各常用生理信号概述

中山大学医学电子学与传感器课程报告报告题目：各常用生理信号概述报告人：相关学科：生物医学工程所在院系：生物医学工程学院指导老师：报告时间：2020年4月4日

一、报告目的简述下列各生理信号的含义，并列举其测量范围，测量单位和频率范围。ECG,EEG,EMG,EOG,ERG,GSR,PCG,细胞膜电位，胃电图，血流量，血压，呼吸率，体温，Po2,Pco2。报告内容ECGECG其全称为electrocardiogram，即心电图。所谓ECG(心电图)就是指心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着心电图生物电的变化，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的图形(简称ECG)。心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标。ECG的检查意义在于：用于对各种心律失常、心室心房肥大、心肌梗死、心率异常、心肌缺血、电解质紊乱(对血钾不正常变化有快速直视的临床参考意义)、心衰等病症检查，可用于床边24小时监视病人心脏功能。心电图是反映心脏兴奋的电活动过程，它对心脏基本功能及其病理研究方面，具有重要的参考价值。心电图可以分析与鉴别各种心律失常;也可以反映心肌受损的程度和发展过程和心房、心室的功能结构情况。在指导心脏手术进行及指示必要的药物处理上有参考价值。然而，心电图并非检查心脏功能状态必不可少的指标。ECG代表整个心脏电激动的综合过程，以一个个心肌细胞的电激动为基础，心肌激动时细胞内发生电传变化。心脏电活动按力学原理可归结为一系列的瞬间心电综合向量。在每一心动周期中，作空间环形运动的轨迹构成立体心电向量环。心肌细胞在静息状态下细胞膜外带正电荷，膜内带同等数量的负电荷，心肌细胞在静息状态保持着细胞膜内外的电位差，这称为极化状态。由于细胞膜对离子的通透性不同,膜内外各种离子主要是K+、Na+的浓度存在很大差别，细胞内k+浓度较细胞外约高20～30倍，而细胞外Na+浓度高于细胞内10～20倍。细胞膜对K+的通透性较高，于是一部分K+顺着浓度梯度外流至膜外，增加了膜外正电荷膜内的有机负离子有随K+外流的倾向，但因分子大，不能通过膜而被阻滞于膜的内表面。膜外正电的排斥作用和膜内负电的吸引作用，使K+的继续外流受阻而达到平衡时，在膜的两侧便形成极化状态。不同类型的心肌纤维，静息电位不同;快反应纤维，如心室肌为-80～-90mV，慢反应纤维，如窦房结则仅-40～-70mV。当心肌细胞受到刺激而兴奋时，细胞膜内外的电位迅速变化。细胞膜内外的电位差在瞬间消失，细胞内的电位由-90mV迅速变为0mV,乃至+20～+30mV。也就是说极化状态消失，这过程称为除极过程。以心室肌为例，膜电位从静息时的-80～-90mV降至-60～-70mV的阈电位水平，即迅速开始除极。随后细胞内又逐渐恢复其负电位，这过程称为复极。由除极至复极，膜内电位由负变正及又回至静息电位的一系列电位变化称为跨膜动作电位。可画成一条曲线,分成为5个时相。心电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，收到人体诸多因素的影响，因而有着一般信号没有的特点：信号弱。从母体腹部取到的胎儿心电信号仅为10uv，成人的心电信号范围也仅为5mv。心电信号的幅值在10uV~4mV之间，频率范围为0.05~100Hz，90%的心电信号频谱能量集中在0.25~35Hz。噪声强。由于人体自身信号弱，加之人体又是一个复杂的整体，因此信号易受噪声干扰。如胎儿心电混有很强的噪音，一方面来自于肌电、工频等干扰，另一方面，在胎儿心电中不可避免地含有母亲的心电。随机性强。心电信号不但是随机的，而且是非平稳的。参考文献：[1]LucchiniMaristella,WapnerRonaldJ,Chia-LingNhan-Chang,TorresCaroline,YangJoel,WilliamsIsmeeA,FiferWilliamP.EffectsofmaternalsleeppositiononfetalandmaternalheartratepatternsusingovernighthomefetalECGrecordings.