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畢業(yè)設(shè)計(jì)心電信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)doc-文庫吧資料

2024-07-31 10:11本頁面
  

【正文】 特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓(對(duì)于OP07A最大為75μV),所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。AD620的增益可調(diào),范圍為1~1000倍,通過調(diào)節(jié)AD620A的1和8腿之間的Rg的值來實(shí)現(xiàn): ?????? AD620引腳分布圖本電路所用的集成放大電路為OP07。18V;(2)高精度:輸人最大偏置電流:1mA;輸人最大失調(diào)電流:O.5nA;輸入最大失調(diào)電壓:50μV;最大溫度漂移:O.6μV/℃;輸入阻抗:10GΩ。本系統(tǒng)選用的前置放大器是AD620A,具有很好的性能,非常適合作為心電信號(hào)測(cè)量前置放大器,:(1)電源供應(yīng)范圍:177。(2)進(jìn)行符合要求的A/D轉(zhuǎn)換根據(jù)采樣定理,采樣頻率要是心電頻率的2倍以上,所以A/D的采樣頻率至少要達(dá)到200Hz以上。c)實(shí)現(xiàn)1000倍的信號(hào)放大。綜合各個(gè)方面因素,電路設(shè)計(jì)要求:(1)對(duì)微弱的心電心電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波等必要的信號(hào)調(diào)理a)設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng),選擇合適的傳感器。由于本系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算,所以對(duì)處理器的數(shù)據(jù)處理能力和速度也有很高的要求。臨床診斷常常用到胸導(dǎo)聯(lián),由于距心臟較近,獲得的心電波形幅度值較大,便于醫(yī)生診斷。探察電極安放在前胸壁上的六個(gè)固定位置。當(dāng)記錄某一肢體單極導(dǎo)聯(lián)心電波形時(shí),將該肢體與中心電端之間所接的平衡電阻斷開,改進(jìn)成增加電壓幅度的導(dǎo)聯(lián)形式,稱為加壓?jiǎn)螛O導(dǎo)聯(lián)。Wilson中心電端的連接。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)人體皮膚涂上導(dǎo)電膏后,左上肢、右上肢和左腿與心臟間的電阻分別為2kΩ、1.5k Ω、2. 5k Ω,如果將三個(gè)肢體連接成一點(diǎn)作為參考電極點(diǎn),在心臟電活動(dòng)過程中,這一點(diǎn)的電位并不等于零。其中A代表放大器,M為右腿驅(qū)動(dòng)電路。接下來,對(duì)各種導(dǎo)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。在記錄心電圖時(shí),右腿電極一般作為參考電極,其余九個(gè)電極作為心電電極。因此把國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)體系,分別記為I、II、III、aVR、aVL、aVF、V1~V6,其中,I、II、III導(dǎo)聯(lián)為雙極導(dǎo)聯(lián),aVR、aVL、aVF、V1~V6為單極導(dǎo)聯(lián)。如I、II、III導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。第三導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng),典型的只分析一個(gè)或兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)。這就是臨床上采用的EinthovenWilson12標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)體系。在心電圖學(xué)中有三種基本的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng):第一個(gè)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)具有最普遍的12導(dǎo)聯(lián),它定義了一組12個(gè)電位差,用他們來形成標(biāo)準(zhǔn)臨床ECG。 心電信號(hào)導(dǎo)聯(lián)體系分析心電信號(hào)是典型的人體電信號(hào),人體電信號(hào)本質(zhì)是兩點(diǎn)的電位差信號(hào),直接加電極于身體并且通過一定的導(dǎo)聯(lián)方式就可以觀察到心電信號(hào)。