生物醫(yī)學(xué)信號檢測基礎(chǔ)課件

1、第一章 生物醫(yī)學(xué)信號檢測基礎(chǔ)(BiomedicalSignal Measurement Basis)第1頁，共31頁。生物體本身既是很好的信號發(fā)生系統(tǒng)又是很好的信號處理系統(tǒng)。生物體能感知現(xiàn)實世界，就是感知現(xiàn)實世界的各種信號（刺激），并根據(jù)對信號的處理結(jié)果，自動作出各種反應(yīng)（響應(yīng)）。要對生物醫(yī)學(xué)信號進行處理，首先要能正確地獲得生物醫(yī)學(xué)信號。本章首先簡單介紹感知生物醫(yī)學(xué)信號的器件：傳感器或換能器。因為生物醫(yī)學(xué)信號十分微弱，在進行各種后處理之前，還必須將生物醫(yī)學(xué)信號放大到一定的程度，所以本章第二節(jié)對生物醫(yī)學(xué)模擬放大器進行了簡單的介紹。現(xiàn)代信號處理技術(shù)，基本上都以數(shù)字計算機為工具，進行數(shù)字處理，所以在

2、用計算機對生物醫(yī)學(xué)信號進行處理之前，還必須對測得的生物醫(yī)學(xué)信號進行數(shù)字化。按什么要求進行數(shù)字化，才能不失真地重現(xiàn)原始信號，這就是本章第三節(jié)要介紹的關(guān)于生物醫(yī)學(xué)信號數(shù)字化方法的內(nèi)容。這是本章的重點。如怎樣確定采樣頻率，或一個周期要采集多少個點，總共要采集多長（共多少點）的數(shù)據(jù)，才能準確重現(xiàn)原始信號。然后，在本章第四節(jié)簡單介紹了生物醫(yī)學(xué)信號獲取與處理系統(tǒng)的基本組成。最后，第五節(jié)簡單介紹了捆擾生物醫(yī)學(xué)信號處理的干擾和噪聲兩個既有聯(lián)系又有區(qū)別的概念。第2頁，共31頁。 第一節(jié) 生物醫(yī)學(xué)傳感器簡介（Introduction to Biomedical transducer）第3頁，共31頁。人體的生物電

3、信號如腦電和心電等可以通過電極采用一定的導(dǎo)聯(lián)方式獲取，非電量生物醫(yī)學(xué)信號則必須使用各種換能器將其變換為電信號后方可獲取。不對人體施加任何刺激，獲取到的信號是自發(fā)信號；施加一定刺激后，得到的是誘發(fā)信號。非電量生理信號按其能量方式，可以分為：機械量信號，如脈搏和心音是振動信號，血壓是壓力信號等；熱學(xué)量信號，如體溫等；化學(xué)量信號，如血液的pH值等；光學(xué)量信號，如血氧飽和度等。對不同類型的信號，所用換能器的換能原理不同，一般醫(yī)學(xué)換能器的換能方式有壓電效應(yīng)、熱效應(yīng)、光電效應(yīng)及阻抗變化和電化學(xué)效應(yīng)等。換能器的主要性能指標有：安全性、線性、頻響或傳遞函數(shù)、精度（幅度分辨率）、準確度（測量誤差范圍）和穩(wěn)定性等

4、，生物醫(yī)學(xué)換能器是生物醫(yī)學(xué)工程中的一個專門研究領(lǐng)域，有許多專著對此有詳細介紹。常用生物醫(yī)學(xué)換能器按使用方式分有以下幾類。第4頁，共31頁。 體表換能器是在身體外部表面進行測量的一類傳感器，可以實現(xiàn)無創(chuàng)測量，也是使用最為廣泛的一類醫(yī)學(xué)測量換能器。體表換能器包括體表電極和體表非電量測量傳感器。 體表電極可以在體表提取人體的生物電信號，如：體表心電、腦電和肌電等。在人體內(nèi)，電流靠離子傳導(dǎo)，為離子導(dǎo)電，而生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)是電子導(dǎo)電，因此，體表電極實際上是一種可以將離子電流變?yōu)殡娮与娏鞯膿Q能器件。 通常體表電極是由經(jīng)過一定處理的金屬材料制成，在引導(dǎo)生物電信號時，與金屬電極直接接觸的是一層電解質(zhì)溶液 。還

