生物信號采集系統(tǒng)的使用講義

1、生理學實驗講義計算機生物信號采集處理系統(tǒng)的認識及使用教師：石紅艷計算機是一種現(xiàn)代化、高科技的自動信息分析、處理設備。隨著電子計算機技術在生物、醫(yī)學領域的廣泛應用，使原先不易進行的某些生物信息的檢測，變得簡易可行。利用計算機采集、處理生物信息，讓計算機進入機能學實驗室已成為必然趨勢。計算機生物信號采集處理系統(tǒng)就是以計算機為核心，結合可擴展的軟件技術，集成生物放大器與電刺激器，并且具備圖形顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理與分析等功能的電生理學實驗設備。對生物信號采集系統(tǒng)的了解和熟練使用，是今后對完成生理學實驗的數(shù)據(jù)和圖形采集、儲存和處理所必須具備的基本技能之一。一、目的要求1、熟悉計算機生物信號采集處理系

2、統(tǒng)的基本原理及組成；2、熟悉并掌握計算機生物信號采集處理系統(tǒng)的基本操作與使用方法。二、內(nèi)容1、 學習計算機生物信號采集處理系統(tǒng)的組成及原理；2、 計算機生物信號采集處理系統(tǒng)的基本操作與使用。三、計算機生物信號采集處理系統(tǒng)的工作原理 現(xiàn)代生物機能實驗系統(tǒng)的基本原理是：首先將原始的生物機能信號，包括生物電信號和通過傳感器引入的生物非電信號進行放大（有些生物電信號非常微弱，比如減壓神經(jīng)放電，其信號為微伏級信號，如果不進行信號的前置放大，根本無法觀察）、濾波（由于在生物信號中夾雜有眾多聲、光、電等干擾信號，這些干擾信號的幅度往往比生物電信號本身的強度還要大，如果不將這些干擾信號濾除掉，那么可能會因為過

3、大的干擾信號致使有用的生物機能信號本身無法觀察）等處理，然后對處理的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換進行數(shù)字化并將數(shù)字化后的生物機能信號傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)部，計算機則通過專用的生物機能實驗系統(tǒng)軟件接收從生物信號放大、采集硬件傳入的數(shù)字信號，然后對這些收到的信號進行實時處理，一方面進行生物機能波形的顯示，另一方面進行生物機能信號的實時存貯，另外，它還可根據(jù)操作者的命令對數(shù)據(jù)進行指定的處理和分析，比如平滑濾波，微積分、頻譜分析等。對于存貯在計算機內(nèi)部的實驗數(shù)據(jù)，生物機能實驗系統(tǒng)軟件可以隨時將其調(diào)出進行觀察和分析，還可以將重要的實驗波形和分析數(shù)據(jù)進行打印。圖12 Pclab系統(tǒng)工作原理模式圖計算機生物信號采集處理系統(tǒng)由

4、硬件和軟件兩大部分組成。硬件主要完成對各種生物電信號（如心電、肌電、腦電）與非生物電信號（如血壓、張力、呼吸）的采集。并對采集到的信號進行調(diào)整、放大，進而對信號進行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，使之進入計算機。軟件主要用來對已經(jīng)數(shù)字化了的生物信號進行顯示、記錄、存儲、處理及打印輸出，同時對系統(tǒng)各部分進行控制，與操作者進行對話。計算機生物信號采集處理系統(tǒng)在功能上基本可替代原來的刺激器、放大器、記錄儀、示波器等。此外，引進模擬實驗系統(tǒng)軟件還可以演示簡單重復的印證性實驗，在動手前預習實驗，甚至代替部分實驗。微機生理系統(tǒng)已成為生理實驗教學與研究的一個發(fā)展方向。1、 傳感器和放大器生物所產(chǎn)生的信息，其形式多種多

5、樣，除生物電信號可直接檢取外，其他形式的生物信號必須先轉(zhuǎn)換成電信號，對微弱的電信號還需經(jīng)過放大，才能作進一步的處理。生物信號采集處理系統(tǒng)中的刺激和放大器都是由計算機程控的，其工作原理和一般的刺激器、放大器完全一樣。主要的區(qū)別在于一般儀器是機械觸點式切換，而生物信號采集處理系統(tǒng)是電子模擬開關，由電壓高低的變化控制，是程序化管理，提高了儀器的可靠性，延長了儀器的壽命。2、生物信號的采集計算機在采集生物信號時，通常按照一定的時間間隔對生物信號取樣，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后放入內(nèi)存，這個進程稱為采樣。(1)/D轉(zhuǎn)換器生物信號通常是一種連續(xù)的時間函數(shù)，必需轉(zhuǎn)換為離散函數(shù)，再將這個離散的函數(shù)按照計算機的“標

