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生物信号的检测与处理
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引自http://mawenwei.blog.sohu.com/38338773.html
生物信号可反映生物体的生命活动状态，因此，生物信号的采集与处理是生物科学研究的重要手段之一。
生物信号的表现形式具有多样性，如：既有物理的声、光、电、力等类的变化；又有化学的浓度、气体分压、PH等的变化，其特点是信号微弱、非线性、高内阻、干扰因素多等等。这些特征对于生物信号的采集与处理的研究及运用十分重要。
传统的生物信号采集与处理系统是由功能不同的电子仪器及手工测量工具组合而成，如：由前置放大器，示波器，记录仪，分割规，尺，计算器等构成。由于近年计算机工业的飞速发展，特别是微型计算机的广泛应用，以及计算机生物信号采集与处理软件的开发，使得经过放大的生物电信号输入计算机进行观察、测量、处理和储存成为可能，而且更为方便、精确。因此，生物信号采集与处理系统逐渐变为以计算机和相应软件为采集处理核心的数字化系统。数字化生物信号采集与处理系统与传统的生物信号采集系统相比，生物信号的记录和分析的准确性、实时性、可靠性有了很大的提高。而且更多的参数可以灵活设置，并随时方便的改变，使采集的数据能够共享和进行复杂的多维处理，从而大大提高了系统的性能和实验质量，简化了实验过程。
一个完整的生物信号采集与处理系统一般包括：生物信号的引导；生物信号的放大；生物信号的采集；生物信号的记录与处理四部分。
（一）生物信号的引导
生物信号的一般可分为两类，一类是电信号，如心电、脑电、肌电和细胞电活动（动作电位，静息电位）；另一类是非电信号，如体温、血压、呼吸、心音、肌肉的收缩、二氧化碳分压、氧分压、PH值等等。在一个生物信号的采集与处理系统中电信号的采集需要合适的电极引导，非电信号的采集需要合适换能器将其转换成电信号。因此，电极和换能器是各种生物医学测量中必不可少的关键部分，它们的特性往往决定了测量系统的质量。
1．电 极
电极是连接测量系统和生物体不可缺少的元件。采集生物电信号时需要合适的电极，电极的性能优良与否，电极的类型选择是否适合将直接影响电信号的采集结果。
（1）电极的种类:电极的种类很多。根据安放的位置,可分为体表电极、皮下电极及植入电极；根据电极形状，可分为板状电极、针状电极、螺旋电极、环状电极；根据电极的粗细，可分为，粗（宏）电极与微电极；根据制作材料，可分为金属电极、玻璃电极、乏极化电极等。在生物电信号的引导中，常根据各种实验的不同要求选用不同类型的电极。
（2）常用的电极：
① 普通金属电极? 这类电极一般用铂(白金)、金、银、合金(镍、铜、锌)、不锈钢等金属制作而成。金属电极的外形可以根据实验要求制成各种形状。ECG、EMG、EEG及神经干复合电位等的检测一般均用此类电极。
② 乏极化电极? 当电极进入生物体组织或与生物的组织表面相接触时，会在电极和组织之间出现半电池电动势。如果电极中有电流流过，则还会出现极化电位。极化电位可随电极中流过电流的大小而变化，电流越大、极化电位越大。半电池电位与极化电位的总和电位差称之为电极电位。这种电位影响生物信号的检测，使波形畸变、失真，也影响刺激的精度等。为了解决这一问题一般用Ag-AgCl乏极化电极。这类电极在电生理学实验中常作为刺激电极，也用于精确的生物电信号的检测。其工作原理是：当直流电通过Ag—AgCl电极刺激活组织时，正负离子分别向阴极及阳极移动。但不是吸附在电极表面使之极化，而是与电极发生化学反应。使极化现象不再发生，刺激脉冲或引导的生物电信号也就不会失真。Ag-Cl电极所发生的电化学反应表达式如下：
