实验题目: 心电脉搏同步采集系统设计

1. 实验内容与任务（限 500 字）

基本要求：

1）了解中立医疗四导联心电 holter 信号采集系统使用方法及工作原理，能够使用该设备采集人体心电信号；
2）熟悉脉搏传感器工作原理，选择脉搏传感器，设计脉搏信号采集及预处理电路，采集脉搏信号；
3）熟悉MP425同步数据采集卡使用方法，在上位机开发心电脉搏信号同步采集系统；
4）系统可同步显示、存储心电脉搏信号；可计算脉率，且测量误差不超过 2 次/min；可设定脉率阈值，脉率异常时可声光报警。

扩展要求：

5）根据同步心电、脉搏信号，计算脉搏波传输时间PTT；
6）根据 PTT 估算瞬时血压，血压估计精度不超过 8mmHg。

2. 实验过程及要求（限 300 字）

1）方案论证：了解脉搏信号特点，对比不同测量方法优缺点， 熟悉相应测量方法工作原理；
2）电源模块：根据测量方案，选择传感器及其相应供电方式，如选择光电传感器，则需根据光谱范围，选择合适的光电器件，再选择供电方式，以保证光源稳定工作；
3）调理电路：根据脉搏波特点，确定放大电路的输入阻抗和增益，选择放大器类型，设计放大电路；确定滤波器参数，设计预处理电路；仿真优化所设计电路；搭建实际电路，实现脉搏信号采集；
4）设备使用：使用心电 holter采集心电信号；学习使用双诺 MP425同步数据采集卡；
5）软件开发： 采用 NI 公司 labview 开发心电、脉搏同步采集系统，设计人机交互界面实现受试者基本信息管理；开发功能模块，实现心电、脉搏信号的同步显示、存储，脉率计算及健康状态评估报警功能；
6）系统联调；
7）设计总结：撰写总结报告，分组演讲，学习交流不同解决方案的实现。

3. 相关知识及背景（限 150 字）

随着老龄化社会临近及人们健康意识的提高，健康监护设备逐步得到重视。心电、脉搏、血压是人体重要的生理参数，可用来预测和评估人体健康状态及病理变化。

实验涉及直流电源设计、微弱信号放大电路设计、调制解调电路、低通滤波电路设计及上位机编程训练，是一个综合运用传感器及检测技术、模拟电子技术及软件开发等知识解决现实生活实际问题的典型案例。

4. 教学目的（限 100 字）

通过较完整的工程项目，引导学生针对待解决问题查找文献，方案论证，根据工程需求确定解决方案；引导学生根据所选方案设计电路、选择元器件，构建测试环境，并通过测试与分析对项目作出技术评价。

5. 实验教学与指导

本实验的过程是一个比较完整的实际项目，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

应用背景：人体生理参数与人体健康状态关系密切，无创健康监测设备可随时随地获得健康数据，对即将到来的老龄化社会更具现实意义。心电、脉搏信号的同步获取还可以进一步评估血压、血管状态及预测疾病急性发生风险等，具有实际应用价值。

实验指导：

硬件设计：不同传感器供电方式、输出信号的形式、幅度存在很大的差异，需根据具体实现方案确定；信号放大和调理电路也要根据信号的特性来设计；人体生理信号通常比较微弱，通常在微伏级到毫伏级范围，放大电路适合使用放大倍数高、共模抑制比好、零漂小的仪用放大器，此外，传感器的使用说明中通常都有推荐的参考电路；脉搏信号调理通常只需低通滤波，但为避免更多干扰的影响可考虑使用调制解调电路。

软件设计：实验要求应用 labview 设计人机交互界面，作为一种数据流、模块化方式的编程软件，其实现难度不大，通过调用相应的显示、滤波、存储控件即可实现系统部分功能，需要设计的部分有良好的人机交互界面、脉率计算及报警功能的实现，通过简单控件组合亦可实现。

设备使用：简略地介绍设备的基本工作原理，要求学生自学 holter 使用方法，了解 MP425 采集卡数据存储方式，读懂其配套 labview 采集程序。

验收审核：在电路设计、搭建、调试完成后，按要求测试；测试完成后组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

5） 注意事项：在设计中，提示学生设计的规范性；以模块化形式进行系统设计；注意传感器接口、数据采集卡各接口的功能定义。在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，保证电路工作的稳定性与可靠性。

6. 实验原理及方案

1）系统结构

实验包括脉搏检测模块、心电检测模块、与上位机的通讯模块及软件程序模块，整个系统框图如图1.

