生物医学信号的检测

山东药品食品职业学院1生物医学信号的检测生物医学信号生物医学信号的检测生物医学用传感器山东药品食品职业学院2生物医学信号一、概述1.生物信号处理的目的从信号中得到有用信息生物信号处理的步骤（1）测量或观察，即信号获取非电信号用生物传感器转化为电信号，电信号用电极获取。（2）信号转化消减干扰，去除无用信号，获得具有诊断价值的有用信号山东药品食品职业学院3生物医学信号（3）计算提取具有医学诊断价值的特征参数所获得的信息必须具有辨识力，能够区分疾病。（4）信号解释或信号分类方法：统计学或多种方法相结合山东药品食品职业学院4二、生物医学信号的分类1.根据信号源产生的不同方式进行分类（1）直接信号由生命体自身产生。如心电图、脑电图等。特点：信号微弱、信噪比低。（2）间接信号对生命系统施加特定的输入，再接受或测量其输出信号，从而计算出系统的静态或动态参数。①遥测型：特点：发射源在体外，如B超、X射线摄影装置。②遥感型：特点：发射源在体内，如单光子发射CT。无论直接信号还是间接信号检测器都在体外。山东药品食品职业学院52.按信号产生的不同机理和不同表现进行分类（1）物理信号：如压力、温度等(2)生物电信号（3）生物信号①化学量信号：如血气、电解质等。②生物量信号：如酶活性、蛋白质等。山东药品食品职业学院63.如果生物信号为时间的函数关系，分为稳定信号和非稳定信号（1）稳定波形：准周期或非周期函数（2）随机性波形：趋势分析山东药品食品职业学院7三、生物医学信号的基本特征1.信号具有强烈的随机性特点：变异性：因人而异，同一个人在不同时刻也不同非平稳性：信号的统计特性随时间而变。分析方法：自适应处理技术：使处理的参数随信号的非平稳性而变。山东药品食品职业学院8三、生物医学信号的基本特征2.信号的噪声背景和干扰性强伪迹、工频共模干扰处理方法（1）加法结合：若频率不相交叠，采用频率滤波。若频率相重叠，采用自适应处理技术。（2）乘法性信号：采用广义线性滤波。山东药品食品职业学院9三、生物医学信号的基本特征3.生物医学信号具有高度的动态性或不可重复性绝大多数信号无法只用几个参数就可描述，具有很大的变化性。如果生产信号的生理过程处于动态，描述该信号的参数也在不断变化。4.由于生物系统复杂的生命运行机理，生物医学信号具有复杂的频率谱带。（1）生物的直接信号频率较低。（2）间接信号的工作频率一般处于兆赫甚至更高。山东药品食品职业学院10生物医学信号的监测生物医学信号检测是对生物体中包含的生命现象、状态、性质、变量和成分等信息进行检测和量化的技术。信息来源（1）人体内部的固有信息（2）借助于外能获得的信息山东药品食品职业学院11生物医学信号的监测一、无创测量对来自于机体原体的直接信号或间接信号进行非侵入式测量的技术成为无创测量。无创测量的重要特征:是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，测量时通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。山东药品食品职业学院12生物医学信号的监测1.借助外能的无创伤检测生物体的结构、形态的信息往往不能从肌体直接测量，必须借助外能对人体激励后才能得到这类结构、图形信息。（1）医学光学检测利用光对人体器官、血液的作用再通过光学系统接受返回的信息供以观察。（2）医学X射线检测利用X射线透射到人体，通过对透射射线的处理进行观察。山东药品食品职业学院13生物医学信号的监测（3）核医学检测利用各种反射性探测器检测引入人体脏器中的放射性核素所产生的射线，探测器将射线的辐射能转换成光能，再转换成电能，最后将探测器输出得到信号放大处理，得到组织形态的诊断结果或图形信号（4）医用超声检测利用超声波作为外能射向人体，利用探测器检测回波，经放大处理后得到人体组织、结构、形态的图形。山东药品食品职业学院142.