生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)基礎(chǔ)課件

1、第一章 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)基礎(chǔ)(BiomedicalSignal Measurement Basis)第1頁，共31頁。生物體本身既是很好的信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)又是很好的信號(hào)處理系統(tǒng)。生物體能感知現(xiàn)實(shí)世界，就是感知現(xiàn)實(shí)世界的各種信號(hào)（刺激），并根據(jù)對(duì)信號(hào)的處理結(jié)果，自動(dòng)作出各種反應(yīng)（響應(yīng)）。要對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)進(jìn)行處理，首先要能正確地獲得生物醫(yī)學(xué)信號(hào)。本章首先簡(jiǎn)單介紹感知生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的器件：傳感器或換能器。因?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號(hào)十分微弱，在進(jìn)行各種后處理之前，還必須將生物醫(yī)學(xué)信號(hào)放大到一定的程度，所以本章第二節(jié)對(duì)生物醫(yī)學(xué)模擬放大器進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹?，F(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)，基本上都以數(shù)字計(jì)算機(jī)為工具，進(jìn)行數(shù)字處理，所以在

2、用計(jì)算機(jī)對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)進(jìn)行處理之前，還必須對(duì)測(cè)得的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。按什么要求進(jìn)行數(shù)字化，才能不失真地重現(xiàn)原始信號(hào)，這就是本章第三節(jié)要介紹的關(guān)于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)字化方法的內(nèi)容。這是本章的重點(diǎn)。如怎樣確定采樣頻率，或一個(gè)周期要采集多少個(gè)點(diǎn)，總共要采集多長（共多少點(diǎn)）的數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確重現(xiàn)原始信號(hào)。然后，在本章第四節(jié)簡(jiǎn)單介紹了生物醫(yī)學(xué)信號(hào)獲取與處理系統(tǒng)的基本組成。最后，第五節(jié)簡(jiǎn)單介紹了捆擾生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的干擾和噪聲兩個(gè)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(jiǎn)介（Introduction to Biomedical transducer）第3頁，共31頁。人體的生物電

3、信號(hào)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(hào)則必須使用各種換能器將其變換為電信號(hào)后方可獲取。不對(duì)人體施加任何刺激，獲取到的信號(hào)是自發(fā)信號(hào)；施加一定刺激后，得到的是誘發(fā)信號(hào)。非電量生理信號(hào)按其能量方式，可以分為：機(jī)械量信號(hào)，如脈搏和心音是振動(dòng)信號(hào)，血壓是壓力信號(hào)等；熱學(xué)量信號(hào)，如體溫等；化學(xué)量信號(hào)，如血液的pH值等；光學(xué)量信號(hào)，如血氧飽和度等。對(duì)不同類型的信號(hào)，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(biāo)有：安全性、線性、頻響或傳遞函數(shù)、精度（幅度分辨率）、準(zhǔn)確度（測(cè)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(gè)專門研究領(lǐng)域，有許多專著對(duì)此有詳細(xì)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(jìn)行測(cè)量的一類傳感器，可以實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)測(cè)量，也是使用最為廣泛的一類醫(yī)學(xué)測(cè)量換能器。體表換能器包括體表電極和體表非電量測(cè)量傳感器。 體表電極可以在體表提取人體的生物電信號(hào)，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(cè)量系統(tǒng)是電子導(dǎo)電，因此，體表電極實(shí)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(hào)時(shí)，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(hào)原理。 體表非電量測(cè)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(cè)量心音、呼吸和脈搏的電容換能器，測(cè)量血壓和肌張力的電感換能器，測(cè)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(cè)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(cè)量的生理參數(shù)比較多，而且具有反應(yīng)速度快、檢測(cè)靈敏度高和非接觸檢測(cè)等特點(diǎn)，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(jì)能進(jìn)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(cè)量胃的機(jī)械收縮、pH和電活動(dòng)等的專用組合換能器與胃鏡一起通過口腔進(jìn)入胃內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(cè)量時(shí)對(duì)生物體創(chuàng)傷較小的換能器，稱為微創(chuàng)換能器。如測(cè)量肌電的穿刺針，測(cè)量心電和血液動(dòng)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(shí)間的觀察時(shí)或在一些電生理實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究中，希望機(jī)體的干擾最小，否則實(shí)驗(yàn)和觀察得到的信息就會(huì)產(chǎn)生畸變，對(duì)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(cè)量器件植入體內(nèi)，在體外進(jìn)行遙測(cè)或監(jiān)護(hù)。 用于植入生物體可連續(xù)測(cè)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(huì)有組織反應(yīng)和受體反應(yīng)，如對(duì)異物的排斥反應(yīng)等，這就意味著換能器不但要有對(duì)需檢測(cè)信號(hào)有特異的選擇性，而且在植入組織相對(duì)長的時(shí)間內(nèi)有良好的穩(wěn)定性和良好的時(shí)間響應(yīng)特性。 由于，植入式換能器一般是有創(chuàng)測(cè)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(jī)構(gòu)和信號(hào)處理與控制電路、接口、通訊于一體的植入式微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）已經(jīng)日趨成熟，并逐步進(jìn)入臨床檢測(cè)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(jì)稱為生命科學(xué)的世紀(jì)，也有人把21世紀(jì)稱為信息科學(xué)的世紀(jì)，綜合起來21世紀(jì)就是生命科學(xué)和信息科學(xué)的世紀(jì)。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(gè)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(xì)胞等）作為敏感基元（分子識(shí)別元件）、以化學(xué)電極等作為換能器且對(duì)被測(cè)信號(hào)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(biāo)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(hào)表達(dá)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(xì)胞器或完整細(xì)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(cè)欲進(jìn)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(hào)。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?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)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(hào)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(diǎn)：（1）采用固定化生物活性物質(zhì)作敏感基元（催化劑），價(jià)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(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。（2）專一性強(qiáng)，只對(duì)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(shí)間內(nèi)（一般不超過一分鐘）得到結(jié)果。（4）準(zhǔn)確度高，一般相對(duì)誤差不超過1。（5）操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單 ，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析。（6）成本低，連續(xù)使用時(shí)，每例測(cè)定有時(shí)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(rèn)為最成功和最具實(shí)用價(jià)值

