生物医学信号的检测概要.ppt

山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学信号的检测生物医学信号的检测u生物医学信号u生物医学信号的检测u生物医学用传感器1山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学信号生物医学信号一、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2山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学信号生物医学信号（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3山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院二、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。遥测型：特点：发射源在体外，如B超、X射线摄影装置。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。4山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院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）生物信号化学量信号：如血气、电解质等。生物量信号：如酶活性、蛋白质等。5山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院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6山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院三、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。7山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院三、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。8山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院三、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。9山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学信号的监测生物医学信号的监测u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。u信息来源u（1）人体内部的固有信息u（2）借助于外能获得的信息10山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学信号的监测生物医学信号的监测u一、无创测量u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。u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。11山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学信号的监测生物医学信号的监测u1.借助外能的无创伤检测u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。u（1）医学光学检测u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。u（2）医学X射线检测u利用X射线透射到人体，通过对透射射线的处理进行观察。12山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学信号的监测生物医学信号的监测u（3）核医学检测u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u（4）医用超声检测u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。13山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院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）无创测量的方法自发信号：直接用生物电极测量生物电位，如心电图、脑电图诱发信号：用生物电极测量生物电位，如眼电、肌电采用生物电阻抗测量技术:断层成像14山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院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。15山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学信号的监测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16山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院二、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。17山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院（1）特点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。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。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。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）供能方式采用植入式电源：包括一次电池、二次电池。体外射频能量供电：D/A变换。利用生物体的其他能量转换：生物电池18山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院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。19山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院三、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。20山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院三、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。21山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院（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。22山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院四、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23山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院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引线尽量靠近，互相绞合，减小面积减小磁感应强度和夹角24山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院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通过右脚接地，减小人体对地阻抗和分布电容，减小分压值。减小50Hz电场对引线的影响：采用屏蔽线减少50Hz电场对人体的影响：人体远离电场，皮肤清洁利用有源滤波器可有效地抑制50Hz电场的干扰：带阻滤波器25山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院2.噪声及处理方法（1）仪器内部的噪声热噪声：前置放大器输入电阻的热噪声，温度越底噪声越小。分配噪声：集电极电流的起伏，频率越高，噪声越大。散粒噪声：与流过PN结的直流电流有关，在低频段更明显。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。26山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院（2）放大器的噪声用信噪比来表示（3）减少噪声的处理办法降低放大器第一级的噪声系数：采用场效应管尽量限制放大器的频带宽度使仪器在尽量低的温度环境中工作使用低噪声电缆线用滤波法或平均法提取淹没于噪声的医学信号27山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院五、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28山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u概述u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。u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。29山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u概述u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。u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。u传感器组成:敏感器件、传感器件和电子测量系统。30山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u一、医用传感器的作用与分类u1.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。u2.用途：u（1）检测生物体信息u（2）监护：连续测定某些生理参数u（3）控制：利用检测到的生理参数，控制人体的生理参数。