生物电信号的无创检测（1）是指在体表进行的生物电位及其他电特性（阻抗）测量。（2）无创测量的方法①自发信号：直接用生物电极测量生物电位，如心电图、脑电图②诱发信号：用生物电极测量生物电位，如眼电、肌电③采用生物电阻抗测量技术:断层成像山东药品食品职业学院153.生物磁信号的无创检测（1）生物磁信号：人体从细胞到组织器官由于生物电传输必然产生生物磁场，生物磁信号非常微弱（2）检测方法：采用超导量子干扰仪，只需在人体的某一点或某一部位进行非接触式测量，就可用探头直接提取磁场强度分布。4.生理声信号的无创检测（1）生理声信号：人体中许多器官按一定规律运动时，振动发出的声音信息。（2）无创检测:分为自发声信息和诱发声信息。（3）举例：以耳声发射的测量为例。山东药品食品职业学院16生物医学信号的监测5.人体深部体温的测量（1）为什么要测量深部体温：在对人体内的组织或器官进行热作用治疗时，需要检测深部体温以控制热功率。（2）方法：热流补偿法山东药品食品职业学院17二、有创测量有创测量也称为侵入式测量。采用将测量探头或者微电子侵入机体的方式，引导或传感有关生命体的生理和生化参数。1.埋植式测量常用的测量装置包括埋植式刺激器、埋植式药疗（控制）装置、埋植式人工器官及辅助装置和医学传感器等，用来测定生命体内的生理参数、生化参数的长期变化，或用来替代功能缺损的器官，也可用来诊断与治疗某些疾病。山东药品食品职业学院18（1）特点①只是在埋植电子装置时动一次手术，以后便可在体外进行连续的实时测量。②体内的各种信息不需经皮肤测量，可大大减少各种干扰因素。③便于对器官和组织的调空，并能获得更理想的刺激和控制响应，更有利于肢体功能的恢复和病情的控制。④模拟某些内分泌系统的自然分泌功能，对某些慢性疾病的长期疗效远比常规治疗方法为高。（2）供能方式①采用植入式电源：包括一次电池、二次电池。②体外射频能量供电：D/A变换。③利用生物体的其他能量转换：生物电池山东药品食品职业学院192.手术测量手术后，被测的组织和器官可直接暴露，可用测量探头直接置于被测部位直接测量。3.导管测量利用导管经食管和血管等进入人体内部测定机体的生理及生化信息的方法。优点：不需经手术（或只需经较小的手术），创伤性较小，测量位置的定位相当准确。缺点:须经严格的消毒、处理和检查，确保无感染与安全。山东药品食品职业学院20三、生物医学中的遥测技术遥测技术属于医学传感测量与通讯技术相结合的产物。1.无线遥测与遥控无线遥测：被测对象只是携带一个发射小盒，向接受测量端发射信号。闭环测控系统：采用无线方式将体内信号传送到体外测量和显示。通过体外的指令对体内测量和控制装置实现经皮测量。2.有线远距离测控通过电话网络、远程计算机网络等实现远距离测量和诊断，包括各类离体的、在体的和离线的在线的等各类生命信息。山东药品食品职业学院21三、生物医学中的遥测技术3.存储式遥测将被测对象的生理参数首先记录在磁性存储器、固态存储器和光存储器光盘等上，然后在另一地进行回放，送给计算机分析和处理。如动态心电图机，诊断冠心病。4.植入式遥测技术将测量装置采用一定的方式植入体内，然后检测到的信号通过电磁信号发送的方式在体外接收。（1）吞服式无线电胶囊原理：腹内压的变化转化为振荡频率的变化，再转化为电压的变化，并定标为压力值。山东药品食品职业学院22（2）埋入人体某一部位，测定体内某一固定位置上的生理与生化信息。专用植入式遥测芯片：信号处理、射频发射机、功率开关。山东药品食品职业学院23四、生物医学信号检测中的干扰和噪声干扰：人体和仪器外部产生的无用信号。噪声：人体和仪器内部产生的无用信号。1.医学检测中干扰的来源与抑制A、来源（1）磁场干扰：干扰源：变压器、电动机、日光灯的镇流器（2）电场干扰：交流电源是危害最大的干扰源。（3）电磁场干扰：干扰源：无线电发射装置、理疗仪器、高频手术、超声议山东药品食品职业学院24B、以心电检测为例，讨论50Hz市电的干扰与抑制（1）磁场来源各种电源变压器。