生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集和分析

第二章:生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的采集(Acquisitionofbiomedicalsignals)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)及儀器信號(hào)的量化采集數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型采集系統(tǒng)介紹生物醫(yī)學(xué)信號(hào)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)涉及生物體各層次的生理、生化和生物信號(hào)，這些信息以物理量、化學(xué)量或生物量變化的形式表現(xiàn)出來(lái)，如心電、腦電、肌電、眼電、等生物電信號(hào)；血壓、體溫、呼吸、血流、脈搏等非電生理信號(hào)；血液、尿液、血?dú)獾壬锘瘜W(xué)量信號(hào)；酶、蛋白、抗體、抗原等生物量信號(hào)。利用生物醫(yī)學(xué)傳感器將生物信息轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量和處理的信號(hào)，一般為電信號(hào)，以便進(jìn)一步處理，以了解生命活動(dòng)的規(guī)律和本質(zhì)，為醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷服務(wù)。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)低幅(mV,μV)、低頻、高噪聲、隨機(jī)性強(qiáng)(多為非平穩(wěn)信號(hào))；有效地檢測(cè)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)傳感器具有靈敏度高、噪聲小、抗干擾能力強(qiáng)、分辨力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)特性好。有效信號(hào)提取和分析的手段，高性能的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。生物醫(yī)學(xué)儀器分類:診斷儀器和治療儀器.診斷儀器,尋找對(duì)診斷有意義的具有某種特征的信號(hào)或信號(hào)的某種特征量,治療儀器，需要確定特征信號(hào)的存在或用信號(hào)特征量的大小去控制治療部分。提取特征信息:信號(hào)并不能直接提供這些信息，需要用信號(hào)處理方法去提取特征信息。如EEG,ECG的一些特征參量。提取信號(hào)特征手段:信號(hào)處理用DSP方法,預(yù)處理、譜分析、波形分析、建立模型等多種,其中對(duì)信號(hào)的預(yù)處理是關(guān)鍵。預(yù)處理:對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的消噪和信號(hào)增強(qiáng)。常用到各種濾波技術(shù)，例如，維納濾波、卡爾曼濾波、自適應(yīng)方法等技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)由于計(jì)算機(jī)的普及與發(fā)展以及DSP的通用性和靈活性，已成為了信號(hào)處理技術(shù)的主流。DSP的前提是，對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化,即模數(shù)轉(zhuǎn)換（analogtodigital,A/D），并傳入計(jì)算機(jī)，如何保證模擬信號(hào)的數(shù)字化不失真？采樣定理，時(shí)域采樣的頻譜混疊在采樣頻率fs=40Hz時(shí)，f2=50Hz的取樣信號(hào)混疊到f1=10Hz的取樣信號(hào)上，稱50Hz為10Hz的混疊頻率。時(shí)域采樣的混疊頻率以采樣間隔Ts對(duì)一連續(xù)時(shí)間的正弦信號(hào)進(jìn)行均勻采樣，原信號(hào)頻率的混疊頻率采樣定理(1)連續(xù)信號(hào)x(t),

其頻譜X(f),以采樣周期T采的離散信號(hào)x(nT),

當(dāng)信號(hào)滿足兩個(gè)條件:如果信號(hào)x(t)的功率譜是限帶的，其最高頻率成分的頻率為fmax,

當(dāng)采樣間隔T<1/(2fmax)時(shí)，即采樣頻(速)率fs>2fmax時(shí)，離散時(shí)間信號(hào)可以準(zhǔn)確的恢復(fù)原信號(hào)。采樣定理(2)