6、準尺度”數(shù)字化，以二進制表達，才能被計算機所接受。/轉(zhuǎn)換設備能提供多路模/數(shù)轉(zhuǎn)化和數(shù)/模轉(zhuǎn)換。/轉(zhuǎn)換需要一定時間，這個時間的長短決定著系統(tǒng)的最高采樣速度。/轉(zhuǎn)換的結果是以一定精度的數(shù)字量表示，精度愈高，（曲線的）幅度的連續(xù)性愈好。對一般的生物信號采樣精度不應低于12位數(shù)字。轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度是衡量/轉(zhuǎn)換器性能的重要指標。(2)采樣與采樣有關的參數(shù)包括通道選擇、采樣間隔、觸發(fā)方式和采樣長度等方面。通道選擇一個實驗往往要記錄多路信號，如心電、心音、血壓等。計算機對多路信號進行同步采樣，是通過一個“多選一”的模擬開關完成的。在一個很短暫的時間內(nèi)，計算機通過模擬開關對各路信號分別選通、采樣。這樣，盡管

7、對各路信號的采樣有先有后，但由于“時間差”極短暫，因此，仍可以認為對各路信號的采樣是“同步”的。采樣間隔原始信號是連續(xù)的，而采樣是間斷進行的。對某一路信號而言，兩個相鄰采樣之間的時間間隔稱為采樣間隔。間隔愈短，單位時間內(nèi)的采樣次數(shù)愈多。采樣間隔的選取與生理信號的頻率也有關，采樣速率過低，就會使信號的高頻成分丟失。但采樣速率過高會產(chǎn)生大量不必要的數(shù)據(jù)，給處理、存儲帶來麻煩。根據(jù)采樣定律，采樣頻率應大于信號最高頻率的2倍。實際應用時，常取信號最高頻率的35倍來作為采樣速率。采樣方式采樣通常有連續(xù)采樣和觸發(fā)采樣兩種方式。在記錄自發(fā)生理信號（如心電、血壓）時，采用連續(xù)采樣的方式。而在記錄誘發(fā)生理信號（

8、如皮層誘發(fā)電位）時，常采用觸發(fā)采樣的方式。后者又根據(jù)觸發(fā)信號的來源分為外觸發(fā)和內(nèi)觸發(fā)。采樣長度在觸發(fā)采樣方式中，啟動采樣后，采樣持續(xù)的時間稱為采樣長度。它一般應略長于一次生理反應所持續(xù)的時間。這樣既記錄到了有用的波形，又不會采集太多無用的數(shù)據(jù)造成內(nèi)存的浪費。3、生物信號的處理計算機生物信號采集處理系統(tǒng)因其強大的計算機功能，可起到濾波器的功能，而且性能遠遠超過模擬電路，恢復被噪音所淹沒的重復性生理信號。人們可以測量信號的大小、數(shù)量、變化程度和變化規(guī)律，如波形的寬度、幅度、斜率和零交點數(shù)等參數(shù)。做進一步的分類統(tǒng)計、分析給出各頻率分能量（如腦電、肌電及心率變異信號）在信號總能量中所占的比重，從而對信

9、號源進行定位。對實驗結果可以用計數(shù)或圖形方式輸出。對來自攝像機或掃描儀的圖像信息經(jīng)轉(zhuǎn)換后，也可輸入計算機進行分析。所以計算機生物信號采集處理系統(tǒng)，不僅具備了刺激器、放大器、示波器、記錄儀和照相機等儀器的記錄功能外，而且還兼有微分儀、積分儀、觸發(fā)積分儀、頻譜分析儀等信號分析器的信息處理功能。為節(jié)省存儲空間，計算機可對其獲得的數(shù)據(jù)按一定的算法進行壓縮。4、動態(tài)模擬通過建立一定的數(shù)學模型，計算機可以仿真模擬一些生理過程，例如激素或藥物在體內(nèi)的分布過程、心臟的起搏過程、動作電位的產(chǎn)生過程等均可用計算機進行模擬。除過程模擬外，利用計算機動畫技術還可在熒光屏上模擬心臟泵血、胃腸蠕動、尿液生成及興奮的傳導等

