生物信号采集系统的使用讲解

生物信号采集系统的使用讲解
计算机生物信号采集处理系统的认识及使用
计算机是一种现代化、高科技的自动信息分析、处理设备。

随着电子计算机技术在生物、医学领域的广泛应用，使原先不易进行的某些生物信息的检测，变得简易可行。

利用计算机采集、处理生物信息，让计算机进入机能学实验室已成为必然趋势。

计算机生物信号采集处理系统就是以计算机为核心，结合可扩展的软件技术，集成生物放大器与电刺激器，并且具备图形显示、数据存储、数据处理与分析等功能的电生理学实验设备。

对生物信号采集系统的了解和熟练使用，是今后对完成生理学实验的数据和图形采集、储存和处理所必须具备的基本技能之一。

一、目的要求
1、熟悉计算机生物信号采集处理系统的基本原理及组成；
2、熟悉并掌握计算机生物信号采集处理系统的基本操作与使用方法。

二、内容
1、学习计算机生物信号采集处理系统的组成及原理；
2、计算机生物信号采集处理系统的基本操作与使用。

三、计算机生物信号采集处理系统的工作原理
现代生物机能实验系统的基本原理是：首先将原始的生物机能信号，包括生物电信号和通过传感器引入的生物非电信号进行放大（有些生物电信号非常微弱，比如减压神经放电，其信号为微伏级信号，如果不进行信号的前置放大，根本无法观察）、滤波（由于在生物信号中夹杂有众多声、光、电等干扰信号，这些干扰信号的幅度往往比生物电信号本身的强度还要大，如果不将这些干扰信号滤除掉，那么可能会因为过大的干扰信号致使有用的生物机能信号本身无法观察）等处理，然后对处理的信号通过模数转换进行数字化并将数字化后的生物机能信号传输到计算机内部，计算机则通过专用的生物机能实验系统软件接收从生物信号放大、采集硬件传入的数字信号，然后对这
些收到的信号进行实时处理，一方面进行生物机能波形的显示，另一方面进行生物机能信号的实时存贮，另外，它还可根据操作者的命令对数据进行指定的处理和分析，比如平滑滤波，微积分、频谱分析等。

对于存贮在计算机内部的实验数据，生物机能实验系统软件可以随时将其调出进行观察和分析，还可以将重要的实验波形和分析数据进行打印。

图1－2 Pclab系统工作原理模式图
计算机生物信号采集处理系统由硬件和软件两大部分组成。

硬件主要完成对各种生物电信号（如心电、肌电、脑电）与非生物电信号（如血压、张力、呼吸）的采集。

并对采集到的信号进行调整、放大，进而对信号进行模/数（A/D）转换，使之进入计算机。

软件主要用来对已经数字化了的生物信号进行显示、记录、存储、处理及打印输出，同时对系统各部分进行控制，与操作者进行对话。

计算机生物信号采集处理系统在功能上基本可替代原来的刺激器、放大器、记录仪、示波器等。

此外，引进模拟实验系统软件还可以演示简单重复的印证性实验，在动手前预习实验，甚至代替部分实验。

微机生理系统已成为生理实验教学与研究的一个发展方向。

1、传感器和放大器
生物所产生的信息，其形式多种多样，除生物电信号可直接检取外，其他形式的生物信号必须先转换成电信号，对微弱的电信号还需经过放大，才能作进一步的处理。