這種方法把直流漂移電位減小到與峰值相比非常小的程度。該電極漂移電位非常小,它在Ag層上鍍了一層AgCl。因此在心電測(cè)量系統(tǒng)中要求采用非極化或極化電壓微弱的電極。這個(gè)小失調(diào)電壓會(huì)隨心電信號(hào)放大1000倍,因此小信號(hào)的變化也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的基線漂移。電極系統(tǒng)可完成離子電流到電子電流的轉(zhuǎn)換。一個(gè)由鹽溶液和膠組成的電極層成為了金屬電極和皮膚的接觸面。因此,心電信號(hào)的監(jiān)視、分析必須在建立在有效抑制各種干擾、檢測(cè)出良好的心電信號(hào)的基礎(chǔ)之上。(6)信號(hào)處理中用電設(shè)備產(chǎn)生的儀器噪聲 心電信號(hào)是由人體心臟發(fā)出的極其精密、相當(dāng)復(fù)雜并且有規(guī)律的微弱信號(hào),外界干擾以及其它因素的存在都會(huì)使其變得更為復(fù)雜,要準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、存儲(chǔ)、分析卻是一項(xiàng)十分艱巨的任務(wù)。肌電干擾可視為瞬時(shí)發(fā)生的零均值帶限噪聲,主要能量集中在30300 Hz范圍內(nèi)。EMG基線通常在很小電壓范圍內(nèi)。人為運(yùn)動(dòng)由病人的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)所引起,造成的基線干擾形狀可認(rèn)為類似周期正弦信號(hào),其峰值幅度和持續(xù)時(shí)間是變化的,幅值通常為幾十毫伏。這種瞬態(tài)過渡過程可發(fā)生一次或多次、其特征值包括初始瞬態(tài)的幅值和工頻成分的幅值、衰減的時(shí)間常數(shù);其持續(xù)時(shí)間一般的1s左右,幅值可達(dá)記錄儀的最大值。其連接不好可能是瞬時(shí)的,如病人的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)導(dǎo)致松動(dòng);也可能是檢測(cè)系統(tǒng)不斷的開關(guān)、放大器輸入端連接不好等。幅值通常與ECG峰峰值相當(dāng)或更強(qiáng)。一般正常的心電信號(hào)頻率范圍 Hz,而90%的心電信號(hào)(ECG) Hz之間 [13]。(4)隨機(jī)性:人體心電信號(hào)反映了人體的生理機(jī)能,是人體信號(hào)系統(tǒng)的一部分,由于人體的不均勻性,且容易接收外來信號(hào)的影響,信號(hào)容易隨著外界干擾的變換而變化,具有一定的隨機(jī)性。(2)不穩(wěn)定性:人體信號(hào)處于不停的動(dòng)態(tài)變化當(dāng)中。從醫(yī)學(xué)理論和實(shí)踐可以理解,心電信號(hào)受人體生理狀態(tài)和測(cè)量過程等多種因素的影響而呈現(xiàn)復(fù)雜的形態(tài);同時(shí),個(gè)體的差異也使心電信號(hào)千差萬別。而90%35Hz之間,心電信號(hào)頻率較低,大量的是直流成分,去掉直流,它的主要頻率, [12]。體表心電圖反映的是心電信號(hào)的時(shí)域特性,經(jīng)分析可以看出ECG信號(hào)的特征段的分界處是波形上的拐點(diǎn)。這個(gè)持續(xù)時(shí)間和心率的變化相反。(6)QT間期:代表整個(gè)心室肌自開始除極至復(fù)極完畢的總時(shí)間。在正常情況下,它用作測(cè)量其它波形幅度的等電勢(shì)線。代表左、右心室全部除極完畢到復(fù)極開始以前的一段時(shí)間。基線是由波的TP段建立的(T波末端到下一個(gè)P波開始)。正常間期是O.122.O秒,測(cè)量是從P波的起點(diǎn)到QRS復(fù)合波的起點(diǎn),不管初始波是Q波還是R波。QRS是廣義的代表心室肌的除極波,并不是每一個(gè)QRS波群都具有Q、R、S三個(gè)波,一個(gè)單相的負(fù)QRS復(fù)合波被稱為QS波。典型的QRS波群是指三個(gè)緊密相連的波;第一個(gè)向下的波為Q波,這波不一定總是出現(xiàn)。下面對(duì)每個(gè)波形點(diǎn)作詳細(xì)的介紹:(1)P波:最初產(chǎn)生的偏離的波被命名為P波,它反映心房除極過程的電位變化,代表了兩個(gè)心房的去極。將測(cè)量電極放置在人體表面的一定部位記錄出來的心電信號(hào)變化曲線,就是目前臨床上常規(guī)記錄的心電圖(ECG) [10]。房室束往下又不斷發(fā)左右兩個(gè)束支,越分越細(xì),最后分別形成互相交織得像網(wǎng)一樣的結(jié)構(gòu),稱普肯耶纖維,終止于心肌內(nèi)。在每個(gè)心動(dòng)周期中,竇房結(jié)是心臟的最高起博點(diǎn)(也叫一級(jí)起搏點(diǎn)),它發(fā)出的激動(dòng)命令經(jīng)結(jié)間束首先傳給房室結(jié)(也稱第二級(jí)起搏點(diǎn))。 