生物医学信号检测基础.ppt

第一章 生物医学信号检测基础,(BiomedicalSignal Measurement Basis),生物体本身既是很好的信号发生系统又是很好的信号处理系统。生物体能感知现实世界，就是感知现实世界的各种信号（刺激），并根据对信号的处理结果，自动作出各种反应（响应）。要对生物医学信号进行处理，首先要能正确地获得生物医学信号。本章首先简单介绍感知生物医学信号的器件：传感器或换能器。因为生物医学信号十分微弱，在进行各种后处理之前，还必须将生物医学信号放大到一定的程度，所以本章第二节对生物医学模拟放大器进行了简单的介绍。现代信号处理技术，基本上都以数字计算机为工具，进行数字处理，所以在用计算机对生物医学信号进行处理之前，还必须对测得的生物医学信号进行数字化。按什么要求进行数字化，才能不失真地重现原始信号，这就是本章第三节要介绍的关于生物医学信号数字化方法的内容。这是本章的重点。如怎样确定采样频率，或一个周期要采集多少个点，总共要采集多长（共多少点）的数据，才能准确重现原始信号。然后，在本章第四节简单介绍了生物医学信号获取与处理系统的基本组成。最后，第五节简单介绍了捆扰生物医学信号处理的干扰和噪声两个既有联系又有区别的概念。,第一节 生物医学传感器简介,（Introduction to Biomedical transducer）,人体的生物电信号如脑电和心电等可以通过电极采用一定的导联方式获取，非电量生物医学信号则必须使用各种换能器将其变换为电信号后方可获取。不对人体施加任何刺激，获取到的信号是自发信号；施加一定刺激后，得到的是诱发信号。非电量生理信号按其能量方式，可以分为：机械量信号，如脉搏和心音是振动信号，血压是压力信号等；热学量信号，如体温等；化学量信号，如血液的pH值等；光学量信号，如血氧饱和度等。对不同类型的信号，所用换能器的换能原理不同，一般医学换能器的换能方式有压电效应、热效应、光电效应及阻抗变化和电化学效应等。换能器的主要性能指标有：安全性、线性、频响或传递函数、精度（幅度分辨率）、准确度（测量误差范围）和稳定性等，生物医学换能器是生物医学工程中的一个专门研究领域，有许多专著对此有详细介绍。常用生物医学换能器按使用方式分有以下几类。,体表换能器是在身体外部表面进行测量的一类传感器，可以实现无创测量，也是使用最为广泛的一类医学测量换能器。体表换能器包括体表电极和体表非电量测量传感器。体表电极可以在体表提取人体的生物电信号，如：体表心电、脑电和肌电等。在人体内，电流靠离子传导，为离子导电，而生物医学测量系统是电子导电，因此，体表电极实际上是一种可以将离子电流变为电子电流的换能器件。通常体表电极是由经过一定处理的金属材料制成，在引导生物电信号时，与金属电极直接接触的是一层电解质溶液。还有一类称为绝缘干电极的体表电极，其使用方法与上述体表电极不同，即不使用导电膏或其他电介质作为皮肤和电极之间的电流耦合通道，而是采用电容耦合信号原理。体表非电量测量换能器的种类比较多，包括力学量换能器、热学量换能器和光电换能器等。力学量换能器把力学量生理参数转换为电参数，如：测量心音、呼吸和脉搏的电容换能器，测量血压和肌张力的电感换能器，测量眼压、血压、脉搏波的压电换能器等。热学量换能器根据热效应的不同分为热电式、热阻式和热辐射式等几种，热电式换能器是利用金属材料的热电效应（即温差电效应），这类换能器的稳定性较好，可用于口腔、直肠等温度测量。光电换能器是以光为信息载体、以光电效应为基础的一类换能器，可以测量的生理参数比较多，而且具有反应速度快、检测灵敏度高和非接触检测等特点，常用的光电换能器有光敏电阻、光电二极管和光电三极管等。,二、腔穴换能器,通过专用的形状设计能进入生物体自然腔穴（如胃、支气管、膀胱、直肠、结肠、耳、鼻、阴道、子宫等）的换能器，称为腔穴换能器。如测量胃的机械收缩、pH和电活动等的专用组合换能器与胃镜一起通过口腔进入胃内进行测量，测量胃内胃电的紧贴于胃壁的专用吸盘式电极等。