生物信息检测实验

生物信息检测实验指导书（第一版）生物信息学院生物医学工程教学部版权所有2004.9医学信息检测实验指导书―――生物医学工程教学部2目录前言.........................................................................................................................................3实验须知...................................................................................................................................4实验一、常用开发工具和应用软件的使用...................................................................................6实验二、心电信号前置放大电路设计...........................................................................................8实验三、前端信号采集器和计算机间的数据通信.....................................................................10实验四、心电信号时域分析.........................................................................................................14实验五、心电信号特征识别.........................................................................................................17实验六、心电信号频域分析.........................................................................................................20实验七、生理信号采集分析系统应用.........................................................................................25实验八、医学图像的几何变换.....................................................................................................26实验九、医学图像的灰度变换.....................................................................................................28实验十、视觉电生理信号检测.....................................................................................................31实验十一灰度图像的伪彩色处理...............................................................................................36试验十二、简易电子体温计设计.................................................................................................38实验十三、微弱生物电放大器设计.............................................................................................40主要参考文献.................................................................................................................................43附录1：USB专用函数接口原型说明...............................................................................44医学信息检测实验指导书―――生物医学工程教学部3前言实验教学是工科院校三大教学环节之一，通过实验不仅可以巩固、加深对基础理论知识的理解，而且可以培养学生独立分析问题、解决问题的能力和严谨的工作作风，以适应未来工作的需要。由于知识更新周期大大地缩短，为了顺应生物医学工程学科的快速发展，必须深化教学改革，加强实践性教学环节，加强对学生动手能力的培养。结合本专业要求，以及实验独立设课的特点，我们编写这本教材时加强了现代信息技术在生物医学中的应用，注重实验内容的典型性、实用性、设计性和新颖性。力求在原理阐述上深入浅出，通过对仪器、仪表操作、电路器件设计制作、数据测试和软件编写，达到培养学生分析问题和解决实际问题的能力。本书在编写过程中参考了许多同行的研究成果，编者在此表示感谢。由于编者水平有限和时间仓促，难免有不足之处，希望读者提出宝贵意见，批评指正。编者2004年9月医学信息检测实验指导书―――生物医学工程教学部4实验须知一、学生实验守则实验教学是对学生进行最佳智能结构培养的必要教学环节，也是培养合格人才的重要环节。