5、有一類稱為絕緣干電極的體表電極，其使用方法與上述體表電極不同，即不使用導(dǎo)電膏或其他電介質(zhì)作為皮膚和電極之間的電流耦合通道，而是采用電容耦合信號原理。 體表非電量測量換能器的種類比較多，包括力學(xué)量換能器、熱學(xué)量換能器和光電換能器等。力學(xué)量換能器把力學(xué)量生理參數(shù)轉(zhuǎn)換為電參數(shù)，如：測量心音、呼吸和脈搏的電容換能器，測量血壓和肌張力的電感換能器，測量眼壓、血壓、脈搏波的壓電換能器等。 熱學(xué)量換能器根據(jù)熱效應(yīng)的不同分為熱電式、熱阻式和熱輻射式等幾種，熱電式換能器是利用金屬材料的熱電效應(yīng)（即溫差電效應(yīng)），這類換能器的穩(wěn)定性較好，可用于口腔、直腸等溫度測量。 光電換能器是以光為信息載體、以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的一

6、類換能器，可以測量的生理參數(shù)比較多，而且具有反應(yīng)速度快、檢測靈敏度高和非接觸檢測等特點，常用的光電換能器有光敏電阻、光電二極管和光電三極管等。 第5頁，共31頁。二、腔穴換能器通過專用的形狀設(shè)計能進入生物體自然腔穴（如胃、支氣管、膀胱、直腸、結(jié)腸、耳、鼻、陰道、子宮等）的換能器，稱為腔穴換能器。如測量胃的機械收縮、pH和電活動等的專用組合換能器與胃鏡一起通過口腔進入胃內(nèi)進行測量，測量胃內(nèi)胃電的緊貼于胃壁的專用吸盤式電極等。第6頁，共31頁。三、微創(chuàng)式換能器測量時對生物體創(chuàng)傷較小的換能器，稱為微創(chuàng)換能器。如測量肌電的穿刺針，測量心電和血液動力學(xué)參數(shù)的導(dǎo)管等。 第7頁，共31頁。四、植入式換能器

7、在疾病診斷需要作連續(xù)長時間的觀察時或在一些電生理實驗和科學(xué)研究中，希望機體的干擾最小，否則實驗和觀察得到的信息就會產(chǎn)生畸變，對于這種情況可考慮使用植入式換能器，即將微型低功耗的電子測量器件植入體內(nèi)，在體外進行遙測或監(jiān)護。 用于植入生物體可連續(xù)測量的換能器，必須滿足其相應(yīng)的生物學(xué)特性，這些特性與換能器的生物相容性相關(guān)，在有植入體植入的情況下，活體組織或器官都會有組織反應(yīng)和受體反應(yīng)，如對異物的排斥反應(yīng)等，這就意味著換能器不但要有對需檢測信號有特異的選擇性，而且在植入組織相對長的時間內(nèi)有良好的穩(wěn)定性和良好的時間響應(yīng)特性。 由于，植入式換能器一般是有創(chuàng)測量使用，要求換能器的體積小型和輕便，隨著科學(xué)技術(shù)

8、的不斷發(fā)展，集微型換能器、微型機構(gòu)和信號處理與控制電路、接口、通訊于一體的植入式微電子機械系統(tǒng)（MEMS）已經(jīng)日趨成熟，并逐步進入臨床檢測使用。 第8頁，共31頁。五、生物換能器 生物換能器是近幾十年內(nèi)發(fā)展起來的一種新的傳感器技術(shù)。有人把21世紀稱為生命科學(xué)的世紀，也有人把21世紀稱為信息科學(xué)的世紀，綜合起來21世紀就是生命科學(xué)和信息科學(xué)的世紀。生物換能器正是在生命科學(xué)和信息科學(xué)之間發(fā)展起來的一個新型的交叉學(xué)科。 生物換能器是以生物活性單元（酶、抗體、核酸和細胞等）作為敏感基元（分子識別元件）、以化學(xué)電極等作為換能器且對被測信號具有高度選擇性的一類傳感器，它通過物理的或化學(xué)的換能方式捕捉目標物