,三、微创式换能器,测量时对生物体创伤较小的换能器，称为微创换能器。如测量肌电的穿刺针，测量心电和血液动力学参数的导管等。,四、植入式换能器,在疾病诊断需要作连续长时间的观察时或在一些电生理实验和科学研究中，希望机体的干扰最小，否则实验和观察得到的信息就会产生畸变，对于这种情况可考虑使用植入式换能器，即将微型低功耗的电子测量器件植入体内，在体外进行遥测或监护。用于植入生物体可连续测量的换能器，必须满足其相应的生物学特性，这些特性与换能器的生物相容性相关，在有植入体植入的情况下，活体组织或器官都会有组织反应和受体反应，如对异物的排斥反应等，这就意味着换能器不但要有对需检测信号有特异的选择性，而且在植入组织相对长的时间内有良好的稳定性和良好的时间响应特性。由于，植入式换能器一般是有创测量使用，要求换能器的体积小型和轻便，随着科学技术的不断发展，集微型换能器、微型机构和信号处理与控制电路、接口、通讯于一体的植入式微电子机械系统（MEMS）已经日趋成熟，并逐步进入临床检测使用。,五、生物换能器,生物换能器是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术。有人把21世纪称为生命科学的世纪，也有人把21世纪称为信息科学的世纪，综合起来21世纪就是生命科学和信息科学的世纪。生物换能器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一个新型的交叉学科。生物换能器是以生物活性单元（酶、抗体、核酸和细胞等）作为敏感基元（分子识别元件）、以化学电极等作为换能器且对被测信号具有高度选择性的一类传感器，它通过物理的或化学的换能方式捕捉目标物和敏感基元之间的反应，并将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来，敏感基元是生物传感器的核心。通常生物换能器利用纯化的酶、免疫系统、组织、细胞器或完整细胞作为敏感基元，这些敏感基元通常被固定化制成膜并与物化仪器中的换能器相结合使用。物化仪器用来监测欲进行分析的物质在固定化敏感基元的作用下所发生的化学变化，并转换成电信号。生物换能器的基本构成及工作原理如图1-1所示。,按所使用敏感基元的不同，生物换能器可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感器和免疫传感器等。生物换能器中所使用的能量转换器与传统的转换器并没有本质的区别。此外，按输出电信号的不同，生物换能器还可分为电位型生物换能器、电流型生物换能器和伏安型生物换能器。,图1-1 生物换能器的原理图,生物换能器有如下一些特点：（1）采用固定化生物活性物质作敏感基元（催化剂），价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。（2）专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。（3）分析速度快，可以在很短时间内（一般不超过一分钟）得到结果。（4）准确度高，一般相对误差不超过1。（5）操作系统比较简单，容易实现自动分析。（6）成本低，连续使用时，每例测定有时仅需要几分钱人民币。,近年来被学术界认为最成功和最具实用价值的用于生物医学测量的生物换能器有：（1）血糖生物传感器；（2）快速分析葡萄糖、谷氨酸、乳酸盐和乳糖等成分的多功能生物传感器；（3）测量机体内三磷酸腺苷（ATP）变化的生物传感器；（4）广泛应用于传染病和基因变异检测的脱氧核糖核酸（DNA）生物传感器。DNA生物传感器又称DNA探针或DNA芯片，它是二十世纪八十年代末发展起来的一种新型的生物传感器。目前研究和开发的DNA生物传感器从信息转换原理区分，主要有电极电化学式、石英晶体振荡器（QCM）质量式和表面等离子谐振（SPR）光学式等几种。