10、生理過程。四、計算機生物信號采集處理系統(tǒng)的認識及使用（以我院實驗室的PclabUE為例介紹）Pclab-UE是集放大器、采集卡、刺激器為一體的外置式USB接口高性能的生物醫(yī)學信號采集處理系統(tǒng)。1.生物醫(yī)學信號放大器使用介紹硬件放大器分前后兩個面板，前面板用來做常規(guī)，后面板主要用來連接線路，其中前面板的各部分功能如下：PCLAB-UE生物醫(yī)學信號采集處理系統(tǒng)電源開關通道1通道2通道3通道4刺激輸出5V10V100V電源開關用來打開或關閉硬件設備，注意在采樣的過程當中不要關閉此電源。通道1、通道2、通道3、通道4分別是四個獨立的放大器通道，其中通道3是專用的心電通道，不能進行其他的信號采集。刺激輸

11、出有兩個插口，上方的是05V檔輸出和010V檔輸出，選擇不同檔刺激輸出指示燈會隨之變化。下方是0100V檔輸出，紅色標記是提醒實驗人員注意高壓危險！后面板的各部分功能如下：北京微信斯達科技發(fā)展有限責任公司USB接口監(jiān)聽輸出地線接口電源接口USB接口用來插接USB線的小方端口，USB線的另一端接入計算機的USB接口。監(jiān)聽輸出口是與音箱的音頻線相連，它是用來監(jiān)聽神經(jīng)放電的聲音。監(jiān)聽輸出口旁邊的口是與串口線連接，它是用來傳輸刺激命令的。地線接口用來接地線以減少外界環(huán)境對有效信號的干擾。電源接口用來接入電源線，要求使用交流市電220V，50Hz。若是前面板電源燈不亮，通常是保險管燒了。2. Pclab

12、-UE應用軟件窗口界面功能介紹3.一般生物醫(yī)學信號采集的軟件設置操作用Pclab-UE生物醫(yī)學信號采集處理系統(tǒng)做好電生理實驗的第一步就是在開始實驗之前要做好信號采樣的軟件設置工作。具體操作如下：第一步，執(zhí)行“設置”菜單中的“采樣條件”菜單項，打開采樣條件設置窗口見下圖：該窗口中有四個下拉列表框，分別用來設置顯示方式、觸發(fā)方式、采樣頻率、通道個數(shù)。（1）其中采樣頻率可以根據(jù)實驗做出選擇，通常是變化快的選擇采樣頻率高一些（如：減壓神經(jīng)放電實驗可以選擇10KHz），變化慢的選采樣擇頻率底一些（如：血壓、呼吸、張力等實驗可以選擇1KHz）。（2）通道個數(shù)用來確定實驗中使用通道的個數(shù)，選擇1個通道，則是

13、第一通道；選擇2個通道，則是第一和第二通道；選擇3個通道，則是第一、二和第三通道；選擇4個通道，則是全部的通道。（3）顯示方式：有記錄儀方式和示波器方式兩種，可根據(jù)實驗的需求來選擇顯示方式。I、“記錄儀”方式：用來記錄變化較慢，頻率較低的生物信號。如電生理實驗中的血壓、呼吸、張力等。其掃描線的方向是從右向左，連續(xù)滾動，與傳統(tǒng)儀器的二導記錄儀相一致。它的采樣頻率從20Hz到50KHZ，11檔可選。一般上述典型實驗1KHz左右。此時無觸發(fā)方式選擇。、“示波器”方式：用來記錄變化快，頻率高的生物信號。如電生理實驗中的神經(jīng)干動作電位、AP傳導速度、心室肌動作電位等。其掃描方向是從左向右，一屏一屏的記錄

14、，與傳統(tǒng)的示波器相一致。它的采樣頻率從1KHz到200KHz。在200KHz采樣頻率只允許單窗口運行。（4）觸發(fā)方式：有自動觸發(fā)和刺激器觸發(fā)，當使用記錄儀方式顯示時，此功能自動關閉（變成灰色）；若使用示波器方式，還可以進一步選擇是自動觸發(fā)還是刺激器觸發(fā)，如果是刺激器觸發(fā)則 的啟停由按鈕來控制。第二步，為每個通道在控制面板的通道功能列表框中選擇對應的實驗類別，同時確定要計算的內(nèi)容。如圖第三步，適當調(diào)節(jié)輸入范圍，時間常數(shù)，低通濾波，陷波，縱向放縮，時間單位等參數(shù)。（1）“輸入范圍”（也稱“放大倍數(shù)”或“增益”），它是對輸入進去的生物信號進行放大。如下圖：（即50倍50000倍） （2）“時間常數(shù)”

