生物信號可反映生物體的生命活動狀態(tài)，因此，生物信號的采集與處理是生物科學(xué)研究的重要手段之一。

生物信號的表現(xiàn)形式具有多樣性，如：既有物理的聲、光、電、力等類的變化；又有化學(xué)的濃度、氣體分壓、PH等的變化，其特點(diǎn)是信號微弱、非線性、高內(nèi)阻、干擾因素多等等。這些特征對于生物信號的采集與處理的研究及運(yùn)用十分重要。

傳統(tǒng)的生物信號采集與處理系統(tǒng)是由功能不同的電子儀器及手工測量工具組合而成，如：由前置放大器，示波器，記錄儀，分割規(guī)，尺，計(jì)算器等構(gòu)成。由于近年計(jì)算機(jī)工業(yè)的飛速發(fā)展，特別是微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，以及計(jì)算機(jī)生物信號采集與處理軟件的開發(fā)，使得經(jīng)過放大的生物電信號輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行觀察、測量、處理和儲存成為可能，而且更為方便、精確。因此，生物信號采集與處理系統(tǒng)逐漸變?yōu)橐杂?jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件為采集處理核心的數(shù)字化系統(tǒng)。數(shù)字化生物信號采集與處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)的生物信號采集系統(tǒng)相比，生物信號的記錄和分析的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、可靠性有了很大的提高。而且更多的參數(shù)可以靈活設(shè)置，并隨時(shí)方便的改變，使采集的數(shù)據(jù)能夠共享和進(jìn)行復(fù)雜的多維處理，從而大大提高了系統(tǒng)的性能和實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，簡化了實(shí)驗(yàn)過程。

一個(gè)完整的生物信號采集與處理系統(tǒng)一般包括：生物信號的引導(dǎo)；生物信號的放大；生物信號的采集；生物信號的記錄與處理四部分。

（一）生物信號的引導(dǎo)

生物信號的一般可分為兩類，一類是電信號，如心電、腦電、肌電和細(xì)胞電活動（動作電位，靜息電位）；另一類是非電信號，如體溫、血壓、呼吸、心音、肌肉的收縮、二氧化碳分壓、氧分壓、PH值等等。在一個(gè)生物信號的采集與處理系統(tǒng)中電信號的采集需要合適的電極引導(dǎo)，非電信號的采集需要合適換能器將其轉(zhuǎn)換成電信號。因此，電極和換能器是各種生物醫(yī)學(xué)測量中必不可少的關(guān)鍵部分，它們的特性往往決定了測量系統(tǒng)的質(zhì)量。

1．電 極

電極是連接測量系統(tǒng)和生物體不可缺少的元件。采集生物電信號時(shí)需要合適的電極，電極的性能優(yōu)良與否，電極的類型選擇是否適合將直接影響電信號的采集結(jié)果。

（1）電極的種類:電極的種類很多。根據(jù)安放的位置,可分為體表電極、皮下電極及植入電極；根據(jù)電極形狀，可分為板狀電極、針狀電極、螺旋電極、環(huán)狀電極；根據(jù)電極的粗細(xì)，可分為，粗（宏）電極與微電極；根據(jù)制作材料，可分為金屬電極、玻璃電極、乏極化電極等。在生物電信號的引導(dǎo)中，常根據(jù)各種實(shí)驗(yàn)的不同要求選用不同類型的電極。

（2）常用的電極：

① 普通金屬電極? 這類電極一般用鉑(白金)、金、銀、合金(鎳、銅、鋅)、不銹鋼等金屬制作而成。金屬電極的外形可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求制成各種形狀。ECG、EMG、EEG及神經(jīng)干復(fù)合電位等的檢測一般均用此類電極。

