生物医学信号的特点和提取-生物医学电子与仪器-01

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频率范围 Beta: 13 – 30 Hz Alpha: 8 – 13Hz Theta: 4 – 8 Hz Delta: 0.5 – 4 Hz
EEG 理论
• Alpha 节律
– 频率: 8 – 13 Hz 幅度: 5 – 100 microVolt – 位置: 枕后 脑状态: 清醒闭眼
– Alpha节律被一个新的刺激终止 – 源: 丘脑振荡起搏神经元
测量信号 = 信号 + 噪声(干扰) 基本条件: 抗干扰 +低噪声 ----〉 合理解(成本 + 措施 ) 图1。39
人体电子测量中的电磁干扰 一、干扰的引入: 干扰的生成条件:干扰源-〉耦合通道-〉敏感电路 1、 干扰源: 能产生一定的电磁能量而影响周围电路的物体或设备。 主要有: 自然源:太阳黑子、太阳辐射。 放电脉冲源:发动机点火。 稳态电磁场:50Hz工频(主要干扰)。 电磁兼容性设计EMC: 抑制外部干扰。 抑制本身对外部的干扰。
• 没有电子流存在
生物医学信号的提取
• 极化 – 半电池出现,没有电流通过电极-电解液界 面. – 极化导致极化电压
– 极化电压 : 测量电极间的极化半电池电位差
生物医学信号的提取
• 极化电压
– 电极电位:
• 符合 Nernst 公式: E = -( RT/nF) ln (C/K)
R 气体常数,为8.314J/mol·K F 法拉第常数,为96487库仑 T 绝对温度 N 金属离子价数 C 金属离子有效浓度 (mol/L) K 与金属有关常数
生物医学测量的特殊性和生理参数范围
• 测量条件:
– 测量条件全性限制: • 施加于人体的各种能量。(正常工作) – 超声 小于 100 毫瓦/平方厘米 – 漏电流:心脏 体外(脑) 体外 – 放射线:X线、γ线 • 非正常工作状态时的精度、可靠性 – 操作错误 仪器损坏:电器安全/植入型参数范围选择:考 虑噪声 和 信号 • 外界环境异常 – 电源不稳 冬天干燥 麻醉 – 电流:因身体部位、幅值、频率有变化 » 100 μA 体内 室颤 I » 1 mA 体外 有激感 » 10 mA 体外 发生不随意运动 » 100 mA 体外 心室颤动
• Ag/AgCl 电极生物体中非常稳定. • 电阻与频率有关
生物医学信号的提取
• 电极模型
极化电极: Rj = ∞ (金电极) 非极化电极: Rj = 0 (Ag/AgCl电极)
生物医学信号的提取
信号拾取 生理信号:自发信号、诱发信号 • 自发信号:不对人体施加任何刺激,拾 取到的信号,如ECG、EMG、EEG • 诱发信号:对人体施加一定刺激,而得 到的信号,如视觉诱发电位(VEP)
EEG 理论
• EEG谱分析-FFT谱分析自发脑电功率谱
EEG 理论
地形图 • 用颜色表示强度 来反映脑电与电 极和脑区的关系, 如: • ERP maps
– 电位分布
• Spectral maps
– 频率分布
• Statistical maps
– 统计差异
非电量生理信号
• •