学生应通过科学实验努力培养自己的独立工作能力、动手能力、观察能力、分析能力和创造能力；培养严肃认真的科学态度，理论联系实际和求真务实的作风；努力通过实验教学深化对所学理论知识的认识。为了严肃认真地完成教学所规定的全部任务，特作如下规定，必须认真执行。1．实验前认真预习，经指导教师质疑不合格者不应盲目进行实验操作。2．学生在实验室工作必须严肃认真、提倡创新，听从教师指导。严格按操作规程进行操作，认真观察分析实验现象，如实记录实验数据，不得捏造数据或抄袭他人结果。3．不得迟到，保持环境安静、整洁，严禁吸烟、随地吐痰和丢弃垃圾废弃物。4．爱护公共财物，未经许可，不得随意动用别组的仪器、工具、材料。损坏公物，照价赔偿。5．注意安全，如遇异常情况，应立即切断电源、熄灭火源、关闭水源，防止事故蔓延扩大。并保持现场，及时报告指导老师作好善后处理。6．实验结束，应切断仪器电源、数据交教师评阅合格后，整理好仪器设备、工具、器材、桌椅等。7．认真完成实验报告，按时交指导教师评阅。二、实验报告要求实验报告是实验工作的全面总结和最终成果，要能完整和真实地反映实验结果。编写实验报告也是一种基本训练，必须以严肃认真的态度来对待。撰写实验报告要遵守一定的规范和要求。实验报告应书写简洁、文理通顺、数据、图表齐全。报告主要内容应包括：1有设计性的实验先要作好预设计工作。2实验名称。医学信息检测实验指导书―――生物医学工程教学部53实验目的。4实验设备与器件。（实际使用的设备、器件名称及型号）5对设计性的实验，要求有设计的整个过程。6记录实验数据，填写表格、画出图形。原始数据必须用铅笔填写，由指导教师签字，否则实验无效。7故障现象、分析及解决方案。8原始数据不能代替报告数据。实验报告没有按时上交及报告中的原始数据没有指导教师签字或伪造指导教师签字，都无效。医学信息检测实验指导书―――生物医学工程教学部6实验一、常用开发工具和应用软件的使用【实验目的】熟悉示波器、低频信号发生器等常用电子仪器的使用方法，熟练运用电子CAD技术设计医学仪器电路，熟练运用C语言编写单片机应用软件。【实验器材】微型计算机信号发生器示波器电源、单片机开发平台、万用表【实验说明】1.示波器型号很多，但使用方法基本相同，本次实验以GOS-620型双频道示波器为主介绍一般的使用方法2.低频信号发生器是一个能产生正弦电压的信号源，输出信号的频率为100μHz～5MHz。3.电子CAD技术旨在帮助电子设计工程师开发新的电子系统与电路、IC以及印制电路板等产品，实现在计算机上调用元器件库、连接画图、编制激励信号文件、确定跟踪点、调用参数库以及模拟程序等手段去设计电路。本次实验选用OrCAD作为电路图设计软件。【实验内容】1.信号发生器的使用（1）信号频率的调节：按【频率】键，显示出当前频率值。使用数据键或调节旋钮输入频率值，这时仪器输出端口即有该频率的信号输出。例：设定频率值5.8kHz，按键顺序如下：【频率】【5】【．】【8】【kHz】（可以用调节旋钮输入）或者【频率】【5】【8】【0】【0】【0】【Hz】（可以用调节旋钮输入）（2）信号周期的调节：如果当前显示为频率，再按【频率/周期】，即显示当前周期值，可用数据键或调节旋钮输入周期值。（3）信号输出幅度的调节：按【幅度】键，显示出当前幅度值。使用数据键或调节旋钮输入幅度值，这时仪器输出端口即有该幅度的信号输出。医学信息检测实验指导书―――生物医学工程教学部72.示波器的使用（1）接通电源，在加入被测信号之前，首先调节“轨迹及光点亮度控制钮”、“轨迹聚焦调整钮”，使屏幕上显示一条细而清晰的扫描基线，调节“位移”旋钮，使基线位于屏幕中央。然后将信号发生器的输出电压接入示波器，调节示波器的有关旋钮，使其分别在四种频率（200Hz,15kHz,195kHz,1MHz）时，屏幕上都出现三个完整的正弦波形，并使波形的高度为5cm。（2）测量信号电压将信号发生器输出信号的频率固定在10kHz，并保持输出为5V（在0dB时），然后将示波器输入选择开关置于“AC”位置，灵敏度的微调旋钮置于“校准”位置，被测信号经探极接入Y轴输入端，从波形的正峰至负峰根据坐标刻度读出Y轴偏转距离，根据Y轴灵敏度“V/cm”开关所处的位置，每厘米偏转电压乘以峰－峰之间的Y轴偏转距离，再乘上所用探极的衰减因数，即得到实际的峰－峰电压。3.应用OrCAD完成电路设计（1）参考所给电路图1－1，应用OrCAD完成电路设计（2）利用OrCAD将设计完成的电路原理图转换成电路板【推荐参考书】1、王辅春主编,OrCAD9.0简明教程,机械工业出版杜,北京，2000.92、鲁辉主编，周舟山审，C语言程序设计，机械工业出版社，北京、2002.7医学信息检测实验指导书―――生物医学工程教学部8实验二、心电信号前置放大电路设计【实验目的】1.应用专用仪用运算放大器构成生理前置放大电路的前端，并充分认识输入阻抗、共模抑制比等运放技术参数的选择对设计起着决定性作用。2.熟悉生物电信号的基本特征，并以心电信号为例掌握生物电前置放大电路的设计要求。【实验器材】示波器集成块：信号发生器电阻：万用表电容：【实验说明】人体心电信号是一种淹没在许多较强的干扰和噪声中(肌电干扰、工频干扰、放大器噪声及电极与皮肤界面之间的噪声等)的、信号源内阻高的微弱生物电信号。因此，要对心电信号进行精确测量，必须设计出性能优良的放大器，而放大器的核心和关键则是前置放大电路的设计，它的性能对测试结果影响很大。根据心电信号的特点以及通过电极提取的方式，前置级放大电路必须满足下列要求：（1）高输入阻抗，通过电极提取的心电信号是不稳定的高内阻源的做弱信号，为了减小信号源内阻的影响，必须提高放大器的输入阻抗。（2）高共模抑制比CMRR，前置级放大电路采用CMRR高的差动放大形式，将可减小人体所携带的工频干扰以及所测量的参数以外的生理作用的共模干扰。（3）高增益且可调节，以便处理心电信号幅值微弱且因人变化较大的情况。（4）低噪声，避免淹没极其微弱且信噪