【正文】 生物信息檢測實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 （第一版）生物信息學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程教學(xué)部版權(quán)所有目 錄50 / 50前 言 3實(shí)驗(yàn)須知 4實(shí)驗(yàn)一、常用開發(fā)工具和應(yīng)用軟件的使用 6實(shí)驗(yàn)二、心電信號前置放大電路設(shè)計(jì) 8實(shí)驗(yàn)三、前端信號采集器和計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)通信 10實(shí)驗(yàn)四、心電信號時域分析 14實(shí)驗(yàn)五、心電信號特征識別 17實(shí)驗(yàn)六、心電信號頻域分析 20實(shí)驗(yàn)七、生理信號采集分析系統(tǒng)應(yīng)用 25實(shí)驗(yàn)八、醫(yī)學(xué)圖像的幾何變換 26實(shí)驗(yàn)九、醫(yī)學(xué)圖像的灰度變換 28實(shí)驗(yàn)十、視覺電生理信號檢測 31實(shí)驗(yàn)十一 灰度圖像的偽彩色處理 36試驗(yàn)十二、簡易電子體溫計(jì)設(shè)計(jì) 38實(shí)驗(yàn)十三、微弱生物電放大器設(shè)計(jì) 40主要參考文獻(xiàn) 43附錄1： USB專用函數(shù)接口原型說明 44前 言實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工科院校三大教學(xué)環(huán)節(jié)之一，通過實(shí)驗(yàn)不僅可以鞏固、加深對基礎(chǔ)理論知識的理解，而且可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，以適應(yīng)未來工作的需要。由于知識更新周期大大地縮短，為了順應(yīng)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的快速發(fā)展，必須深化教學(xué)改革，加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)。結(jié)合本專業(yè)要求，以及實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)課的特點(diǎn)，我們編寫這本教材時加強(qiáng)了現(xiàn)代信息技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的典型性、實(shí)用性、設(shè)計(jì)性和新穎性。力求在原理闡述上深入淺出，通過對儀器、儀表操作、電路器件設(shè)計(jì)制作、數(shù)據(jù)測試和軟件編寫，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決實(shí)際問題的能力。 本書在編寫過程中參考了許多同行的研究成果，編者在此表示感謝。由于編者水平有限和時間倉促，難免有不足之處，希望讀者提出寶貴意見，批評指正。 編 者2004年9月實(shí)驗(yàn)須知一、學(xué)生實(shí)驗(yàn)守則實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對學(xué)生進(jìn)行最佳智能結(jié)構(gòu)培養(yǎng)的必要教學(xué)環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)合格人才的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生應(yīng)通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)努力培養(yǎng)自己的獨(dú)立工作能力、動手能力、觀察能力、分析能力和創(chuàng)造能力；培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，理論聯(lián)系實(shí)際和求真務(wù)實(shí)的作風(fēng)；努力通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)深化對所學(xué)理論知識的認(rèn)識。為了嚴(yán)肅認(rèn)真地完成教學(xué)所規(guī)定的全部任務(wù)，特作如下規(guī)定，必須認(rèn)真執(zhí)行。1． 實(shí)驗(yàn)前認(rèn)真預(yù)習(xí)，經(jīng)指導(dǎo)教師質(zhì)疑不合格者不應(yīng)盲目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。2． 學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室工作必須嚴(yán)肅認(rèn)真、提倡創(chuàng)新，聽從教師指導(dǎo)。嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行操作，認(rèn)真觀察分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不得捏造數(shù)據(jù)或抄襲他人結(jié)果。3． 不得遲到，保持環(huán)境安靜、整潔，嚴(yán)禁吸煙、隨地吐痰和丟棄垃圾廢棄物。4． 愛護(hù)公共財(cái)物，未經(jīng)許可，不得隨意動用別組的儀器、工具、材料。損壞公物，照價賠償。5． 