9、和敏感基元之間的反應(yīng)，并將反應(yīng)的程度用離散或連續(xù)的電信號表達出來，敏感基元是生物傳感器的核心。 通常生物換能器利用純化的酶、免疫系統(tǒng)、組織、細胞器或完整細胞作為敏感基元，這些敏感基元通常被固定化制成膜并與物化儀器中的換能器相結(jié)合使用。物化儀器用來監(jiān)測欲進行分析的物質(zhì)在固定化敏感基元的作用下所發(fā)生的化學(xué)變化，并轉(zhuǎn)換成電信號。生物換能器的基本構(gòu)成及工作原理如圖1-1所示。 第9頁，共31頁。 按所使用敏感基元的不同，生物換能器可分為酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞傳感器和免疫傳感器等。 生物換能器中所使用的能量轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器并沒有本質(zhì)的區(qū)別。 此外，按輸出電信號的不同，生物換能器還可

10、分為電位型生物換能器、電流型生物換能器和伏安型生物換能器。 圖1-1 生物換能器的原理圖第10頁，共31頁。生物換能器有如下一些特點：（1）采用固定化生物活性物質(zhì)作敏感基元（催化劑），價值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點。（2）專一性強，只對特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。（3）分析速度快，可以在很短時間內(nèi)（一般不超過一分鐘）得到結(jié)果。（4）準確度高，一般相對誤差不超過1。（5）操作系統(tǒng)比較簡單 ，容易實現(xiàn)自動分析。（6）成本低，連續(xù)使用時，每例測定有時僅需要幾分錢人民幣。 第11頁，共31頁。 近年來被學(xué)術(shù)界認為最成功和最具實用價值

11、的用于生物醫(yī)學(xué)測量的生物換能器有：（1）血糖生物傳感器；（2）快速分析葡萄糖、谷氨酸、乳酸鹽和乳糖等成分的多功能生物傳感器；（3）測量機體內(nèi)三磷酸腺苷（ATP）變化的生物傳感器；（4）廣泛應(yīng)用于傳染病和基因變異檢測的脫氧核糖核酸（DNA）生物傳感器。DNA生物傳感器又稱DNA探針或DNA芯片，它是二十世紀八十年代末發(fā)展起來的一種新型的生物傳感器。 目前研究和開發(fā)的DNA生物傳感器從信息轉(zhuǎn)換原理區(qū)分，主要有電極電化學(xué)式、石英晶體振蕩器（QCM）質(zhì)量式和表面等離子諧振（SPR）光學(xué)式等幾種。目前，微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)給生物傳感器的發(fā)展帶來了深刻的影響，成為當今發(fā)展生物傳感器的核心技術(shù)。采

12、用MEMS技術(shù)可以將傳感器與微元件、微執(zhí)行器等集成化，把生物傳感器推到了一個新的階段，形成了一個嶄新的BioMEMS研究領(lǐng)域。 第12頁，共31頁。第二節(jié) 生物醫(yī)學(xué)信號的放大器(Biomedical Signal Amplifier)第13頁，共31頁。 生物醫(yī)學(xué)信號大多是低頻的微弱信號，在對這類信號進行各種處理、分析和記錄時，首先必須把信號放大到所要求的幅度。信號放大是生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中最基本也是比較重要的一個環(huán)節(jié)，一般都采用多級放大，其中核心的是前置級放大，對生物電信號前置級放大器的基本要求是：一、高輸入阻抗生物信號源本身是高內(nèi)阻的微弱信號源，通過電極提取又呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源性質(zhì)。生物

13、信號源阻抗不僅因人而異、因生理狀態(tài)而異，而且在測量時與電極的安放位置、電極本身的物理狀態(tài)等密切關(guān)聯(lián)，源阻抗的不穩(wěn)定性將使放大器的電壓增益不穩(wěn)定,使得測量誤差難以修正。同時，理論上源阻抗是信號頻率的函數(shù)，電極阻抗也是頻率的函數(shù)，變化規(guī)律都是隨頻率的增加而下降。 第14頁，共31頁。 如果放大器的輸入阻抗不夠高（與源阻抗相比），則造成信號的低頻分量的幅度減小，產(chǎn)生低頻失真。電極阻抗還隨電極中電流密度的大小而變化。小面積電極（如腦電測量的頭皮電極，眼電測量的接觸電極）在信號幅度變化時，電極電流密度變化比較明顯，相應(yīng)的電極阻抗會隨信號幅度的變化而不同，即低幅度信號的電流密度小，電極阻抗大。如果人體是在

