生物电信号作为人体各种生理参数的重要指标

生物电信号作为人体各种生理参数的重要指标，一直在人们生活中扮演重要角色临床上，人们己经可以比较精确地获得各种生物电信号，但是随着人们对医疗技术不断提高的需求以及在神经科学、认知心理学和人工智能研究的深入发展，人体生物电信号正在被越来越多地应用到远程医疗、医学检测、实时监护以及新兴的脑一机接口等领域。人体生物电信号应用最为广泛的是心电信号与脑电信号。其中，心电信号直接反应了心脏活动中的各项指标，可用来检测心脏房室隔以及动静脉瓣等各项病变;可用来对病患进行临床或者远程生命监护;可设计为便携式装置，对特殊人群如运动员，高血压患者进行健康实时监护。脑电信号直接表征了不同区域大脑皮层的神经活动状态，对检测人的生理、心理状态有着重要意义;能够为癫痛、痴呆、肿瘤等脑部疾病提供有重要意义的诊断信息;能够结合脑一机接口，使得大脑与外部设备得以进行通信。在上述涉及到的前沿应用中，如脑一机接口和实时监护，心电信号和脑电信号作为其原始输入信号，其采集质量受相关的采集环境限制，严重影响着心电和脑电采集的可靠性和准确性。如何在保证心电和脑电信号质量的同时，尽可能地减少采集环境的限制，从而扩大它们应用的使用范围，已成为其采集技术的一个重要课题。传统的生物电记录采集设备愈来愈不能满足未来发展的需要。近些年，随着微电子技术、微纳科学技术和光电子技术的发展，便携式的、低功耗的新设备和新的记录手段，已逐渐成为生物电采集领域的研究热点。1.2生物电测量基础我们常用容积导体电场的模型来直接方便的解释在人体表面所记录的生物电现象。所谓容积导体电场包括生物电信号源及其浸溶的周围介质。如果在一个盛偶极子，那么容器内的食盐溶液各处都会形成一定的电位。若电偶极子的位置、方向和强度都不变，则电场的分布是恒定的，电流会充满整个溶液，这种导电的方式称为容积导电，容器中的食盐溶液称为容积导体，其间分布的电场称为容积导体电场。人体组织内存在的大量体液可视为电解质溶液，因此人体就是一个容积导体。而人体的细胞、纤维等就浸溶在这些体液中，兴奋细胞相当一对电偶极子而构成生物电信号源，这样就可以视人体内为一个容积导体电场。若电偶极子的方向和强度作有规律的变化，则整个容积导体内的电场分布也将作相应的变化。对比细胞膜内因除极化和复极化过程形成的膜表面电荷变化，恰可以看成这样一对电偶极子。因此，我们在分析生物电(如心电、脑电、肌电等)信号时，就可以将其归结为讨论容积导体电场的问题。1.2.1人体生物电信号心电信号的产生是由于心脏周围的组织和体液都能导电，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表进而在体表许多点之间形成电位差或者等电位。心脏在每个心动周期中，由于起搏点、心房、心室相继兴奋，就会伴随着电位差的变化，如果将这些变化按时间一幅值的坐标系一记录出来得到的就是心电图，其信号的幅值一般在lmv左右。心电图是由一系列的波组构成的，每个波组代表着一个心动周期。一个波组包括P波、QRS波群、T波及U波。主要用于对各种心律失常、心室心房肥大、心肌梗死、心率异常、心肌缺血、电解质紊乱、心衰等病症检查，并可用于床边24小时监视病人心脏功能。脑电信号(Electroencephalography,EEG)是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性的生物电活动，可分为自发脑电(SpontaneousEEG)和诱发脑电(EvokedPotential,EP)。自发脑电是指无需外界刺激，记录到的大脑本身的神经电活动，根据频率高低可分为a波、p波、。波以及6波，其构成的脑电地形图满稀释食盐溶液的容器中存在一对等值异号的电荷组成的电对大脑功能性病变检查十分敏感。诱发脑电是指在外界刺激下，记录到的大脑皮层神经活动过程中产生的细微电压变化，也称为事件相关电位。