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1、数字化医疗仪器第五章 数字化 医学仪器应用实例5.1 传感采集接口的设计 5.1.1 数据传感采集接口概述v人体的各种物理量（生物电位，心音，体温，血 压等）需用传感器将其变成电信号，经由诸如放 大，滤波，干扰抑制，多路转换等信号检测及预 处理电路，将模拟量的电压或电流送 A/D 转换， 变成数字量，供计算机处理。传感器信号检测 预处理/D转换并行接口微处理机5.1.2 信号源与数据采集电路间的接口电路v前置预处理接口电路应该具有很高的输入阻抗 和共模抑制比，其输入级应有必要的保护及隔 离措施；v为适应不同生理信号幅度和输出的幅度范围， 应有足够的增益，电路既要滤除各种干扰，又 要频带合适，以
2、便得到信号检出时的最大保真 度；信号源与数据采集电路间的接口电路v为与数据采集电路适配，输出端输出阻抗要低， 幅度的动态范围、模拟信号的极性、状态信号的 电平等等都必须符合配接的规定。v有的还应有相应的校准电路(如血压定标电路)。v下面只就仪器中应用较多的生物电放大器和光电 隔离电路做些介绍。信号源与数据采集电路间的接口电路 一、心电信号放大器为了给AD转换提供一个低噪声、高灵敏 度和幅度足够大的ECG信号电压。完整的心电信号放大器应由输入保护及屏蔽 电路、心电信号前置放大器、光电隔离电路、主 放大电路、灵敏度调节和50Hz陷波电路、抗干 扰滤波电路、外接输出电路以及限幅比较器、闭 锁电路、无
3、效信号检测电路等组成。以下重点介绍心电信号前置放大器，如后 页图所示。心电信号前置放大器心电图机用于测量体表心电图需要的频响为 0.05 100Hz，因为骨骼肌信号在这范围内也比 较大， 所以在心电图内产生躯体的伪迹。在诊断场合要求患者在几分钟内不动是办不 到的，但对长期受监护的病人则更难办到，病人 的肌电干扰就不可避免。在监护时，往往把高频端限制在45 75Hz 。在心电图机中采用25Hz或35Hz肌电滤波器。 心电信号前置放大器图心电信号前置放大器v心电图具有很低的频率成分，诊断用0.05Hz；但 对监护仪来说，呼吸，电极偏置电位的变化，环 境温度的变化及身体移动都会引起基线漂移，因 而监
4、护仪的低端频率为0.1 0.5Hz。心电图机采 用0.1Hz去漂移滤波器。v心电图机电极和皮肤接触时，有些电极可以产生 几百mV的极化电位。前置放大器的放大倍数不 宜太大，以避免造成电路饱和，前置放大器的增 益一般在100以下。为使心电信号推动记录机构 ，需要主放大器将心电信号进一步放大。v前置放大器和主放大器之间可通过RC耦合，它 决定了心电图机的低频响应，低端频响常以RC 乘积（即时间常数来表示），如1.6秒，3.2秒。 心电信号前置放大器v心电图机电极和皮肤接触时的接触电阻不平衡降 低抗干扰能力，故在每根导联线与缓冲放大器之 间都接有10k电阻以减少接触电阻不平衡的影响。v三运放前置放大
5、器:v心电图机常采用三运放组成的仪用放大器，如下 页图所示。差分放大电路对经过导联选择电路选 择的心电信号进行放大。v差分电路的特点是抑制因静电或磁感应而引入的 50Hz交流共模干扰信号，使所需要的心电图信号 得到放大，其放大倍数约为20倍。v进一步去除50Hz干扰还装有50Hz滤波电路。 三运放前置放大器图心电信号前置放大器抗共模干扰电路共模干扰就是同时叠加在两条被测信号线上 的外界干扰信号，因屏蔽引线的分布电容不完全 相等而引起。 抑制共模干扰的措施： （1）利用双端输入的运放作为前置放大器，抑制共 模干扰。 （2）利用隔离放大器，变压器或光电耦合器将信号 源和仪器隔离，使两个地之间没有直
