生物医学信号的检测

概述 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。 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。 传感器组成:敏感器件、传感器件和电子 测量系统。
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▪ （2）放大器的噪声 ▪ 用信噪比来表示 ▪ （3）减少噪声的处理办法 ▪ ①降低放大器第一级的噪声系数：采用场效
应管 ▪ ②尽量限制放大器的频带宽度 ▪ ③使仪器在尽量低的温度环境中工作 ▪ ④使用低噪声电缆线 ▪ ⑤用滤波法或平均法提取淹没于噪声的医学
信号
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▪ 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
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生物医学信号的监测 （3）核医学检测 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 （4）医用超声检测 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。
2.分类
（1）物理传感器：利用物理性质和物理 效应制成的传感器。
（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。
（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
▪ （2）供能方式 ▪ ①采用植入式电源：包括一次电池、二次电池。 ▪ ②体外射频能量供电：D/A变换。 ▪ ③利用生物体的其他能量转换：生物电池
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▪ 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。
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▪ 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
生物医学信号的监测 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。 信息来源 （1）人体内部的固有信息 （2）借助于外能获得的信息
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生物医学信号的监测 一、无创测量 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。 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。
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生物医学信号的监测 1.借助外能的无创伤检测 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。 （1）医学光学检测 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。 （2）医学X射线检测 利用X射线透射到人体，通过对透射射线 的处理进行观察。
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。
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生物医学用传感器
一、医用传感器的作用与分类 1.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。 2.用途： （1）检测生物体信息 （2）监护：连续测定某些生理参数 （3）控制：利用检测到的生理参数，控制人体的生理参
数。
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生物医学用传感器
有用信号
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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
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▪ 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
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▪ 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 ▪ ①通过右脚接地，减小人体对地阻抗和分布电容， 减小分压值。 ▪ ②减小50Hz电场对引线的影响：采用屏蔽线 ▪ ③减少50Hz电场对人体的影响：人体远离电场， 皮肤清洁 ▪ ④利用有源滤波器可有效地抑制50Hz电场的干扰： 带阻滤波器
生物医学信号的检测 生物医学信号 生物医学信号的检测 生物医学用传感器
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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
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。
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▪ 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
械
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生物医学用传感器
概述 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。 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。
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生物医学用传感器
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▪ 2.噪声及处理方法 ▪ （1）仪器内部的噪声 ▪ ①热噪声：前置放大器输入电阻的热噪声，
温度越底噪声越小。 ▪ ②分配噪声：集电极电流的起伏，频率越高，
噪声越大。 ▪ ③散粒噪声：与流过PN结的直流电流有关，
在低频段更明显。 ▪ ④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。
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。
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▪ 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
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▪ 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
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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
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▪ 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。
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
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▪ 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 ▪ ①引线尽量靠近，互相绞合，减小面积 ▪ ②减小磁感应强度和夹角
随信号的非平稳性而变。
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▪ 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。
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▪ 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
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▪ 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 ▪ ①自发信号：直接用生物电极测量生物电位，
如心电图、脑电图 ▪ ②诱发信号：用生物电极测量生物电位，如
眼电、肌电 ▪ ③采用生物电阻抗测量技术:断层成像
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▪ 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
信号，从而计算出系统的静态或动态参数。 ▪ ①遥测型：特点：发射源在体外，如B超、X射线
摄影装置。 ▪ ②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。
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▪ 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 ▪ ①化学量信号：如血气、电解质等。 ▪ ②生物量信号：如酶活性、蛋白质等。
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▪ （1）特点 ▪ ①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。
▪ ②体内的各种信息ຫໍສະໝຸດ Baidu需经皮肤测量，可大大减少各 种干扰因素。
▪ ③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。
▪ ④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。
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。
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生物医学用传感器
二、生化传感器 1.化学传感器 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。 （1）电位型电化学传感器 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。
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。
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▪ （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。
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▪ 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