[J].Internationaljournalofgynaecologyandobstetrics:theofficialorganoftheInternationalFederationofGynaecologyandObstetrics,2020,149(1).EEG脑电信号（electroencephalography，EEG）的本质是脑神经细胞群的电反应，而由于脑部神经细胞群运动的复杂性、多变性和个体差异性，导致EEG信号中所包含的有效信息被完整采集保存下来是很有难度的，保存下来的脑电信号经过处理也很难完全真实地反映人脑蕴藏的大量信息与模拟人脑的思维活动；另一方面，现阶段EEG信号在实时处理上也存在一定难度。依据脑电图仪与临床生理学会国际联盟的分类，脑电信号的频率分为4个频段，分别是δ波、θ波、α波与β波。δ波频率为0.5-4Hz，振幅为20-200uV，当人在婴儿期或智力发育不成熟、成年人在极度疲劳和昏睡或麻醉状态下，可在颞叶和顶叶记录到这种波段。θ波频率为4-8Hz，振幅为100-150uV，在成年人意愿受挫或者抑郁以及精神病患者中这种波极为显著。但此波为少年（10－17岁）的脑电图中的主要成分。α波频率为8-13Hz，振幅为20-100uV，它是正常人脑电波的基本节律，如果没有外加的刺激，其频率是相当恒定的。人在清醒、安静并闭眼时该节律最为明显，睁开眼睛（受到光刺激）或接受其它刺激时，α波即刻消失。β波频率为13-30Hz，振幅为5-20uV，当精神紧张和情绪激动或亢奋时出现此波，当人从噩梦中惊醒时，原来的慢波节律可立即被该节律所替代。脑电信号的特点：脑电信号非常微弱，一般只有50uV左右，幅值范围为5uV-100uV。脑电信号的频率低，一般在0.1Hz-100Hz，需要滤出脑电信号频率以外的高频干扰。在电极与头皮接触的部位会产生电位差，称为极化电压。极化电压一般在几毫伏到几百毫伏之间，理想情况下，在用双电极提取人体两点电位差时，极化电极可以相互抵消，但实际上，由于极化电极受到多种因素的影响，所以无法完全消除。参考文献：[1]陈真诚，钟靖，脑电信号采集预处理电路设计，中国医学物理学杂志，2009年7月，第26卷第六期EOG眼电信号（electro-oculogram，EOG）是因眼球运动产生的一种微弱的生理信号，该信号可以被贴在眼球周围的电极记录下来。在生物电信号中，EOG信号具有幅值较高、波形便于检测、容易处理等优势。然而，由于受到采集设备和特征提取与模式识别技术的制约，有关EOG信号的研究还不十分广泛。眼球可以理想化地看成是一个双极性球体模型，角膜和视网膜之间因电势不同而存在以毫伏量级计算的电势差。为寻求眼球运动与电势之间的关系，许多科研工作者做出了不谢努力。直到20世纪80年代初期，Stern与Oster在众多的科学家工作的基础上，综合了各方的观点与结论，得出偏转角在30度范围内，电势差与眼球偏转角符合线性关系；而在偏转角介于30度与60度之间时，电势差与眼球的偏转角则符合正弦曲线关系。后期生物医学研究进一步证明，在角膜与视网膜二者之间存在介于0.4~10mV的电势差，其中角膜（Cornea）部分电势较高，可以视为带正电荷；视网膜（Retina）部分电势较低。可以视为带负电荷。EOG信号的频率介于0.1Hz-38Hz范围之间，幅值通常在50-3500uV之间。参考文献：DENGLY,HSUCL,LINTC,etal.EOG-basedHuman-ComputerInterfacesystemdevelopment[J].ExpertSystemswithApplication,2010,37(4):3337-3343.BAREAR,BOQUETEL,ORTEGAS,etal.EOG-basedeyemovementscodificationforhumancomputerinteraction[J].ExpertSystemswithApplication,2012,39(3):2677-2683.王君，EOG信号的特征提取与识别算法研究EMGEMG，应用电子学仪器记录肌肉静止或收缩时的电活动，及应用电刺激检查神经、肌肉兴奋及传导功能的方法。英文简称EMG。通过此检查可以确定周围神经、神经元、神经肌肉接头及肌肉本身的功能状态。