6、接的导通回 路。 （3）利用浮地输入双层屏蔽放大器。RxExI2I1R2R1ECMRCMEnHR1Z1Z2L数 字 化 医 疗 仪 器数字化医疗仪器的共模干 扰数字化医疗仪器eBenRxExIEVi数字化医疗仪器的串模干扰v串模干扰 它是由外界条件引起的，叠加在被测电压上的干扰信 号，并通过测量仪器的输入端，与被测信号一起进入测量 仪器而引起的测量误差。串模干扰主要来自于高压输电线 所产生的空间电磁场。 抑制串模干扰的措施： （1）采用滤波器双T滤波器，低通滤波器等。 （2）选择器件采用双积分型的 A/D 器件。积分周期要等于工频周 期的整数倍。 （3）电磁屏蔽除进行电磁屏蔽外，应选用带有屏蔽
7、层的双绞线或同 轴电缆作信号线。v三运放电路特点为:1、高输入阻抗; 2、高共模抑制比CMRR; 3、改变RG 可调节放大倍数。 公式计算： 设： R1=R2；R3=R4；R5=R6Vo1-Vo2=IG（2R1+RG）；Vi1-Vi2=IGRG； 故： Vo1-Vo2=（Vi1-Vi2)(2R1+RG)/RGAV1=(2R1+RG)/RG=1+2R1/RG 而：AV2= - R5/R3 所以：总差模增益 AV=AV1*AV2= - (1+2R1/RG)R5)/R3而总共模增益AVM=AVM1*AVM2=1*0=0AAAVi1Vi2R1R2RGR3R4R6R5V0+-三运放电路特点为: 高输入阻
8、抗; 高共模抑制比CMRR; 改变RG 可调节放大倍数。心电信号前置放大器v如图9-3所示三运放组成的放大器，是心电图机通常采 用的放大器。v当R2=R3，R4=R6，R5=R7v例：v调节R144,可减小共模输出信号。 二、光电耦合接口电路v在病人与仪器设备之间必须有良好的隔离措施 ，以免病人受到仪器漏电时的强电危害以及使 用除颤器时设备受到高电压冲击的损伤。因此 ，隔离放大器是必不可少的。v目前用于这种隔离的器件有许多种，例如光电 耦合器、变压器、光敏电阻、磁敏电阻或霍尔 效应器件等。v下图为接口电路的工作原理 光电耦合接口电路由于光电管选用的是配对器件，放大器的性能近于理想 ，配对电阻近
9、似相等，电路补偿效果可以很好，整个电路 线性度容易达到1。电路的增益推导如下：因光电管完全匹配，故 ：而： 若 ，调 ，使 ，v电路中的电容是为了扩大放大器工作的频率范 围而设置的。 v由于电路具有线性和宽带等特点，常串接在生 物电放大器的前置输入和主放大器之间，有效 地避免了触电危险和设备损伤的可能，抑制了 微机系统与生物电放大器之间共地而产生的回 流干扰。 v两组电源也需要隔离。5.2 CF型数字式单道心电图机 （ECG-6951D） 5.2.1 概述 vECG-6951D心电图机是上海光电医用电子仪器 有限公司开发的一种带有液晶显示屏幕的热线阵 打印和微处理器控制技术的普及型单道自动心电
10、 图机。v该机小巧轻便，操作简便，记录清晰。vECG-6951D心电图机安全规格符合GB9706.1- 1995标准要求，为1类CF型机器。可作腔内心 电图检查，极限漏电流10uA。1ECG-6951D主要特点v(1)采用16位微处理器。v(2)采用热线阵打印技术，消除了非线性及过冲 问题，并可以打印记录心电波形、导联名称、 时标、走纸速度、增益、滤波器等数据。v(3)具有3.2英寸黄绿模式液晶显示屏，能显示导 联的状态、走纸速度、滤波、灵敏度、手动/自 动状态，及缺纸及工作异常的显示。在工作状 态时能显示心电波形。v(4)具有手动/自动记录方式，自动方式下基线位 置自动控制、增益自动控制可手
11、动移位控制。ECG-6951D主要特点v(5)自动方式下，导联记录时间可设定。v(6)步进马达及高效传动系统，可靠性高，起动特性 好。v(7)有工作异常检测、指示和标记功能，缺纸检测和 指示。v(8)安全保护功能：输入除颤保护、热线阵打印缺纸 保护等。v(9)电池充电自动控制。CF型数字式单道心电图机 （ECG-6951D）v2ECG-6951D主要技术指标v(1)ECG输入v导联: 标准12导联v输入方式: 浮地输入v输入回路电流： 0.1Av极化电压： 300mVv标准灵敏度： 1002mm/reVv共模抑制比： 100 dBv频率响应：1150Hz -3dBCF型数字式单道心电图机 （E