阳极上： Ag-e ————Ag+
Ag+ ———— AgCl↓
阳极上：AgCl+e —--- Ag↓+Cl-
Cl-+Na+ —--- NaCl
银—氯化银电极的缺点是Ag-Cl对活组织有毒性作用，因而不能直接将它与活组织接触，而应通过琼脂盐桥或脱脂棉线中介，这样既能导电又避免直接与组织接触。
③ 微电极。微电极是用于测量细胞生物电活动的微型电极。这种电极的尖端直径仅为0.5~5μm。微电极有两种类型：一类是金属微电极，另一类是充灌了电解质溶液的玻璃微电极。金属微电极多采用0.3~O.5mm不锈钢丝或钨丝，经过特殊方法处理而制成。这种电极除尖端外，其它部分是绝缘的。玻璃微电极一般选用高熔点、高电阻率和膨胀系数低的硬质毛细玻璃管，国外一般采用Pyrex毛细玻璃管，国内一般采用GG-17毛细玻璃管。经过净化处理后毛细玻璃管，用已经商业化的微电极拉制仪拉制成玻璃微电极，其内一般充以3M KCl溶液作为电解质。微电极通常有很高的电阻，一般在5~40MΩ范围。由于电学上的差异，玻璃微电极通常用来测量低频生物电信号，而金属微电极一般用来测量高频生物电信号和作为刺激电极。
（3）选择电极时应注意的事项:
A．电极材料与生物组织的相容性:一方面是要求电极材料对组织无害,另一方面是生物组织内环境对电极工作（尤其慢性实验时）没有影响。
B．使电极的接触阻抗尽可能的小。降低接触电阻相当于降低了信号源阻抗，使得对放大器输入阻抗的要求降低，放大器选择范围加宽。一般增大电极面积可以降低接触电阻，但同时会降低空间分辨率。
C．注意电极的机械性质和几何形状对生物体状态的影响。
D．尽量使用半电池电位和极化电压小的电极。使用双电极时应用同一种材料，使半电池电位近似相等。
2．换能器
换能器又称传感器，是将能量从一种形式转换成另一种形式的传感元件。换能器对于生物医学的基础研究和教学起着重要的作用，是非电信号精确测量不可缺少的部分。由于生物体的特殊性，所以生物换能器在性能和结构上必须满足下列要求：
（1）换能器本身具有良好的技术性能，如：灵敏度、信噪声比要高，线性好，零点漂移低等等。
（2）换能器对被测对象的影响要小，不会给被测对象的生理活动带来负担，其形状和结构应该符合被测对象的解剖结构。
（3）换能器本要有足够的绝缘和耐腐蚀及不会给生物体带来有害影响。
二、生物电信号的放大
由于大多数生物电信号的电位幅值很小，通常需要经过放大才能被观察仪器及记录仪器测量到。因此，在生物信号的采集过程中必须对引导的生物信号进行放大。
放大器的选择
用于生物电信号放大的任何一个放大器，必须考虑其频率响应、噪声水平及输入阻抗三个基本
技术参数。这三个参数是保证所放大的信号清晰、真实的前提。在实际测量时，应根据被测信号的性质选择合适的放大器。例如，使用微电极记录生物电信号时，应选择低噪声、高输入阻抗（大于1 000 MΩ）的放大器。其次根据需要放大信号的大小、性质、选择恰当的灵敏度、时间常数、高频滤波，才能不失真地把生物电信号放大，并记录下来。
放大器灵敏度、时间常数和高频滤波的选择
（1）灵敏度? 应以观测仪器、记录仪器能清晰分辨所测信号的为准。