通过测定运动单位电位的时限、波幅，安静情况下有无自发的电活动，以及肌肉大力收缩的波型及波幅，可区别神经原性损害和肌原性损害，诊断脊髓前角急、慢性损害（如脊髓前灰质炎、运动神经元疾病），神经根及周围神经病变（例如肌电图检查可以协助确定神经损伤的部位、程度、范围和预后）。另外对神经嵌压性病变、神经炎、遗传代谢障碍神经病、各种肌肉病也有诊断价值。此外，肌电图还用于在各种疾病的治疗过程中追踪疾病的恢复过程及疗效。利用计算机技术，可作肌电图的自动分析，如解析肌电图、单纤维肌电图以及巨肌电图等，提高诊断的阳性率。肌电图检查多用针电极及应用电刺激技术，检查过程中有一定的痛苦及损伤，因此除非必要，不可滥用此项检查。另外，检查时要求肌肉能完全放松或作不同程度的用力，因而要求受检者充分合作。对于某些检查，检查前要停药，如新斯地明类药物应于检查前16小时停用。记录肌肉动作电位的曲线（电描记图）称为肌电图。缩写为EMG。实际使用的描记方法有两种：一种是表面导出法，即把电极贴附在皮肤上导出电位的方法；另一种是针电极法，即把针电极刺入肌肉导出局部电位的方法。用后一种方法能分别记录肌肉每次的动作电位，而根据从每秒数次到二、三十次的肌肉动作电位情况，发现频率的异常。应用肌电图还可以诊断运动机能失常的原因。平常所用的针电极称为同心电极，它是把细针状电极穿过注射针的中心，两者绝缘固定制成的。EMG信号我们可以分为三类来看，分别是iEMG(肌内肌电信号)、pEMG(经皮肌电信号)、sEMG(表面肌电信号)。根据神经生理知识，肌肉动作电位将产生-90mV到30mV的电势差，由于人体是电的不良导体（1MΩ数量级内阻），故从体表的贴片电极上只能获得1mV左右的峰值。根据文献，SEMG中往往混合着甚低频（接近直流）和高频的干扰信号，而有效的肌电信号频谱分布在10-500Hz间。故从贴片电极检测出的信号需经过高通滤波（隔直处理）、高倍放大、低通滤波（滤除高频干扰）等信号调理过程。ERG视觉电生理检查主要包含三个方面：眼电图、视网膜电图以及视诱发电位。其中眼电图以及视诱发电位都可以通过皮肤电极进行信号采集提取。但是视网膜电信号的采集则是通过角膜接触镜电极获得电信号。当向视网膜施加广泛的光刺激时，通过高精度的信号采集装置记录视网膜的一簇电反应，将其称之为全视野ERG，它记录了视网膜中感受器细胞以及双极细胞等接受全视野光刺激时的综合反应。全视野ERG的波形通常由命名为a,b,c,d的四个特征波组成。各个波形的起源如下图所示，首先是a波，有时称之为“感受器电势”，主要来源于感光细胞的感受器电位，通常反映视网膜外层光感受器的生理健康。相对应的，b波主要与给光双极细胞等细胞的活动有关，反映了视网膜内层光双极细胞的功能是否正常。此外c波来自于视网膜的色素上皮细胞，而d波则显示了撤光双极细胞的活动。在实际的临床检测中，我们主要关注ERG中的主要成分a波和b波，其波形如下图所示，a波为ERG波形的波谷，b波则代表波峰。对于ERG波形主要关注两方面的参数信息，首先是相对于基线a波与b波的峰值。其次是a波隐含期，即刺激起始至a波波谷的时间；以及b波隐含期，即刺激起始至b波波峰的时间。视网膜电信号作为一种微弱的人体信号，与其他的物理量微弱信号相比，更不易于采集。首先，它的幅值特别低，通过角膜接触电极能够提取到相对较大的ERG信号，其幅值约为200uV。但通过皮肤电极进行采集时。由于人体的皮肤阻抗较大，采集到的原始信号幅值仅为20uV左右。此外，从人体中提取胜生理信号的时候，受到很多外界因素的干扰比较严重。上图所示为罗兰眼电生理系统采集的ERG信号波形。图中第一个波谷标记为a波波谷，波峰标记点为b波波峰，图中测量了a波与b波的反应振幅以及隐含期时间。a波的振幅是从基线到a波波谷的反应电位值，b波的振幅是由a波波谷到b波波峰的反应电位值。参考文献：SutterEE.Noninvasivetestingmethods:multifocalelectrophysiology[J],EncyclopesiaoftheEye,2010,3:142-160肖家翔，林小洪.