生物信号采集处理系统中的刺激和放大器都是由计算机程控的，其工作原理和一般的刺激器、放大器完全一样。

主要的区别在于一般仪器是机械触点式切换，而生物信号采集处理系统是电子模拟开关，由电压高低的变化控制，是程序化管理，提高了仪器的可靠性，延长了仪器的寿命。

2、生物信号的采集
计算机在采集生物信号时，通常按照一定的时间间隔对生物信号取样，并将其转换成数字信号后放入内存，这个进程称为采样。

(1)Ａ/D转换器生物信号通常是一种连续的时间函数，必需转换为
离散函数，再将这个离散的函数按照计算机的“标准尺度”数字化，以二进制表达，才能被计算机所接受。

Ａ/Ｄ转换设备能提供多路模/数转化和数/模转换。

Ａ/Ｄ转换需要一定时间，这个时间的长短决定着系统的最高采样速度。

Ａ/Ｄ转换的结果是以一定精度的数字量表示，精度愈高，（曲线的）幅度的连续性愈好。

对一般的生物信号采样精度不应低于12位数字。

转换速度和转换精度是衡量Ａ/Ｄ转换器性能的重要指标。

(2)采样与采样有关的参数包括通道选择、采样间隔、触发方式和采样长度等方面。

①通道选择一个实验往往要记录多路信号，如心电、心音、血压等。

计算机对多路信号进行同步采样，是通过一个“多选一”的模拟开关完成的。

在一个很短暂的时间内，计算
机通过模拟开关对各路信号分别选通、采样。

这样，尽管对各路信号的采样有先有后，但由于“时间差”极短暂，因此，仍可以认为对各路信号的采样是“同步”的。

②采样间隔原始信号是连续的，而采样是间断进行的。

对某一路信号而言，两个相邻采样之间的时间间隔称为采样间隔。

间隔愈短，单位时间内的采样次数愈多。

采样间隔的选取与生理信号的频率也有关，采样速率过低，就会使信号的高频成分丢失。

但采样速率过高会产生大量不必要的数据，给处理、存储带来麻烦。

根据采样定律，采样频率应大于信号最高频率的2倍。

实际应用时，常取信号最高频率的3～5倍来作为采样速率。

③采样方式采样通常有连续采样和触发采样两种方式。

在记录自发生理信号（如心电、血压）时，采用连续采样的方式。

而在记录诱发生理信号（如皮层诱发电位）时，常采用触发采样的方式。

后者又根据触发信号的来源分为外触发和内触发。

④采样长度在触发采样方式中，启动采样后，采样持续的时间称为采样长度。

它一般应略长于一次生理反应所持续的时间。

这样既记录到了有用的波形，又不会采集太多无用的数据造成内存的浪费。

3、生物信号的处理
计算机生物信号采集处理系统因其强大的计算机功能，可起到滤波器的功能，而且性能远远超过模拟电路，恢复被噪音所淹没的重复性生理信号。

人们可以测量信号的大小、数量、变化程度和变化规律，如波形的宽度、幅度、斜率和零交点数等参数。

做进一步的分类统计、分析给出各频率分能量（如脑电、肌电及心率变异信号）在信号总能量中所占的比重，从而对信号源进行定位。

对实验结果可以用计数或图形方式输出。

对来自摄像机或扫描仪的图像信息经转换后，也可输入计算机进行分析。

所以计算机生物信号采集处理系统，不仅具备了刺激器、放大器、示波器、记录仪和照相机等仪器的记录功能外，而且还兼有微分仪、积分仪、触发积分仪、频谱分析仪等信号分析器的信息处理功能。

为节省存储空间，计算机可对其获得的数据按一定的算法进行压缩。

4、动态模拟
通过建立一定的数学模型，计算机可以仿真模拟一些生理过程，例如激素或药物在体内的分布过程、心脏的起搏过程、动作电位的产生过程等均可用计算机进行模拟。

除过程模拟外，利用计算机动画技术还可在荧光屏上模拟心脏泵血、胃肠蠕动、尿液生成及兴奋的传导等生理过程。

四、计算机生物信号采集处理系统的认识及使用（以我院实验室的Pclab－UE为例介绍）
Pclab-UE是集放大器、采集卡、刺激器为一体的外置式USB接口高性能的生物医学信号采集处理系统。

1.生物医学信号放大器使用介绍
硬件放大器分前后两个面板，前面板用来做常规，后面板主要用来连接线路，其中前面板的各部分功能如下：
电源开关用来打开或关闭硬件设备，注意在采样的过程当中不要关闭此电源。

通道1、通道2、通道3、通道4分别是四个独立的放大器通道，其中通道3是专用的心电通道，不能进行其他的信号采集。

刺激输出有两个插口，上方的是0~5V 档输出和0~10V 档输出，选择不同档刺激输出指示灯会随之变化。

★
下方是0～100V 档输出，红色标记是提醒实验人员注意高压危险！
后面板的各部分功能如下：
USB 接口用来插接USB 线的小方端口，USB 线的另一端接入计算机的USB 接口。