注意安全，如遇異常情況，應(yīng)立即切斷電源、熄滅火源、關(guān)閉水源，防止事故蔓延擴(kuò)大。并保持現(xiàn)場，及時報(bào)告指導(dǎo)老師作好善后處理。6． 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，應(yīng)切斷儀器電源、數(shù)據(jù)交教師評閱合格后，整理好儀器設(shè)備、工具、器材、桌椅等。7． 認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，按時交指導(dǎo)教師評閱。二、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)工作的全面總結(jié)和最終成果，要能完整和真實(shí)地反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果。編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告也是一種基本訓(xùn)練，必須以嚴(yán)肅認(rèn)真的態(tài)度來對待。撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告要遵守一定的規(guī)范和要求。實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)書寫簡潔、文理通順、數(shù)據(jù)、圖表齊全。報(bào)告主要內(nèi)容應(yīng)包括： 1 有設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)先要作好預(yù)設(shè)計(jì)工作。2 實(shí)驗(yàn)名稱。3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件。（實(shí)際使用的設(shè)備、器件名稱及型號）5 對設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，要求有設(shè)計(jì)的整個過程。6 記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，填寫表格、畫出圖形。原始數(shù)據(jù)必須用鉛筆填寫，由指導(dǎo)教師簽字，否則實(shí)驗(yàn)無效。7 故障現(xiàn)象、分析及解決方案。8 原始數(shù)據(jù)不能代替報(bào)告數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告沒有按時上交及報(bào)告中的原始數(shù)據(jù)沒有指導(dǎo)教師簽字或偽造指導(dǎo)教師簽字，都無效。 實(shí)驗(yàn)一、常用開發(fā)工具和應(yīng)用軟件的使用【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹渴煜な静ㄆ?、低頻信號發(fā)生器等常用電子儀器的使用方法，熟練運(yùn)用電子CAD技術(shù)設(shè)計(jì)醫(yī)學(xué)儀器電路，熟練運(yùn)用C語言編寫單片機(jī)應(yīng)用軟件?！緦?shí)驗(yàn)器材】微型計(jì)算機(jī) 信號發(fā)生器 示波器 電源、單片機(jī)開發(fā)平臺、萬用表 【實(shí)驗(yàn)說明】，但使用方法基本相同，本次實(shí)驗(yàn)以GOS620型雙頻道示波器為主介紹一般的使用方法，輸出信號的頻率為100μHz～5MHz。、IC以及印制電路板等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上調(diào)用元器件庫、連接畫圖、編制激勵信號文件、確定跟蹤點(diǎn)、調(diào)用參數(shù)庫以及模擬程序等手段去設(shè)計(jì)電路。本次實(shí)驗(yàn)選用OrCAD作為電路圖設(shè)計(jì)軟件?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】 （1）信號頻率的調(diào)節(jié)：按【頻率】鍵，顯示出當(dāng)前頻率值。使用數(shù)據(jù)鍵或調(diào)節(jié)旋鈕輸入頻率值，這時儀器輸出端口即有該頻率的信號輸出。 例：，按鍵順序如下： 【頻率】【5】【．】【8】【kHz】（可以用調(diào)節(jié)旋鈕輸入） 或者【頻率】【5】【8】【0】【0】【0】【Hz】（可以用調(diào)節(jié)旋鈕輸入） （2）信號周期的調(diào)節(jié)：如果當(dāng)前顯示為頻率，再按【頻率/周期】，即顯示當(dāng)前周期值，可用數(shù)據(jù)鍵或調(diào)節(jié)旋鈕輸入周期值。 （3）信號輸出幅度的調(diào)節(jié)：按【幅度】鍵，顯示出當(dāng)前幅度值。使用數(shù)據(jù)鍵或調(diào)節(jié)旋鈕輸入幅度值，這時儀器輸出端口即有該幅度的信號輸出。 （1）接通電源，在加入被測信號之前，首先調(diào)節(jié)“軌跡及光點(diǎn)亮度控制鈕”、“軌跡聚焦調(diào)整鈕”，使屏幕上顯示一條細(xì)而清晰的掃描基線，調(diào)節(jié)“位移”旋鈕，使基線位于屏幕中央。然后將信號發(fā)生器的輸出電壓接入示波器，調(diào)節(jié)示波器的有關(guān)旋鈕，使其分別在四種頻率（200Hz,15kHz,195kHz,1MHz）時，屏幕上都出現(xiàn)三個完整的正弦波形，并使波形的高度為5cm。