15、它有兩重功能：一是用來控制交直流（即控制電信號與非電信號），非電信號（如：血壓、呼吸、張力等）時它是處于“直流”狀態(tài)；二是在做電信號實驗時它相當于高通濾波。如下圖:高通濾波是指高于某種頻率的波形可以通過，時間與頻率是倒數(shù)關系（3）“低通濾波”是指低于某種頻率的波形可以通過，適合于濾除含有某種固定頻率的周期性干擾信號。（4）“50Hz陷波”,是指當采樣曲線中有干擾出現(xiàn)時,并且這種干擾有一定頻率的周期性。（5）“縱向放縮”是指對當前通道的波形進行縱向拉伸、壓縮。其與“時間常數(shù)”是有區(qū)別的，它是對采樣后的波形進行人為的放大、壓縮，對生物信號本身沒有真正的放大。（6）“時間單位”是指對當前通道的波形進

16、行橫向拉伸、壓縮，同時也對當前走紙通道速度進行調(diào)節(jié)。第四步，如果使用直流狀態(tài)，即使用傳感器進行非電信號實驗時，要對通道進行調(diào)零，執(zhí)行“設置”菜單中的“當前通道調(diào)零”菜單項進行自動調(diào)零如圖：（若是偏離太大，則先調(diào)傳感器的電位器）（這一步由老師先做）第五步，對非電信號如血壓、張力等可以進行定標，執(zhí)行“設置”菜單中的“當前通道定標”菜單項進行定標（這一步由老師先做，若不需要計算張力大小，可省去這一步）。第六步，單擊工具欄上的按鈕開始采樣，在采樣的過程中可以實時調(diào)整輸入范圍、低通濾波、縱向放縮等各項指標以使波形達到最好的效果，再次單擊此按鈕則可停止采樣。4. 刺激器的設置與調(diào)整為了方便電生理實驗，Pc

17、lab-UE系統(tǒng)內(nèi)置設有一個由軟件程控的刺激器，該刺激器所提供的功能與性能指標完全能夠滿足實驗的要求，且工作穩(wěn)定、可靠。恒壓源設計，刺激輸出電壓不會因刺激對象阻抗變化而變化，共分為0-5V；0-10V； 0 -100V三檔，其中每一檔的輸出電壓的步長都不相同。共有七種不同的刺激方式，分別為單刺激、串刺激、周期刺激、自動幅度、自動間隔、自動波寬、自動頻率。不同的實驗選擇不同刺激方式和刺激幅度會令實驗效果十分理想。為了正確使用刺激器可進行如下設置：第一步：打開刺激器設置面板，可以通過“設置”菜單下的“刺激器設置”菜單項來實現(xiàn)，也可以通過工具欄上的按鈕在控制面板和刺激面板間進行切換，此時刺激面板就會

18、代替放大器控制面板以方便您進行刺激器的參數(shù)設置。刺激面板如圖：第二步：選擇適當?shù)拇碳つＪ剑{(diào)整相應的波寬、幅度、周期、延時、間隔等參數(shù)，然后單擊工具欄上的“刺激”按鈕即可發(fā)出所要刺激。(本期實驗主要設計調(diào)節(jié)刺激強度和刺激頻率，改變刺激強度可以改變波幅也可改變波寬；改變刺激頻率可調(diào)節(jié)主周期和時間間隔) 第三步：刺激標記想要顯示在哪個通道上，就在相對應的通道上打鉤，這樣在當前通道上就可以顯示相應的刺激幅度、波寬與標記。5.實驗結果的存盤及打印輸出（1）為了保證實驗數(shù)據(jù)的完整保存，Pclab-UE系統(tǒng)提供了強大的數(shù)據(jù)保存機制，并且采用了標準的文件存盤方式。根據(jù)用戶要保存的目的不同，本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的保存