② 乏極化電極? 當(dāng)電極進(jìn)入生物體組織或與生物的組織表面相接觸時(shí)，會在電極和組織之間出現(xiàn)半電池電動勢。如果電極中有電流流過，則還會出現(xiàn)極化電位。極化電位可隨電極中流過電流的大小而變化，電流越大、極化電位越大。半電池電位與極化電位的總和電位差稱之為電極電位。這種電位影響生物信號的檢測，使波形畸變、失真，也影響刺激的精度等。為了解決這一問題一般用Ag-AgCl乏極化電極。這類電極在電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中常作為刺激電極，也用于精確的生物電信號的檢測。其工作原理是：當(dāng)直流電通過Ag—AgCl電極刺激活組織時(shí)，正負(fù)離子分別向陰極及陽極移動。但不是吸附在電極表面使之極化，而是與電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。使極化現(xiàn)象不再發(fā)生，刺激脈沖或引導(dǎo)的生物電信號也就不會失真。Ag-Cl電極所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)表達(dá)式如下：

陽極上： Ag-e ————Ag+

Ag+ ———— AgCl↓

陽極上：AgCl+e —--- Ag↓+Cl-
Cl-+Na+ —--- NaCl

銀—氯化銀電極的缺點(diǎn)是Ag-Cl對活組織有毒性作用，因而不能直接將它與活組織接觸，而應(yīng)通過瓊脂鹽橋或脫脂棉線中介，這樣既能導(dǎo)電又避免直接與組織接觸。

③ 微電極。微電極是用于測量細(xì)胞生物電活動的微型電極。這種電極的尖端直徑僅為0.5~5μm。微電極有兩種類型：一類是金屬微電極，另一類是充灌了電解質(zhì)溶液的玻璃微電極。金屬微電極多采用0.3~O.5mm不銹鋼絲或鎢絲，經(jīng)過特殊方法處理而制成。這種電極除尖端外，其它部分是絕緣的。玻璃微電極一般選用高熔點(diǎn)、高電阻率和膨脹系數(shù)低的硬質(zhì)毛細(xì)玻璃管，國外一般采用Pyrex毛細(xì)玻璃管，國內(nèi)一般采用GG-17毛細(xì)玻璃管。經(jīng)過凈化處理后毛細(xì)玻璃管，用已經(jīng)商業(yè)化的微電極拉制儀拉制成玻璃微電極，其內(nèi)一般充以3M KCl溶液作為電解質(zhì)。微電極通常有很高的電阻，一般在5~40MΩ范圍。由于電學(xué)上的差異，玻璃微電極通常用來測量低頻生物電信號，而金屬微電極一般用來測量高頻生物電信號和作為刺激電極。

（3）選擇電極時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng):

A．電極材料與生物組織的相容性:一方面是要求電極材料對組織無害,另一方面是生物組織內(nèi)環(huán)境對電極工作（尤其慢性實(shí)驗(yàn)時(shí)）沒有影響。

B．使電極的接觸阻抗盡可能的小。降低接觸電阻相當(dāng)于降低了信號源阻抗，使得對放大器輸入阻抗的要求降低，放大器選擇范圍加寬。一般增大電極面積可以降低接觸電阻，但同時(shí)會降低空間分辨率。

C．注意電極的機(jī)械性質(zhì)和幾何形狀對生物體狀態(tài)的影響。

D．盡量使用半電池電位和極化電壓小的電極。使用雙電極時(shí)應(yīng)用同一種材料，使半電池電位近似相等。

2．換能器
     換能器又稱傳感器，是將能量從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式的傳感元件。換能器對于生物醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究和教學(xué)起著重要的作用，是非電信號精確測量不可缺少的部分。由于生物體的特殊性，所以生物換能器在性能和結(jié)構(gòu)上必須滿足下列要求：

（1）換能器本身具有良好的技術(shù)性能，如：靈敏度、信噪聲比要高，線性好，零點(diǎn)漂移低等等。

（2）換能器對被測對象的影響要小，不會給被測對象的生理活動帶來負(fù)擔(dān)，其形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)該符合被測對象的解剖結(jié)構(gòu)。

（3）換能器本要有足夠的絕緣和耐腐蝕及不會給生物體帶來有害影響。

二、生物電信號的放大

由于大多數(shù)生物電信號的電位幅值很小，通常需要經(jīng)過放大才能被觀察儀器及記錄儀器測量到。因此，在生物信號的采集過程中必須對引導(dǎo)的生物信號進(jìn)行放大。

