生物医学信号数据采集系统的设计[20200408095727]
摘 要
随着生活水平的提高和科学技术的发展，现代医疗仪器的发展越来越得到人们的关注，而现代医疗仪器的运用又主要依靠生物体所产生的各种生物医学信号。
本文主要设计一个生物医学信号数据采集系统，能够通过高灵敏、高精度的传感器将采集到的心电信号经过不同类型的放大、滤波(主要有高通滤波、低通滤波、带通滤波)等处理，得到低噪声和稳定高效的心电信号。然后对采集系统采集到的模拟信号，通过A/D转换模块进行数字化，再由液晶显示屏显示出采集到的心率参数。
本系统安装方便、可靠性好、操作简单，能够简单快速的采集到所需的相关生物医学信号参数。
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关键字:生物医学信号心电信号A/D转换液晶显示
目 录
1. 绪论 1
1.1 目的和意义 1
1.2 国内外发展现状 1
1.3 课题研究的主要内容 2
2. 系统设计原理 3
2.1 生物医学信号特点及其采集方法 3
2.2 数据信息采集原理 3
3. 系统整体设计 5
3.1 系统技术要求 5
3.2 系统方案选择 5
3.3 系统结构设计 7
3.3.1硬件系统 7
3.3.2 软件功能 8
4. 系统硬件设计 9
4.1 采集电路模块 9
4.1.1 传感器电极选择 9
4.1.2 前置放大电路设计 9
4.1.3 右腿驱动电路 11
4.1.4 滤波电路设计 12
4.2 电平提升电路设计 14
4.3 A/D转换模块电路设计 15
4.4 液晶显示 17
5. 系统软件开发 19
5.1 软件开发环境Keil C51简介 19
5.2 软件设计框图 20
5.3 部分程序 20
6. 系统调试 24
6.1 电路连接调试 24
6.2 数据调试 25
结束语 26
参考文献 27
致 谢 28
附录 系统程序 29
1. 绪论
生物医学工程学（biomedical engineering，BME）作为一门新兴前沿的交叉学科，它由现代生物学、现代医学和工程学相互渗透而产生。与现代生物医学电子学、生物材料、生物力学、生物物理化学、生物效应、人工器官等开发和研究直接相关的生物医学信号数据采集系统是现代生物医学工程学科发展中的一个先导化技术，在这些领域研究中完成对各种生物医学信号（心电图ECG、脑电图EEG等）的采集，进而对采集到的数据进行分析，为下一步的开发研究提供数据支持[1]。
1.1 目的和意义
随着现代通信、信息处理、微处理器等高科技技术的发展，在现代医学院的授课、研究和医院的临床检查、重症护理等领域广泛各类生物医学数据采集仪器，通过这些仪器不仅可以得到病人诊断依据，而且能够完成对病人生理状况的检测。但当前生物医学信号数据采集系统普遍比较笨重，不宜携带，而且操作比较复杂。例如医院普遍采用的心电监护仪，往往需要一辆小车承载，人为推动行走。这些现状不符合数字化、系统化、小型化的现代医学仪器研发方向。将严重影响现代医疗仪器和生物医学工程学科的发展。所以必须研发新一代便携式、小型化、易操作的新一代生物医学信号数据采集系统。作为现代医学技术核心的采集系统，是医生对病人病理诊断、生理状况监测的重要工具。有了它，医生对病人病情诊断的可靠性将得到极大提高，从而及早对症下药，挽救病人生命。
1.2 国内外发展现状
在现代科学技术迅猛发展的今天，各种高技术的医学仪器不断产生，尤其是信息采集、图像处理和计算机技术的高速发展，使得对现代化医学仪器的开发研究，进入了以计算机为核心的阶段。运用电脑对各种医学数据进行信息化处理已广泛的应用于各种医学教学、科学研究、临床检查和病症监护等。各种与计算机结合的一体化智能生物医学信号数据采集系统在此背景下于国内外出现。