目前，微电子机械系统（MEMS）技术给生物传感器的发展带来了深刻的影响，成为当今发展生物传感器的核心技术。采用MEMS技术可以将传感器与微元件、微执行器等集成化，把生物传感器推到了一个新的阶段，形成了一个崭新的BioMEMS研究领域。,第二节 生物医学信号的放大器,(Biomedical Signal Amplifier),生物医学信号大多是低频的微弱信号，在对这类信号进行各种处理、分析和记录时，首先必须把信号放大到所要求的幅度。信号放大是生物医学测量系统中最基本也是比较重要的一个环节，一般都采用多级放大，其中核心的是前置级放大，对生物电信号前置级放大器的基本要求是：一、高输入阻抗生物信号源本身是高内阻的微弱信号源，通过电极提取又呈现出不稳定的高内阻源性质。生物信号源阻抗不仅因人而异、因生理状态而异，而且在测量时与电极的安放位置、电极本身的物理状态等密切关联，源阻抗的不稳定性将使放大器的电压增益不稳定,使得测量误差难以修正。同时，理论上源阻抗是信号频率的函数，电极阻抗也是频率的函数，变化规律都是随频率的增加而下降。,如果放大器的输入阻抗不够高（与源阻抗相比），则造成信号的低频分量的幅度减小，产生低频失真。电极阻抗还随电极中电流密度的大小而变化。小面积电极（如脑电测量的头皮电极，眼电测量的接触电极）在信号幅度变化时，电极电流密度变化比较明显，相应的电极阻抗会随信号幅度的变化而不同，即低幅度信号的电流密度小，电极阻抗大。如果人体是在运动的情况下，电极和皮肤接触压力有变化，人体组织液和导电膏中的离子浓度也有变化，都会导致电信号在放大器输入端产生极大的干扰。表1-1是部分生物电放大器的输入阻抗指标。用于细胞电位测量的微电极放大器的输入阻抗高达109量级。此外，放大器高输入阻抗也是高共模抑制比的必要条件。,表1-1 部分生物电放大器的输入阻抗指标,二、高共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio-CMRR）前已述及，工频干扰也在医学信号的有效频带内，为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量的参数外的其他生理作用的干扰，一般选用差动放大形式，因此，CMRR值是放大器的主要指标。需注意的是放大器的实际共模抑制能力受到放大器前面电极系统的影响。通过两个电极提取生物电位时，两个电极的等效源阻抗一般不相等，其数值大小与人体的汗腺分泌情况和皮肤的清洁程度有关。各个电极处的皮肤接触电阻也是不平衡的，而且因人而异，加之两个电极本身的物理状态也不可能完全对称，这样使得与差动放大器两个输入端相连的源阻抗实际变得十分复杂，其不平衡是绝对的。这种不平衡造成的危害，是共模干扰向差模干扰的转化，从而造成共模干扰输出。对于已经发生的这种转化，放大器本身的共模抑制能力再高也将无济于事。但是，提高放大器的输入阻抗，则会减小这一转化。如图1-2，设两个电极的等效源阻抗分别为Zs1和Zs2，共模干扰电压为UCM，则放大器输入端A、B两点的电压分别为：,共模电压转化为差模电压UA-UB通常ZiZs1(Zs2)，所以,图1-2 生物电放大器的输入回路,若Zs1和Zs2相差5K（典型值），对于10mV的共模干扰电压，如希望限制在10V以下，则放大器的输入阻抗应在5M以上，对于体表心电测量，这一信噪比的要求是满足的，而对于自发脑电的测量是不够的，必须进一步提高输入阻抗或降低UCM值。此外，对于共模电压的抑制能力，除了提高放大器的CMRR外，如果能够设法减小共模电压在输入端造成的误差，那么实际上也就是提高了放大器的共模抑制能力。为此，可以把输入级的接地端浮置并跟踪共模电压，即相当于器件的偏置电压动跟踪共模输入电压（浮地跟踪），这样，共模电压就不能随信号一起被放大，从而放大器输出端产生的共模误差电压就大大被削弱，这也相当于提高了放大器的共模抑制能力。,三、低噪声和低漂移 相对于幅度仅在微伏和毫伏量级的低频生物电信号而言，放大器前置级的这一项要求也是重要的。