视觉电生理在糖尿病视网膜病变中医治中的应用[J]，中国中医药信息杂志，2012,19（2）：73-74MarmorMF,BrigellMG,McCullochDLetal.ISCEVstandardforclinicalelectro-oculography(2010update)[J],Documentaophthalmologica,2011,122(1):1-7.GSR皮肤电阻随皮肤汗腺机能变化而改变，叫做皮电反应GSR（Galvanicskinresponse）。皮肤电反应可以作为交感神经系统功能的间接指标反应人体的情绪变化，尤其对于测谎，皮电无论是频率还是幅度变化都很明显，是良好的测谎指标。GSR信号具有很低的频率，一般在0.02-0.2Hz的范围内。它既包含缓变的皮肤电水平（skinconductancelevel，SCL）成分也包含突变的皮肤电响应成分，具有非平稳性。参考文献：[1]刘名扬，张晓寒，基于选择因子的皮肤电反应信号小波去噪方法，技术科技与工程杂志，2017年5月，第17卷第15期PCG心音是指在一个完整的心动周期中，心肌收缩，心脏瓣膜关闭，血液撞击心室壁、大动脉壁，引起器官震动发出的声音。心音信号大体可以分为第一心音S1和第二心音S2（有时还伴随微弱的第三、第四心音）。心电信号是人体心脏电位差的直接反映，作为心脏机能的一种特征反映，体现着人体生理电信号信息。医学上正常的心音频率主要分布在10-800Hz范围，杂音则分布在800-1500Hz。心音的时域图如下图所示。由图可知，一个正常的心动周期持续时间大约为0.8-1s。S1时限表示的是第一心音S1的持续时间（一般为70-150ms），S2时限则表示第二心音S2的持续时间（约为60-120ms）。32】参考文献：[1]PCG/ECG采集电路设计与信号分析研究细胞膜电位细胞膜电位包括静息电位和动作电位两种。静息电位是组织细胞安静状态下存在于膜两侧的电位差。动作电位是当细胞受刺激时，在静息电位的基础上发生的电位变化。细胞在安静状态时，正电荷位于膜外一侧(膜外电位为正)，负电荷位于膜内一侧(膜内电位为负，)这种状态称为极化。如果膜内外电位差增大，即静息电位的数值向膜内负值加大的方向变化时，称为超极化。相反地，如果膜内外电位差减小，即膜内电位向负值减小的方向变化，则称为去极化或极化。一般神经纤维的静息电位如以膜外电位为零，膜内电位为-70~-90mv。静息电位是由于细胞内K+出膜，膜内带负电，膜外带正电导致的。两栖类和哺乳类骨骼肌细胞的静息电位一般为-90mV。平滑肌细胞的为-55mV，人类红细胞的仅为-9mV。当细胞受刺激时，在静息电位的基础上可发生电位变化，这种电位变化称为动作电位。动作电位的波形可因记录方法不同而有所差异以微电极置于细胞内，记录到快速、可逆的变化，表现为锋电位;锋电位代表细胞兴奋过程，是兴奋产生和传导的标志。动作电位可以分成去极化、复极化、超极化三个过程。动作电位的产生符合“全或无定律”，即刺激只要达到阈值，就能引发动作电位。动作电位的幅度约为90~130mV，动作电位超过零电位水平约35mV，这一段称为超射。神经纤维的动作电位一般历时约0.5~2.0ms，可沿膜传播，又称神经冲动，即兴奋和神经冲动是动作电位意义相同。参考文献：[1]左明雪，细胞静息膜电位的测量，生物学通报，2006年，第41卷第5期.胃电图胃电图（EGG）可检测异常胃电节律，是临床上有价值的检查方法。正常情况下餐后、餐前胃电主功率比大于1。否则，提示餐后胃动力低下，或空腹情况下存在胃过度扩张，而致餐后胃不能进一步扩张。胃窦动力低下时，亦可见胃动过速(大于4周/分)，或胃动过缓(小于2周/分)。正常情况下餐后、餐前胃电主功率比大于1。正常胃电主频为2～4周/分，餐后应占75%以上。异常结果：正常情况下餐后、餐前胃电主功率比大于1。否则，提示餐后胃动力低下，或空腹情况下存在胃过度扩张，而致餐后胃不能进一步扩张。胃窦动力低下时，亦可见胃动过速(大于4周/分)，或胃动过缓(小于2周/分)血流量血流量(bloodflowvolume)，又称血流的容积速度。是指单位时间内流经血管某一截面的血量，常以每分钟毫升数或升数表示。血流量的大小与血管两端的压力差成正比，与血管对血流的阻力成反比。1）血流速度通常以平均线速度来表示，以mm/s(毫米/秒)为单位。指某一质粒(如红细胞)在血管中沿着直线流过的平均速度，不管心缩或心舒时流速的差异如何。