11、的用于生物醫(yī)學(xué)測(cè)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(cè)量機(jī)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(cè)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(jì)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(jī)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(dāng)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(gè)新的階段，形成了一個(gè)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(hào)的放大器(Biomedical Signal Amplifier)第13頁，共31頁。 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)大多是低頻的微弱信號(hào)，在對(duì)這類信號(hào)進(jìn)行各種處理、分析和記錄時(shí)，首先必須把信號(hào)放大到所要求的幅度。信號(hào)放大是生物醫(yī)學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中最基本也是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，一般都采用多級(jí)放大，其中核心的是前置級(jí)放大，對(duì)生物電信號(hào)前置級(jí)放大器的基本要求是：一、高輸入阻抗生物信號(hào)源本身是高內(nèi)阻的微弱信號(hào)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(hào)源阻抗不僅因人而異、因生理狀態(tài)而異，而且在測(cè)量時(shí)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(cè)量誤差難以修正。同時(shí)，理論上源阻抗是信號(hào)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(hào)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(cè)量的頭皮電極，眼電測(cè)量的接觸電極）在信號(hào)幅度變化時(shí)，電極電流密度變化比較明顯，相應(yīng)的電極阻抗會(huì)隨信號(hào)幅度的變化而不同，即低幅度信號(hào)的電流密度小，電極阻抗大。如果人體是在

14、運(yùn)動(dòng)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(huì)導(dǎo)致電信號(hào)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(biāo)。 用于細(xì)胞電位測(cè)量的微電極放大器的輸入阻抗高達(dá)109量級(jí)。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(biāo) 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(hào)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(cè)量的參數(shù)外的其他生理作用的干擾，一般選用差動(dòng)放大形式，因此，CMRR值是放大器的主要指標(biāo)。 需注

15、意的是放大器的實(shí)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(gè)電極提取生物電位時(shí)，兩個(gè)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(gè)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(gè)電極本身的物理狀態(tài)也不可能完全對(duì)稱，這樣使得與差動(dòng)放大器兩個(gè)輸入端相連的源阻抗實(shí)際變得十分復(fù)雜，其不平衡是絕對(duì)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(duì)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(jì)于事。但是，提高放大器的輸入阻抗，則會(huì)減小這一轉(zhuǎn)化。如圖1-2，設(shè)兩個(gè)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(diǎn)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(duì)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(duì)于體表心電測(cè)量，這一信噪比的要求是滿足的，而對(duì)于自發(fā)腦電的測(cè)量是不夠的，必須進(jìn)一步提高輸入阻抗或降低UCM值。 此外，對(duì)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(shí)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(jí)的接地端浮置并跟蹤