监听输出口是与音箱的音频线相连，它是用来监听神经放电的声音。

监听输出口旁边的口是与串口线连接，它是用来传输刺激命令的。

地线接口用来接地线以减少外界环境对有效信号的干扰。

电源接口用来接入电源线，要求使用交流市电220V ，50Hz 。

★若是前面板电源灯不亮，通常是保险管烧了。

2. Pclab-UE应用软件窗口界面功能介绍
3.一般生物医学信号采集的软件设置操作
用Pclab-UE生物医学信号采集处理系统做好电生理实验的第一步就是在开始实验之前要做好信号采样的软件设置工作。

具体操作如下：第一步，执行“设置”菜单中的“采样条件”菜单项，打开采样条件设置窗口见下图：
该窗口中有四个下拉列表框，分别用来设置显示方式、触发方式、采样频率、通道个数。

（1）其中采样频率可以根据实验做出选择，通常是变化快的选择采样频率高一些（如：减压神经放电实验可以选择10KHz），变化慢的选采样择频率底一些（如：血压、呼吸、张力等实验可以选择1KHz）。

（2）通道个数用来确定实验中使用通道的个数，选择1个通道，则是第一通道；选择
2个通道，则是第一和第二通道；选择3个通道，则是第一、二和第三通道；选择4个通道，则是全部的通道。

（3）显示方式：有记录仪方式和示波器方式两种，可根据实验的需求来选择显示方式。

I、“记录仪”方式：用来记录变化较慢，频率较低的生物信号。

如电生理实验中的血压、呼吸、张力等。

其扫描线的方向是从右向左，连续滚动，与传统仪器的二导记录仪相一致。

它的采样频率从20Hz到50KHZ，11档可选。

一般上述典型实验1KHz左右。

此时无触发方式选择。

Ⅱ、“示波器”方式：用来记录变化快，频率高的生物信号。

如电生理实验中的神经干动作电位、AP传导速度、心室肌动作电位等。

其扫描方向是从左向右，一屏一屏的记录，与传统的示波器相一致。

它的采样频率从1KHz到200KHz。

★在200KHz采样频率只允许单窗口运行。

（4）触发方式：有自动触发和刺激器触发，当使用记录仪方式显示时，此功能自动关闭（变成灰色）；若使用示波器方式，还可以进一步选择是自动触发还是刺激器触发，如果
是刺激器触发则的启停由按钮来控制。

第二步，为每个通道在控制面板的通道功能列表框中选择对应的实验类别，同时确定要计算的内容。

如图
第三步，适当调节输入范围，时间常数，低通滤波，陷波，纵向放缩，时间单位等参数。

（1）“输入范围”（也称“放大倍数”或“增益”），它是对输入进去的生物信号进行放大。

如下图：（即50倍～50000倍）
（2）“时间常数”它有两重功能：一是用来控制交直流（即控制电信号与非电信号），非电信号（如：血压、呼吸、张力等）时它是
处于“直流”状态；二是在做电信号实验时它相当于高通滤波。

如下图:
★高通滤波是指高于某种频率的波形可以通过，时间与频率是倒数关系
（3）“低通滤波”是指低于某种频率的波形可以通过，适合于滤除含有某种固定频率的周期性干扰信号。

（4）“50Hz陷波”,是指当采样曲线中有干扰出现时,并且这种干扰有一定频率的周期性。

（5）“纵向放缩”是指对当前通道的波形进行纵向拉伸、压缩。

其与“时间常数”
是有区别的，它是对采样后的波形进行人为的放大、压缩，对生物信号本身没有真正的放大。

（6）“时间单位”是指对当前通道的波形进行横向拉伸、压缩，同时也对当前走纸通道速度进行调节。

第四步，如果使用直流状态，即使用传感器进行非电信号实验时，要对通道进行调零，执行“设置”菜单中的“当前通道调零”菜单项进行自动调零如图：（若是偏离太大，则先调传感器的电位器）（这一步由老师先做）
第五步，对非电信号如血压、张力等可以进行定标，执行“设置”菜单中的“当前通道定标”菜单项进行定标（（这一步由老师先做，若不需要计算张力大小，可省去这一步）。