血压 脉搏 心音 心输出量 搏出量 心指数
← me← me← meC C A C A → C+ ← AA → ne→ C+ → ne← A-
→ C+ → ne← A-
C⇔ + ne (氧化) Am- ⇔ A + me- (还原)
-
Cn+
电极 电流
电解液
生物医学信号的提取
• 电极-电解液理论 – 没有电流时达到平衡(氧化 = 还原) – 电流从电极到电解液时, 氧化占主导 – 电流从电解液到电极时, 还原占主导 – 氧化还原平衡时半电池形成
ρ 肺 骨骼 血 f
生物电信号特征
• 体表电位:
人体表面的任意点相对于参考点的确定电位,针对不 同器官,表现为心电(ECG)、脑电(EEG)和肌电 (EMG)。 – 体表心电图( Electrocardiogram ):
• P波、 QRS波、 T波 • 导联系统
– 脑电 EEG(Electroencephalogram):
f
生物电信号特征
• 细胞和组织的电学特征:
生物体的基本单元是细胞: 可兴奋细胞(神经、肌肉)有电活动 不可兴奋细胞:大量
生物电信号特征
• 细胞和组织的电学特征:
生物电位 静息电位:-50 ~ -100 mv 未受刺激时 动作电位:20 ~ 40 mv 受刺激时 产生原因是膜对钠、钾离子通透性随时间的变化。 一般电学特征: 电导率σ,相对介电常数ε,总集参数:电阻率ρ 阻抗法: 循环系统 血液ρ << 其他组织ρ,可以测量血流/心输出量。 呼吸系统 肺ρ >> 其他组织ρ,可以测量换气量。
生物医学信号的提取
• 生物电测量误差 – 高频失真: 边缘变光滑 (I.e. QRS peak) – 低频失真 – 饱和失真 – 地回路失真 – 电源干扰
1.3 提取过程中的干扰与噪声
1. 电磁干扰 2. 信号提取系统的噪声
电 磁 干 扰
生物测量系统是不能离开外部环境
干扰
微弱信号 + 噪声
信号+噪声
第一章 生物医学信号的特点和提取
第一节 生物医学信号的特点
第二节 生物医学信号的提取
第三节 提取过程中的干扰和噪声
生物医学信号的特点和提取 概述
• 人体的电子测量:用电子学方法对人体结构、机能 的各种探测。 • 测量信号 = 信号 + 噪声(干扰) • 人体信号:干扰大 + 噪声大 • 不稳定:时间、个体
• δ波、θ波、α波、β波 自发脑电、诱发脑电
– 肌电图 EMG – 皮肤电反射(GSR ):测谎仪
ECG 理论
• 心脏电活动近似为一个随时间变化的向量 – 心脏是一个电偶极子 – 电场随心跳周期变化,从心房到心室或从起 搏点到心肌
ECG 理论
爱因托芬(W.Einthoven) 1860~1927 荷兰人 发现心电图的机理
界 面
电子 系统
信号+噪声
1.1
生物医学信号的特点
• 生物医学测量的特殊性和生理参数范围 • 生物电信号特征 • 非电量生理信号
生物医学测量的特殊性和生理参数范围
人体系统的特征:
1. 2. 3. 生命 + 环境 :两者缺一不可 无创优先 + 对人体影响小 适应性或反馈性:生物反馈
生物医学测量的特殊性和生理参数范围
• 测量条件: – 参数范围选择:考虑噪声 和 信号 • 心电:10 uV ~ 4 mV 0.05 Hz ~ 250 Hz • 脑电:1 uV ~ 300 uV 0.5 Hz ~ 300 Hz • 电源:220 V 人体感应电压为10~30V – 强噪声: • 人体各部分互相干扰 :胎儿心电 • 外界噪声:50 Hz • 测量引入:放大器本身噪声 • 自身环境变化:如紧张血压
• 胸导: V1-V6 Vi = Ci - Wilson中心端 • 12 标准导联:
3-肢导 + 3-加压导联 + 6-胸导
EEG 理论--Einthoven三角

P波:反映左右心房的 电 激 动 过 程电位和时 间的变化。 P-R间期:代表心房开 始 除 极 至 心室开始除 极的时间。 P-R段:代表心房激动 通 过 房 室 交界区下传 至心室的时间。 QRS 波 群 : 反 映 左 右 心 室 除 极 过程电位和 时间的变化.



• • • •
S-T段:从QRS波群终点到T波起点的线段,反映心室早期复极过程电位和时间的变化。 T波反映晚期心室复极过程电位的变化。 U波:代表心肌活动的“激后电位”(after potential). Q-T 间期:从QRS波群起点到T波终点的时间;反映心室除极和复极的总时间。
EEG 理论
60-80mL 4.5-6.0L/s 3.1-3.5L/(s • m2)