除肌电和神经动作电位外，绝大多数的生物电信号都具有十分低的频率成分。如心电、自发脑电、胃电、眼电和细胞内、外电位等都具有1Hz以下的分量。但通常采用的直流放大器的零点漂移现象限制了直流放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法被放大，尤其是在进行长时间的记录、观察和监护时，基线漂移对测量带来严重的影响，常使测量不能正常进行。为了放大微伏级的直流信号，可用调制式直流放大器把直流信号转变为交流信号，利用交流放大电路各级零点漂移不会逐级放大的特点进行设计，能够有效地改善直流放大器的低漂移性能。在生物电实际测量中，为了能够在一接通电源就进入正常的工作状态，或者当放大器转换导联时，发生瞬时过载的情况下，能够把输出显示的基线迅速归零，需在前置级设置复零电路，以保护测量连续进行。四、设置保护电路作为生物医学测量的生物电放大器，应在前置级设置保护电路，包括人体安全保护电路和放大器输入保护电路。任何出现在放大器输入端的电流或电压都可能影响生物电位，使人体遭受电击。保护电路使通过电极的电流在安全水平。为了人体安全的目的，生物电信号测量时常采用浮地（或浮置）和隔离等安全措施。,第三节 生物医学信号的数字化,(Digitization for Biomedical Signal),在生物医学测量中，除心率和呼吸频率等少数信号是数字信号外，大多数信号都是模拟信号。所以在进行数字信号处理前必须将模拟信号数字化，即进行模数转换（A/DC：analog/digital conversion）。一、采样定理模拟信号离散为数字量时，为了保证数字化后的信号数据不丧失原信号的特性，必须遵循采样定理。1时域采样定理 一个有限带宽的连续信号f(t)，如果频谱只占有限的范围-m至+m，则信号f(t)可以用等间隔的采样值来唯一地表示。在将模拟信号进行数字化的A/D转换中，特别要注意必须遵循采样定理，即采样频率不能低于信号所含最高频率成分的两倍。实际使用时，一般采样频率至少取信号所含最高频率成分的三至五倍，有时甚至十倍以上。但采样频率越高要求数据采集系统的速度越快，且采集得到的数据量也越大，因此，应综合考虑。2频域采样定理 根据频域和时域的对称性，可以由时域采样定理直接推导出频域采样定理。若信号f(t)是时间受限信号，它集中在-tm至+tm的时间范围内，若在频域中以不大于1/2tm的频率间隔对f(t)的频谱F()进行采样，则采样后的频谱可以唯一地表示原信号。,二、常用模/数转换技术A/D(analog/digital)转换的方法很多，根据转换的原理，常用的A/D转换技术主要有：逐次逼近比较型、双积分型等几种。1逐次逼近比较型逐次逼近比较型A/D转化的原理如图1-3所示。它由电压比较器、逻辑控制器、n位逐次逼近寄存器和n位D/A转换器组成。逐次逼近比较型A/D转换器电路结构简单，在高分辨率和中速以下的集成A/D转换中应用广泛。,2双积分型双积分型A/D转换的基本原理和工作波形如图1-4所示。其中A1是积分器，A2为比较器。其转换过程包括两次积分，第一次是对输入模拟电压VI进行定时积分，第二次是对-VREF进行反向定值积分，将第一次积分值转换成与其成正比的时间间隔。,图1-4 双积分型A/D转换原理图和工作波形,开始时输出数字量的计数器清零，并经过控制逻辑使开关K0闭合，积分电容C上的电压释放至零。转换时，K0断开，控制逻辑电路使开关K置模拟输入端VI，积分器从0开始对输入信号VI进行积分，同时计数器从0开始对CP脉冲计数，计数器计满产生进位时停止积分，此时计数值为N。因 CP脉冲频率固定，计数器位长确定，积分时间T1就确定了，即T1=TCPN1。设VI在积分期间保持不变，则积分器在t=t1=T1时的输出为：当t=T1时，一次积分结束，控制逻辑电路使开关K转到-VREF位置，开始反向积分，同时，计数器从零开始新一轮计数，积分器输出从负值开始上升，当积分器上升到VI=0时，第二次积分结束，此时，计数器计数值为N2，二次积分时间为T2=t2-t1=TCPN2。