生物电子学课件

生物信息2.1生物信息的分类化学信息血液代谢物呼吸气体其它体液等以往通过化验来检测现在很多实现仪器自动分析*物理信息生物电心电（electrocardiogram）脑电（electroencephalogram）肌电（electromyogram）皮肤电等生物磁心磁脑磁肺磁等生物光生物声*生理信息听觉视觉触觉味觉嗅觉痛觉心理信息*生物信息的存在性及研究目标存在性有生命，就必然有生物信息研究目标认识自然，揭示生命的奥秘改造自然，为人类健康生存服务*2.2生物电现象生物电的发现Galvani（伽尔伐尼）于220年前进行了重要的实验，发现了生物电的存在。实验描述：将一神经肌肉标本与金属接触，肌肉发生收缩，表明生物电的存在。解释：肌肉通过金属构成的回路而放电。肌肉收缩是放电电流刺激的结果。疑问：Volta认为是不同金属导体产生的电流，不是生物电。再进行实验排除金属的影响，把神经肌肉标本搭在损伤的肌肉上，也可以引起标本肌肉的收缩，证明了生物电的存在。*附：关于傅里叶变换的争论傅里叶（Fourier）：法国工程师、数学家傅里叶变换最早可以追溯到古代巴比伦（Babylonians）时代近代，欧拉用语研究弦的振动结论：如果在某一时刻振动弦的形状是这些标准振荡的线性组合，则其后任何时刻，振动弦的形状也都是这些振荡的线性组合。（实际上是傅里叶级数的概念）。争议：Bernoulli赞成/Lagrange反对1807年，傅里叶完成关于傅里叶级数的论文，四位审稿人意见不一致。赞成的：Lacroix,Morge,Laplace；反对的：Lagrange后来，15年后，才在书中发表（Theoryanalytiquedelachaleur）意义、应用：在众多领域产生巨大影响。新发展：FFT*进一步的研究发现生物电的传播速度以往认为神经动作电位的传导速度等于光速；Helmholts经过实验证明，传导的平均速度为20-30m/s发现器官组织的电位变化皮肤，腺体，胃，肠等均有电位变化视网膜、心脏、大脑皮层均有电位变化目前使用的心电图、脑电图等均与上述发现相关。*组织和细胞的电学特性组织和细胞的导电性（电阻性）是导体：在有机体中，含有大量的水分，含有蛋白质胶体离子。这样，可以把组织和细胞看作一个复杂的电解质导体。有电阻：组织和细胞的导电特性与生理、病理状态密切相关（有状态信息）。例如细胞死亡后，电阻率下降到10^(-3)欧姆cm组织和细胞的电容性动物组织（心脏、脑、肌肉）都由一群细胞和胞内液以及细胞液组成。胞内液/胞间液之间有一层细胞膜（半透性、厚度85-170A）。膜上有3A的小孔，用于离子交换。由于对正负例子的通透性不同，造成内外例子浓度差异。胞内液/胞间液形成了一个电容器。称为膜电容。其介质为细胞膜。电容性使组织和细胞的导电性随频率变化。*膜电位静息电位是细胞内K离子的平衡电位与膜外电场力这一对矛盾对立统一的结果。（RestPotential）动作电位是在静息电位的基础上发生一次短暂的电位波动。（ActionPotential）*体表电位体表电位是在体表记录到的电信号是在体内某处产生的电势差的结果常规的心电、脑电等均为体表电位*心电的产生：心肌细胞的极化状态和静息电位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，这种电荷稳定的分布状态称为极化状态（如图）。通过实验，测得极化状态的单一心肌细胞内电位为-90mV，膜外为零。这种静息状态下细胞内外的电位差称为静息电位.（restingpotential）这种稳恒状态就称极化状态。*极化状态时静息电位的产生机理极化状态时静息电位的恒定，有赖于细胞的代谢活动，细胞内外钾离子及钠离子浓度的比值以及细胞膜对钾、钠、钙、蛋白质、氯离子等具有不同的通透性。在静息状态下，细胞内钾离子浓度约为细胞外钾离子浓度的30倍，相反细胞外钠离子浓度约为细胞内钠离子浓度的15倍。至于阴离子，细胞内液以蛋白阴离子的浓度为高，而在细胞外液则以氯离子浓度为高。由于细胞膜对钾离子的通透性远超超过对钠离子和通透性，细胞内钾离子浓度又高于细胞外数十倍，钾离子便会不断地从细胞内向细胞外渗出。当钾离子外渗时，氯离子亦随之外渗，但因细胞膜本身带有负电荷，氯离子渗出受阻，就使较多的钾离子渗出到膜外，而未能渗出的游离型阴离子（主要是蛋白阴离子，其次是氯离子）留在膜内，使膜内电位显著低于膜外。膜内负电位的大小和静息时钾离子外渗的多少有密切关系，钾离子外渗越多，留在膜内的阴离子也越多，因而膜内负电位也越大，同时由于膜内带负电荷的阴离子越来越多，吸引着膜内钾离子（静电力作用），使膜内钾离子逐渐不能再向外转移，因而使膜内电位维持在-90mV的水平上，形成了静息电位。*

心肌细胞的除极、复极过程(1)0相（去极化期）：心肌细胞受刺激时钠通道开放，细胞膜对Na+的通透性急骤升高，使细胞外液中的大量Na+渗入细胞内，膜内电位从静息状态的-90mV迅速上升到+30mV，形成动作电位的上升支即0相，0相非常短暂，仅点1-2ms。这种极化状态的消除称为除极（depolarization）。相当于心电图QRS波群的前半。*心肌细胞的除极、复极过程(2)1相（早期快速复极相）：心肌细胞经过除极后，又逐渐恢复负电位称为复极，动作电位到达顶峰后，立即开始复极，在复极开始到达零电位形成1相。因为此时Na+的内流已锐减，细胞膜对K+和Cl-的通透性增大，引起K+的外流和Cl-的内流，其中K+外流是主要的，使膜内电痊快速自+20mV下降至0线形成1相。约占10ms。相当心电图QRS波群的后半部2相（平台期）：为缓慢复极化阶段。表现为膜内电位下降速度大减，停滞于接近零电位的等电位状态，形成平台。此期持续时间较长，约占100～150ms，在膜电位低于-55～-40mV时，膜上的钙通道激活，使细胞外Ca++缓慢内流，同时又有少量K+外流，致使膜内电位保持在零电位附近不变。相当于心电图的S-T段。*心肌细胞的除极、复极过程(3)3相（快速复极末相）：此期复极过程加速，膜内电位较快下降至原来的膜电位水平，主要由于膜对K+的通透性大大增高，细胞外K+浓度较低促使K+快速外流。相当心电图的T流。4相（静息相）：通过细胞膜上的钠-钾泵活动加强，使细胞内外的离子浓度差得到恢复至静息状态水平。相当于心电图T波的等电位线。4相的开始相当于复极过程完毕，心室舒张期由此开始。*容积导电与电偶学说心肌细胞除极与复极过程在临床心电图上通常用电偶学说来说明。由两个电量相等，距离很近的正负电荷所组成的一个总体，称为电偶。正电荷称做电偶的电源，负电荷称为电偶的电穴，其连线称为电偶轴，电偶轴的方向是由电穴指向电源，两极间连线的中点称为电偶中心.*

