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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 传感采集接口的设计。. 数据传感采集接口概述人体的各种物理量（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/ 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；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，以便得到信号检出时的最大保真度;信号源与数据采
2、集电路间的接口电路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。有的还应有相应的校准电路(如血压定标电路）.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CG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
3、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4 75Hz.在心电图机中采用25H或Hz肌电滤波器。心电信号前置放大器图心电信号前置放大器心电图具有很低的频率成分,诊断用005Hz；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，因而监护仪的低端频率为. 0。5z。心电图机采用1z去漂移滤波器。心电图机电极和皮肤接触时，有些电极可以产生几
4、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10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。前置放大器和主放大器之间可通过C耦合，它决定了心电图机的低频响应,低端频响常以C 乘积(即时间常数来表示）,如1。6秒，2秒。心电信号前置放大器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1k电阻以减少接触电阻不平衡的影响。三运放前置放大器：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。差分电路的特点是抑制因静电或磁感应而引入的5
5、H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。进一步去除5z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接的导通回路.（3） 利用浮地输入双层屏蔽放大器。数字化医疗仪器的共模干扰RxExI2I1R2R1ECMRCMEnHR1Z1Z2L数字化医疗仪器数字化医疗仪器eBenRxExIEVi数字化
6、医疗仪器的串模干扰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 AD 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，应选用带有屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号线.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;3=R4；56Vo1V2IG（1RG);V-Vi2GRG;故： 1
7、Vo2=(Vi1Vi）(R1+RG）/AV=（2R1+RG)RG=1+2R1/RG而：AV2= - R/R3所以：总差模增益 AV=V1*V2 (+2R/R)5）/R 而总共模增益AVM=AVM1AM2=10=0AAAVi1Vi2R1R2RGR3R4R6R5V0+-三运放电路特点为:高输入阻抗;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如图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.当R2=R3，4=R6，=R7例：V = 2 R + 1 R 5 A R 1 200100 = + 倍A 2110 20 调节R14，可减小共模输出信号。二、光电耦合接口电路在病人
8、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。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.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。而：i2 =V c2v+R 5R 7 +R8若Vc1 =Vcc2,调 R5 ，使V V cc R2R5vR电路的增益推导如下:2111RVRviccI+=因光电管完全匹配，故： i2108R = R， v 0 =
9、1v1+8v0R7 + R8Av= R1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.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.两组电源也需要隔离.5.2 CF型数字式单道心电图机（E695D)5. 概述C691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图机。该机小巧轻便，操作简便，记录清晰.EG51心电图机安全规格符合GB9706119标准要求，为1类C型机器。可作腔内心电图检查,极限漏电流
10、10uA。1。EG6951D主要特点(1)采用1位微处理器。（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.（)具有3.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.（4)具有手动/自动记录方式，自动方式下基线位置自动控制、增益自动控制可手动移位控制。ECG691D主要特点(5)自动方式下,导联记录时间可设定。(6)步进马达及高效传动系统，可靠性高,起动特性好。(7）有工作异常检测、指示和标记功能,缺纸检测和指示。（8)安全保护功能:输入
11、除颤保护、热线阵打印缺纸保护等。（)电池充电自动控制。CF型数字式单道心电图机（695D)C-951D主要技术指标(1）ECG输入导联： 标准2导联输入方式： 浮地输入输入回路电流：0A 极化电压:300mV 标准灵敏度： 0.2m/eV 共模抑制比：0 频率响应：10Hz dBF型数字式单道心电图机(ECG-651D）（)波形处理交流滤波： 50z 肌电滤波： 35H 时间常数:3。2秒波形状态检测： 电极异常灵敏度选择: 5、10、20mmm型数字式单道心电图机(C951）()记录器打印方式： 高分辨率热打印头打印密度： 200dpi (垂直方向） 记录宽度: 4m 走纸速度： 25，50
12、mm记录纸: 50mm(宽）x 0m（长)卷纸 （4)液晶显示屏显示区域： 65 33mm 分辨率： 28点（列）x6点(行）C型数字式单道心电图机(C-6951D）（5）示波输出插口灵敏度: 0.5V/mV 输出阻抗: 00（6)外接输入插口灵敏度 ：0m/.5V 输入阻抗： 对地100kF型数字式单道心电图机（EG-951D）(7)电源交流电源： 22V/50Hz输入功率: 约35A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
13、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.输入（心电信号）前放电源输出（描记心电信号）主放+12 +8 -8控制心电图机原理框图5。2. 数字式单道心电图机软件原理1、单片机软件特点E691D的控制核心使用的是位单片机，单片机设计包 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。单片机的软件具有如下特点：(1）与硬件联系紧密，必须要对硬件有一定的了解.（）有自己特殊的指令和编译连接系统.（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单片机应用系统图数字式单道心电图机软件原理2、主控CPU特点EC-51D控制核心使用的是Il公司生产的高性能1位单片机80C16M，其特适用于各类自动控制系统，一般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Itel16位单片机具有的下述特点可以提高系统的实时性:()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,CU的操作直接面向寄存器,消除