14、運動的情況下，電極和皮膚接觸壓力有變化，人體組織液和導(dǎo)電膏中的離子濃度也有變化，都會導(dǎo)致電信號在放大器輸入端產(chǎn)生極大的干擾。表1-1是部分生物電放大器的輸入阻抗指標。 用于細胞電位測量的微電極放大器的輸入阻抗高達109量級。此外，放大器高輸入阻抗也是高共模抑制比的必要條件。 表1-1 部分生物電放大器的輸入阻抗指標 第15頁，共31頁。二、高共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio-CMRR） 前已述及，工頻干擾也在醫(yī)學(xué)信號的有效頻帶內(nèi)，為了抑制人體所攜帶的工頻干擾以及所測量的參數(shù)外的其他生理作用的干擾，一般選用差動放大形式，因此，CMRR值是放大器的主要指標。 需注

15、意的是放大器的實際共模抑制能力受到放大器前面電極系統(tǒng)的影響。通過兩個電極提取生物電位時，兩個電極的等效源阻抗一般不相等，其數(shù)值大小與人體的汗腺分泌情況和皮膚的清潔程度有關(guān)。各個電極處的皮膚接觸電阻也是不平衡的，而且因人而異，加之兩個電極本身的物理狀態(tài)也不可能完全對稱，這樣使得與差動放大器兩個輸入端相連的源阻抗實際變得十分復(fù)雜，其不平衡是絕對的。這種不平衡造成的危害，是共模干擾向差模干擾的轉(zhuǎn)化，從而造成共模干擾輸出。對于已經(jīng)發(fā)生的這種轉(zhuǎn)化，放大器本身的共模抑制能力再高也將無濟于事。但是，提高放大器的輸入阻抗，則會減小這一轉(zhuǎn)化。如圖1-2，設(shè)兩個電極的等效源阻抗分別為Zs1和Zs2，共模干擾電壓為

16、UCM，則放大器輸入端A、B兩點的電壓分別為： 第16頁，共31頁。共模電壓轉(zhuǎn)化為差模電壓UA-UB通常ZiZs1(Zs2)，所以圖1-2 生物電放大器的輸入回路 第17頁，共31頁。若Zs1和Zs2相差5K（典型值），對于10mV的共模干擾電壓，如希望限制在10V以下，則放大器的輸入阻抗應(yīng)在5M以上，對于體表心電測量，這一信噪比的要求是滿足的，而對于自發(fā)腦電的測量是不夠的，必須進一步提高輸入阻抗或降低UCM值。 此外，對于共模電壓的抑制能力，除了提高放大器的CMRR外，如果能夠設(shè)法減小共模電壓在輸入端造成的誤差，那么實際上也就是提高了放大器的共模抑制能力。為此，可以把輸入級的接地端浮置并跟蹤

17、共模電壓，即相當于器件的偏置電壓動跟蹤共模輸入電壓（浮地跟蹤），這樣，共模電壓就不能隨信號一起被放大，從而放大器輸出端產(chǎn)生的共模誤差電壓就大大被削弱，這也相當于提高了放大器的共模抑制能力。 第18頁，共31頁。三、低噪聲和低漂移 相對于幅度僅在微伏和毫伏量級的低頻生物電信號而言，放大器前置級的這一項要求也是重要的。 除肌電和神經(jīng)動作電位外，絕大多數(shù)的生物電信號都具有十分低的頻率成分。如心電、自發(fā)腦電、胃電、眼電和細胞內(nèi)、外電位等都具有1Hz以下的分量。但通常采用的直流放大器的零點漂移現(xiàn)象限制了直流放大器的輸入范圍，使得微弱的緩變信號無法被放大，尤其是在進行長時間的記錄、觀察和監(jiān)護時，基線漂移對

