医学数字信号处理实验教程-基于MATLAB - 讲义 - 第7章 - 体温信号处理实验

1第7章：体温信号处理实验卓越工程师培养系列2目录《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义1.实验内容2.实验原理3.实验步骤4.本章任务5.本章习题31.实验内容

了解体温测量原理、体温测量硬件系统和体温算法设计过程，学习体温数据包的PCT协议和MATLAB中的部分函数和命令。然后，通过MATLAB语言实现体温算法模块，如计算体温系数模块（CalcTempCoef）和计算体温值（CalcTempVal），通过TempMain.m文件静态验证体温算法；最后，基于医学信号采集平台，完善体温信号处理MATLAB软件系统，动态验证体温算法。《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义42.实验原理2.1体温测量原理2.2体温测量硬件系统2.3体温算法设计2.4体温数据包的PCT协议2.5本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义52.1体温测量原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（1）热敏电阻

热敏电阻是一种电阻式温度传感器。按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC），同属于半导体器件。

热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同温度下表现出不同的电阻值。正温度系数就是温度升高，阻值增大；负温度系数则是温度升高，阻值减小。在测温领域通常都采用负温度系数热敏电阻器，由于其线性度较好，在测量中引起的误差小，所以使用最广泛。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义62.1体温测量原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）体温探头

按照测量的部位，体温探头可以分为体表和体腔两类。按照标称阻值Rc的不同，可以分为CY型和YSI型两类。标称阻值Rc一般指环境温度为25℃时，热敏电阻器的实际电阻值。对于CY型探头而言，Rc=10kΩ；对于YSI型探头而言，Rc=2.25kΩ。本实验中的探头类型为YSI型。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义72.1体温测量原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（3）温度特性曲线

YSI型探头的温度特性曲线如图7‑1所示，横轴表示温度值，单位为0.1℃；纵轴表示热敏电阻阻值，单位为0.1Ω。从图7‑1可以得出：温度越高，阻值越低。例如，横轴250对应纵轴的22530，即25℃对应2253Ω，约为2.25kΩ。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义82.2体温测量硬件系统《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

体温测量硬件系统如图7‑2所示，按照功能可以分为四个部分，分别是体温采样通道选择电路、探头连接检测电路、体温信号放大电路、单片机和计算机。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义92.3体温算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（1）体温系数计算

对于医学信号采集平台，无论是校准A点和B点，还是体温探头1和2，都可以视为被测电阻，这里将其定义RT，RT与电压信号UT之间的计算公式为：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义

C1和C2是系数，理论上这两个系数是固定常数，但是，由于医学信号采集平台中各元器件的差异性，以及环境的影响等因素，C1和C2并不是一个固定常数，需要经常校准这两个参数。102.3体温算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（1）体温系数计算

通过单片机控制体温电路中的四个通道，分别导通RA和RB，然后，通过单片机的模数转换器读取的数字量计算UA和UB，再将RA、RB、UA和UB代入公式，可以分别得到以下公式。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义

由于RA和RB均为高精度电阻，阻值变化受环境影响很小，可以视为理想电阻，因此，这两个电阻的阻值与UA和UB均为已知量，而C1和C2为未知量。所以根据以上两个公式可计算得C1和C2。

112.3体温算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）体温探头阻值计算

在体温系数C1和C2已知的情况下，可以通过测量系统以及公式计算体温探头1和2的阻值。当体温探头RT1导通时，根据单片机的模数转换器读取的数字量计算UT1；当体温探头RT2导通时，计算UT2。然后，将RT1、UT1、RT2和UT2分别代入公式，计算体温探头1和2的阻值。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义

122.3体温算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）体温探头温度值计算

计算出体温探头的阻值之后，可以根据表7‑1所示的体温探头阻值与温度关系对照表（完整的表格参见本书配套资料包的“10.参考资料”文件夹中的“体温探头阻值与温度关系对照表.xls”），计算出体温值。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义132.4体温数据包的PCT协议《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

完整的体温数据包和命令包参见书中的附录III。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义142.5本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

在本实验中，xlsread函数用于读取Excel文件中的数据，nanmean函数用于求平均，disp函数用于在命令行窗口显示字符串或数据，clearall命令用于清除工作区。（1）xlsread

在MATLAB中，通过xlsread函数读取Excel文件中的数据，调用格式如下：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义152.5本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）nanmean函数

在MATLAB中，mean和nanmean函数都是用于求平均。本章使用了nanmean而没有使用mean，是因为将文件（csv或xls）中的数据导入到MATLAB时，有可能会出现非数，即NaN，这种情况下，如果通过mean函数对这些数据求平均，即使只有一个NaN，结果也为NaN，而使用nanmean函数，则会忽略其中的NaN，先求出所有非NaN值的和，然后除以所有非NaN值的数量，再求平均，如下所示：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义162.5本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（3）disp函数 disp函数直接将内容输出到命令行窗口，不仅可以显示字符串、数字，还可以显示字符串和数字组合。单独显示字符串或数字时，直接将其作为disp函数的输入参数；组合显示时，通过逗号或空格隔开字符串和数字，然后通过中括号[]将这些待显示的内容括起来作为一个整体，传入disp函数，如下所示：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义172.5本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（4）clearall命令

命令行窗口和脚本文件执行的操作常常需要处理各种数据，用户可以通过工作区窗口访问和更改这些数据，这给用户带来了极大地方便，但是，当命令行窗口和脚本文件执行的操作对某一个变量同时使用时，就很容易出现误操作，因此，建议在脚本文件的第一行，通过clearall命令清除工作区。除了clearall命令，还有一些常用的清除和关闭命令，如表7‑2所示。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义183.实验步骤3.1步骤1：打开MATLAB软件3.2步骤2∶创建并完善CalcTempCoef.m文件3.3步骤3∶创建并完善CalcTempVal.m文件3.4步骤4∶创建并完善TempMain.m文件3.5步骤5：打开体温信号处理MATLAB软件系统3.6步骤6∶添加CalcTempCoef.m文件及其主函数调用3.7步骤7∶添加CalcTempVal.m文件及其主函数调用3.8步骤8∶验证体温信号处理MATLAB软件系统《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义194.本章任务 1.开始采样后，根据体温信号处理MATLAB软件系统右侧的校准A和B采样AD值，以及校准A和B电阻值，计算校准系数C1和C2，并与软件系统右侧的数值进行对比。 2.开始采样后，根据体温信号处理MATLAB软件系统右侧的探头1和2的采样AD值，以及R值，计算体温探头1和2的阻值以及温度值，并与软件系统右侧的数值进行对比。 3.在CalcTempVal函数中，通过for循环进行匹配，这种方法的优点是直观，但是算法的时间复杂度太高，重新设计一种体温计算方法，比如二分法或多项式拟合法，并在静态工程中实现之后予以验证。《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义205.本章习题 1.正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）的区别是什么？YSI型体温探头属于哪种类型电阻器？ 2.YSI型体温探头的标称阻值Rc是多少？ 3.为什么需要对体温测量系统进行校准？ 4.同样是求平均函数，