一般而言，一个人的诱发脑电在一定的年龄下是相对稳定的，当受到的外界刺激改变时，诱发脑电的波峰幅值和波间距就会发生部分改变。因此，诱发脑电的时域、频域信息对于诊断神经系统疾病，评价人体听觉和视觉功能，监护麻醉过程中的麻醉深度，研究认知活动等方面有着重要的意义。总的来说诱发脑电和自发脑电的获取一般都是将脑细胞生物电活动的电位作为纵轴，时间作为横轴，从头皮上的两点之间或头皮之间的电位差通过电子放大仪器放大并记录下来的，其信号的幅值一般在100}V以下。它们都主要用于神经系统疾病的检查，反映了脑组织功能的状态，自}a年代出现以来，对神经系统疾病的诊断和研究一直发挥着重大作用。1.2.2生物电测量电极在生物信号测量中，电极是第一个重要元素，因为其担负着把人体中依靠离子传导的生物电信号转换为测量电路中依靠电子传导的电信号的作用。电极可以分为极化电极和非极化电极。所谓极化电极是指在给电极施加电压或者通入电流时，在电极/电解液界面上没有电荷通过，而有位移电流通过的电极。非极化电极是指不需要能量，电流能自动通过电极/电解质溶液界面的电极。极化电极会产生极化电压，从而会使被测得生物电位失真。惰性金属如Au,Ag,Pt等做成的电极十分接近完全可极化电极，在给这种电极施加电压时，在金属电极/溶液界面上形成双电层，其性能与电容器相似。Ag/AgCI电极则十分接近非极化电极，因而在传统的生物电检测中应用广泛。然而，这种电极也有明显的不足:测量前需要对皮肤和电极进行预处理(preparation)，要清理皮肤的角质层，涂抹导电膏以使电极皮肤充分接触。这些要求由于受导电膏凝固以及人体运动(如眨眼)所产生的电极位移等问题的影响，增加了测试者的不适感，更不适合长时间的监测，因此不符合现代生物电信号应用的发展。新型电极的设计必须解决预处理的问题以方便应用，对此关于有源电极，干电极等新型电极的报道屡见不鲜。有源电极是在普通电极的基础上附加上有源电路以增加电流，主要是通过高输入阻抗、低输出阻抗的缓冲放大器实现的。这样的设计能够极大的提高信号质量同时避免对.皮肤的预处理和使用导电膏。因此有源电极在许多场合得到了成功应用，例如在针对司机设计的困倦检测系统以及脑一机接口系统等。根据干电极的工作原理，可以把目前的干电极采集技术分为3类:基于微针的干电极技术、基于超高输入阻抗放大器的干电极技术和基于光电传感的干电极技术。微针电极是目前最普遍采用的脑电干电极。它采用针式阵列结构，保证了与皮肤接触的稳定性。此外，微针电极能直接穿透角质层，克服了角质层对脑电信号采集效果所带来的影响。其微针的长度一般为15}100}m，能够刚好穿透角质层同时避免对生发层造成损伤。微针电极的主要缺点是它的侵入式的使用方式容易引起皮肤感染。图1-1是微针式干电极的示意图。超高输入阻抗放大器技术中的干电极一般是指状结构的生物传感器。它并不穿透角质层，而主要确保电极与皮肤的紧密接触。由于其无需涂抹导电膏，导致其皮肤一电极阻抗很大，要求后级前置放大器的输入阻抗必须足够大。大部分生物电信号都属于低频的微弱信号。因此，必须把信一号放大到所要求的强度，才能对之进行一各种处理、记录和显示。信号放大技术是人体电子测量系统中最基本最重要的环节，其核心是放大器的设计，特别是前置放大电路的设计。人体生物电前置放大电路必须满足高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声与低漂移以及安全可靠这四个基本要求又一高输入阻抗这是由于生物电定的高内阻源性质。信号源阻抗不仅因人及生理状态而异，而且在测量时，与电极的安放位置、电极本身的物理状态都有密切关系。源阻抗的不稳定性，将使放大器电压增益不稳定，从而造成难以修正的测量误差。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。若放大器输入阻抗不够高(与源阻抗相比)，则会造成信号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。