（2）測量信號電壓將信號發(fā)生器輸出信號的頻率固定在10kHz，并保持輸出為5V（在0dB時），然后將示波器輸入選擇開關(guān)置于“AC”位置，靈敏度的微調(diào)旋鈕置于“校準(zhǔn)”位置，被測信號經(jīng)探極接入Y軸輸入端，從波形的正峰至負(fù)峰根據(jù)坐標(biāo)刻度讀出Y軸偏轉(zhuǎn)距離，根據(jù)Y軸靈敏度“V/cm”開關(guān)所處的位置，每厘米偏轉(zhuǎn)電壓乘以峰－峰之間的Y軸偏轉(zhuǎn)距離，再乘上所用探極的衰減因數(shù)，即得到實(shí)際的峰－峰電壓。（1）參考所給電路圖1－1，應(yīng)用OrCAD完成電路設(shè)計(jì)（2）利用OrCAD將設(shè)計(jì)完成的電路原理圖轉(zhuǎn)換成電路板【推薦參考書】 王輔春主編, 機(jī)械工業(yè)出版杜,北京， 魯 輝主編，周舟山審，C語言程序設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社，北京、實(shí)驗(yàn)二、心電信號前置放大電路設(shè)計(jì)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?，并充分認(rèn)識輸入阻抗、共模抑制比等運(yùn)放技術(shù)參數(shù)的選擇對設(shè)計(jì)起著決定性作用。，并以心電信號為例掌握生物電前置放大電路的設(shè)計(jì)要求?！緦?shí)驗(yàn)器材】示波器 集成塊：信號發(fā)生器 電阻：萬用表 電容：【實(shí)驗(yàn)說明】人體心電信號是一種淹沒在許多較強(qiáng)的干擾和噪聲中(肌電干擾、工頻干擾、放大器噪聲及電極與皮膚界面之間的噪聲等)的、信號源內(nèi)阻高的微弱生物電信號。因此，要對心電信號進(jìn)行精確測量，必須設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的放大器，而放大器的核心和關(guān)鍵則是前置放大電路的設(shè)計(jì)，它的性能對測試結(jié)果影響很大。根據(jù)心電信號的特點(diǎn)以及通過電極提取的方式，前置級放大電路必須滿足下列要求：（1）高輸入阻抗，通過電極提取的心電信號是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的做弱信號，為了減小信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器的輸入阻抗。（2）高共模抑制比CMRR，前置級放大電路采用CMRR高的差動放大形式，將可減小人體所攜帶的工頻干擾以及所測量的參數(shù)以外的生理作用的共模干擾。（3）高增益且可調(diào)節(jié)，以便處理心電信號幅值微弱且因人變化較大的情況。（4）低噪聲，避免淹沒極其微弱且信噪比低的心室晚電位和心電信號。（5）低漂移，以防高放大倍數(shù)的前置放大器出現(xiàn)飽和。（6）合適的帶寬，以便有效地抑制噪聲．防止采樣混疊。（7）高安全性，以確保人體的絕對安全?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】四、思考題，但在設(shè)計(jì)過程前置放大倍數(shù)一般只選定為20～100倍，這是為什么？（人體產(chǎn)生的干擾電壓和“共?！备蓴_），但在實(shí)際測量過程中，仍然采用右腿接地法或右腿驅(qū)動法的原因是什么？實(shí)驗(yàn)三、前端信號采集器和計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)通信【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?32標(biāo)準(zhǔn)的使用方法和應(yīng)用程序的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)前端信號采集和計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)通信的方法【實(shí)驗(yàn)器材】USB2006數(shù)據(jù)采集卡 微型計(jì)算機(jī) C51系列單片機(jī)開發(fā)平臺。【實(shí)驗(yàn)說明】串行通信端口的本質(zhì)功能是作為CPU和串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換器。當(dāng)數(shù)據(jù)從CPU經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時，串行的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。在Windows環(huán)境下，串口是系統(tǒng)資源的一部分，應(yīng)用程序要使用串口進(jìn)行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請要求(打開串口)，通信完成后必須釋放資源(關(guān)閉串口)。串口已經(jīng)是計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，目前主要遵循RS—232或RS—485標(biāo)準(zhǔn)。由于RS—232是一個使用久遠(yuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，因此絕大部分電子儀器生產(chǎn)廠家都把RS—232端口作為儀器與計(jì)算機(jī)通信的接口。RS—232端口通常使用9個引腳的接頭。最早的RS—232是專門用來連接調(diào)制解調(diào)器的，因此它每個引腳的定義都與調(diào)制解調(diào)器有關(guān)。管腳簡寫定義1CD載波偵測(Carrier Detect)2RXD接收字符(Receive)3TXD傳送字符(Transmit)4DTR數(shù)據(jù)端備妥(Data Terminal Ready)5GND地線(