18、測量帶來嚴重的影響，常使測量不能正常進行。為了放大微伏級的直流信號，可用調(diào)制式直流放大器把直流信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?，利用交流放大電路各級零點漂移不會逐級放大的特點進行設(shè)計，能夠有效地改善直流放大器的低漂移性能。 在生物電實際測量中，為了能夠在一接通電源就進入正常的工作狀態(tài)，或者當放大器轉(zhuǎn)換導(dǎo)聯(lián)時，發(fā)生瞬時過載的情況下，能夠把輸出顯示的基線迅速歸零，需在前置級設(shè)置復(fù)零電路，以保護測量連續(xù)進行。 四、設(shè)置保護電路作為生物醫(yī)學(xué)測量的生物電放大器，應(yīng)在前置級設(shè)置保護電路，包括人體安全保護電路和放大器輸入保護電路。任何出現(xiàn)在放大器輸入端的電流或電壓都可能影響生物電位，使人體遭受電擊。保護電路使通過電極的電

19、流在安全水平。為了人體安全的目的，生物電信號測量時常采用浮地（或浮置）和隔離等安全措施。 第19頁，共31頁。第三節(jié) 生物醫(yī)學(xué)信號的數(shù)字化(Digitization for Biomedical Signal)第20頁，共31頁。在生物醫(yī)學(xué)測量中，除心率和呼吸頻率等少數(shù)信號是數(shù)字信號外，大多數(shù)信號都是模擬信號。所以在進行數(shù)字信號處理前必須將模擬信號數(shù)字化，即進行模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/DC：analog/digital conversion）。一、采樣定理模擬信號離散為數(shù)字量時，為了保證數(shù)字化后的信號數(shù)據(jù)不喪失原信號的特性，必須遵循采樣定理。1時域采樣定理 一個有限帶寬的連續(xù)信號f(t)，如果頻譜只占有

20、限的范圍-m至+m，則信號f(t)可以用等間隔的采樣值來唯一地表示。 在將模擬信號進行數(shù)字化的A/D轉(zhuǎn)換中，特別要注意必須遵循采樣定理，即采樣頻率不能低于信號所含最高頻率成分的兩倍。實際使用時，一般采樣頻率至少取信號所含最高頻率成分的三至五倍，有時甚至十倍以上。但采樣頻率越高要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度越快，且采集得到的數(shù)據(jù)量也越大，因此，應(yīng)綜合考慮。2頻域采樣定理 根據(jù)頻域和時域的對稱性，可以由時域采樣定理直接推導(dǎo)出頻域采樣定理。若信號f(t)是時間受限信號，它集中在-tm至+tm的時間范圍內(nèi)，若在頻域中以不大于1/2tm的頻率間隔對f(t)的頻譜F()進行采樣，則采樣后的頻譜可以唯一地表示原信號

21、。第21頁，共31頁。二、常用模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)A/D(analog/digital)轉(zhuǎn)換的方法很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換的原理，常用的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有：逐次逼近比較型、雙積分型等幾種。1逐次逼近比較型逐次逼近比較型A/D轉(zhuǎn)化的原理如圖1-3所示。它由電壓比較器、邏輯控制器、n位逐次逼近寄存器和n位D/A轉(zhuǎn)換器組成。逐次逼近比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)簡單，在高分辨率和中速以下的集成A/D轉(zhuǎn)換中應(yīng)用廣泛。 第22頁，共31頁。2雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換的基本原理和工作波形如圖1-4所示。其中A1是積分器，A2為比較器。其轉(zhuǎn)換過程包括兩次積分，第一次是對輸入模擬電壓VI進行定時積分，第二次是對-VREF進行

22、反向定值積分，將第一次積分值轉(zhuǎn)換成與其成正比的時間間隔。 圖1-4 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換原理圖和工作波形 第23頁，共31頁。開始時輸出數(shù)字量的計數(shù)器清零，并經(jīng)過控制邏輯使開關(guān)K0閉合，積分電容C上的電壓釋放至零。轉(zhuǎn)換時，K0斷開，控制邏輯電路使開關(guān)K置模擬輸入端VI，積分器從0開始對輸入信號VI進行積分，同時計數(shù)器從0開始對CP脈沖計數(shù)，計數(shù)器計滿產(chǎn)生進位時停止積分，此時計數(shù)值為N。因 CP脈沖頻率固定，計數(shù)器位長確定，積分時間T1就確定了，即T1=TCPN1。設(shè)VI在積分期間保持不變，則積分器在t=t1=T1時的輸出為： 當t=T1時，一次積分結(jié)束，控制邏輯電路使開關(guān)K轉(zhuǎn)到-VREF位置，開

