生物医学信号检测基础

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1、第一章生物医学信号检测基础(BiomedicalSignalMeasurementBasis)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

2、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（IntroductiontoBiomedicaltransducer）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

3、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：①机械量信号，如脉搏和心音是振动信号，血压是压力信号等；②热学量信号，如体温等；③化学量信号，如血液的pH值等；④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

4、，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

5、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

6、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

7、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