一般而言，人体生物电测量中的信号源内阻能够高达约1OOKS2。为了使获得的信号尽可能逼近原始生物电信号，信号源内阻与放大器输入阻抗之比至少要小于1/10，那么放大器输入阻抗应至少大于1MS2。如果放大器输入阻抗提高到1OMS2，那么信号源内阻与放大器输入阻抗之比就减小到1/100，上述各种因素造成的失真和误差就可以减小到忽略不计。(二)高共模抑制比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，必须选用差动放大形式。因此，ClI7MR值是放大器的主要技术指标。生物电放大器的CMRR值一般要求在60~80dB，高性能放大器的CMRR达100dB,如在进行诱发脑电测量时，这一指标是必要的。必须注意的是放大器的实际共模抑制能力受电极系统的影响。通过两个电极提取生物电位时，它们各自的等效源阻抗一般不完全相等，其数值大小与人体汗腺分泌情况、皮肤清洁程度有关。各个电极处的皮肤接触阻抗是不平衡的，而且因人而异，加之两个电极本身的物理状态不可能完全对称，这样使得与差动放大器两个输入端连接的源阻抗实际上并不平衡。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。对于己经发生的这种转化，放大器本身的共模抑制能力再高也无济于事。但是，提高放大器的输入信号源是高内阻的微弱信号源，通过电极提取又呈现出不稳阻抗，则会减小这一转化。(三)低噪声、低漂移相对于幅度仅在微伏、毫伏数量级的低频生物电信号而言，低噪声、低漂移是生物电前置放大器的基本要求。高阻抗源本生就带来相当可观的热噪声，输入信号的质量较差。所以，为了获取一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。理想的生物电放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级，这样，放大器的噪声电平成为放大器设计的限制性条件。放大器的低噪声性能主要取决于前置级，正确设计放大器的增益分配，在前置级的噪声系数较小时，可以获得良好的低噪声性能。前置级的低噪声设计，是整个放大器设计的主要任务，除了按照低噪声设计的原则正确进行设计以外，还应该采用严格的装配工艺，对前置级电路加以特殊的保护。(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，包括对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。1.3国内外研究现状随着科学技术的发展和人们物质生活水平的提高，生物电信号测量技术在科学研究领域以及日常便携式应用领域得到快速的发展。生物电信号的应用已经不仅仅局限于临床应用方面，而呈现出两极的发展趋势。一方面向着高精尖的研究领域发展，对信号的准确性、实时性以及通道的数量提出了更高的要求。另一方面，向着家用便携化发展，这又对电源的选择、电路抗干扰性提出了更高的要求。其中BCI的研究是国内外的一大热点，其目标就是修复或者替代人脑的信号输出，在人脑与计算机或其他电子设备之间建立的直接交流和控制通道，不依赖于脑的正常输出通路。作为一种全新的对外信息交流和控制方式，在过去的20年里，BCI的研究逐渐兴起，并取得了一些实质性的进展。1995年，研究BCI技术的团体和组织还不超过6个，而现在已经发展到数以百计。除了一些著名大学和研究机构外，诺基亚等高科技企业也投入巨额资金从事该项研发工作。伴随而来的，对于便携式家用生物电检测仪以及生物电实时检测装置的研究也受到重视，其目标是为了突破传统受限的人体生物电采集方式，得到感兴趣的某段特征信号，进而进行实时处理。在这些领域中，对人体生物电传感设备提出了更高的要求。为了适应这样的发展趋势，对于新型生物电信号测量模型的研究、新型电路与电极的设计以及生物电信号新型应用等方面成为国内外学者的研究重点。