– –
血流量
流速 轴向集中
1.2 生物医学信号的提取
1. 生物电位电极
2. 生物医学传感器
生物医学信号的提取
• 电极种类
– 按安放位置分:体表、皮下、体内植入 – 按电极形状分:板、针、螺旋、环、球 – 按电极大小分:宏电极、微电极 – 体表电极:湿电极、干电极
2、干扰耦合途径: . 传导耦合:长导线。 解决方法:绞线、屏蔽线。 。公共阻抗耦合:共用电源电阻、地电阻。 解决方法:分别接地。 图1。42 。电场和电磁耦合: 电场:电容性耦合。 磁场:电感性耦合。 3、耦合元件: 所有带电的元件、导线、 结构件等均可形成干扰。
二、生物测量中的电磁干扰 1.电场的容性干扰: 电磁环境中,通过电场干扰源与人体之间的分布电 容,使人体本身携带干扰电压。通常称为50Hz干扰。 ◎共模电压:图1.48
ECG 理论
• Einthoven三角
– 向量的构成:
至少需要两个已知向量才能组成心偶极子向量
– 3-肢体导联:
VI: RA -> LA VII: RA -> LL VIII: LA -> LL
ECG 理论--EBaidu Nhomakorabeanthoven三角
• 加压肢体导联: 单极导联
Wilson中心端 = VR + VL + VF aVL: (LA - Wilson中心端)*3/2 aVR: (RA - Wilson中心端)*3/2 aVF: (LL - Wilson中心端) *3/2
EEG 理论
• 通道: 从一对电极记录到的信号 (图中公共电 极: A1 左耳)多通道EEG记录: 目前最多256同 步记录
EEG 理论
临床EEG电极
研究EEG用电极
EEG 理论
• 事件相关电位
– 平均每一次刺激后 的脑电信号 – 噪声减少 – 一般要 100~1000 次 – 假定没有适应性反 映
U
cm
C d1 = × 220 V = 20 V C d1 + C d 2
取 C d 2 = 10 C d 1
一般放大器电源为+/-12V,所以采用差动 放大器。这样这个电压就为差动放大器的 共模电压。 如共模抑制比为60dB(衰减1000倍)共模 电压的干扰为20mV,80dB时为2mV。
EEG 理论
• Beta 节律
– 频率: 13 – 30 Hz – 位置: 前额 幅度:2 – 20 microVolt 脑状态: 智力思维
– 反映皮层和丘脑信息处理
EEG 理论
• Theta 节律
– 频率: 4– 8 Hz 幅度:5 – 100 microVolt – 位置: 前颞部脑状态: 想睡
生物医学信号的提取
• 生物放大器
– 将微弱的生物电增强 – 增强后的信号可以进行:
• 处理 • 记录 • 显示
生物医学信号的提取
• 生物电放大器: 最小要求
– 高输入阻抗 (最小 5 MΩ):对生物体干扰小 – 低输出电阻: 高输出驱动(i.e. display, printer, filters, etc) – 高增益 (G > 1000) – 隔离、接地、人体保护电路 – 快速校准
– 丘脑慢振荡神经元活动,降低感觉信号进入大脑 皮层
EEG 理论
• Delta 节律
– 频率: 0.5 – 4 Hz 幅度:20 – 200 microVolt – 位置: 不定 脑状态: 深睡
– 丘脑和深部皮层振荡,一般可被脑网状系统终断
EEG 理论
• 10/20 导联系统
– 鼻根 枕骨隆突 – 位置: – 编号: 前额(F), 颞区(T), 顶区(P), 枕区(O), 中央区(C), z为中线 右 (2,4,6) , 左 (1,3,5)
生物医学信号的提取
• 生物电位电极 – 人体和测量仪器的界面. – “换能器” 将离子电流转化为测量仪器的电 子电流
生物医学信号的提取
• 电极-电解液理论
– 电极-电解液界面: 净电流从极板流 向电解液 • 电子移动与电极中电流方向相 反 • 阳离子 (C+) 在电解液中移动与 电流方向相同 • 阴离子 (A-)在电解液中移动与 电流方向相反
生物医学信号的提取
• 人体信号拾取
– 信号采集:得到电信号 电信号:用电极; 非电信号:用传感器 – 预处理:通过放大、滤波去掉原始噪声,得 到初级信号 – 处理:经过各种运算,得到反映器官功能的 特征信号
生物医学信号的提取
刺激
人体信号拾取
信号 采集
人体
预处理
处理
显示
信号拾取要求
• 变换灵敏度高 • 良好的信噪比 线性的动态范围 最小的对人体干扰性
生物医学信号的提取
• Ag/AgCl 电极 – Ex: 一个很好的非极化电极(极化电压很小) – AgCl溶解度非常小:(aAg+ x aCl- = ~ 10-10)
Ag ⇔ Ag+ + e- (oxidation) Ag+ + Cl- ⇔ AgCl (reduction) – [Cl-] 在生物体中大量存在 (aCl- ~1) – 特点:
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