放大器的選擇

用于生物電信號放大的任何一個(gè)放大器，必須考慮其頻率響應(yīng)、噪聲水平及輸入阻抗三個(gè)基本
技術(shù)參數(shù)。這三個(gè)參數(shù)是保證所放大的信號清晰、真實(shí)的前提。在實(shí)際測量時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測信號的性質(zhì)選擇合適的放大器。例如，使用微電極記錄生物電信號時(shí)，應(yīng)選擇低噪聲、高輸入阻抗（大于1 000 MΩ）的放大器。其次根據(jù)需要放大信號的大小、性質(zhì)、選擇恰當(dāng)?shù)撵`敏度、時(shí)間常數(shù)、高頻濾波，才能不失真地把生物電信號放大，并記錄下來。

放大器靈敏度、時(shí)間常數(shù)和高頻濾波的選擇

（1）靈敏度? 應(yīng)以觀測儀器、記錄儀器能清晰分辨所測信號的為準(zhǔn)。

（2）時(shí)間常數(shù)? 時(shí)間常數(shù)是決定放大器低端頻率主要指標(biāo)。正確地選擇時(shí)間常數(shù)，可使所需放大的信號逼真、清晰、穩(wěn)定。一般測量快速交變信號時(shí)選擇較小的時(shí)間常數(shù)，測量慢速交變信號時(shí)選擇較大的時(shí)間常數(shù)。

（3）高頻濾波? 可將所檢測的生物電信號中不需要的高頻成份或噪聲濾掉。這樣可使所測信號的主要頻率成份能夠得到很好的放大。正確的選擇放大器高頻濾波，可提高儀器的分辨率，使圖像更為清晰。一般情況下，高頻濾波的選擇應(yīng)是輸入信號高頻端的兩倍左右。

在測量下述生物電信號時(shí)，放大器的靈敏度、時(shí)間常數(shù)及高頻濾波的選擇可參考下表：

三、生物電信號的采集

在傳統(tǒng)的生物信號處理系統(tǒng)中，經(jīng)過放大的生物電信號可輸送到示波器或記錄儀進(jìn)行觀察、記錄和測量。為了能正確重現(xiàn)被測生物信號，示波器、記錄儀應(yīng)具有足夠高的頻率響應(yīng)、合適的振幅動態(tài)范圍、良好的線性、適當(dāng)?shù)淖枘崽匦约白銐蚋叩撵`敏度與良好的穩(wěn)定性。記錄器可選用墨水式記錄儀、噴墨筆式記錄儀、光線示波器或X-Y記錄儀，也可選用多通道磁帶記錄儀、示波器專用照像機(jī)等。

基于計(jì)算機(jī)的生物信號采集與處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是將電極及換能器引導(dǎo)、轉(zhuǎn)換并放大的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并將其輸入計(jì)算機(jī)的過程。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，需注意以下問題：

1. 采樣頻率(fs)的選擇:采樣時(shí)間間隔的倒數(shù)為采樣頻率, 即fs=1/T。為使信號采樣后能不失真的還原，fs的選擇必須滿足：采樣頻率必須不低于信號最高頻率的兩倍。即：fs≥2fH

例如：生物信號的頻率范圍是20Hz-20KHz，對其采樣時(shí)，選取的采樣頻率應(yīng)滿足：fs≥40 KHz。

2．多路采樣時(shí)通道數(shù)與采樣頻率的關(guān)系：由于計(jì)算機(jī)對多通道信號采集和處理是分時(shí)進(jìn)行的，因此，通道數(shù)越多，同樣的情況下每個(gè)通道可選擇的最高采樣頻率就越低。

3.分辨率與輸入信號的范圍關(guān)系：分辨率，即，所能測出信號的最小變化量，該變化量越小，則稱分辨率越高。因此，分辨率越高，可測量信號的最大值就越小，即信號的輸入范圍越小。