恢復(fù)的連續(xù)信號(hào):采樣定理（3）Niquistfrequency(奈奎斯特頻率)，2fmax稱為最低的采樣速率或奈奎斯特頻率。Ts=1/（2fmax）稱為最大允許的取樣間隔。采樣定理中兩個(gè)條件的物理意義連續(xù)信號(hào)x(t)頻譜范圍是有限的,即信號(hào)的頻率f在0<=f<=fmax之間;采樣周期T不能大于信號(hào)最大周期(1/fmax)的一半,T<1/(2fmax)采樣定理不適用的情況;fs=2fmax如當(dāng)T=1/(2fmax),phi=0,x(nT)=0,采樣信號(hào)為0,原模擬信號(hào)無(wú)法恢復(fù),頻率混淆的舉例當(dāng)采樣周期T過(guò)大時(shí),會(huì)使得x(t)中的高頻成分|f|>1/(2T)被疊加到低頻成分|f|<1/(2T)上去,即頻率混淆,舉例：當(dāng)fs=500Hz,f0=100Hz,fA可能為:400Hz,600Hz,900Hz等,當(dāng)信號(hào)含有這些成分時(shí),會(huì)與100Hz低頻成分產(chǎn)生混淆,Nextslide:bottom,f=100Hz,middle:f=400Hz,top:f=900Hz頻率混淆消除混頻的措施頻域衰減較快的信號(hào),提高采樣頻率,但當(dāng)T過(guò)小時(shí),會(huì)增加計(jì)算機(jī)內(nèi)存占用量和計(jì)算量,并使得頻率分辨率降低,頻域衰減較慢的信號(hào),用消除頻混濾波器(有良好截止特性的低通濾波器),截至頻率為fmax,將x(t)不需要的高頻成分濾掉,二者的聯(lián)合:先經(jīng)消除頻混濾波器濾波后,然后提高采樣頻率,采樣技術(shù)常規(guī)采樣f=Kfmax,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量:S=t/T=Kfmaxt間歇采樣間歇和采樣時(shí)間比為a,S=1/(1+a)*Kfmaxt變頻采樣根據(jù)信號(hào)的變化情況，隨時(shí)改變采樣頻率典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器(transducer)信號(hào)調(diào)理（what’sthepurpose?）模數(shù)轉(zhuǎn)換(parameters?)時(shí)間邏輯控制單元(timelogiccontrollingunit)計(jì)算機(jī)接口(computerinterface)計(jì)算機(jī)Amulti-channelsystemtransducersanalogchannelamplifiers(signalconditioning);;analogmultiplexersanddigitaldemulplexers;A/Dconverter(s);timinglogiccontroller;computerandI/Ointerface;powersupplyunit,BlockdiagramAmpS/HMulDemulControllingUnitComputerTransducersA/D傳感器（transducer）根據(jù)信號(hào)的物理特性,力熱光電，選用合適的換能器,把信號(hào)轉(zhuǎn)換稱為電信號(hào)。特殊性,就生物醫(yī)學(xué)信號(hào)而言,應(yīng)考慮其特殊性,例如,安全性,適應(yīng)性等.傳感器（transducer）Force&displacementBloodpressureNon-invasiveBPPulsetransducerElectrode(biopotential)TemperatureForcetransducerPulsetransducerBloodpressureElectrodes信號(hào)調(diào)節(jié)(SignalConditioning)放大和多路選通,把經(jīng)過(guò)換能器輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大(amplify)、濾波(filtering)、采樣/保持(sample/hold)等處理，對(duì)于多信號(hào)系統(tǒng)（多通道），還包括多路選擇以及多通道的同時(shí)采樣(S/H,sampleandhold).對(duì)各種功能參數(shù)的調(diào)節(jié)可以用計(jì)算機(jī)程控(Programmable),量化部分連續(xù)時(shí)間信號(hào)-->離散時(shí)間信號(hào)離散時(shí)間信號(hào)-->A/D-->數(shù)字信號(hào)(digitalsignals)采集(sampling)均勻采集:采樣間隔為T,x(t)-->x(nT),n=1,2,…,不需存儲(chǔ)時(shí)間信息,非均勻采樣:當(dāng)信號(hào)是由速變段和靜息段構(gòu)成時(shí),速變段-->減小T,靜息段-->增加T,要存儲(chǔ)時(shí)間信息,