第六步，单击工具栏上的按钮开始采样，在采样的过程中可以实时调整输入范围、低通滤波、纵向放缩等各项指标以使波形达到最好的效果，再次单击此按钮则可停止采样。

4.刺激器的设置与调整
为了方便电生理实验，Pclab-UE系统内置设有一个由软件程控的刺激器，该刺激器所提供的功能与性能指标完全能够满足实验的要求，且工作稳定、可靠。

恒压源设计，刺激输出电压不会因刺激对象阻抗
变化而变化，共分为0-5V；0-10V； 0 -100V三档，其中每一档的输出电压的步长都不相同。

共有七种不同的刺激方式，分别为单刺激、串刺激、周期刺激、自动幅度、自动间隔、自动波宽、自动频率。

不同的实验选择不同刺激方式和刺激幅度会令实验效果十分理想。

为了正确使用刺激器可进行如下设置：
第一步：打开刺激器设置面板，可以通过“设置”菜单下的“刺激器设置”菜单项来
实现，也可以通过工具栏上的按钮在控制面板和刺激面板间进行切换，此时刺激面板就会代替放大器控制面板以方便您进行刺激器的参数设置。

刺激面板如图：
第二步：选择适当的刺激模式，调整相应的波宽、幅度、周期、延时、间隔等参数，然后单击工具栏上的“刺激”按钮即可发出所要刺激。

(本期实验主要设计调节刺激强度和刺激频率，改变刺激强度可以改变波幅也可改变波宽；改变刺激频率可调节主周期和时间间隔)
第三步：刺激标记想要显示在哪个通道上，就在相对应的通道上打钩，这样在当前通道上就可以显示相应的刺激幅度、波宽与标记。

5.实验结果的存盘及打印输出
（1）为了保证实验数据的完整保存，Pclab-UE系统提供了强大的数据保存机制，并且采用了标准的文件存盘方式。

根据用户要保存的目的不同，本系统对数据的保存分三种，一种是整个实验过程中的全部数据的保存；另一种是通过记录保存；还有一种是对做完实验后的选择保存。

下面分别予以介绍。

I、全部数据保存是指从开始波形采样就对整个实验过程中所采集的全部波形数据的保
存，其目的是在实验结束后可再现实验过程。

这个保存机制和微软的Word、Excel相一致。

一是通过停止采样后“文件”菜单中的“所有实验数据保存”菜单项来实现的；二是在“新建实验”或关闭Pclab-UE界面时系统用户只需要输入一个文件名即可，文件将被自动
存放在本系统安装后的UserData文件夹中以便用户集中管理。

II、记录保存是针对实验过程中出现的稳定而平滑的波形进行保存的，它可以保存一段时间内的较好的波形，其操作方法是当出现较好的或用户认为需要记录的波形后按下工具栏上的“记录”按钮，从此刻开始的波形将会被记录起来，直到用户再次单击此按钮停止记录为止。

在采样的过程当中用户可以多次通过此按钮来记录数据，当停止采样后，用户可通过工具栏上的“存盘”按钮或“文件”菜单中的“实验记录保存”菜单项来保存所记录下来的文件，用户只需要输入文件名即可，文件将被自动存放在本系统安装后的UserData文件夹中以便用户集中管理。

III、选择保存是对做完实验后未及时通过记录保存，采取事后保存的一种方式。

它是对采样后的波形进行涂黑，然后按工具栏的“选存”按扭就会弹出一个对话框让您输入文件名。

接下去再涂黑按“选存”就不会出现对话框，因为它是将后面涂黑的波形与前面涂黑的波形保存在同一个文件名下。

通过以上三种方式，可以放心地保存实验所采样的数据，若是Pclab-UE软件下载了保存在UserData文件夹的数据也不会丢失。

（2）对于采样波形的打印输出，可以先通过工具栏上的“预览”按钮或“文件”菜单中的“打印预览”菜单项来进行波形的预览，然后通过“文件”菜单中的“打印”菜单项直接打印输出。