體表心電圖及心電信號(hào)的特征分析 心臟電傳導(dǎo)過程分析心電生理學(xué)資料表明,心臟不斷的進(jìn)行有節(jié)奏的收縮和舒張運(yùn)動(dòng)。在體表不同部位則形成電位差,通常從體表檢測(cè)到的心電信號(hào)就是這種電位差信號(hào)。為了研究方便和簡(jiǎn)化分析,可以把人體看作是一個(gè)容積導(dǎo)體,心臟細(xì)胞的電偶極子在該容積導(dǎo)體的空間中形成一定方向和大小的電場(chǎng),所有偶極子電場(chǎng)向量相加,形成綜合向量,即心電向量。心電信號(hào)從宏觀上記錄心臟細(xì)胞的除極和復(fù)極過程,在一定程度上客觀反映了心臟各部位的生理狀況,因而在臨床醫(yī)學(xué)中有重要意義。當(dāng)心肌細(xì)胞一端的細(xì)胞膜受到一定程度的刺激(或閾刺激)時(shí),對(duì)鉀、鈉、氯、鈣等離子的通透性發(fā)生改變,引起膜內(nèi)外的陰陽離子產(chǎn)生流動(dòng),使心肌細(xì)胞除極化和復(fù)極化,并在此過程中與尚處于靜止?fàn)顟B(tài)的鄰近細(xì)胞膜構(gòu)成一對(duì)電偶,此變化過程可用置于體表的一定檢測(cè)出來。第二章 研究基礎(chǔ) 人體心電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理 心電是心臟的無數(shù)心肌細(xì)胞電活動(dòng)的綜合反映,心電的產(chǎn)生與心肌細(xì)胞的除極和復(fù)極過程密不可分。CDMA1X標(biāo)準(zhǔn)是CDMA2022的第一階段,可支持308kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸,網(wǎng)絡(luò)部分引入分組交換,支持移動(dòng)業(yè)務(wù),具有較快傳輸速率,適合應(yīng)用于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)心電監(jiān)護(hù)。CDMA系統(tǒng)為每個(gè)用戶分配各自特定的地址碼,彼此之間是相互獨(dú)立、互相不影響的,由于有不同的地址碼來區(qū)分用戶,所以對(duì)頻率、時(shí)問和空間沒有特定的限制,利用公共信道來傳輸信息。基于CDMA的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù),不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源,從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁少量的數(shù)據(jù)傳輸,也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。基于GPRS技術(shù)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。藍(lán)牙模塊通常是由兩個(gè)芯片構(gòu)成一個(gè)芯片組,一塊是射頻芯片,另一個(gè)是基帶控制芯片,再加上外加的Flash、天線和電源芯片就可以構(gòu)成一個(gè)藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙設(shè)備能夠支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信,支持的接口一般包括UART、USB和PC卡等,而USB支持在同一個(gè)物理通道上處理多個(gè)邏輯通道,因此控制、數(shù)據(jù)和語音通道不再需要額外的物理接口,從而使得藍(lán)牙心電無線監(jiān)護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)和語音的實(shí)時(shí)傳輸。主要有以下幾種形式:基于藍(lán)牙技術(shù)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。目前,市場(chǎng)上運(yùn)用藍(lán)牙、GSM、GPRS(無線分組業(yè)務(wù))、CDMA等無線移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的心電無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛,但由于受到傳輸距離、無線傳輸頻率等制約,仍未能形成完善可靠的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)產(chǎn)品。(2)基于無線通信的心電無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用可攜帶式的實(shí)時(shí)監(jiān)控心電信號(hào)的監(jiān)護(hù)儀,利用無線通信技術(shù)與監(jiān)護(hù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。