四、生物信號的處理與記錄

傳統(tǒng)的生物信號處理主要是根據(jù)記錄儀和示波器照相機(jī)等記錄裝置記錄到的圖形，通過分割規(guī)、米尺、積分儀、計(jì)算器等進(jìn)行手工計(jì)算?；谟?jì)算機(jī)的生物信號采集與處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，由于生物信號被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入計(jì)算機(jī)，所以，對信號的處理都是以數(shù)字方式由計(jì)算機(jī)進(jìn)行。計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲器能夠使數(shù)據(jù)暫時(shí)或長久存儲，并可隨時(shí)輸出、顯示或用于計(jì)算，使得被測信號能容易地進(jìn)行多次處理、顯示和比較，因此，與傳統(tǒng)的信號處理方式相比，基于計(jì)算機(jī)的生物信號采集與處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理更快，更精確，更靈活。

基于計(jì)算機(jī)的生物信號采集與處理系統(tǒng)常用的信號處理方法：

1．信號運(yùn)算：

（1）微分和積分：使用運(yùn)算放大器，可實(shí)現(xiàn)模擬電路對信號的微分或積分，用計(jì)算機(jī)通過某種運(yùn)算完成對信號的微分或積分則更為簡單、直接。

（2）迭加平均：生物信號測量中常常出現(xiàn)信號幅質(zhì)很小而噪聲很大的情況，使得有用的信號淹沒在噪聲之中，難以測量和處理。如果信號和噪聲頻譜不一致，可以用濾波的方法分離出有效信號,但如果信噪比太小,效果不一定好；如果噪聲和信號頻譜重疊，濾波不在適用。這種情況使用迭加平均的方法可以抑制噪聲，提高信噪比。

迭加平均是對具有確定參考點(diǎn)的重復(fù)信號多次迭加，然后取平均值。這種方法使用的條件是：噪聲具有隨機(jī)特性，信號具有重復(fù)特性，兩者互不相關(guān)。由于信號是有規(guī)律的，所以，迭加后信號增強(qiáng)，而噪聲是隨機(jī)的，所以，迭加后大部分相互抵消。迭加N次后，信號幅度增加N倍，而噪聲則衰減到原來的1/N。迭加平均法一般用于誘發(fā)生物電的測量。

（3）凍結(jié)顯示：所謂凍結(jié)顯示是可以使某一段波形在顯示屏上做任意時(shí)間的停留。這種顯示方式非常便于屏幕分析和測量。

（4）頻譜分析：任何信號都可以看成是不同頻率的正弦波的疊加，頻譜分析就是以組成信號的正弦波的頻率為變量研究信號特性的方法。

在生物信號的測量中，我們記錄到的多數(shù)信號都是隨時(shí)間變化的信號，在生物醫(yī)學(xué)工程上稱為時(shí)域信號。頻譜分析中的信號是頻域信號，在頻域里分析信號可使一些在時(shí)域中無明顯特征的信號在頻域里能出現(xiàn)明顯特征，這是頻域分析的最大優(yōu)點(diǎn)。除此之外，頻域分析還有使復(fù)雜計(jì)算簡單化等優(yōu)點(diǎn)。
對于離散時(shí)間信號，從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換要進(jìn)行繁瑣的迭加計(jì)算，而使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）可方便完成這一運(yùn)算過程。 頻域分析廣泛用于生物醫(yī)學(xué)信號的處理之中，如腦電圖的檢查，心電信號的分析等等。信號經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理以后，一般將處理結(jié)果輸出到打印機(jī)，可打出具體數(shù)據(jù)或圖形。

五、干擾的處理

干擾是生物信號采集過程經(jīng)常遇到問題，尤其是在電生理實(shí)驗(yàn)中常見的、對生物電信號測量有著很大影響的電現(xiàn)象。輕者可使被測信號畸形，重者可導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法正常進(jìn)行，因此，排除干擾是電生理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常遇到的、非常重要的工作之一。干擾的種類很多，排除干擾的基本原則是準(zhǔn)確尋找出干擾源，然后采取相應(yīng)的措施加以排除。電磁干擾是電生理實(shí)驗(yàn)中最常見的干擾之一，解決電磁干擾的最好辦法是采用金屬屏蔽。既可以將實(shí)驗(yàn)對象置于屏蔽裝置之中，也可以將實(shí)驗(yàn)儀器加以屏蔽。其次，測量儀器良好的接地和采取合適的濾波也是解決電磁干擾的有效方法。

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