当一个心肌细胞的甲端受刺激而首先除极，由于Na+的内流使此处膜内变为正电位，膜外变为负电位（图B），乙端仍保持膜外为正电位、膜内负电位的极化状态，使同一个细胞膜外的甲乙两端出现了电位的差别。甲端为负电荷（电穴），乙端为正电荷（电源），二者形成电偶，产生电流。电流的方向由电源流向电穴。若在乙端（面对电源）置一探查电极，即可描记出向上的波，反之，在甲端则描记出向下的波*随着除极波的扩展，整个心肌细胞全部除极，细胞膜内外分别均匀地聚集正、负电荷，细胞膜外的电位差消失，无电流存在，则记录为一平线。*心肌细胞复极时，先除极的甲端首先复极，恢复到极化水平，其膜外聚集正电荷，未复极的乙端膜外仍聚集负电荷，复极端为电极，恢复到极化水平，其膜外聚集正电荷，未复极的乙端膜外仍聚集负电荷，复极端为电源，未复极端为电穴，二者再次形成电偶，产生电流，电流方向仍为电源流向电穴，与除极时方向相反，甲端电极描记为正波，乙端描记为负波。*整个心肌细胞恢复极化状态后，电偶消失，无电流产生，再次描记为一平线.*心电图导联心脏除极，复极过程中产生的心电向量，通过容积导电传至身体各部，并产生电位差，将两电极置于人体的任何两点与心电图机连接，就可描记出心电图，这种放置电极并与心电图机连接的线路，称为心电图导联（lead）。*标准导联亦称双极肢体导联(1)Ⅰ导联将左上肢电极与心电图机的正极端相连，右上肢电极与负极端相连，反映左上肢（L）与右上肢（R）的电位差。当L的电位高于R时，便描记出一个向上的波形；当R的电位高于L时，则描记出一个向下的波形。*标准导联亦称双极肢体导联(2)Ⅱ导联将左下肢电极与心电图机的正极端相连，右上肢电极与负极端相连，反映左下肢（F）与右上肢（R）的电位差。当F的电位高于R时，描记出一个向上波；反之，为一个向下波。*标准导联亦称双极肢体导联(3)Ⅲ导联：将左下肢与心电图机的正极端相连，左上肢电极与负极端相联，反映左下肢（F）与左上肢（L）的电位差，当F的电位高于L时，描记出一个向上波；反之，为一个向下波。*单极肢体导联的连接方式加压单极肢体导联标准的导联只是反映体表某两点之间的电位差，而不能探测某一点的电位变化，如果把心电图机的负极接在零电位点上（无关电极），把探查电极接在人体任一点上，就可以测得该点的电位变化，这种导联方式称为单极导联。Wilson提出把左上肢，右上肢和左下肢的三个电位各通过5000欧姆高电阻，用导线连接在一点，称为中心电端（T）。理论和实践均证明，中心电端的电位在整个心脏激动过程中的每一瞬间始终稳定，接近于零，因此中心电端可以与电偶中心的零电位点等效。在实际上，就是将心电图机的无关电极与中心电端连接，探查电极在连接在人体的左上肢，右上肢或左下肢，分别得出左上肢单极导联（VL）、右上肢单极导联（VR）和左下肢单极导联（VF）.**加压单极肢体导联的连接方式

由于单极肢体导联（VL、VR、VF）的心电图形振幅较小，不便于观测。为此，Gold-berger提出在上述导联的基础上加以修改，方法是在描记某一肢体的单极导联心电图时，将该肢体与中心电端相连接的高电阻断开，这样就可使心电图波形的振幅增加50％，这种导联方式称为加压单极肢体导联，分别以avl、avR和avF表示**胸导联胸导联亦是一种单极导联，把探查电极放置在胸前的一定部位，这就是单极胸导联（图）。这种导联方式，探查电极离心脏很近，只隔着一层胸壁，因此心电图波形振幅较大常用的几个胸导联位置见图，V1、2导联面对右室壁，V5

、V6

导联面对左室壁，V3

、V4

介于两者之间。*胸导联位置在常规心电图检查时，通常应用以上导联即可满足临床需要，但在个别情况下，例如疑有右室肥大，右位心或特殊部位的心肌梗塞等情况，还可以添加若干导联，例如右胸导联V3R～V5R，相当于V3～V5相对应的部位；V7导联在左腋后线与V4水平线相交处。*心电图波形*心电图各波和波段的意义

P波（Pwave）：反映左右心房的电激动过程电位和时间的变化。P-R间期（P-Rinterval）：代表心房开始除极至心室开始除极的时间。P-R段（P-Rsegment）：代表心房激动通过房室交界区下传至心室的时间。QRS波群（QRSComplex）：反映左右心室除极过程电位和时间的变化，典型的QRS波群包括三个相连的波。第一个向下的波为“Q”波；继之向上的波为“R”波；继R波之后的向下波为“S”波。

*心电图各波和波段的意义(Cont’d)S-T段（S-Tsegment）：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（Twave）反映晚期心室复极过程电位的变化。

U波（Uwave）：代表心肌活动的“激后电位”（afterpotential）.