23、始反向積分，同時，計數(shù)器從零開始新一輪計數(shù)，積分器輸出從負值開始上升，當積分器上升到VI=0時，第二次積分結(jié)束，此時，計數(shù)器計數(shù)值為N2，二次積分時間為T2=t2-t1=TCPN2。 因-VREF是固定不變的參考電壓，在t=t2時積分器輸出為： 可見，第二次積分的計數(shù)值正比于輸入模擬電壓。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)簡單，一次測量過程包括兩次相反方向的積分，因此對窄脈沖性質(zhì)的干擾信號不敏感，對周期性的噪聲信號積分為零，且增加計數(shù)器的位數(shù)可以提高轉(zhuǎn)換的分辨率，轉(zhuǎn)換精度高。由于經(jīng)歷兩次積分，轉(zhuǎn)換速度低，一般用于測量變化緩慢的信號。 第24頁，共31頁。三、A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標1分辨率 A/

24、D轉(zhuǎn)換器的最低位LSB所對應(yīng)的模擬電壓值稱為A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率。一個n位二進制A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為其滿量程電壓的1/2n。分辨率也可用百分數(shù)表示，即：分辨率=1/2n100%。有時分辨率用A/D轉(zhuǎn)換器輸出的二進制代碼的位數(shù)表示，它反映了ADC能對轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生影響的最小輸入量（即 LSB）。如：輸入模擬電壓滿量程為5V，對8位A/D轉(zhuǎn)換器，可以分辨的最小模擬電壓值為5/28=5/25619.53(mV)，而對10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以分辨的最小電壓為5/210=5/10244.88(mV)?？梢?，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多其分辨率越高。通常情況下，高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要用分辨率高的A/D轉(zhuǎn)換器，但

25、當系統(tǒng)誤差已超過分辨率時提高分辨率就沒有實際意義了。 2轉(zhuǎn)換時間 完成一次A/D轉(zhuǎn)換所用的時間為轉(zhuǎn)換時間，它反映了A/D轉(zhuǎn)換的速度。轉(zhuǎn)換時間越短，說明A/D轉(zhuǎn)換器的工作速度就越快。雙積分型器件的轉(zhuǎn)換時間為30mS-100mS，逐次逼近比較型器件的轉(zhuǎn)換時間約為20S-100S。有時也用轉(zhuǎn)換速率來表示轉(zhuǎn)換時間，轉(zhuǎn)換速率是指每秒鐘完成轉(zhuǎn)換的最大次數(shù)。3輸入電壓范圍 輸入電壓范圍即A/D轉(zhuǎn)換器的量程，它是指允許轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍。單極性工作的芯片有+5V、+10V或-5V、-10V等，雙極性工作的有以0V為中心的2.5V、5V、10V等，其值取決于基準電壓的值。理論上最大輸入電壓VMAX=VREF(2

26、n-1)/2n，有時也可用VREF近似代替。4轉(zhuǎn)換誤差 A/D轉(zhuǎn)換器每個量化級所實際對應(yīng)的電壓值和理論值之間會有誤差，這種誤差的最大值為絕對誤差。絕對誤差對于滿量程的百分比為相對誤差。轉(zhuǎn)換誤差常以相對誤差的形式給出，一般用最低有效位的倍數(shù)表示。如：給出相對誤差1LSB，則表示實際輸出的數(shù)字量與理論上應(yīng)得到的數(shù)字量之間的誤差不大于最低有效位1。轉(zhuǎn)換誤差是一種綜合誤差，它是量化誤差、電源波動和元器件誤差等所造成的各種誤差的總和。第25頁，共31頁。第四節(jié) 生物醫(yī)學(xué)信號獲取與處理系統(tǒng)的基本組成(Fundamental Configuration of Biomedical Acquiring and