17、共模電壓，即相當(dāng)于器件的偏置電壓動(dòng)跟蹤共模輸入電壓（浮地跟蹤），這樣，共模電壓就不能隨信號(hào)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(dāng)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(duì)于幅度僅在微伏和毫伏量級(jí)的低頻生物電信號(hào)而言，放大器前置級(jí)的這一項(xiàng)要求也是重要的。 除肌電和神經(jīng)動(dòng)作電位外，絕大多數(shù)的生物電信號(hào)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(xì)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(diǎn)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(hào)無法被放大，尤其是在進(jìn)行長時(shí)間的記錄、觀察和監(jiān)護(hù)時(shí)，基線漂移對(duì)

18、測(cè)量帶來嚴(yán)重的影響，常使測(cè)量不能正常進(jìn)行。為了放大微伏級(jí)的直流信號(hào)，可用調(diào)制式直流放大器把直流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào)，利用交流放大電路各級(jí)零點(diǎn)漂移不會(huì)逐級(jí)放大的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠有效地改善直流放大器的低漂移性能。 在生物電實(shí)際測(cè)量中，為了能夠在一接通電源就進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，或者當(dāng)放大器轉(zhuǎn)換導(dǎo)聯(lián)時(shí)，發(fā)生瞬時(shí)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(jí)設(shè)置復(fù)零電路，以保護(hù)測(cè)量連續(xù)進(jìn)行。 四、設(shè)置保護(hù)電路作為生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的生物電放大器，應(yīng)在前置級(jí)設(shè)置保護(hù)電路，包括人體安全保護(hù)電路和放大器輸入保護(hù)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(hù)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(hào)測(cè)量時(shí)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(hào)的數(shù)字化(Digitization for Biomedical Signal)第20頁，共31頁。在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，除心率和呼吸頻率等少數(shù)信號(hào)是數(shù)字信號(hào)外，大多數(shù)信號(hào)都是模擬信號(hào)。所以在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理前必須將模擬信號(hào)數(shù)字化，即進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/DC：analog/digital conversion）。一、采樣定理模擬信號(hào)離散為數(shù)字量時(shí)，為了保證數(shù)字化后的信號(hào)數(shù)據(jù)不喪失原信號(hào)的特性，必須遵循采樣定理。1時(shí)域采樣定理 一個(gè)有限帶寬的連續(xù)信號(hào)f(t)，如果頻譜只占有

20、限的范圍-m至+m，則信號(hào)f(t)可以用等間隔的采樣值來唯一地表示。 在將模擬信號(hào)進(jìn)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(hào)所含最高頻率成分的兩倍。實(shí)際使用時(shí)，一般采樣頻率至少取信號(hào)所含最高頻率成分的三至五倍，有時(shí)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(shí)域的對(duì)稱性，可以由時(shí)域采樣定理直接推導(dǎo)出頻域采樣定理。若信號(hào)f(t)是時(shí)間受限信號(hào)，它集中在-tm至+tm的時(shí)間范圍內(nèi)，若在頻域中以不大于1/2tm的頻率間隔對(duì)f(t)的頻譜F()進(jìn)行采樣，則采樣后的頻譜可以唯一地表示原信號(hào)

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(jiǎn)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(duì)輸入模擬電壓VI進(jìn)行定時(shí)積分，第二次是對(duì)-VREF進(jìn)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(shí)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(shí)輸出數(shù)字量的計(jì)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(shí)，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(duì)輸入信號(hào)VI進(jìn)行積分，同時(shí)計(jì)數(shù)器從0開始對(duì)CP脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器計(jì)滿產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)停止積分，此時(shí)計(jì)數(shù)值為N。因 CP脈沖頻率固定，計(jì)數(shù)器位長確定，積分時(shí)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(shí)的輸出為： 當(dāng)t=T1時(shí)，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(shí)，計(jì)數(shù)器從零開始新一輪計(jì)數(shù)，積分器輸出從負(fù)值開始上升，當(dāng)積分器上升到VI=0時(shí)，第二次積分結(jié)束，此時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為N2，二次積分時(shí)間為T2=t2-t1=TCPN2。 因-VREF是固定不變的參考電壓，在t=t2時(shí)積分器輸出為： 可見，第二次積分的計(jì)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(jiǎn)單，一次測(cè)量過程包括兩次相反方向的積分，因此對(duì)窄脈沖性質(zhì)的干擾信號(hào)不敏感，對(duì)周期性的噪聲信號(hào)積分為零，且增加計(jì)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(cè)量變化緩慢的信號(hào)。 第24頁，共31頁。三、A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)1分辨率 A/