Q－T间期（Q-Tinterval）：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。

*脑电信号的概念脑电信号包括脑电图(EEG)和诱发电位(EP);脑电图（Electroencephalogram，EEG）：中枢神经系统自发产生的生物电信号；随机信号，具有非平稳和非高斯特性；反映神经系统的状态和变化；诱发电位（EvokedPotentials)中枢神经系统在外界声、光、电等刺激下产生的生物电信号；具有准周期特性；反映神经系统的状态和变化*脑电信号的临床意义是神经系统自发产生的生物电活动;反映了神经系统的状态与变化;是临床检测诊断神经系统损伤和病变的重要手段之一;对于人类关于认知和意识的研究具有重要意义*脑电信号的获取*新型的脑电图仪器*脑电图仪电极位置示意图

FP1、FP2：前额；F3、F4：额；C3、C4：中央；P3、P4：顶；O1、O2：枕；F7、F8：前颞；T3、T4：中颞；T5、T6：后颞；FZ：额中线；CZ：中央头顶；PZ：顶中线；A1、A2：耳（或乳突）

*典型的脑电图信号波形（1）*典型的脑电图信号波形（2）*脑电图信号的特征α波：是脑电的基本节律（呈正弦型），主要出现在大脑后半部，通常在安静及闭眼时出现；频带范围

8～12Hz，85%的成人在9.5～10.5Hz之间，振幅10～100μV，是成人脑电中的基本节律。节律呈正弦形，其波幅可以出现周期性逐渐升高和降低现象。波的活动在大脑各区都有，不过以顶枕部最为显著，并且左右对称，安静及闭眼时出现最多，波幅亦最高，睁眼、光刺激或精神活动时，波会受到抑制并很快的被波所取代，这是正常脑电图的重要标志之一。对同一个人而言，在不同时间或不同脑区记录的节律的周期、振幅、位相等平均值差异一般不超过10%，其脑电图出现方式较恒定，对生理条件改变或各种外界刺激可保持一定的阈值；

β波：频带范围

14～30Hz，振幅5～30μV，以额、颞和中央较为显著，注意力集中或情绪紧张时出现较多；

θ波：频带范围

4～8Hz，振幅20～40μV，在颞叶、顶叶较明显，一般困倦时出现，是中枢神经系统抑制状态的表现。经常存在的局灶性节律为异常，其出现常为深部皮质下或中线结构的病变；δ波：频率为0.5~3Hz，见于儿童和成年人睡眠时，出现该波均属正常。振幅10～20μV，常在额部出现，其指数不超过5%～8%，见于儿童和成年人的睡眠时，在正常清醒的成人脑波中很少见，过度换气、睁眼及呼叫姓名都对波无影响。无论任何年龄，任何意识水平持续存在的局灶性波均为异常，指示着皮质病变。*不同脑电波形对应的症状棘波，周期在80ms以内，呈垂直上升和下降，波幅较高，约为100～200μV，是痫性放电最具有特征性的表现之一，常见于局限性癫痫、癫痫大发作、肌阵挛性发作、间脑癫痫等。尖波，又称锐波，形状近似于棘波，但周期较长，一般在80～300ms之间，形态是快直上升而缓慢下降的三角形波，波幅可达200μV以上。尖波可看作棘波放电的不完全同步或为大病灶中大量神经元同步性放电恢复的延迟。棘慢复合波，由棘波和慢波（或）组成，通常是两侧对称的每秒三次的复合波，以额部最为显著。这种波形的出现是癫痫小发作特有的。尖慢复合波，是由尖波和慢波组成的复合波，亦称为不全棘慢波或慢棘慢波，见于局限性癫痫。

*神经系统疾病的脑电图特征（1）癫痫大发作：脑电图出现棘波、尖波和棘慢综合波等。小发作：规律性反复出现波幅一致的棘波与慢波的结合，通常为两侧半球同步放电。肿瘤病变患者在清醒状态时出现θ波或δ波。颅内占位性病变引起不同程度脑电图的变化，包括脑肿瘤、脑浓肿、脑转移癌等，常出现局部性θ波或δ波。

*神经系统疾病的脑电图特征（2）意识障碍嗜睡：节律中度变慢，δ波和θ波活动混杂，有一些局限性单相α波；昏睡：呈较多的δ波活动，δ波活动间为快波；昏迷：持续性δ波；深度昏迷：全部为小信号δ波，常接近直线。颅内炎症脑炎在病情较轻或发病早期，脑电图主要反映为θ波活动，病情较重时表现为高波幅α波和θ波活动。在脑炎急性期出现抽触是常见现象，此时的脑电图易出现棘波、尖波和放电。*神经系统疾病的脑电图特征（3）脑血管病脑出血：急性期脑电图的主要变化为两侧δ波，很少伴有棘波和尖波；脑血栓形成：在颈内动脉部分发生阻塞而无症状时，脑电图基本正常。有症状时，信号波幅降低，出现δ波。在一次发作经过治疗后，若脑电图异常减轻，则预后较好，反之则预后较差。颅脑外伤脑震荡：出现无节律的低平波，随后出现广泛的θ波和δ波；脑挫伤：出现高幅的θ波和δ波，基本α波消失；脑外伤综合症：脑电图随访检查，可推测预后。*偏头痛与脑电信号异常偏头痛是一种常见病，它除了会使人感到极度疼痛外，还会造成恶心，视觉改变以及对光和声音的过度敏感等症状。偏头痛的成因比较复杂，目前发现的可能导致偏头痛的因素包括紧张、疲劳、耀眼的光线、一些食物以及激素分泌波动等等。以前科学家们一直认为，血管的异常扩张可能是导致偏头痛的主要原因，因此，在对偏头痛进行治疗时主要采用收缩血管等方法，但最新的造影研究却显示，偏头痛患者在患病时大脑会出现一些异常兴奋的神经元细胞，也就是大脑细胞，这些大脑细胞会间歇性地向大脑后侧发射出微弱的电脉冲，并向大脑的疼痛感知中心反射，与此同时，电脉冲经过的地方血流会出现明显的加速流动现象，这有可能是导致偏头痛的主要原因。研究人员还发现，在电脉冲经过之后，血流速度就会很快下降，而此时大脑疼痛的症状也随即减轻。如果这一发现能够得到充分验证的话，那么将会给偏头痛的治疗带来新的希望。*脑电图研究表明鸟的梦充满歌声*

一项针对澳大利亚斑胸草雀的脑电波研究发现，它们睡觉时也在练歌。美国芝加哥大家的科学家认为，梦见自己唱歌有助于斑胸草雀熟练掌握一系列旋律。研究人员把微型电波记录装置分别嵌入四只斑胸草雀大脑中主管音乐技能的细胞里，以观察其活动特点。通过回放录制的脑电波发现，尽管没有唱出声音，斑胸草雀的神经细胞在睡眠时活动频繁，其形式与它们觉醒并唱歌时相类似。小鸟倾听大鸟唱歌，从中学习技巧。听过一首歌后，把它记在脑子里。随后在睡梦里反复练习，提高水平。