31山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u2.分类u（1）物理传感器：利用物理性质和物理效应制成的传感器。u（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。u（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。32山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u二、生化传感器u1.化学传感器u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。u（1）电位型电化学传感器u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，没有净电流流过电池。PH玻璃电极和其它离子选择电极属于此类传感器。33山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u二、生化传感器u（2）电流型电化学传感器u电流型电化学传感器是电化学电池的一个部件，在外加电压下，在离子、电子界面上发生化学反应，将被测物质转变成电流信号的测量部件。u（3）电导型电化传感器u电导是电阻的倒数34山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器35山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u2.生物传感器u（1）生物传感器的组成u生物传感器是由分子识别系统和物理化学转换器相互紧密接触并能将被测物的生物量转变成电学信号的装置。36山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u（2）生物传感器的工作原理u检测共存底物的消耗s,u检测反应产物Pu采用固化导体u生物催化剂催化反应常伴有热效应产生u有些物质在生物催化剂的催化下反应、发光可用光电转换装置将光转变为电信号37山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u（3）生物传感器的分类u根据生物活性物质分类u根据生物信号转换器分类u（4）酶传感器在医学中的应用：测定血糖含量，确定糖尿病38山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u3.微生物传感器u（1）微生物传感器u用微生物作敏感元件，微生物电极常用的微生物主要是细菌和硝母菌u（2）微生物传感器的结构和工作原理u微生物传感器是用微生物作为分子识别系统，与相应的电化学传感元件组合而成。39山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u呼吸活性型微生物传感器：由固定化需氧活性细菌膜和氧电极组成。它是以细菌呼吸活性物质为基础测定被测物的。40山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u 代谢型微生物传感器：是由固定化厌氧细菌膜和相应的电化学传感元件组合而成。它是以细菌的代谢活性物质为基础测定被测物的。u（3）微生物传感器的特点u稳定性好响应迟钝提供了方便无法分离的酶可以用此传感器可以克服昂贵、无法提取、和不稳定等特点41山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u三、物理传感器u物理传感器是指将热、光、力等物理现象的信息转换为电参量，电参量通过电源再将其转换为电压送去放大处理。u（一）有源传感器u有源传感器是一种直接传感器。它是将生物体上的被测非电量通过一定的技术手段将其变为电压源，经对应的换算方法检测出生物的非电量生物医学参数。42山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u1.光电传感器u光电传感器的作用原理是基于光电器件的光电流随光照度而发生变化。从光电流的变化就可检测出非电量的变化。u（1）光电池：光电池主要有硅光电池、硒光电池等。其主要原理是半导体的光电效应。将光的强弱信号转换为电位差信息的检测。u（2）光电管u光电管是由阳极、阴极两电极构成的真空管或惰性气体管。将光信息转换为电信号。u（3）光电倍增管：光电倍增管是由一个阳极、一个阴极和若干个中间电极组成。在很弱的光照下，也可以得到一个很大的电流。43山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u2.热电偶传感器u将两种不同金属的末端焊在一起形成一个结。这个结受热时它上面生产的电动势与温度成正比。用于温度的测量。u3.压电有源传感器u压电 传感器的基本原理是以某些晶体物质的压电效应为基础的。物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生形变时，其表面上会产生电荷。电荷的大小与外力成正比。44山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u4.电磁感应式传感器u利用具有导电性的流体横向穿国磁场时，便产生感生电动势的原理，来测定导电性流体的流速、流量。u心音拾音器45山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u5.住极体传感器u某些电介质会在一定条件下，像“永久磁铁”一样，极化后不随外电场的消失而消失，出现极化现象，将极化电荷“永久”地保持在电介质表面和体内。u微音器传感器、电容传感器u6.离子敏感场效应器u是以离子导电技术为基础制成的，对溶液中有一定活性的离子很敏感，可用于定量测定人体内各种离子的浓度。u酶传感器、尿素传感器46山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u（二）无源传感器u无源传感器是一种间接传感器。它将生物体上的非电量变为电阻、电容、电感等电参量，通过驱动电源变为电压信号。u1.光敏电阻u某些半导体材料受到光照后出现导电性提高（电阻值减小）的现象，这些材料即可制成光敏电阻器件。在红外区和近红外区灵敏度很高，而且阻值和光强是近似线形关系。u应用：光电脉搏计47山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器48山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u2.热敏电阻u热敏电阻是由一些对热敏感的半导体材料制成 的。其阻值一般随温度的增强按指数规律下降。在比较小的检测范围时其阻值与温度的关系近似看成直线性的。u应用：借助于 阻抗电桥测温度49山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u3.压敏电阻u压敏电阻是一种应变电阻器件，当压力作用在应变电阻器件上时，就引起它的形变，电阻值也随之改变。u用于测量呼吸、血压、脉搏、心内压50山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u4.位移式无源传感器u它把位移量的变化转换为阻抗，即电阻、电容、电感的变化。通过外接电源对阻抗的作用，把阻抗的变化转变成电压变化，从而得到位移量的变化规律。常见的是滑动变阻器。51山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u4.位移式无源传感器u（1）自感式位移传感器u把具有一定磁导率的铁芯放在线圈中，当铁芯随被测体移动时，使磁芯和电感线圈的相对位置发生改变，引起自感量的相应变化。u（2）互感式位移传感器u利用两个分开线圈间磁耦合的变化来测量位移信息。52山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u四、生物医用电极u医用电极是连接测量系统和生物体的元件，起着换能器的作用。u1.检测电极u用来偶合生物体电位的电极，常用的检测电极是体表电极。u（1）金属板电极：用于测量心电图、脑电图、和肌电图。53山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器54山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u（2）吸附电极：心电测量时，常用作胸部电极。u（3）浮式电极：稳定界面，减少运动伪差。55山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学用传感器生物医学用传感器u（4）干电极：不使用导电膏，避免了对皮肤的腐蚀和刺激。u2.刺激电极：对生物体施加电流或电压所用的电极，引起组织细胞兴奋。u3.检测与刺激共用电极u4.皮下电极：将电极放置在皮下相关部位。u5.微电极：主要用于细胞内电位的测量。56山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学测量仪器的主要技术指标生物医学测量仪器的主要技术指标u一、灵敏度u灵敏度是指仪器在稳态下输出量变化之比。u二、频率特性u是指仪器输出量的幅度和相位与输入恒定正弦信号频率的关系。反映在输入信号幅度恒定条件下输出幅度与输入正弦信号频率关系的曲线称为幅频特性曲线；反映输出量与输入正弦信号的相角与输入信号频率关系的曲线称为相频特性曲线。57山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学测量仪器的主要技术指标生物医学测量仪器的主要技术指标u三、精密度u精密度简称精度，用相同条件下重复测量间的最大偏差与仪器满量程之比表示u四、准确度u准确度用仪器的实际测量结果值同真值（理想值）间的最大偏差与仪器满量程之比表示。u五、非线性度u非线性度用实测值和与相应输入量成正比关系的理论值间最大偏差同满量程之比表示。58山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学测量仪器的主要技术指标生物医学测量仪器的主要技术指标u六、漂移u漂移是指仪器的输出量随时间或外部环境变化而变化的程度，主要包括零点漂移、温度漂移和灵敏度温漂等指标。u七、分辨力u分辨力是指仪器分辨出最小的信息变化的能力。按被测信息的性质和仪器用途的不同，仪器分辨力分为幅度分辨率、频率分辨率、时间分辨率和空间分辨力等指标。59山山东东药药品品食食品品职职业业学学院院生物医学测量仪器的主要技术指标生物医学测量仪器的主要技术指标u八、输入阻抗和输出阻抗u1、输入阻抗：指从一测量系统或线路环节的输入端测得的系统自身的阻抗。u2、输出阻抗：指从一测量系统或线路环节的输出端测得的自身阻抗。60