在直流放大器输入端引线和待测人体与检验仪器之间构成一个闭合回路，干扰磁场磁通量的变化将引起一个干扰电动势，它与被测信号一起输入直流放大器形成了50Hz磁场干扰。（2）抑制磁场干扰的办法①引线尽量靠近，互相绞合，减小面积②减小磁感应强度和夹角山东药品食品职业学院25B、以心电检测为例，讨论50Hz市电的干扰与抑制（3）电场来源是通过50Hz电源和人体、引线间的分布电容，将位移电流流入人体和引线。最后流入放大器输出端而产生干扰。（4）抑制电场干扰的办法①通过右脚接地，减小人体对地阻抗和分布电容，减小分压值。②减小50Hz电场对引线的影响：采用屏蔽线③减少50Hz电场对人体的影响：人体远离电场，皮肤清洁④利用有源滤波器可有效地抑制50Hz电场的干扰：带阻滤波器山东药品食品职业学院262.噪声及处理方法（1）仪器内部的噪声①热噪声：前置放大器输入电阻的热噪声，温度越底噪声越小。②分配噪声：集电极电流的起伏，频率越高，噪声越大。③散粒噪声：与流过PN结的直流电流有关，在低频段更明显。④低频噪声：由半导体材料本身和表面处理引起，频率越低，噪声越大。山东药品食品职业学院27（2）放大器的噪声用信噪比来表示（3）减少噪声的处理办法①降低放大器第一级的噪声系数：采用场效应管②尽量限制放大器的频带宽度③使仪器在尽量低的温度环境中工作④使用低噪声电缆线⑤用滤波法或平均法提取淹没于噪声的医学信号山东药品食品职业学院28五、医学信号测量技术的发展方向1.相关技术2.分子医学3.家庭或自我保健4.微创方法5.器械与药物的复合产品6.采用硬件与组织工程的器官移植或辅助器械山东药品食品职业学院29生物医学用传感器概述生物医学信号检测的核心部件是医学用传感器。所以，传感器在医学领域中占有十分重要的地位，传感器对原始参数检测的精确和可靠程度由传感器的基本特性决定。生物电用电极取得，非电参数要通过能量的转换，转换成电信号后，才能进行放大，成为可识别的信号。山东药品食品职业学院30生物医学用传感器概述传感器：把被测对象状态转换成电学信号的元件或装置称为传感器。其实质是将非电量转换为相应的电能，也称为换能器。医用传感器：感知生物体内各种生理的、生化的和病理的信息，经它们进行识别转换为易处理和存储的电信号装置。传感器的重点是将非电量转化为电学量。传感器组成:敏感器件、传感器件和电子测量系统。山东药品食品职业学院31生物医学用传感器一、医用传感器的作用与分类1.作用：是一种用来感知各种生物体信息并转换成容易处理的电信号的器件。用来实现定向医学走向定量医学。2.用途：（1）检测生物体信息（2）监护：连续测定某些生理参数（3）控制：利用检测到的生理参数，控制人体的生理参数。山东药品食品职业学院32生物医学用传感器2.分类（1）物理传感器：利用物理性质和物理效应制成的传感器。（2）化学传感器：是把人体内某些化学成分、浓度等转换成与之有确定关系的电学量的器件。它多利用某些功能性膜对待定成分的选择作用把被测成分筛选出来，进而用电化学装置把它转化为电学量。（3）生物传感器：它是利用某些生物活性物质所具有的选择识别待测生物化学物质的能力制成的传感器。是一种固定化的生物体成分（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（组织、细胞）作为敏感元件的传感器。山东药品食品职业学院33生物医学用传感器二、生化传感器1.化学传感器化学传感器是对化学物质敏感而且能将其量转化为电学信号的器件。包括电化学传感器、半导体气敏传感器、半导体湿敏传感器。不仅能监测离子而且能测定溶解在生理液体中的各种气体。（1）电位型电化学传感器把被测化学物质量转变为电信号的测量器件。电位型电化学传感器是电化学电池的一个部件，其基本工作原理是基于离子、电子界面上的平衡态，没有净电流