（也可以通过打印预览中的“打印”直接进行打印输出）
五、作业与思考
（一）简述计算机生物信号采集处理系统的组成及基本原理。

（二）试述计算机生物信号采集处理系统的基本操作流程。

附：动物生理实验刺激系统
电子刺激器
电子刺激器是能产生一定波形的电脉冲仪（器）。

输出的波形有三角波；锯齿波、尖波（针形波）、矩形方波（方波）等。

根据刺激引起组织兴奋的三要素:强度对时间变化率、刺激强度和刺激持续时间均要求到达最小值的特点，矩形方波上升及下降的速度快，波的前缘
刺激电流对生物组织是较为有效的刺激，易控制，通过调节其参数（包括刺激强度、持续时间和刺激频率）可给组织器官以不同的刺激，因此矩形方波是较好的刺激形式。

1、刺激器方式：
单刺激：可为默认选择(计算机)或为手控刺激,即按1次手动开关,就输出一次刺激脉冲。

双刺激、连续刺激：当选择双刺激或连续刺激时，刺激器会按照实验者设定的刺激参数连续输出刺激脉冲，何时开始，何时终止可以人工控制。

串刺激：在每一个刺激周期内（主周期包含2个或2个以上的一串刺激脉冲。

2、刺激器参数：
刺激强度：以矩形方波的波幅（方波的高度）表示。

可用电压或电流强度表示，电流强度一般从几μA～几十mA，电压可在200 V以内。

实验过程中，过强或过弱的刺激都应避免，因为过弱的刺激不能引起组织功能变化；过强的刺激可引起组织内电解和热效应而损伤和破坏组织。

在双刺激中，两个刺激脉冲的强度可以相等，也可以不等。

刺激（持续）时间：以矩形方波的波宽表示。

一般刺激持续时间从几十μs～数s ，并采用正负双向刺激方波。

采用单向方波刺激时，时间不宜过长，否则也会产生组织内电解和热效应而损伤组织。

故实验中应采取最佳的刺激强度和刺激时间的配比，如选用波宽为1 ms的双向波，方波的振幅以10 mV为佳；如波宽减少到0.5 ms则振幅可增加到40～50 mV。

刺激频率：相对于连续刺激而言，表示单位时间内所含主周期的个数，单位为Hz ,如5 Hz 、20 Hz ，也可用主周期的时间来表示，如0.2 s,0.05s等。

在使用连续刺激时，刺激频率一般少于1000次/s。

刺激频率过高，有一部分刺激会落于组织的不应期内，而成为无效刺激。

刺激频率随组织的不同而异。

一般组织器官的功能实验的刺激频率在60～100 次/s为宜。

串长：表示以重复的频率不断地输出数个（一连串）刺激脉冲的（持续）时间。

在串长内可调节刺激脉冲的个数和间隔（波间隔t）。

同步输出：有时为了保证实验的精确性，要求整个实验系统保持同步工作，如要求在刺激器发出刺激脉冲稍前时间内，能发出一个尖脉冲（同步脉冲）去触发示波器或其它仪器使它们能同步工作。

延迟：表示从同步脉冲到刺激脉冲出现的时间差(T1)。

调节延迟,可使刺激脉冲或由刺激脉冲引起的生理反应能在荧光屏上的适当位置展现，以便观察和记录。

串间隔：在连续的串刺激中，一串刺激脉冲连续出现时的时间间隔（T2）。

它可以等于延迟
(T1)，也可以不等。

在计算机生物信号采集处理系统中，上述参数可出现在（1）模式，包括正电压刺激、负电压刺激、正电流刺激及负电流刺激；（2）方式；（3）延时；（4）波宽；（5）波间隔；（6）频率；（7）强度1及强度2（对双刺激时）；（8）主周期；（9）程控增量，表示程控刺激参数的增量或减量。

以下是生物科学2003级学生记录的牛蛙坐骨神经干动作电位：。