通過因特網(wǎng)技術(shù),可將心電圖監(jiān)護(hù)從病房監(jiān)護(hù)拓展到社區(qū)或家庭,監(jiān)護(hù)中心的醫(yī)護(hù)人員可以及時(shí)分析患者的心電數(shù)據(jù),并可根據(jù)需要隨時(shí)將醫(yī)囑發(fā)送到患者的監(jiān)護(hù)儀上。PSTN(Public Switched Telephone Network,公用電話交換網(wǎng))覆蓋面最廣、接入方式實(shí)現(xiàn)方便,但受其帶寬限制,信息傳輸速不高;ISDN(Integrated Services Digital Network,綜合服務(wù)數(shù)字網(wǎng))將傳輸過程數(shù)字化,使得傳輸速度很高,并可同時(shí)實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、圖像等的傳送;以太網(wǎng)是目前使用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù),由于其低成本、可擴(kuò)展性強(qiáng)、與IP網(wǎng)結(jié)合性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),現(xiàn)在很多系統(tǒng)普遍采用以太網(wǎng)接入方式。根據(jù)接入因特網(wǎng)的方式不同,系統(tǒng)有不同的設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)一般由三個(gè)部分組成:分別是客戶終端、因特網(wǎng)和管理中心工作站。 心電遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著因特網(wǎng)和移動(dòng)通訊網(wǎng)等宏觀基礎(chǔ)設(shè)施的普及和發(fā)展,通信技術(shù)與手段的不斷進(jìn)步,近年來心電遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)正沿著網(wǎng)絡(luò)化和無線移動(dòng)監(jiān)護(hù)兩個(gè)方向快速發(fā)展 [7]。(5)性能更高。(4)網(wǎng)絡(luò)化。(3)界面友好化。(2)多導(dǎo)同步心電檢測(cè)系統(tǒng)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,心電檢測(cè)儀器趨于小型化和便攜化。深圳邁瑞電子就是其中之一,它在便攜式監(jiān)護(hù)儀領(lǐng)域做出了帶頭作用,典型的產(chǎn)品如PM9000Express、PMS000等等。另外,這種產(chǎn)品往往不適合復(fù)雜心臟疾病的診斷。另一方面,在導(dǎo)聯(lián)個(gè)數(shù)上,在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),心電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)一般僅僅具有單導(dǎo)或三導(dǎo)聯(lián)同步記錄功能,市場(chǎng)上現(xiàn)在也還有很多這種產(chǎn)品。這種處理器性能強(qiáng)大,它使得心電儀在心電數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和顯示等功能的基礎(chǔ)上,還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)心電數(shù)據(jù)的分析 [6]。當(dāng)前便攜式心電圖儀的設(shè)計(jì)主要向智能化、系統(tǒng)化和集成化方向發(fā)展。伴隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,其前景必定相當(dāng)廣闊。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展及與國(guó)際社會(huì)融入程度的不斷加深,在這面有著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑD壳?,?guó)內(nèi)生產(chǎn)便攜式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備的廠家有很多,產(chǎn)品也進(jìn)入了實(shí)用化,但是大多數(shù)是以O(shè)EM方式進(jìn)行組裝的,具有自主開發(fā)能力的較少。國(guó)內(nèi)早期在此方面研究的一個(gè)比較典型的案例是清華大學(xué)在1994年研制成功的家庭心電/血壓監(jiān)護(hù)網(wǎng)系統(tǒng),該系統(tǒng)在病人不適時(shí)具有手動(dòng)按鍵報(bào)警功能和類似Holter的心電圖長(zhǎng)時(shí)間記錄發(fā)送功能。