图 1 系统整体框图

2）实验原理及方案

实验中硬件的核心是脉搏检测模块的设计、仿真、搭建、调试，脉搏信号检测方法多样，再此以光电透射式脉搏传感器实现为例，说明脉搏波获取原理及方案。

透射式脉搏传感器，即医疗监护用血氧探头，其内部有红光及红外光两个发光二极管及一个光敏接收管，外观及测量原理如图1所示。血氧探头以双波长法为基础实现对血氧饱和度的计算，如果仅需要脉搏波，可根据任一发光管（红光/红外光）发出的光透过手指被光敏接收管接收的光通量来获得。实验采用的血氧探头发光二极管体积较小，透过手指的光强较弱，易受外界干扰。从强噪声中提取弱信号，可采用光调制方法，脉搏采集系统框图如图 2，一种可行实现方案的核心电路列表如表 1。

图 2 脉搏传感器结构与测量原理

图 3 脉搏检测电路系统框图表 1 电路核心部分可行方案

与上位机的通讯采用即插即用型数据采集卡完成，其内部设置的 DFIFO 确保实时不间断采集。

软件设计包括信息录入模块、信号同步显示模块、滤波效果观测窗口，心率显示及报警专区，由学生自行设计完成。

3）提高部分提示

脉搏波传输时间临床上定义为心电 R 波与到达手指脉搏波最低点间的时间差，如图4所示。瞬时血压数值可通过公式 $\mathrm { B P = a \times P T ^ { + } b }$ 估算，a,b为拟合系数，需自行设计实验得出，以提高估计精度。一个可能的估计公式为 $\mathrm { S B P = - 0 . 2 4 1 \times P T T + 1 1 5 . 3 }$ DBP=$- 0 . \ 1 2 5 3 \times \mathrm { P T T } + 7 0 . \ 8 7$ 。

图 4 脉搏波传输时间示意图

7. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析：反映设计装置的应用背景及技术指标；
2）实现方案论证：详细论证设计方案，包括选择依据、整体框图、软件实现等；
3）理论推导计算：根据信号特性，给出理论指导，进行公式计算；
4）电路设计与参数选择：模块化设计，对每个模块实现的功能、电路结构、参数设

定给出选择依据，通过公式计算结果给出器件选择列表；

5）电路测试方法：焊接、调试脉搏检测电路；
6）实验数据记录：软件中显示心率、存储波形及数据及实现报警各模块实现方法；
7）数据处理分析：心率计算模块及报警阈值设定分析；若涉及提高部分，可选择合适的处理方法，获得有效数据，根据公式获得 PTT 及瞬时血压，并与血压计示值对比，给出误差分析。
8）实验结果总结：对设计的系统进行整体评价，总结设计中遇到的问题及解决的办法，设计的优缺点及改进方案。

8. 考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1）实物验收：在规定时间内实现任务要求的基本功能。
2）实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺；软件界面的交互功能及功能实现的完整性。
3）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
4）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。
5）实验数据：测试数据和测量误差。
6）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

9. 项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

该项目具有实际的工程背景，可采用光电、压电等传感器多种方法实现测量，可综合应用所学知识解决问题。学生即可在现有指导建议基础上设计系统，也可自由发挥，自行设计实现方案。题目具有潜在的应用价值，学生可在此基础上，开拓思路，获得更多的人体健康数据，开发更深层次的应用。