据、心率、呼吸率、体温、心律变异类型、导联脱落等通过串行口送至 PC机无创血压通常在监护仪中采用柯氏青法和测振法来实现血压的自动检测。柯氏青法存在误

19、差大，重复性差，易受噪声干扰等缺点，而测振法具有较好的抗干扰能力，能比较可靠地判断血压，实现血压的自动检测，因而本系统采用测振法实现血压测量。图8. 36所示的是血压模块硬件框图，通过充气袖套在检测部位以 20mmHg的增量逐级施加外力，当外力超过预设值后，开始以4-5mmHg的减量逐级减压.在减压过程中检测袖套静压和气袖内气体的振荡波，振荡波起源于血管壁的搏动。当气袖静压高于收缩压Ps时，动脉被压闭，此时因近端脉搏的冲击而呈现细小的振荡波;当气袖静压小于收缩压Ps时，波幅增大;气袖压等于平均压时，动脉管壁处于去负荷状态，波幅达到最大值;当气袖压力小于舒张压Pd以后，动脉管壁在舒张期已充分扩展

20、，管壁刚性增加，因而被幅维持在较小的水平。为此，只要在气袖放气过程中连续测定振荡波，振荡波的包络线所对应的气袖压力就间接地反映了动脉血压。检测过程中，压力传感器获取的压力电信号被分解为袖套的静压信号和脉搏波振荡信号，它们都经AID转换器转换成数字信号送给CPU2处理，CPU2完成各种计算，得出Ps、Pm和Pd，以串行口方式发送给PC机。一旦Pd被检测到，同时打开所有放气阀使袖套快速放气，完成一次测量过程。脉搏血氧饱和度CSp02)血氧模板采用手指探头检测，如图8.37所示，探头的光电检测器是一个光电管，能产生正比于透射到它上面的红光和红外光强度的电流，但它不能区分这两种光。为此，用一个定时电路

21、来控制两个LED的发光次序。光电流信号被转换成电压倩号，井经放大、滤波、信号基线电平变换和去直流分量等倩号处理过程后，加到一个具有自动增益调整功能的电压/电流转换电路，然后由积分电路对倩号电榄坝分，其输出经AID转换器转换成数字信号。CPU对数字量进行复杂的处理，例如，数字撞波，计算两种光电信号的幅度等，井求出SpOz，从脉动信号中还能计算出心率。最后，以串行口方式与PC通倩，每秒从串行口送出60个数据包，每个数据包由5个字节构成，这些数据中包含了Sp02 值、心率数据。QRS波酵的检出和定位QRS波群的检出和定位是进行心律失常分析的基础，目前主要有三种方法:一是基于 R波具有最大斜率这一特点

22、的斜率法； 二是建立在匹配相关上的模板法 三是基于R波具有17Hz中心频率的滤波法。斜率法简单，但检出的正确性稍低。模板法不仅要占据一部分EPROM存储空间且计算时间长。撞波法的算法稍复杂，经研究尚能满足我们的要求。滤波法算法思路是基于QRS波群的频带是以17Hz为中心这一事实，分别设计高通滤波器和低通滤波嚣将QRS波群的信号撞出，再侄非线性变换使有用倩号得以强化，最后再识别定位，从而检出QRS波群。抗干扰技术动态心电图中含有七种不同类型的干扰，即工频干扰、基钱摞移、电极接触噪'、电极极化噪声、肌电子扰、放大电路内部噪声及运动干扰.其中最主要的是工频干扰和基钱摞移.按照美国最新标准的要

23、求，动态心电图频带应不窄子0.67-40Hz或0.67-60Hz(婴儿).。软件工频陷波算法应用较多的有移动 Notch滤波掘和自适应匹配滤波嚣.前者虽算法十分简便，但当工频一旦偏离 0.5Hz以上即告无敢。后者去除噪声的效果很好，但算法复杂。其他的算法大多存在波表非线性失真、算法复杂就Q值低等问题.基钱漂移也是动态心电图中不可避免的问题之一.如通过限制频带的方法抑制基钱摞移，则系统的频带将过窄。记录器硬件设计上有两大难点。大容量数据存储。以三通道，200Hz果样，8位分辨率来计算，需要记录的数据量约为50M日，若直接记录，存储嚣成本是十分昂贵的，因此，采用合适的数据压缩方法，可以大大减少对存储容量的要求，这要求单片机具有很强的运算能力.低功耗民时间运作.由于果用电池供电21 h，电调供应是有限的，另外，果用数据压缩的方法运算量很大，功能问题也要考虑. SPI总钱介绍串行外围设备接口SPI(Serial PeripheralInterface)是Motorola公司推出的一种同步串行接口。SPI总线是一种三线制同步式串行总钱，其物理结构是相当典型的。因其硬件配备(在各种串行接口中)较为"完整"，所以，与SPI有关的软件就相对简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。它基本上由三根连线，即OJ