癫痫与伽玛刀（Gammaknife）*诱发电位及其临床意义诱发电位诱发电位（EP）是中枢神经系统在外界声、光、电等刺激下产生的生物电活动，它反映了中枢神经系统的状态和变化；潜伏期是从刺激时刻开始到选定的EP信号峰之间的时间间隔，其中包含了神经传导通路上各个部位的生理和病理信息；检测潜伏期及其变化，可以获得神经系统状态及变化的信息。*典型的诱发电位信号波形*诱发电位潜伏期及其延迟*EP潜伏期变化的检测传统方法多祯累加平均；高斯噪声模型；基于二阶统计量的方法存在的问题非高斯噪声特性，使基于二阶统计量的算法性能退化新方法DLMP，SDA，NLST，AFLC；动态检测特性；在高斯和非高斯噪声条件下具有很好的韧性*诱发电位潜伏期变化检测结果图示*脑电仪器尚存在的问题信号的预处理过于简单，不能满足许多异常情况的需要;缺少基于现代信号处理技术的信号分析和辅助诊断功能，致使诊断结果可能因人而异

;肌电、眼动等干扰与脑电图信号混杂在一起,影响了判读诊断的准确性和可靠性;未能解决视频监视与脑电信号波形的同步问题*2.3生物磁现象1.生物磁现象人体生物磁场的来源由天然生物电流产生的磁场（心、脑磁场）由生物磁性材料产生（肝、脾等产生磁场）侵入人体的铁磁物质产生剩余磁场（Fe3O4粉末吸入肺部）磁场强度肺磁场强度：10^(-7)—10^(-4)高斯心磁场强度：10^(-6)GS自发脑磁场：10^(-8)GS环境磁场强度：地磁：5*10^(-1)GS;

交流磁场10^(-4)GS*心磁场1963年首次检测到心磁场（心磁图MCG），现在仍为活跃研究课题。MCG比ECG可提供更多的信息例可将胎儿的MCG与母体的分开，而测ECG则比较困难，需用信号处理技术。脑磁场1968年首次检测到脑磁场（脑磁图MEG）EEG与MEG之间存在密切的关联诱发脑磁场有更重要的意义。MEG的优点：MEG无需皮肤接触可直接反映脑内场源的活动状态有很强的特异性*肺磁场1973年首次发现由强磁性污染所产生的剩余磁场检测方法：利用消磁器使胸部全面消磁，得到第一张肺磁图施加磁化场，使磁性物磁化，得到第二张肺磁图第二张减去第一张，得到第三张肺磁图用途职业病检查磁示踪其他磁场视网膜磁场肝磁场*2.4生物声现象一般说明许多动物（含人类）具有发声功能生物声学介于生物学和声学之间生物利用声音进行交往，表明不同的状态每个种群有各自明显的识别标志声带不是唯一的发声器官例蚱蜢用后腿摩擦发声蝉用薄膜发声鱼可以用浮气泡发声海豚靠鼻道发声*听觉器官各异蚱猛在腹部纺织娘靠前腿上的一个肉眼看不见的微型膜感受声波蟑螂用尾须接收声波雄蚊头上两根触角上的刚毛对雌蚊的扇动声特别敏感大多数鱼的耳朵为体側的側线，可接收声波*2.5生物光现象光的来源特殊腺器官，在受到刺激时分泌出发光必须的物质在体表面的腺细胞，只在受到刺激时才分泌散布在细胞内各处的小发光微粒生物光的颜色蓝，绿，黄，红荧火虫的发光最强人体发出的生物光为蓝色，太弱，肉眼无法看见*各部位发光强度不同手指发光比虎口强虎口比手心强手心比手背强无穴位的地方比有穴位大地方强壮年的比青年的强体质强的比体制弱的强生物光与生理、病理密切相关*2.6其它生理信息血压、脉搏、心音血压：指血管内血液对血管壁的側压（Pa）1mmHg=12.9mm血柱=133.332Pa心脏收缩，血压上升，称为收缩压心脏舒张，血压下降，称为舒张压脉搏（动脉搏动）动脉内压力周期性的波动，引起动脉血管发生搏动，称为动脉脉搏。检测脉搏的波形，可以诊断不同的疾病*心音是由心肌收缩引起的血液流速变化而形成的机械震动而造成的第一心音：伴随心室收缩时血液运动而产生40—100Hz第二心音：主动脉和肺动脉内血流减速和反向流动所产生的低频振动，100—150Hz第三心音：发生在舒张早期，由血流速度的突然改变而引起第四心音：心房收缩而推动血流进入心室。*心输出量心脏在每分钟的跳动中所射出的血液量，称为心输出量。正常成年男性，平均心率75次/分每次搏出量，70ml心输出量，5升/分女性比男性约少10%剧烈运动后可达25—35升/分麻醉下可降低至2.5升/分血流单位时间内血管中流通的血量为血流量血流量的大小取决于心输出量和血管阻力。*血流的特点液体粘滞性，是水的3-4倍靠血管中心的流速大，靠管壁的流速小各层之间流速差别较大，可能出现湍流（血管病变时）血液中红细胞尺寸7um—11um。*