血流平均线速度(V)与血流量(Q)成正比，而与血管横断面的总面积(A)成反比:当血液由主动脉经中等动脉、小动脉而至毛细血管，再经小静脉而由腔静脉回心时,主动脉的口径虽大,但只有一根;毛细血管的口径虽小,但有无数根,故就毛细血管横断面的总面积而言,则比主动脉的横断面面积约大220~440倍。主动脉血流的平均线速度，约为220mm/s，依上列公式计算，则毛细血管血流的平均线速度，应介于220/440至220/220，即0.5~1.0mm/s之间，与实际测量的结果基本相符。腔静脉有两根，其横断面总面积比主动脉要大一倍多，故腔静脉血流线速度平均不及主动脉的一半。动脉血流速度随着心缩和心舒而波动，心室收缩时血流加快，舒张时血流变慢。例如，马的颈动脉血流速度，心缩时约为520mm/s，心舒时约为150mm/s，差异很大。这种波动幅度在小动脉管即逐渐变小，到了毛细血管，流速的波动即不明显，静脉的血流则始终表现均匀。在接近心脏的腔静脉血流，由于受到房内压变动的影响而发生相应的改变，但波动的幅度很小。2）循环时长血流中某一质粒经体循环和肺循环流过一周所需的时间，称为总循环时;如只经过肺循环一周，则其所需时间称为肺循环时。在人体，总循环时约为23秒，肺循环时约为11秒。循环时可因血流速度加快而缩短，如肌肉运动时或注射肾上腺素后，循环时可明显缩短。病理情况下，循环时也有大的改变，如患甲状腺机能亢进或贫血者，以及心肌衰竭时，循环时将延长。3）变动规律综合上述血压和阻力两个条件，血流量的变动规律便可以下式来表示:这里阻力也称外周阻力。阻力的数值如用物理学的单位来表示，则是dyn·s/cm(达因·秒/厘米)。为了避免计算的麻烦，生理学常用动脉压的mmHg数(毫米汞柱数)与血流量的ml/s(毫升/秒)数的比值来表示。如平均动脉压为90mmHg，平均血流量为90ml/s，则其外周阻力为90mmHg/90ml/s=1个阻力"单位"。正常人体总的外周阻力约变动于0.45~1.05阻力单位之间。器官血流量上述公式既可适用于整个体循环或肺循环的血流量，也可适用于体循环的各个器官的血流量。若应用于器官血流量的推算,则Q就指某一器官的血流量,P指进入该器官的平均动脉血压,R则指该器官内的微小血管的阻力。在机体静息时，肝、肾的血流量较多，肌肉的血流量较少;随着运动的加强，前者明显减少，后者则急剧增加;脑循环的血流量保持恒定，冠状循环有明显增加;皮肤血流量也相应增加，但在最强运动时反而减少。心输出量是各器官血流量的总和，随着运动加强而相应增加。由此可见，体循环各器官血流量在不同强度运动时，有增有减，这些变化是由于神经系统和体液因素的调节作用造成的(见血压)。血压通常所说的血压是指动脉血压。收缩压与舒张压的差值称为脉搏压，简称脉压。体循环动脉血压简称"血压"(bloodpressure，BP)。血压是血液在血管内流动时，作用于血管壁的压力，它是推动血液在血管内流动的动力。国家权威机构发布正常血压:收缩压<130mmHg，舒张压<85mmHg;理想血压:收缩压<120mmHg，舒张压<80mmHg。呼吸率呼吸率即呼吸频率，是用来形容每分钟呼吸的次数，胸部的一次起伏即为一次呼吸，即为一次吸气一次呼气，正常值为每分钟12-20次；然而每分钟的呼吸次数、呼吸频率随着年龄、性格、与生理状态的不同而出现差异，成年人的呼吸频率正常值通常为每分钟12-20次，而儿童为每分钟20次，一般情况下，女性比男性要快1-2次。体温人体内部的温度称体温。保持恒定的体温，是保证新陈代谢和生命活动正常进行的必要条件。体温是物质代谢转化为热能的产物。正常人的体温是相对恒定的，它通过大脑和丘脑下部的体温调节中枢，调节和神经体液的作用，使产热和散热保持动态平衡。在正常生理状态下，体温升高时，机体通过减少产热和增加散热来维持体温相对恒定;反之，当体温下降时，则产热增加而散热减少，使体温维持在正常水平。正常体温不是一个具体的温度点，而是一个温度范围。机体深部的体温较为恒定和均匀，称深部体温;而体表的温度受多种因素影响，变化和差异较大，称表层温度。临床上所指的体温是指平均深部温度。一般以口腔、直肠和腋窝的体温为代表，其中直肠体温最接近深部体温。正常值:口腔舌下温度为36.3~37.2℃，直肠温度36.5~37.7℃比口腔温度高(0.2~0.5℃)，腋下温度36.0℃-37.0℃。正常体温的标准是根据多数人的数值，并非为个体的绝