24、D轉(zhuǎn)換器的最低位LSB所對(duì)應(yīng)的模擬電壓值稱為A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率。一個(gè)n位二進(jìn)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?jǐn)?shù)表示，即：分辨率=1/2n100%。有時(shí)分辨率用A/D轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制代碼的位數(shù)表示，它反映了ADC能對(duì)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(duì)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(duì)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(dāng)系統(tǒng)誤差已超過分辨率時(shí)提高分辨率就沒有實(shí)際意義了。 2轉(zhuǎn)換時(shí)間 完成一次A/D轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間為轉(zhuǎn)換時(shí)間，它反映了A/D轉(zhuǎn)換的速度。轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)間為30mS-100mS，逐次逼近比較型器件的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為20S-100S。有時(shí)也用轉(zhuǎn)換速率來表示轉(zhuǎn)換時(shí)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(zhǔn)電壓的值。理論上最大輸入電壓VMAX=VREF(2

26、n-1)/2n，有時(shí)也可用VREF近似代替。4轉(zhuǎn)換誤差 A/D轉(zhuǎn)換器每個(gè)量化級(jí)所實(shí)際對(duì)應(yīng)的電壓值和理論值之間會(huì)有誤差，這種誤差的最大值為絕對(duì)誤差。絕對(duì)誤差對(duì)于滿量程的百分比為相對(duì)誤差。轉(zhuǎn)換誤差常以相對(duì)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(duì)誤差1LSB，則表示實(shí)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(dòng)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(hào)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(hào)處理系統(tǒng)（Biomedical Digital Signal Processing System- BMDSPS）是生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的信號(hào)源（如人體系統(tǒng)）和生物醫(yī)學(xué)信號(hào)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(hào)處理裝置從結(jié)構(gòu)上講包括硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件部分含對(duì)模擬信號(hào)的處理和對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理。一個(gè)較為完整的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理裝置包括信號(hào)變換、濾波、模擬放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和微機(jī)系統(tǒng)等幾個(gè)部分。如果非實(shí)時(shí)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(huì)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€(gè)完整的醫(yī)學(xué)信號(hào)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(hào)源。2. 信號(hào)感知和變換子系統(tǒng)：拾取信號(hào)，如果是非電生理信號(hào)，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(shí)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(hào)，可高達(dá)10 6以上的放大倍數(shù)和高共模抑制比（CMRR）的線性時(shí)不變系統(tǒng)。4. 信號(hào)記錄及顯示子系統(tǒng)：較早一些的醫(yī)學(xué)信號(hào)處理系統(tǒng)是離線系統(tǒng)，測(cè)量數(shù)據(jù)一般直接存儲(chǔ)在磁帶等磁性介質(zhì)上，再轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)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(huì)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(hào)大多是模擬信號(hào)，在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理前必須先將模擬信號(hào)數(shù)字化，這個(gè)過程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）；反之將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（D/A）。 6. 計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)經(jīng)精確捕獲和濾波、放大后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，由計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)中的自主神經(jīng)系統(tǒng)功能的信號(hào)，隱含于腦電信號(hào)中的誘發(fā)電位信號(hào)，隱含于DNA或蛋白質(zhì)的氨基酸序列信號(hào)中的結(jié)構(gòu)和功能信息等。 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)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(hào)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(cè)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(hào)檢測(cè)是對(duì)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(jìn)行檢測(cè)和量化的技術(shù)。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理就是從被干擾和噪聲淹沒的信號(hào)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(hào)一般都很微弱，所以測(cè)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(cè)試系統(tǒng)。同時(shí)，除了與信號(hào)同時(shí)存在的干擾之外，測(cè)試系統(tǒng)本身也有噪聲。一、生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中的干擾 對(duì)于欲測(cè)量的目標(biāo)信號(hào)來說，非目標(biāo)信號(hào)都是干擾。干擾可以是確定信號(hào)，也可以是噪聲，包括單純隨機(jī)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(biāo)信號(hào)(詳見第八章)。這里只討論生物醫(yī)學(xué)測(cè)