生物医学信号的特点和提取-生物医学电子与仪器-01

第一章生物医学信号的特点和提取第一节生物医学信号的特点第二节生物医学信号的提取第三节提取过程中的干扰和噪声生物医学信号的特点和提取概述•人体的电子测量：用电子学方法对人体结构、机能的各种探测。•测量信号=信号+噪声（干扰）•人体信号：干扰大+噪声大•不稳定：时间、个体信号+噪声电子系统界面1.1生物医学信号的特点•生物医学测量的特殊性和生理参数范围•生物电信号特征•非电量生理信号生物医学测量的特殊性和生理参数范围人体系统的特征：1.生命+环境：两者缺一不可2.无创优先+对人体影响小3.适应性或反馈性：生物反馈生物医学测量的特殊性和生理参数范围•测量条件：–参数范围选择：考虑噪声和信号•心电：10uV~4mV0.05Hz~250Hz•脑电：1uV~300uV0.5Hz~300Hz•电源：220V人体感应电压为10～30V–强噪声：•人体各部分互相干扰：胎儿心电•外界噪声：50Hz•测量引入：放大器本身噪声•自身环境变化：如紧张血压生物医学测量的特殊性和生理参数范围•测量条件：–测量条件全性限制：•施加于人体的各种能量。（正常工作）–超声小于100毫瓦/平方厘米–漏电流：心脏体外（脑）体外–放射线：X线、γ线•非正常工作状态时的精度、可靠性–操作错误仪器损坏：电器安全/植入型参数范围选择：考虑噪声和信号•外界环境异常–电源不稳冬天干燥麻醉–电流：因身体部位、幅值、频率有变化»100μA体内室颤»1mA体外有激感»10mA体外发生不随意运动»100mA体外心室颤动fI生物电信号特征•细胞和组织的电学特征：生物体的基本单元是细胞:可兴奋细胞（神经、肌肉）有电活动不可兴奋细胞：大量生物电信号特征•细胞和组织的电学特征：¾生物电位静息电位：-50~-100mv未受刺激时动作电位：20~40mv受刺激时产生原因是膜对钠、钾离子通透性随时间的变化。¾一般电学特征：电导率σ，相对介电常数ε，总集参数：电阻率ρ阻抗法：循环系统血液ρ其他组织ρ，可以测量血流/心输出量。呼吸系统肺ρ其他组织ρ，可以测量换气量。ρf肺血骨骼生物电信号特征•体表电位：人体表面的任意点相对于参考点的确定电位，针对不同器官，表现为心电（ECG)、脑电(EEG)和肌电(EMG)。–体表心电图(Electrocardiogram):•P波、QRS波、T波•导联系统–脑电EEG（Electroencephalogram):•δ波、θ波、α波、β波自发脑电、诱发脑电–肌电图EMG–皮肤电反射（GSR)：测谎仪ECG理论•心脏电活动近似为一个随时间变化的向量–心脏是一个电偶极子–电场随心跳周期变化，从心房到心室或从起搏点到心肌爱因托芬(W.Einthoven)1860~1927荷兰人发现心电图的机理ECG理论ECG理论•Einthoven三角–向量的构成:至少需要两个已知向量才能组成心偶极子向量–3-肢体导联:VI:RA-LAVII:RA-LLVIII:LA-LLECG理论--Einthoven三角•加压肢体导联:单极导联Wilson中心端=VR+VL+VFaVL:(LA-Wilson中心端)*3/2aVR:(RA-Wilson中心端)*3/2aVF:(LL-Wilson中心端)*3/2•胸导:V1-V6Vi=Ci-Wilson中心端•12标准导联:3-肢导+3-加压导联+6-胸导EEG理论--Einthoven三角•P波：反映左右心房的电激动过程电位和时间的变化。•P-R间期：代表心房开始除极至心室开始除极的时间。•P-R段：代表心房激动通过房室交界区下传至心室的时间。•QRS波群：反映左右心室除极过程电位和时间的变化.•S-T段：从QRS波群终点到T波起点的线段，反映心室早期复极过程电位和时间的变化。•T波反映晚期心室复极过程电位的变化。•U波：代表心肌活动的“激后电位”（afterpotential）.•Q－T间期：从QRS波群起点到T波终点的时间；反映心室除极和复极的总时间。