19、分三種，一種是整個實驗過程中的全部數(shù)據(jù)的保存；另一種是通過記錄保存；還有一種是對做完實驗后的選擇保存。下面分別予以介紹。I、全部數(shù)據(jù)保存是指從開始波形采樣就對整個實驗過程中所采集的全部波形數(shù)據(jù)的保存，其目的是在實驗結束后可再現(xiàn)實驗過程。這個保存機制和微軟的Word、Excel相一致。一是通過停止采樣后“文件”菜單中的“所有實驗數(shù)據(jù)保存”菜單項來實現(xiàn)的；二是在“新建實驗”或關閉Pclab-UE界面時系統(tǒng)用戶只需要輸入一個文件名即可，文件將被自動存放在本系統(tǒng)安裝后的UserData文件夾中以便用戶集中管理。II、記錄保存是針對實驗過程中出現(xiàn)的穩(wěn)定而平滑的波形進行保存的，它可以保存一段時間內(nèi)的較好的

20、波形，其操作方法是當出現(xiàn)較好的或用戶認為需要記錄的波形后按下工具欄上的“記錄”按鈕，從此刻開始的波形將會被記錄起來，直到用戶再次單擊此按鈕停止記錄為止。在采樣的過程當中用戶可以多次通過此按鈕來記錄數(shù)據(jù)，當停止采樣后，用戶可通過工具欄上的“存盤”按鈕或“文件”菜單中的“實驗記錄保存”菜單項來保存所記錄下來的文件，用戶只需要輸入文件名即可，文件將被自動存放在本系統(tǒng)安裝后的UserData文件夾中以便用戶集中管理。III、選擇保存是對做完實驗后未及時通過記錄保存，采取事后保存的一種方式。它是對采樣后的波形進行涂黑，然后按工具欄的“選存”按扭就會彈出一個對話框讓您輸入文件名。接下去再涂黑按“選存”就不

21、會出現(xiàn)對話框，因為它是將后面涂黑的波形與前面涂黑的波形保存在同一個文件名下。通過以上三種方式，可以放心地保存實驗所采樣的數(shù)據(jù)，若是Pclab-UE軟件下載了保存在UserData文件夾的數(shù)據(jù)也不會丟失。（2）對于采樣波形的打印輸出，可以先通過工具欄上的“預覽”按鈕或“文件”菜單中的“打印預覽”菜單項來進行波形的預覽，然后通過“文件”菜單中的“打印”菜單項直接打印輸出。（也可以通過打印預覽中的“打印”直接進行打印輸出）五、作業(yè)與思考（一）簡述計算機生物信號采集處理系統(tǒng)的組成及基本原理。（二）試述計算機生物信號采集處理系統(tǒng)的基本操作流程。附：動物生理實驗刺激系統(tǒng) 電子刺激器 電子刺激器是能產(chǎn)生一定

22、波形的電脈沖儀（器）。輸出的波形有三角波；鋸齒波、尖波（針形波）、矩形方波（方波）等。根據(jù)刺激引起組織興奮的三要素:強度對時間變化率、刺激強度和刺激持續(xù)時間均要求到達最小值的特點， 矩形方波上升及下降的速度快，波的前緣刺激電流對生物組織是較為有效的刺激，易控制，通過調(diào)節(jié)其參數(shù)（包括刺激強度、持續(xù)時間和刺激頻率）可給組織器官以不同的刺激，因此矩形方波是較好的刺激形式。1、刺激器方式： 單刺激：可為默認選擇(計算機)或為手控刺激,即按1次手動開關,就輸出一次刺激脈沖。 雙刺激、連續(xù)刺激：當選擇雙刺激或連續(xù)刺激時，刺激器會按照實驗者設定的刺激參數(shù)連續(xù)輸出刺激脈沖，何時開始，何時終止可以人工控制。 串刺激：在每一個刺激周期內(nèi)（主周期包含2個或2個以上的一串刺激脈沖。2、刺激器參數(shù)： 刺激強度：以矩形方波的波幅（方波的高度）表示?？捎秒妷夯螂娏鲝姸缺硎?，電流強度一般從幾 A幾十 mA，電壓可在200 V以內(nèi)。實驗過程中，過強或過弱的刺激都 應避免，因為過弱的刺激不能引起組織功能變化；過強的刺激可引起組織內(nèi)電解和熱效應而損傷和破壞組織。在雙刺激中，兩個刺激脈沖的強度可以相等，也可以不等。 刺激（持續(xù)）時間：以矩形方波的波寬表示。一般刺激持續(xù)時