因-VREF是固定不变的参考电压，在t=t2时积分器输出为：可见，第二次积分的计数值正比于输入模拟电压。双积分型A/D转换器电路结构简单，一次测量过程包括两次相反方向的积分，因此对窄脉冲性质的干扰信号不敏感，对周期性的噪声信号积分为零，且增加计数器的位数可以提高转换的分辨率，转换精度高。由于经历两次积分，转换速度低，一般用于测量变化缓慢的信号。,三、A/D转换器的主要性能指标1分辨率 A/D转换器的最低位LSB所对应的模拟电压值称为A/D转换器的分辨率。一个n位二进制A/D转换器的分辨率为其满量程电压的1/2n。分辨率也可用百分数表示，即：分辨率=1/2n100%。有时分辨率用A/D转换器输出的二进制代码的位数表示，它反映了ADC能对转换结果产生影响的最小输入量（即 LSB）。如：输入模拟电压满量程为5V，对8位A/D转换器，可以分辨的最小模拟电压值为5/28=5/25619.53(mV)，而对10位A/D转换器，可以分辨的最小电压为5/210=5/10244.88(mV)。可见，A/D转换器的位数越多其分辨率越高。通常情况下，高精度的数据采集系统要用分辨率高的A/D转换器，但当系统误差已超过分辨率时提高分辨率就没有实际意义了。2转换时间 完成一次A/D转换所用的时间为转换时间，它反映了A/D转换的速度。转换时间越短，说明A/D转换器的工作速度就越快。双积分型器件的转换时间为30mS-100mS，逐次逼近比较型器件的转换时间约为20S-100S。有时也用转换速率来表示转换时间，转换速率是指每秒钟完成转换的最大次数。3输入电压范围 输入电压范围即A/D转换器的量程，它是指允许转换的模拟电压范围。单极性工作的芯片有+5V、+10V或-5V、-10V等，双极性工作的有以0V为中心的2.5V、5V、10V等，其值取决于基准电压的值。理论上最大输入电压VMAX=VREF(2n-1)/2n，有时也可用VREF近似代替。4转换误差 A/D转换器每个量化级所实际对应的电压值和理论值之间会有误差，这种误差的最大值为绝对误差。绝对误差对于满量程的百分比为相对误差。转换误差常以相对误差的形式给出，一般用最低有效位的倍数表示。如：给出相对误差1LSB，则表示实际输出的数字量与理论上应得到的数字量之间的误差不大于最低有效位1。转换误差是一种综合误差，它是量化误差、电源波动和元器件误差等所造成的各种误差的总和。,第四节 生物医学信号获取与处理系统的基本组成,(Fundamental Configuration of Biomedical Acquiring and Processing System),生物医学数字信号处理系统（Biomedical Digital Signal Processing System-BMDSPS）是生物医学信号的信号源（如人体系统）和生物医学信号处理装置构成的复杂的信息处理系统。生物医学信号处理装置从结构上讲包括硬件和软件两个部分，硬件部分含对模拟信号的处理和对数字信号的处理。一个较为完整的生物医学信号处理装置包括信号变换、滤波、模拟放大、模/数转换和微机系统等几个部分。如果非实时处理，较早的方法还包括模拟记录（含调制解调器）和显示系统。不过由于这样会引入附加的噪声（包括直流和交流的），现在很少使用这种方法。总之一个完整的医学信号处理系统的硬件部分应包括如下一些子系统：1.生物体（如人体）子系统：生物医学信号源。2.信号感知和变换子系统：拾取信号，如果是非电生理信号，则将非电量转变为电学量，以便后续处理。要求该子系统是线性时不变系统。3.滤波和模拟放大子系统：放大微弱的生物医学信号，可高达10 6以上的放大倍数和高共模抑制比（CMRR）的线性时不变系统。4.