频率范围Beta:13–30HzAlpha:8–13HzTheta:4–8HzDelta:0.5–4HzEEG理论EEG理论•Alpha节律–频率:8–13Hz幅度:5–100microVolt–位置:枕后脑状态:清醒闭眼–Alpha节律被一个新的刺激终止–源:丘脑振荡起搏神经元EEG理论•Beta节律–频率:13–30Hz幅度:2–20microVolt–位置:前额脑状态:智力思维–反映皮层和丘脑信息处理EEG理论•Theta节律–频率:4–8Hz幅度:5–100microVolt–位置:前颞部脑状态:想睡–丘脑慢振荡神经元活动，降低感觉信号进入大脑皮层EEG理论•Delta节律–频率:0.5–4Hz幅度:20–200microVolt–位置:不定脑状态:深睡–丘脑和深部皮层振荡，一般可被脑网状系统终断EEG理论•10/20导联系统–鼻根枕骨隆突–位置:前额(F),颞区(T),顶区(P),枕区(O),中央区(C),z为中线–编号:右(2,4,6),左(1,3,5)EEG理论•通道:从一对电极记录到的信号(图中公共电极:A1左耳)多通道EEG记录:目前最多256同步记录EEG理论研究EEG用电极临床EEG电极EEG理论•事件相关电位–平均每一次刺激后的脑电信号–噪声减少–一般要100~1000次–假定没有适应性反映EEG理论•EEG谱分析-FFT谱分析自发脑电功率谱EEG理论地形图•用颜色表示强度来反映脑电与电极和脑区的关系,如:•ERPmaps–电位分布•Spectralmaps–频率分布•Statisticalmaps–统计差异非电量生理信号•血压脉搏心音•心输出量搏出量心指数–60-80mL4.5-6.0L/s3.1-3.5L/(s•m2)•血流量–流速–轴向集中1.2生物医学信号的提取1.生物电位电极2.生物医学传感器生物医学信号的提取•电极种类–按安放位置分：体表、皮下、体内植入–按电极形状分：板、针、螺旋、环、球–按电极大小分：宏电极、微电极–体表电极：湿电极、干电极生物医学信号的提取•生物电位电极–人体和测量仪器的界面.–“换能器”将离子电流转化为测量仪器的电子电流生物医学信号的提取•电极-电解液理论–电极-电解液界面:净电流从极板流向电解液•电子移动与电极中电流方向相反•阳离子(C+)在电解液中移动与电流方向相同•阴离子(A-)在电解液中移动与电流方向相反C⇔Cn++ne-(氧化)Am-⇔A+me-(还原)电极电解液电流CCC←me-←me-←me-←A-←A-←A-→C+→C+→C+AAA→ne-→ne-→ne-生物医学信号的提取•电极-电解液理论–没有电流时达到平衡(氧化=还原)–电流从电极到电解液时,氧化占主导–电流从电解液到电极时,还原占主导–氧化还原平衡时半电池形成•没有电子流存在生物医学信号的提取•极化–半电池出现，没有电流通过电极-电解液界面.–极化导致极化电压–极化电压:测量电极间的极化半电池电位差生物医学信号的提取•极化电压–电极电位:•符合Nernst公式:E=-（RT/nF）ln(C/K)R气体常数，为8.314J/mol·KF法拉第常数，为96487库仑T绝对温度N金属离子价数C金属离子有效浓度(mol/L)K与金属有关常数生物医学信号的提取•Ag/AgCl电极–Ex:一个很好的非极化电极（极化电压很小）–AgCl溶解度非常小：(aAg+xaCl-=~10-10)–[Cl-]在生物体中大量存在(aCl-~1)–特点:•Ag/AgCl电极生物体中非常稳定.