（2）时间常数? 时间常数是决定放大器低端频率主要指标。正确地选择时间常数，可使所需放大的信号逼真、清晰、稳定。一般测量快速交变信号时选择较小的时间常数，测量慢速交变信号时选择较大的时间常数。
（3）高频滤波? 可将所检测的生物电信号中不需要的高频成份或噪声滤掉。这样可使所测信号的主要频率成份能够得到很好的放大。正确的选择放大器高频滤波，可提高仪器的分辨率，使图像更为清晰。一般情况下，高频滤波的选择应是输入信号高频端的两倍左右。
在测量下述生物电信号时，放大器的灵敏度、时间常数及高频滤波的选择可参考下表：
|
生物电信号 |
灵敏度 |
时间常数 |
高频滤波（kHz） |
|
EMG |
100μV/cm |
0.01~0.1 |
5 |
|
ECG |
0.5~1mV/cm |
0.1~0.1 |
1 |
|
脑自发电位 |
25~200μV/cm |
0.01~1 |
1 |
|
脑诱发电位 |
50~100μV/cm |
0.01~0.1 |
1 |
|
植物性神经冲动 |
25~200μV/cm |
0.01~0.1 |
3~5 |
|
减压神经传入冲动 |
100~200μV/cm |
0.01~0.1 |
5 |
|
膈神经传出冲动 |
50~100μV/cm |
0.01~0.1 |
5 |
|
蛙坐骨神经动作电位 |
0.5~5μV/cm |
0.01~0.1 |
3~5 |
|
骨骼肌细胞动作电位 |
0.5~2μV/cm |
0.01~0.1 |
3~5 |
|
心室肌细胞动作电位 |
5~10μV/cm |
∞（直流） |
5~10 |
|
耳蜗电信号 |
0.5~1μV/cm |
0.1 |
1 |
三、生物电信号的采集
在传统的生物信号处理系统中，经过放大的生物电信号可输送到示波器或记录仪进行观察、记录和测量。为了能正确重现被测生物信号，示波器、记录仪应具有足够高的频率响应、合适的振幅动态范围、良好的线性、适当的阻尼特性及足够高的灵敏度与良好的稳定性。记录器可选用墨水式记录仪、喷墨笔式记录仪、光线示波器或X-Y记录仪，也可选用多通道磁带记录仪、示波器专用照像机等。
基于计算机的生物信号采集与处理系统的数据采集是将电极及换能器引导、转换并放大的模拟信号转变为数字信号，并将其输入计算机的过程。在进行数据采集时，需注意以下问题：
1. 采样频率(fs)的选择:采样时间间隔的倒数为采样频率, 即fs=1/T。为使信号采样后能不失真的还原，fs的选择必须满足：采样频率必须不低于信号最高频率的两倍。即：fs≥2fH
例如：生物信号的频率范围是20Hz-20KHz，对其采样时，选取的采样频率应满足：fs≥40 KHz。
2．多路采样时通道数与采样频率的关系：由于计算机对多通道信号采集和处理是分时进行的，因此，通道数越多，同样的情况下每个通道可选择的最高采样频率就越低。
3.分辨率与输入信号的范围关系：分辨率，即，所能测出信号的最小变化量，该变化量越小，则称分辨率越高。因此，分辨率越高，可测量信号的最大值就越小，即信号的输入范围越小。
四、生物信号的处理与记录
传统的生物信号处理主要是根据记录仪和示波器照相机等记录装置记录到的图形，通过分割规、米尺、积分仪、计算器等进行手工计算。基于计算机的生物信号采集与处理系统的数据处理，由于生物信号被转换成数字信号输入计算机，所以，对信号的处理都是以数字方式由计算机进行。计算机内部的存储器能够使数据暂时或长久存储，并可随时输出、显示或用于计算，使得被测信号能容易地进行多次处理、显示和比较，因此，与传统的信号处理方式相比，基于计算机的生物信号采集与处理系统的数据处理更快，更精确，更灵活。