信号记录及显示子系统：较早一些的医学信号处理系统是离线系统，测量数据一般直接存储在磁带等磁性介质上，再转移到计算机房去处理，或通过笔式记录仪等直接描绘图形和数据，使用指针式仪表或LED(light emitting diode)直接显示数据，这些器件都会引入附加的噪音，只有不得已才用之。5.模/数和数/模转换子系统：生物医学信号大多是模拟信号，在进行数字信号处理前必须先将模拟信号数字化，这个过程称为模/数转换（A/D）；反之将数字信号转换为模拟信号的过程称为模/数转换（D/A）。6.计算机子系统：生物医学信号经精确捕获和滤波、放大后，转换为数字形式，由计算机对信号进行直观描述分析和深层次信息提取，如提取隐含于心电信号中的自主神经系统功能的信号，隐含于脑电信号中的诱发电位信号，隐含于DNA或蛋白质的氨基酸序列信号中的结构和功能信息等。生物医学信号数字处理系统的框图如图1-5。,图1-5 信号处理系统组成,第五节 生物医学检测中的干扰与噪声,(Interferences and Noises in Biomedical Measurement),生物医学信号检测是对生命体中包含的生命现象、状态、性质和成分等信息进行检测和量化的技术。生物医学信号处理就是从被干扰和噪声淹没的信号中提取有用的生物医学信息的特征。由于生物医学信号一般都很微弱，所以测试系统必须具有较高的灵敏度，而灵敏度越高，也就更容易把干扰引入测试系统。同时，除了与信号同时存在的干扰之外，测试系统本身也有噪声。一、生物医学测量中的干扰 对于欲测量的目标信号来说，非目标信号都是干扰。干扰可以是确定信号，也可以是噪声，包括单纯随机噪声(如均值为0的白噪声)。干扰可以是外源的，也可以是生物体内的非目标信号(详见第八章)。这里只讨论生物医学测量中的电磁干扰。根据形成电磁干扰的三个条件，即：干扰源、耦合通道和敏感电路，抑制电磁干扰也应该从这三个方面入手。由图1-6可以看出，造成生物电信号提取过程的主要干扰，是近场50Hz工频干扰，因为各种生物电信号中大都包含有50Hz的频率成分，而且生物电信号的强度有时小于50Hz工频干扰。一般来说，干扰形成危害的严重程度，主要取决于抑制方法的难易。近场50Hz干扰源不只直接影响多种生物电信号的提取，而且它存在于所有的测量环境中且与欲检测的目标信号频带重叠，因此其抑制方法远比各种电磁辐射干扰困难。,图1-6 生物信号及干扰源的频率分布,注：AEP：Auditory Evoked Potential听觉诱发电位，SEP：Sensory Evoked Potential感觉诱发电位，VEP：Visual Evoked Potential视觉诱发电位，PCG：Phonocardiogram心音图，ERG：Electroretinogram视网膜电图，ENG：Electroneurogram神经电图，EOG：Electro-Oculogram 眼电图，EMG：Electromyogram肌电图，EEG：Electroencephalogram脑电图，ECG：Electrocardiogram心电图。此外，生物医学设备本身也是强的电磁干扰源，测量系统不只受到外界干扰源的干扰，而且测量系统本身也产生对内部、对外界其他电子设备的电磁干扰，造成互相干扰的电磁环境。因此，在生物医学测量仪器设计时必须考虑电磁兼容性(EM：E1ectro-Magnetic Compatibility)设计。干扰的耦合途径主要有信号传输导线、单元电路或测试系统之间的公共阻抗、近场感应以及电场或磁场耦合等。因此，通过切断耦合通道抑制干扰时，可采用合理接地与屏蔽以及隔离、滤波、去耦等措施。二、生物医学测量中的噪声 为与外部干扰相区别，把系统内部由器件、材料、部件的物理因素产生的随机扰动称为噪声(电压或电流)。因此，噪声是电路内固有的，不能用诸如屏蔽、合理接地等方法予以消除。在原始生物医学信号的提取、变换和处理处理过程中，噪声信号叠加在生物医学信号之上，导致测量精度降低。对于外部干扰，采取适当的抗干扰措施后，可使干扰减小到比较次要的程度。但系统内部的噪声往往是测量精度的限制性因素。,