12、CG-6951D）v(2)波形处理v交流滤波: 50Hzv肌电滤波: 35-45Hzv时间常数：3.2秒v波形状态检测: 电极异常v灵敏度选择: 5、10、20mm/mVCF型数字式单道心电图机 （ECG-6951D） v(3)记录器v打印方式: 高分辨率热打印头v打印密度: 200dpi (垂直方向)v记录宽度: 48mmv走纸速度: 25，50mm/sv记录纸: 50mm(宽)x 30mm(长)卷纸v(4)液晶显示屏v显示区域: 65 x 33mmv分辨率: 128点(列)x 64点(行)CF型数字式单道心电图机 （ECG-6951D）v(5)示波输出插口v灵敏度: 0.5V/mVv输出阻
13、抗: 100v(6)外接输入插口v灵敏度 : 10mm/0.5Vv输入阻抗: 对地100kCF型数字式单道心电图机 （ECG-6951D）v(7)电源v交流电源: 220V/50Hzv输入功率: 约35VAv直流电源: 机内铅蓄电池, 连续工作时间2小时； 充电自动控制(带涓流充电)，有过充电保护v节电功能：直流状态下无键操作约5分钟后自动切 断电源。3心电图机方框图心电图机主要由前置放大板、主放大板 、控制板、电源板四块板以及马达、记录器、热笔等机械装置组成，框图如下图所示。 心电图机原理框图 电源控制输出（描记心电信号 ）前放主放输入（心电信号） +12 +8 -85.2.2 数字式单道心
14、电图机软件原理 v1、单片机软件特点vECG-6951D的控制核心使用的是16位单片机，单 片机设计包含硬件设计和软件设计，结合基于单 片机的应用软件，来完成一系列功能。如下页图 所示。v单片机的软件具有如下特点：v(1)与硬件联系紧密，必须要对硬件有一定的了解 。v(2)有自己特殊的指令和编译连接系统。v(3)软件具有个性，不同的芯片软件一般不能通用 ，必须经过移植。 数字式单道心电图机软件原理硬件软件单片机应用系统图数字式单道心电图机软件原理v2、主控CPU特点vECG-6951D控制核心使用的是Intel公司生产的高 性能16位单片机80C196MH，其特别适用于各类 自动控制系统，一般
15、的信号处理系统及高级智能 仪器。因为这些系统通常要求实时处理、实时控 制。而Intel16位单片机具有的下述特点可以提高 系统的实时性：v(1)CPU中的算术逻辑单元不采用常规的累加器结 构，改用寄存器寄存器结构，CPU的操作直接 面向寄存器，消除了一般CPU结构中存在的累加 器瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。数字式单道心电图机工作原理v(2)通用寄存器的数量远比一般CPU的寄存器数 量多。这样就有可能为各中断服务程序中的局部 变量指定专门的寄存器，节省了中断服务过程中 保护寄存器现场和恢复寄存器现场所需的软件工 作，方便了程序设计。v(3)有效率更高、执行速度更快的指令系统。v(4)
16、具有外设事务服务器PTS，专门用于处理外设 中断事务，和普通中断服务过程相比，PTS服务 大大减少了CPU的软件处理。此外，80C196MH还具有丰富的外设。如下图所示： 80C196MH外设图数字式单道心电图机工作原理v(1) 外设事务服务器PTSvPTS是一种微代码硬件中断处理器，可以减少CPU响 应中断的处理。靠若干组固定的微代码，PTS可以 对一些固定的操作实现高速的中断服务。如：数据 传送、启动A/D转换并读取转换结果等。v(2) 事件处理器阵列EPAv包含若干个捕获/比较模块和若干比较模块，用来 实现输入事件和输出事件发生的功能。v(3) 灵活的A/D转换器vA/D转换器具有转换位数（8位和10位)可选择、采 样和转换时间可选择的特点。 数字式单道心电图机工作原理v(4) 波形发生器v可以输出2组互补的3相PWM信号，特别适合用于电 机控制系统。v(5) 从口（SLAVE PORT）v从口为单片机和其他微处理器之间提供一个接口 ，可以相互通讯。v(6) 同步串行口v支持若干标准同步串行传输协