生物（医学）信息的获取3.1工程技术对医学的影响第一阶段：萌芽阶段时间：17世纪—19世纪标志：出现了听诊器、体温计和血压计第二阶段：渗入阶段时间：19世纪末以后标志：两件大事1895年11月8日，伦琴发现了X射线。1895年12月22日，伦琴为其夫人拍摄第一张X光片电技术出现，导致心电图、脑电图的测量和研究1895年，荷兰医生Einthoven首次得到心电图1903年，用电流计记录了心电图1947年，脑的A型超声1953年，二维超声实时成像生物（医学）电子学*第三阶段：冲击阶段时间：20世纪60年代以后动力：微电技术、计算机技术例：心电的进展1961年，Holter完成磁带记录24小时监测、回放，准确率66%70年代，计算机识别QRS波，准确率97%例：CT技术1971年，Hounsfield（英国工程师）获得诺贝尔奖目前，各种CT，包括：X-CT，超高速X-CT，单光子发射CT，正电子发射CT，核磁共振CT等生物（医学）电子学*第四阶段：融合时间：20世纪80年代以后标志：医疗仪器的全面计算机化医疗技术的植入化、远程化和介入治疗例：植入化心脏起博器，30年前180克，现在16克胃电装置（减肥、食欲）视网膜显示器：调节二极管发出的光子流，使其略过视网膜，形成扫描，使振动色彩图像被大脑接收，可以使白内障患者看见东西。纳米技术：进入血管检查，把数据送回监视器远程化：与网络通信技术相结合计算机辅助治疗兴起多功能医疗手段出现临床信息系统生物（医学）电子学*3.2生物电位电极生物电引导电极的概念完成人体（或其它生物体）和测量系统之间的界面作用，把离子电流变为电子电流。在人体内，离子导电在测量系统内，电子导电生物（医学）电子学*1.电极的极化电压构成：引导电极是经过一定处理的金属板、金属丝或金属网；与电极直接接触的是电解质溶液；（导电膏，人体汗液、人体组织液、电极插入、埋藏式等）形成一个金属—电解质溶液界面生物（医学）电子学*电化学知识当金属放入水溶液时，因极性水分子的作用：金属离子离开金属进入水中，在金属上留下相应数量的自由电子，金属呈负电；金属（带-电）与水中的+离子相互吸引，导致动态平衡；金属与水溶液之间形成电荷分布—双电层。产生一定的电位差。生物（医学）电子学*电极的概念电极：由金属浸在含有该金属离子溶液中所构成的体系称为电极。电极电位：金属与溶液之间的界面的电位差称为电极电位。电极电位的定义：R—气体常数，8.314J/mol.K;F—法拉弟常数，96487库伦；T—绝对温度；n—离子价数；C—金属离子的有效浓度(mol/L);K—与金属特性有关的常数生物（医学）电子学*在室温下：当C=1时，生物（医学）电子学*电极的极化电极的极化指电极与电解质溶液界面形成双电层；在有电流通过时，电极—电解质溶液界面的电位发生变化（高度极化、不极化）在生物医学工程领域，记录直流或缓慢变化的生物电位，需用不极化的电极。例：用双极导联记录心电、脑电，所记录的是信号两点的电位差，若两电极本身电位不同，则造成伪差。电极电位漂移的原因：材料的细微差别电极表面受到污染移动生物（医学）电子学*2.电极的电特性电极--电解质界面呈非线性V-A特性，电极特性与电流有关。电极阻抗是频率的函数（有电容存在）等效电路的参数与电极材料有关。生物（医学）电子学*3.绝缘干电极与上述的表面电极不同采用电容耦合原理生物电信号经过电容耦合到放大器，电极与人体之间的电容2500pF—5000pF，输入阻抗》800M欧生物（医学）电子学*4.

金属微电极用于提取单细胞或神经元一类微小单元的电位电极尺寸：0.05um—10nm材料：金属电极填充电解液玻璃电极等生物（医学）电子学*3.3生物医学传感器1.传感器的定义传感器（sensor）是能够感受规定的被测量，并按照一定的规律将其转换为有用信号的器件或装置。]是获取人体生理和病理信息的工具是生物医学工程的重要分支对化验、诊断、监护、控制、治疗等均有重要意义传感器在测量系统中的位置生物（医学）电子学*2.生物医学传感器的主要用途检测生物体信息例心脏病患者在手术前，需测量心内压力—血液传感器普查乳腺癌—红外线探测器扫描—热分布图监护：连续测定某些生理参数例心脏手术的患者，手术几天之内，要连续测量体温，脉搏，动脉压，静脉压，呼吸，心电等需要一系列的传感器控制：利用检测到的参数，控制人体的胜利过程例在使用同步呼吸机抢救病人时，需检测病人的呼吸信号，并控制呼吸器的动作，使之与人的呼吸同步。生物（医学）电子学*生物（医学）电子学*“FromTankstoTumors”StateoftheArt:

HealthyBreasts(shownleft)andAfter10min.waiting(right)byonecamerapassiveThermalScanAfter10min.生物（医学）电子学*StateoftheArt:

PathologicalBreastsBefore(shownleft)andAfter10min.waiting(right)byonecamerapassiveThermalScan(IRI)After10min.DCISzerostagerequiresexcessheatsupply3.生物医学传感器的分类物理传感器：用于测量血压、体温、血流量、血粘度、生物组织对辐射的吸收、反射或散射等。化学传感器：测量体液中的离子成分或浓度，PH值，氧分压，葡萄糖浓度等。测量生物电位的电极也可看作传感器，可以列入化学传感器。因为电极与皮肤之间的界面是一个半电池（化学电池）。生物传感器用于酶、抗原、抗体、激素、DNA（脱氧核糖核酸）等物质的传感。因上述分子的分子量较大，化学传感器难于识别，划为生物传感器。生物（医学）电子学*4.生物医学传感器的特殊性距离问题：在工业测量中，总是尽量使传感器接近被测点。在生物医学测量中，要避免传感器干扰人的正常生理、生化状态，避免给人的正常活动带来负担或痛苦。信号远离，使信号变坏。接触问题：常采用非接触或无损测量（借助信号处理技术）植入问题：发展了植入式或部分插入式传感器（微型化、纳米技术）噪声问题：信号微弱，低频，噪声干扰大，随机性强，个体差异较大。生物（医学）电子学*5.传感器的静态特性几个概念静态量：是指固定状态的信号或变化的极其缓慢的信号（准静态量）；动态量：周期信号，瞬态信号，说随机信号静态特性：输入量为恒定值时，输入量与输出量之间的关系称为静态特性。一般表达式其中：0偏灵敏度，用k表示线性特性奇对称性生物（医学）电子学*衡量静态特性的指标线性度：传感器的特性曲线的非线性误差其中，生物（医学）电子学*迟滞描述传感器的正向（输入量由小到大）和反向（输入量由大变小）特性的不一致程度其中生物（医学）电子学*重复性在同一工作条件下，输入朝同一方向做全量程的连续多次变动时所得到的特性曲线不一致的程度。其中，生物（医学）电子学*灵敏度在稳态下输出变化对输入变化的比值生物（医学）电子学*准确度又称为精度，表示被测量的测量结果与固定真值间的一致程度。灵敏限指输入量的变化不一致引起输出量有任何可见变化的量值范围6.传感器的动态特性动态特性：指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性，可以用传递函数来描述。生物（医学）电子学*3.3物理传感器及其应用1.光电传感器及其应用光电传感器：概念：把光信号转换成电信号的传感器。可以直接测量来自人体的辐射信息，也可以把人体的其它信息转换成光/电信号。优点：结构简单，非接触，可靠性高，精度高，反应迅速常用元件：光电管，光电导，光电势元件，光敏管原理：光电效应—指光照射到物质上引起其电特性发生变化的现象。外光电效应：光电发射效应内光电效应：光导效应，光生伏特效应生物（医学）电子学*外光电效应金属表面受光照射，其表面和内部的电子吸收光能后溢出金属表面的现象，称为外光电效应。两条定律：斯托克夫定律：当入射光频率不变时，饱和光电流与入射光强度成正比。爱因斯坦定律：光电子的最大动能与入射光的频率成线性关系，而与入射光的强度无关。生物（医学）电子学*二次电子发射和电子倍增现象二次电子发射：具有足够动能的电子（一次电子）轰击任何物体，使该物体发射电子（二次电子）的现象，光电倍增管把微弱的光输入转换成电子流并使电子获得放大的真空电子器件。生物（医学）电子学*光电倍增管的工作原理各电极电位从阴极开始逐级升高，相邻电极电位差为100V左右。微弱光入射的的光电子打到光阴极上，引起光电子发射。经过静电聚焦和加速，飞向第一倍增阳极D1，并引起二次电子发射。…最后，电子到达阳极被聚焦，在电阻上形成约1uA的电流。电流放大倍数约为10^6—10^8。生物（医学）电子学*光电倍增管的应用放射性同位素（RI）测量和成像，用光电倍增管作为检测器。方法：静脉注射/口服放射性同位素示踪药物，同位素分布于人体特定部位，可检测其分布或图像，从而测定生理机能的变化，或功能障碍。伽马照相机/单光子发射断层成像（SPECT）采用光电倍增管检测伽马射线，激起的闪烁晶体发出光信号。生物（医学）电子学*半导体光电器件光导效应和光敏电阻光导效应：光照射到绝大多数高电阻率半导体材料引起其电阻率下降而易于导电的现象。光敏电阻：利用光导效应制成的电阻。光生伏特和光电池光生伏特效应：半导体受光照射产生电势的现象，称为光生伏特效应。光电池：金属—半导体型PN结硅光电池光敏二极管（三极管）是具有PN结、具有光电转换功能的二极管（三极管）。生物（医学）电子学*3.压电传感器及其应用压电原理概念：某些介质（晶体、高分子聚合物），当在适当的方向施加作用力时，内部会产生电极化状态，导致电介质带电，称为压电效应。可逆性：压电效应是可逆的，在电极上加电动势，也会产生应变，称为逆压电效应。工作原理受力生物（医学）电子学*压电传感器的等效电路测量电路生物（医学）电子学*应用实例血压测量：动脉波形生物（医学）电子学*热电式传感器金属热电偶传感器原理：两种不同的金属组成回路时，若两个接触点温度不同，则回路中就有电流通过，称为温差电现象（贝塞尔效应）温差电现象的热电势热电偶温度计生物（医学）电子学*PN结温度传感器当恒定电流正向流过PN结二极管时，二极管端电压随温度的改变做线性变化。电流和电压的关系生物（医学）电子学*热敏电阻温度传感器热敏电阻非线性特性生物（医学）电子学*一般希望得到线性电阻—温度特性补偿（恒流源供电）补偿（恒压源供电）生物（医学）电子学*测量电路测量两个器官或同一器官不同部位的微小温差生物（医学）电子学*电容式传感器工作原理电容式传感器是基于被测量改变传感器的电容量再转换成输出电量的结构型传感器。平板式电容灵敏度生物（医学）电子学*4.光导纤维传感器光导纤维原理当此时的称为临界角凡大于临界角的均能发生全反射.生物（医学）电子学*光纤传感器的应用把被测对象的状态转换成光纤中传输的光信号来进行检测的光学传感器例:光纤血液流速传感器（图）生物（医学）电子学*说明：光纤刺入血管血管中红血球直径7um，速度为V。激光器发出直线偏振光（频率为f），经偏光镜后进入光纤，直至血管。部分光反射回始端。另一部分被红血球散射，频率偏移，再返回始端。偏振棱镜只把返回始端的两束光波总的特定偏振成分反射到色散器件。光敏器件检出差频后，可根据多普勒公式计算红血球移动速度。生物（医学）电子学*3.4物理传感器应用举例1.血压测量直接法采用导管经皮肤插入人体内部待测位置，通过导管内的液体将体内的压力耦合到体外的压力测量系统中进行测量。准确可靠，可；连续监测，有创伤，有安全问题。插入部位：臂静脉过锁骨下大静脉导管：不透X光的聚乙烯导管。图（见下页）生物（医学）电子学*直接法血压测量图生物（医学）电子学*间接法在体外对动脉血管加以变化的压力，通过体表检测出脉管内血流与外部压力之间相对应的关系，从而测出脉管内的血压值。简便，误差较大。科氏音法用袖带充气，阻断动脉血流，然后缓慢放气。在阻断点的下游监听是否出现血流。当开始听到科氏音时，即开始有血流通过时，袖带内的压力为动脉内的收缩压。当血流完全恢复时，袖带内的压力为动脉内的舒张压。方法：水银血压计电子血压计生物（医学）电子学*电子血压计框图生物（医学）电子学*2.血流测量阻抗血流图血流在血管中脉动时回造成血管截面的弹性变形，从而造成血管两端间的阻抗的脉动变化。稀释法通过测量心输出量或心搏出量来测量指示剂吸收法：在血流中注入一定量的指示剂（染料），当心脏搏出血液后，检测血液中的指示剂浓度，可以计算心搏出量。热稀释法：在右心房入口处注入一定量（5-10ml）的冷水（0.5-5C），让其进入右心室，与血液充分混合后，然后在肺动脉处测量血液温度。根据温差，可知多少血液参加了混合，即测出了心输出量的大小。生物（医学）电子学*稀释法的图示生物（医学）电子学*说明前端有可充气的气球将导管插入静脉，充以适量的气体导管随气球顺血流漂入右心房内，并嵌入在肺动脉内第二腔注入稀释剂（或无菌冷盐水）第三腔可以测量压力第四腔用于引出测量电路的导线。生物（医学）电子学*超声血流计两个超声探头成角安置在血管两侧，距离为d。超声在血液中的速度为Vs。血液的流速为Vf，夹角。则超声波在两传感器间的实际速度为超声波在两探头间的渡越时间顺流逆流的时间差生物（医学）电子学*得到血流速度为即只要测准了时间差，就可以得到Vf生物（医学）电子学*3.呼吸测量热敏电阻测量呼吸率把热敏电阻夹在鼻子上呼吸气流从较高温的热敏电阻表面流过，则热敏电阻的阻值发生变化可以测出呼吸波形生物（医学）电子学*4.红外线测温红外线的波长范围：0.76—1000um人体辐射能量的波长范围：3-16um人体组织病变，体表温度变异，红外辐射的能量改变红外线热像仪生物（医学）电子学*红外线热像仪生物（医学）电子学*3.5化学传感器及其应用化学传感器指基于化学原理的、以物质成分为检测对象的一类传感器利用敏感材料与被测物质中的离子、分子或生物物质相互接触而产生的电极电位变化，表面化学反应或引起的材料表面电势变化，并将这些反应或变化直接或间接地转换为电信号。生物（医学）电子学*待测的化学参量血液PH值氧分压（Pa）二氧化碳分压（Pco2)血红蛋白总数（Hb）各种离子传统的方法（化验）从血样采集到得出完整的化验报告，需30分钟或更长现代方法（生化分析仪）快速、方便、可靠、连续生物（医学）电子学*1.电化学的基本概念活度：溶液中能够表现出离子性质和行为并能发挥作用的那部分离子的浓度，称为有效浓度，用活度a表示。活度系数：标准氢电极：以标准氢电极为标准，规定其电极电位为0V，作为比较基准生物（医学）电子学*参比电极：为二级标准电极，其电极电位不为0，但重复性、稳定性好。常用的有甘汞电极，Ag/AgCl电极等。指示电极：用于测定过程中主体浓度不发生变化的情况。工作电极：用于测定过程中主体浓度会发生变化的情况。生物（医学）电子学*2.几种不同类型的化学传感器离子传感器：用于测量人体内各种必须和非必须的离子含量。常用的离子传感器选择离子电极：其电位对溶液中给定的离子活度呈线性关系离子敏感场效应管是MOSFET与电极的结合用电解液代替MOSFET的栅极电解质的活度影响FET沟道电阻，从而影响输出信号。生物（医学）电子学*离子敏感场效应管生物（医学）电子学*气体敏感传感器电化学气体传感器原理：当气体处在电极和电解质组成的电池中时，气体与电解质反应或在电极表面发生氧化（失去电子）—还原（得到电子）反应，而在两个电极间输出电压或电流。检测该电压或电流，可以得到气体的浓度。半导体气体传感器利用表面电阻变化来检测气体（表面吸附气体分子，使电导变化）光纤气体传感器原理：利用红血球中的血红蛋白的两个状态（过氧状态，无氧状态）的光谱特性不一致来检测含氧量。生物（医学）电子学*血氧饱和度生物（医学）电子学*化学传感器在医学中的应用血液PH值的检测在正常状态下，血液的PH值在7.36~7.44之间。超出会出现中毒症状。典型的PH值测量，由PH玻璃电极和甘汞电极组成测量电池。体外循环中体液成分的连续测量A-泵；B-人工肺；C-切换阀；D-标准液；E-空气泵；F-离子电极；G-蠕动泵；H-参比电极溶液；J-信号输出生物（医学）电子学*生物（医学）电子学*3.6生物传感器及其应用生物传感器的定义由生物活性材料与相应的转换器构成，能测定特定化学物质（主要是生物物质）的传感器。1.生物活性物质的特定识别功能生物传感器框图生物（医学）电子学*生物识别元件（生物敏感膜）：是生物传感器的关键部分酶（Enzyme）：是生物体产生的具有催化能力的蛋白质，它能催化特定分子的化学反应。特点：催化进程：使底物（被酶作用的物质）与酶相结合，并转化为生成物。酶具有分子识别，分子转化的双重功能。催化效率极高：每分钟每个酶分子转换10^3~10^6个底物分子，其效率为常规催化剂的10^7~10^13倍。具有专一性：特定的酶对特定的底物起作用，底物浓度影响反应速度抗原与抗体抗原—是能够刺激动物机体产生免疫反应的物质。可能为生物体（微生物），也可能为非生物（多糖等）。抗体—是由抗原刺激机体产生的具有特异免疫功能的球蛋白，又称为免疫球蛋白。生物（医学）电子学*生物学反应中的有关信息热敏生物传感器—检测酶促反应和微生物反应释放的热量。光生物传感器—检测生物光和颜色反应及光吸收情况。阻抗生物传感器—检测微生物反应中培养液阻抗与细菌生长的函数关系。2.酶传感器组成固定化酶—不溶于水的酶膜。传感元件酶电极是一种比较实用的酶传感器。将酶膜设置在转换电极附近，被测物质在酶膜上。发生催化反应后，生成电极活性物质（O2，H2O2，NH3）由电极测定反应中生成或消耗的电极活性物质，转成电信号。生物（医学）电子学*1-Pt电极；2-聚四氟乙烯膜；3-固定化酶膜；4-非对称半透膜多孔层；5-半透膜致密层生物（医学）电子学*工作原理敏感膜为葡萄糖氧化酶，固定在聚乙烯胺凝胶上转换电极为极谱式氧电极，其Pt阴极上有一层聚四氟乙烯膜当酶电极插入被测葡萄糖溶液时，溶液中的糖被酶氧化（消耗氧气、生成H2O2）电极还原电流下降，通过测量此电流，可知葡萄糖溶液的浓度及变化。其它生物传感器组织传感器：以动植物组织薄片作为生物敏感膜；微生物传感器：是酶电极的衍生电极，结构和原理相似；细胞传感器：是组织传感器的衍生型生物（医学）电子学*