•电阻与频率有关Ag⇔Ag++e-(oxidation)Ag++Cl-⇔AgCl(reduction)生物医学信号的提取•电极模型极化电极：Rj=∞(金电极)非极化电极：Rj=0(Ag/AgCl电极）生物医学信号的提取信号拾取生理信号:自发信号、诱发信号•自发信号：不对人体施加任何刺激，拾取到的信号，如ECG、EMG、EEG•诱发信号：对人体施加一定刺激，而得到的信号，如视觉诱发电位(VEP)生物医学信号的提取•人体信号拾取–信号采集：得到电信号电信号：用电极；非电信号：用传感器–预处理：通过放大、滤波去掉原始噪声，得到初级信号–处理：经过各种运算，得到反映器官功能的特征信号生物医学信号的提取人体信号拾取人体信号采集处理预处理显示刺激信号拾取要求•变换灵敏度高线性的动态范围•良好的信噪比最小的对人体干扰性生物医学信号的提取•生物放大器–将微弱的生物电增强–增强后的信号可以进行:•处理•记录•显示生物医学信号的提取•生物电放大器:最小要求–高输入阻抗(最小5MΩ)：对生物体干扰小–低输出电阻:高输出驱动(i.e.display,printer,filters,etc)–高增益(G1000)–隔离、接地、人体保护电路–快速校准生物医学信号的提取•生物电测量误差–高频失真:边缘变光滑(I.e.QRSpeak)–低频失真–饱和失真–地回路失真–电源干扰1.3提取过程中的干扰与噪声1.电磁干扰2.信号提取系统的噪声电磁干扰生物测量系统是不能离开外部环境测量信号=信号+噪声（干扰）基本条件：抗干扰+低噪声----〉合理解（成本+措施）图1。39微弱信号+噪声干扰信号+噪声人体电子测量中的电磁干扰一、干扰的引入：干扰的生成条件：干扰源-〉耦合通道-〉敏感电路1、干扰源：能产生一定的电磁能量而影响周围电路的物体或设备。主要有：自然源：太阳黑子、太阳辐射。放电脉冲源：发动机点火。稳态电磁场：50Hz工频（主要干扰）。电磁兼容性设计EMC：抑制外部干扰。抑制本身对外部的干扰。2、干扰耦合途径:.传导耦合：长导线。解决方法：绞线、屏蔽线。。公共阻抗耦合：共用电源电阻、地电阻。解决方法：分别接地。图1。42。电场和电磁耦合：电场：电容性耦合。磁场：电感性耦合。3、耦合元件：所有带电的元件、导线、结构件等均可形成干扰。二、生物测量中的电磁干扰1.电场的容性干扰：电磁环境中，通过电场干扰源与人体之间的分布电容，使人体本身携带干扰电压。通常称为50Hz干扰。◎共模电压:图1.48一般放大器电源为+/-12V，所以采用差动放大器。这样这个电压就为差动放大器的共模电压。如共模抑制比为60dB（衰减1000倍）共模电压的干扰为20mV，80dB时为2mV。122111020220dddddcmCCVVCCCU==×+=取◎导联线形成的容性耦合：图1.49从肢体或胸部提取体表信号所用的导线，通常约1米。在强磁场中，通过长的导联线与其他带电体之间的分布电容，足以引入周围环境中的各种干扰。ECGuVZZIUkZZnAIIIZZIKZZMZdABdddd%330)(56500100102121212121==−==−===≠ΩΩΩ则，，如导线位移电流手指到地阻抗小于小于、电极与皮肤接触阻抗，大于放大器输入阻抗条件：◎人体表面的容性耦合：图1。50人体体表与电源线之间的分布电容（体表各部分的分布电容的总和）也引入干扰。ECGuVIUuAIIddd%1616024002.0,500==×Ω×==Ω则如体表位移电流手指到地间阻抗小于2.磁场的感性干扰：电磁环境中，通过电场干扰源在人体的测量回路中感应出的干扰电压.图1.51ECGuVmHzmWbBAB%1101.050,/102.3coscos227=×−时，干扰为，则为一般感应电压为ϑθω三、合理接地和屏蔽合理接地是抑制干扰的主要方法，把接地和屏蔽正确结合可以解决多数干扰问题。1.合理接地：图1.52,图1.55,图1.57（1）安全接地：机壳接地。电阻小于10Ω。宏电击：绝缘击穿。微电击：分布参数造成漏电流。保护接地：漏电流和事故电流安全流入大地。◎并联小电阻◎串联大电阻◎双层绝缘◎过流保护◎漏电断路接地方式：一点接地（２）工作接地：所有导线都有阻抗，单点并联接地。2.屏蔽：图1.67用金属板/网将两个区域隔离,防止干扰传播3.隔离：将两个电路独立，不构成回路,光耦是常用的方法.4.去耦用RC/LC去除电源干扰.5.滤波电源中的滤波器.1.3.2信号提取系统的噪声◎通常为与外界干