27、 Processing System )第26頁，共31頁。 生物醫(yī)學(xué)數(shù)字信號處理系統(tǒng)（Biomedical Digital Signal Processing System- BMDSPS）是生物醫(yī)學(xué)信號的信號源（如人體系統(tǒng)）和生物醫(yī)學(xué)信號處理裝置構(gòu)成的復(fù)雜的信息處理系統(tǒng)。 生物醫(yī)學(xué)信號處理裝置從結(jié)構(gòu)上講包括硬件和軟件兩個部分，硬件部分含對模擬信號的處理和對數(shù)字信號的處理。一個較為完整的生物醫(yī)學(xué)信號處理裝置包括信號變換、濾波、模擬放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和微機系統(tǒng)等幾個部分。如果非實時處理，較早的方法還包括模擬記錄（含調(diào)制解調(diào)器 ）和顯示系統(tǒng)。不過由于這樣會引入附加的噪聲（包括直流和交流的），現(xiàn)在很

28、少使用這種方法?？傊粋€完整的醫(yī)學(xué)信號處理系統(tǒng)的硬件部分應(yīng)包括如下一些子系統(tǒng)：1. 生物體（如人體）子系統(tǒng)：生物醫(yī)學(xué)信號源。2. 信號感知和變換子系統(tǒng)：拾取信號，如果是非電生理信號，則將非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量，以便后續(xù)處理。要求該子系統(tǒng)是線性時不變系統(tǒng)。3. 濾波和模擬放大子系統(tǒng)：放大微弱的生物醫(yī)學(xué)信號，可高達10 6以上的放大倍數(shù)和高共模抑制比（CMRR）的線性時不變系統(tǒng)。4. 信號記錄及顯示子系統(tǒng)：較早一些的醫(yī)學(xué)信號處理系統(tǒng)是離線系統(tǒng)，測量數(shù)據(jù)一般直接存儲在磁帶等磁性介質(zhì)上，再轉(zhuǎn)移到計算機房去處理，或通過筆式記錄儀等直接描繪圖形和數(shù)據(jù)，使用指針式儀表或LED(light emitting di

29、ode)直接顯示數(shù)據(jù)，這些器件都會引入附加的噪音，只有不得已才用之。5. 模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)：生物醫(yī)學(xué)信號大多是模擬信號，在進行數(shù)字信號處理前必須先將模擬信號數(shù)字化，這個過程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）；反之將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（D/A）。 6. 計算機子系統(tǒng)：生物醫(yī)學(xué)信號經(jīng)精確捕獲和濾波、放大后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，由計算機對信號進行直觀描述分析和深層次信息提取，如提取隱含于心電信號中的自主神經(jīng)系統(tǒng)功能的信號，隱含于腦電信號中的誘發(fā)電位信號，隱含于DNA或蛋白質(zhì)的氨基酸序列信號中的結(jié)構(gòu)和功能信息等。 生物醫(yī)學(xué)信號數(shù)字處理系統(tǒng)的框圖如圖1-5。 第27頁，共31頁。 圖1

30、-5 信號處理系統(tǒng)組成 第28頁，共31頁。第五節(jié) 生物醫(yī)學(xué)檢測中的干擾與噪聲(Interferences and Noises in Biomedical Measurement)第29頁，共31頁。生物醫(yī)學(xué)信號檢測是對生命體中包含的生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)和成分等信息進行檢測和量化的技術(shù)。生物醫(yī)學(xué)信號處理就是從被干擾和噪聲淹沒的信號中提取有用的生物醫(yī)學(xué)信息的特征。由于生物醫(yī)學(xué)信號一般都很微弱，所以測試系統(tǒng)必須具有較高的靈敏度，而靈敏度越高，也就更容易把干擾引入測試系統(tǒng)。同時，除了與信號同時存在的干擾之外，測試系統(tǒng)本身也有噪聲。一、生物醫(yī)學(xué)測量中的干擾 對于欲測量的目標信號來說，非目標信號都是干擾。干擾可以是確定信號，也可以是噪聲，包括單純隨機噪聲(如均值為0的白噪聲)。干擾可以是外源的，也可以是生物體內(nèi)的非目標信號(詳見第八章)。這里只討論生物醫(yī)學(xué)測