上世纪80年代，用模拟式电话线作为心电信号心电图传输线的医学监测中心在国外建立，这之后开始研究数字式心电图信号传输。英国著名的牛津大学学者约翰首先采用了通过远程监护让产妇在家中采集心率、血含氧量、心电图等有关的生理参数。之后德国的医学研究机构开始尝试用宽带视频远程连接老年家庭，通过其采集老人的生理指标，方便医生快速反应从而提高医疗救助。在新世纪开始的前五年里，美国提供了151.5亿美元、欧盟提供了17．5亿美元给相关远程医疗的研究所，让其进行研究工作，同时民间私有公司也开始跟进，进行各类医学采集系统的研发工作。
因历史原因我国在这些方面的研发起步晚，起点高明显迟于西方国家，不过令人惊喜的是随着我国经济的飞速发展，以及百姓对生命健康的关注，使得这类医学产品的需求量大大提高。我国最早在此方面研发的是1994年清华大学研制成功的家用心电/血压监测系统，其后在2005年6月，位于山东的山大附属齐鲁医院完成了我国第一家心脏远程监测中心的建设，实行24小时监护，及时、实时传递病人生理信息，为监护中心完成病情处置提供了预警[2]。
虽然此系统在当前有了快速的发展，但在目前的国内外已产生的这类系统中，仍然存在着价格昂贵、操作复杂等缺陷。为更好地满足当代医疗器械的发展和人们对高效率、高稳定性医疗器械的需要，进行生物医学信号数据采集系统的开发钻研与设计是十分必要的。
1.3 课题研究的主要内容
当前系统主要应用于一些医学类院校专业的生理、药理以及病理生理学的相关实验教学和对应学科的科学研究工作。该系统使用了比较先进的集成化芯片以及满足扩展要求的软件技术实现由旧式晶体管线路放大仪器、刺激器、示波器组合实现的信息采集，到新一代数字化生物医学信号的采集、放大、滤波、A/D转换、显示等多功能便捷化的医学信号采集系统。
生物医学信号数据采集系统是由硬件模块和软件设计两个大的部分组成。其中硬件系统是主要通过高灵敏、高精度的传感器，完成对心电信号采集，在完成信号采集后将所采集到的信号进行放大、滤波，然后进行A/D转换，再将以数字化后的信息输出。而软件设计主要用来完成对已经转化后的数字信息的显示。本文设计的生物医学信号数据采集系统的硬件模块由生物医学信号采集放大滤波模块和单片机控制A/D转换模块两部分组成。
2. 系统设计原理
2.1 生物医学信号特点及其采集方法
生物医学信号数据采集系统所要采集的对象是生物体发出的各种生物医学信号，其中主要包括各种生理参数，主要包括两种，一类是像心电、脑电、肌电等这样的生物电信号；另一类是像体温、脉搏、身体血压、呼吸、血管血流量等的温度、数值、压力、体积、流量等这样的非电量信号。生物医学信号一般是在各种噪声环境下的一类频率低、信号弱的信号，它是由生命体散发出的各种不稳定、不定的生理信号。生物医学信号明显的不同于我们生活中可以见到的一般工程控制现场的各类信号。它具有以下的几种典型特点：产生的频率低、信号弱、受干扰强、难获取，并且由于所采集的直接信号的信号源是我们不可直接接触的，必须要在体表测量，所以所要采集的信号电压、频率都很小，例如心电信号的电压为几百微伏至几毫伏，肌电信号的频带为l0Hz至2000Hz，而脑部发出的脑电信号为2uV至100uV，频带为0.5Hz至100Hz[3]。
同时在采集信号的过程中，我们常把非研究对象所产生的各类信号均认为是噪声或干扰，故而在研究心电信号ECG时，常常会夹杂着肌电信号的干扰。其次干扰还会来自各种电极运动、偏移电流、50Hz的工频电源干扰以及一些发出功率比较大的电器例如电视机或通讯设备产生的一些电磁信号干扰等，它们的功率、电压幅度、频率常大于研究对象的信号。因此进行生物医学信息采集时和进行医疗仪器研发时要求我们必须认识到生物医学信号这些不同于那些一般干扰、噪声信号的特点。所以在数据信号采集中，必须完成对干扰信号的过滤、处理。
2.2 数据信息采集原理

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