基于计算机的生物信号采集与处理系统常用的信号处理方法：
1．信号运算：
（1）微分和积分：使用运算放大器，可实现模拟电路对信号的微分或积分，用计算机通过某种运算完成对信号的微分或积分则更为简单、直接。
（2）迭加平均：生物信号测量中常常出现信号幅质很小而噪声很大的情况，使得有用的信号淹没在噪声之中，难以测量和处理。如果信号和噪声频谱不一致，可以用滤波的方法分离出有效信号,但如果信噪比太小,效果不一定好；如果噪声和信号频谱重叠，滤波不在适用。这种情况使用迭加平均的方法可以抑制噪声，提高信噪比。
迭加平均是对具有确定参考点的重复信号多次迭加，然后取平均值。这种方法使用的条件是：噪声具有随机特性，信号具有重复特性，两者互不相关。由于信号是有规律的，所以，迭加后信号增强，而噪声是随机的，所以，迭加后大部分相互抵消。迭加N次后，信号幅度增加N倍，而噪声则衰减到原来的1/N。迭加平均法一般用于诱发生物电的测量。
（3）冻结显示：所谓冻结显示是可以使某一段波形在显示屏上做任意时间的停留。这种显示方式非常便于屏幕分析和测量。
（4）频谱分析：任何信号都可以看成是不同频率的正弦波的叠加，频谱分析就是以组成信号的正弦波的频率为变量研究信号特性的方法。
在生物信号的测量中，我们记录到的多数信号都是随时间变化的信号，在生物医学工程上称为时域信号。频谱分析中的信号是频域信号，在频域里分析信号可使一些在时域中无明显特征的信号在频域里能出现明显特征，这是频域分析的最大优点。除此之外，频域分析还有使复杂计算简单化等优点。
对于离散时间信号，从时域到频域的转换要进行繁琐的迭加计算，而使用计算机进行快速傅里叶变换（FFT）可方便完成这一运算过程。 频域分析广泛用于生物医学信号的处理之中，如脑电图的检查，心电信号的分析等等。信号经过计算机处理以后，一般将处理结果输出到打印机，可打出具体数据或图形。
五、干扰的处理
干扰是生物信号采集过程经常遇到问题，尤其是在电生理实验中常见的、对生物电信号测量有着很大影响的电现象。轻者可使被测信号畸形，重者可导致实验无法正常进行，因此，排除干扰是电生理实验中经常遇到的、非常重要的工作之一。干扰的种类很多，排除干扰的基本原则是准确寻找出干扰源，然后采取相应的措施加以排除。电磁干扰是电生理实验中最常见的干扰之一，解决电磁干扰的最好办法是采用金属屏蔽。既可以将实验对象置于屏蔽装置之中，也可以将实验仪器加以屏蔽。其次，测量仪器良好的接地和采取合适的滤波也是解决电磁干扰的有效方法。
参考文献：
1．许熄铭等 译·生物医学换能器---原理与应用·第一版·上海：上海科学技术出版社，1984。
2．徐叔云，卞如濂，陈修主编·药理学实验方法·第三版·北京：人民卫生出版社，2002，3～145
3.周衍椒等 主编·生理学方法与技术·第一版·北京：科学技术出版社，1984。
实验室的常用仪器
一、电极
在检测生物电或进行电刺激时，电极是仪器系统与生物体连接的环节，根据对实验的精确度以及结果的可重复性等要求的不同，电生理学中采用的电极种类也不同。
1．普通电极（金属宏电极）由银、铂、镍、不锈钢或钨制成的针形或片状电极，电阻一般很小，制作也简单。因其尺寸通常是毫米级的，为了与微米级尺寸的“微电极”区分，故常被称为“宏电极”。由于其功能特点的不同，可分为多种。如实验中常用的刺激电极、记录电极（或引导电极）、保护电极、埋藏电极和表面电极等，都属于此类电极。