國(guó)內(nèi)在這方面的研究晚于西方國(guó)家,一個(gè)總的特點(diǎn)是起步晚,起點(diǎn)高。英國(guó)牛津大學(xué)的Johnson教授采用遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的方法讓孕婦和胎兒在放松的狀態(tài)下在家中檢測(cè)血壓、血氧、心電圖等重要生理指標(biāo);德國(guó)的一個(gè)研究小組則通過寬帶視頻通信遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)家中老人的各種生理參數(shù),以便在必要的時(shí)刻提供救治和幫助。 心電信號(hào)采集分析系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 研究現(xiàn)狀隨著電子與信息技術(shù)的不斷發(fā)展及其在醫(yī)療系統(tǒng)中應(yīng)用的深入,世界各地尤其是歐美國(guó)家相繼提出了心電檢測(cè)設(shè)備的小型化、家用化要求和建立遠(yuǎn)程醫(yī)療體系的設(shè)想。在此后的20多年中,TTM系統(tǒng)取得迅速地發(fā)展,而且與之相對(duì)應(yīng)的患者隨身攜帶的心電監(jiān)護(hù)儀也取得了很大的發(fā)展。TTM系統(tǒng)是以微機(jī)為基礎(chǔ)的心電傳輸、接收和心電數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),通過電話線傳輸心電信息及計(jì)算機(jī)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)病人的心電監(jiān)護(hù)。但是,面對(duì)數(shù)量龐大、分布環(huán)境復(fù)雜的院外患者,Holter和CCU等還是無法解決問題。1959年,在華盛頓舉行的一次關(guān)于心電圖數(shù)據(jù)處理方法的會(huì)議上,鑒定了一個(gè)模擬轉(zhuǎn)換器和心電圖分析的計(jì)算機(jī)程序。50年代中期以后,心電圖儀的改進(jìn)步入了一個(gè)更高的層次,即計(jì)算機(jī)化以及與其他檢測(cè)技術(shù)合成的階段。在20世紀(jì)50年代以前,心電圖儀的發(fā)展主要是解決了小型化和提高靈敏度的問題。1961年,美國(guó)最先將DCG技術(shù)應(yīng)用到臨床,以后很快在發(fā)達(dá)國(guó)家得到普及。1957年,美國(guó)物理學(xué)家Holter首創(chuàng)了一種用磁帶記錄器對(duì)正?;顒?dòng)狀態(tài)下的病人做長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)心電圖記錄的方法,開辟了時(shí)間全信息和環(huán)境全信息心電記錄和診斷的新領(lǐng)域,從而在某種程度上彌補(bǔ)了常規(guī)心電圖的不足之處。在此之后,國(guó)際心電學(xué)會(huì)將三個(gè)單極加壓導(dǎo)聯(lián)、三個(gè)雙極肢體導(dǎo)聯(lián)和六個(gè)胸導(dǎo)聯(lián)一起稱之為“標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)”,這12導(dǎo)聯(lián)心電圖體系已經(jīng)成為目前國(guó)際公認(rèn)的基礎(chǔ),也即靜態(tài)心電圖。1942年,Goldberger改良了中心電位端,設(shè)計(jì)了肢體單極加壓導(dǎo)聯(lián)aVR、aVL、aVF,使VR、VL、VF圖形保持不變,而波幅增大了50%,在實(shí)際工作上使圖形更加容易辨認(rèn),并由此形成了Einthoven—wilson理論體系。1932年,美國(guó)密西根大學(xué)教授Wilson根據(jù)Einthoven方程推論出肢體導(dǎo)聯(lián)三個(gè)電極上瞬間電位之和為0。由于毛細(xì)管電流計(jì)記錄的結(jié)果處理起來非常耗時(shí),難以達(dá)到實(shí)用的程度。1887年,Willer用毛細(xì)管靜電計(jì)首次描記出人體心電圖波群,開創(chuàng)了人類心電圖記錄的先河。盡管后來證明伽伐尼所發(fā)現(xiàn)的電并不是來自動(dòng)物的體內(nèi),但卻由此認(rèn)識(shí)到電可以導(dǎo)致生物神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo),從而奠定了電生理學(xué)的基礎(chǔ) [2]。 心電信號(hào)采集和分析系統(tǒng)的發(fā)展歷史
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