非均勻采樣自適應(yīng)的非均勻采樣靜息狀態(tài),不采樣,變化快時(shí)采樣,非均勻采樣編碼技術(shù)(NSE)每個(gè)樣本的編碼信息:本次采樣和前一次采樣之間的時(shí)間間隔和它的穿越方向,4bits:3bits-->time,1bit->穿越方向A/D轉(zhuǎn)換對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器的選取,取決于信號(hào)的特性、采樣速度、A/D轉(zhuǎn)換器的性能等多種因素，對(duì)多通道系統(tǒng),有單A/D轉(zhuǎn)換器和多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器單A/D轉(zhuǎn)換器:快速轉(zhuǎn)換,無(wú)通道間差異,多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器,對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求低,易造成通道間差異,A/Dconverter片選，開始轉(zhuǎn)換信號(hào)，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，數(shù)字地，模擬地，模擬輸入，數(shù)字輸出，轉(zhuǎn)換時(shí)間，轉(zhuǎn)換速率，輸入、輸出參考，數(shù)據(jù)采集板（DAQ）在一塊印刷電路板上,集成模擬多路開關(guān)程控放大器采樣/保持器A/D和D/A轉(zhuǎn)換器舉例,MS-1241A接口板,一片A/D,兩片D/A,32路多路開關(guān),S/H和程控放大器,并行I/O接口,定時(shí)計(jì)數(shù)通道等,功能:選址,設(shè)置增益,模擬和數(shù)字量的輸入輸出,定時(shí)計(jì)數(shù)等,工作過(guò)程:用BASIC等高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言加以控制,PCI2000:12位單端32/雙端16通道100KA/D卡，帶DC-DC，自動(dòng)切換通道，可選0-10V、±5V、±10V輸入，程控增益1、2、4、8或1、10、100、10000，帶開關(guān)量輸入輸出各16路，支持查詢、中斷兩種工作方式。

單價(jià)：￥2280元采樣控制單元(controllingunit)和時(shí)間邏輯控制單元采樣控制單元:計(jì)算機(jī)可以通過(guò)I/O口來(lái)編程控制采集系統(tǒng)的參數(shù)，采樣速率，放大器的參數(shù)等時(shí)間邏輯控制單元:Microcontroller或FPGA等一些可變程器件，控制和協(xié)調(diào)整個(gè)采樣過(guò)程的時(shí)間邏輯,控制和采樣軟件用匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言（C等）編程，使系統(tǒng)按設(shè)計(jì)要求工作，包括：控制采集系統(tǒng)的各種設(shè)置，采樣和信號(hào)儲(chǔ)存，數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)例：256channelsystemActiveTwosystembyBioSemi.256channelAD-boxwithbattery數(shù)字信號(hào)處理離線(offline)處理，現(xiàn)在與有很多DSP的軟件包。實(shí)時(shí)(realtime)或在線(online)處理，要求處理速度足夠快，占用的內(nèi)存空間也有一定的限制，有時(shí)采用專用DSP處理器。MatLab中的DSP工具箱，Labview也有相應(yīng)的功能。典型系統(tǒng)的介紹,Threesystems

LabVIEW（），虛擬儀器(virtualinstrument)的數(shù)據(jù)采集，生物醫(yī)學(xué)信息采集系統(tǒng):PowerlaborBiopacPowerLab的公司,ADInstrumentsPtyLtd,總部在澳大利亞,homepage:Biopac，USA，http://LabVIEWNationalInstrumentsisaleadingsupplierofcomputer-basedinstrumentationhardwareandsoftwareproductsforengineersandscientists.Wecreateflexibleapplicationsoftwareandmodular,multifunctionhardwarethatcombineswithindustry-standardpersonalcomputersandworkstationstocreateuser-defined"virtualinstruments."Withvirtualinstrumentation,userslowercostswhileimprovingtimetomarketandthequalityoftheirownproducts.PowerLabPowerLabisadataacquisitionandanalysissystemforlifescienceresearchandteaching.Itisanintegratedsystemofhardwareandsoftware,comprisingthePowerLabrecordingunitwithChartandScopesoftware.Anexample,ML795BiopacTheBIOPAC