2．甘汞电极甘汞电极是用途很广的普通电极（也称为乏极化电极）。它是由金属、非溶性金属盐及含有非溶性金属盐同种阴离子的可溶性盐或酸组成的电极。如Hg，Hg2Cl2，KCl溶液。如果用它作为阳极，则从组织来的阴离子，特别是Cl￣，就聚集在电极上而形成Hg2Cl2。如果用它作为阴极，则发生相反的反应。这样，电极从定性的角度来讲，没有发生改变。
3．银－氯化银电极Ag－AgCl盘状或杯状电极是在银电极的表面用电化学的方法将银电极表面的银氯化为一薄层氯化银（电极厚度的10﹪－25﹪）。该电极具有不易极化的性能，比纯金属电极具有更小的电噪声，在低频范围内尤其如此。制备好的电极要避免干燥、摩擦和光照。因此，最好将其储存在内充0.9﹪NaCl溶液的不透光的容器内。常用来记录脑电及诱发电位。
4．微电极微电极有金属和玻璃两类，其电学性质不同，适用范围也略有差别。金属微电极是一种高强度金属针，尖端以外的部分用漆或玻璃绝缘。金属电极丝由不锈钢、铂铱合金或碳化钨丝在酸性溶液中电解腐蚀而成，有多种成品可供选择，其缺点是微电极的几何形状与绝缘状态难以保持一致。玻璃微电极可由用户根据需要用硬质毛细管拉制而成，用于测量细胞内静息电位和动作电位时，其尖端需小于0.5μm。
二、换能器（传感器)
医用传感器是用来将机体生理活动的信息转换成与之有确定函数关系的电信息的变换装置。它是医学仪器中与机体进行直接耦合的环节，其功能是把机体的生理信息拾取出来，以便进一步实现传输、处理和显示。生理学实验常用的换能器主要有以下两种：
1．压力换能器主要用来测量血压、胸腔内压、心内压、颅内压、胃肠内压和眼内压等。它可以把压力的变化转化为电阻率的变化，电信号的大小与外加压力的大小呈线性相关。
2．张力换能器主要用于记录骨骼肌、心肌、平滑肌等组织的收缩曲线。它可以把张力信号转换成电信号，再经放大器将转换的电信号放大后观察或记录。换能器的使用方法将在以后的相关实验中介绍。
三、肌动器（肌板、肌槽）
肌板（槽）由绝缘的电木底板（或槽）、电极等部分组成，是生理学实验中的常用仪器。将制备好的坐骨神经?腓肠肌标本的股骨用股骨固定螺丝固定在肌板上，将神经放在肌板电极上。肌板电极的接线柱与电刺激器的输出电极相连，标本跟腱上的线与张力换能器相连。
四、屏蔽盒
屏蔽盒是用来放置并刺激神经标本的装置，外壳一般由金属铜或有机玻璃制成，内部有七个绝缘、固定于一侧的可滑动银质电极。它们分别是两个刺激电极，一个地线，四个引导电极。有的屏蔽盒地线为圆盘状，或串联一个可变电阻，以调控刺激伪迹的大小。屏蔽盒可用于神经干动作电位的引导及其他电生理实验。使用时应注意接地良好，屏蔽盒底部可用湿润的滤纸保持其中的湿度，以防标本干燥。
五、锌铜弓
锌铜弓（双极电极）是由锌条和铜条组成两臂，用锡在二者的一端焊接而成。在使用时，锌铜弓两臂构成了短路的、原始的伏打（volta）电池的两个电极，被刺激组织的表面液体作为电解质，在金属与溶液之间产生电位差，即电极电位。在实验中常用于对神经肌肉标本施加刺激，以检查其兴奋性。
六、记滴器
记滴器由一个固定棒和两个平行开路电极及输入线组成，是用来记录液体 （如尿液、胰液、胆汁等）滴数的装置。当平行电极间有液体通过时线路导通，产生一次电脉冲，信息经输入线传入记录装置，可在记录仪上记录一次电信号，表示一次液滴。使用时注意两平行电极之间应保持适当间距，并在固定记滴器时使前端稍向下倾斜，以便液滴及时清除，使电极回到开路状态，等待测定下一次液滴。
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