生物医学信号的放大4.1生物电放大器的前置级1.基本要求高输入阻抗生物信号是高内阻的弱信号源电极提取时，呈不稳定高内阻源特性内阻因人而异，且因生理状况而异与电极的位置有关源阻抗不稳定，导致放大器电压增益不稳定源阻抗是频率的典型结构生物（医学）电子学*生物（医学）电子学*生物（医学）电子学*电路计算生物（医学）电子学*部分生物电放大器的参数生物（医学）电子学*

ECGEEGUEPEMG输入阻抗>1M>5M>200M>100M输入短路噪声<10uV<3uV<0.7uV<8uV共模抑制比>60dB>80dB>100dB>80dB频带0.05~250Hz0.5~70Hz0.5~3KHz2~10KHz高共模抑制比为了抑制人体携带的工频干扰及其它生活干扰，需高CMRR（60~80dB）源阻抗Zs1与Zs2的不平衡会造成输入转化为差模输入，造成干扰。解决的办法，提高放大器的输入阻抗。参见前面的图：生物（医学）电子学*差动放大器电路分析理想情况生物（医学）电子学*生物（医学）电子学*实际情况电阻值有误差外回路不能达到完全对称平衡Uoc很小，但不为0，CMRR也不为无穷大定义CMRRR：外电路电阻匹配精度所限定的放大器共模抑制比CMRRD:

集成器件本身的共模抑制比分析放大器的共模增益生物（医学）电子学*生物（医学）电子学*[II]考虑器件的影响（CMRRD的影响）生物（医学）电子学*例：小结：CMRR受三个因素的影响放大器闭环增益外电路匹配精度放大器件本身的CMRRD生物（医学）电子学*3.差动放大电路称为测量放大器输入阻抗可达到10MA1，A2的作用是提高输入阻抗A3实现差动放大生物（医学）电子学*测量放大器的分析生物（医学）电子学*测量放大器的评价优点第一级输出回路里不产生共模电流无须考虑外电路电阻匹配可方便增益调节结构对称，有利于克服失调、飘移的影响缺点A1，A2各自的CMRRD的差异会造成第一级CMRR12的下降生物（医学）电子学*测量放大器的技术指标生物（医学）电子学*例：ECG前置放大器实用电路CMRR1=100dB,输入阻抗80M电阻精度0.1%生物（医学）电子学*例（续）计算：生物（医学）电子学*生物电放大器前置级的设计步骤器件选择：A1，A2的CMRR之差小于0.5dB。A1的CMRR大于100dB。第二级差动放大器的匹配精度。优于0.1。两级增益分配适当前置放大级共模抑制比能力的提高屏蔽驱动浮地跟踪生物（医学）电子学*4.2隔离级设计目的：实现电气隔离意义：保证人体绝对安全消除地线中的干扰电流方式变压器耦合光电耦合生物（医学）电子学*1.光电耦合光电耦合器件光电耦合二极管光电耦合三极管工作频率<100KHz（三极管）；<1MHz（二极管）线性特性生物（医学）电子学*2.电磁耦合即采用变压器耦合生物（医学）电子学*说明调制：因变压器不能放大直流或低频信号，因此对直流需要调制；浮地放大器的直流电源由载波发生器（几十KHz~几百KHz），隔离放大器通过整流滤波获得优缺点线性度CMRR比光电耦合的好但是频率响应不如光电耦合的好生物（医学）电子学*4.3生物电放大器

1.心电放大器基本要求输入阻抗>5MCMRR>100dB电压增益>60dB频率范围：0.08Hz~250Hz输入短路噪声均方根值<10uV生物（医学）电子学*心电放大器原理框图A0—缓冲放大；SD—屏蔽驱动A1—第一级放大；RD—右腿驱动A2—第二级放大；CAL—校准A3—滤波放大；INST—闭锁生物（医学）电子学*说明输入回路两级限幅无源低通滤波，截止频率限流保护Imax=3mA，限制流入人体的电流缓冲前置放大器高输入阻抗低噪声各放大器相同的CMRRDWILSON电阻网络，为使放大器两输入端阻抗平衡前置放大A1差动输入，增益20，CMRR足够高，低噪声设计A2增益为3其它功能：校准，电极脱落检查生物（医学）电子学*屏蔽驱动和右腿驱动屏蔽驱动：去除导联线屏蔽层分布电容的不等量衰减造成的对放大器CMRR的影响右腿接地电阻：右腿电极经过电阻与放大器接地端相连，以降低共模电压，称为右腿接地电阻。右腿驱动：用于去除人体携带的交流共模干扰。由电阻网络取出的平均交流共模电压，送入右腿驱动放大器，经限流电阻Rz加到右腿电极。可看成以人体为相加点的共模并联电压负反馈电路。可使50Hz共模干扰电压降低到1%以下。优于右腿接地电阻方式。生物（医学）电子学*２.脑电放大器特点：输入信号更加微弱，噪声背景更复杂，测量难度更大要求：EEG放大器的输入端短路时，噪声应小于10uV,CMRR>80dBEP的短路噪声<0.7uVCMRR>90dB较宽带宽，灵活的调节能力生物（医学）电子学*说明A0—输入缓冲级A1--差动放大器C1—隔离电极的极化电压A2,A3,A5—逐级放大，调节低通、高通滤波器，实现多种频段设定T.T为50Hz陷波EMG,EP放大器EMG带宽（2Hz—10KHz）接触电阻，1M要求放大器输入阻抗>100M低噪声、低漂移，高CMRR生物（医学）电子学*EMG,EP前置放大器和主放大器电路生物（医学）电子学*说明选择场效应低噪声运放器件构成前置级合理分配增益：第一级：增益较大，100第二级：增益为2运放输入端不附加额外电阻，以避免引入噪声尽可能小去极化电压电容C1和光电耦合级位于信号主通道，尽可能往后安排。生物（医学）电子学*4.4生理信号放大器1.压力放大器压力换能器，把压力信号变为应变电阻的变化电阻构成桥路，检测压力的变化放大器的调制方式载波：5KHz正弦波已调波放大

解调，恢复与压力对应的电压信号生物（医学）电子学*2.心音放大器心音和心杂音的特征生物（医学）电子学*心音的特点人耳能听到的心音与实际的心音阈相比，只是其中的一部分对于40Hz和400Hz的心音，人耳的敏感度相差100倍。心音、心杂音和人耳听阈的特点心音和心杂音非常微弱，接近人耳的听觉阈值，且各频率成分的阈值相差悬殊频率范围0.1Hz~800Hz强度几乎随频率成平方反比关系人耳对高频敏感，对低频不敏感人耳具有选择功能和掩饰效应，即人耳能从很多声音中辨识出所要集中注意力的声音，但是不能分辨强音之后的若音，不能听出0.02s间隔内的两个连续的声音。生物（医学）电子学*心音滤波器（又称为生理滤波器）用于心音的选择放大方式生物（医学）电子学*心音滤波器特性生物（医学）电子学*心音放大器说明一路经前置放大，滤波等直接输出（耳机监听）同时，以100Hz为界，高频>100Hz，低频<100Hz。对于高频部分，由绝对值电路、低通滤波器取出信号包络，与低频部分混合。突出了心音的相关信息。生物（医学）电子学*3.呼吸率、脉率放大器呼吸量测量由热敏电阻构成半桥电路把呼吸过程中热敏电阻阻值的变化转换成电压信号送入上述放大器生物（医学）电子学*脉率测量把呼吸传感器转换为脉率传感器（光敏电阻组成半桥电路）将脉动血流产生的透光率的变化，经光敏电阻阻值变化转变为电信号。生物（医学）电子学*

生物医学信号的滤波5.1模拟滤波器的设计1.概述模拟滤波器的作用去除噪声，改善信噪比提取所需要的信号成分限制带宽，防止混叠的发生分类低通高通带通带阻生物（医学）电子学*一阶无源RC滤波器高通低通一阶无源RL滤波器（略）生物（医学）电子学*一阶有源RC滤波器生物（医学）电子学*二阶滤波器的系统函数生物（医学）电子学*生物（医学）电子学*灵敏度灵敏度为元件参数变化时所引起的传递函数的变化定义式式中，x表示元件参数当扰动很小时，有上式可以用于估计元件值相对误差造成的滤波器性能的相对偏差生物（医学）电子学*有源滤波器的一般设计步骤由系统要求的频率特性及规定的误差范围，确定滤波器的逼近方式设计已确定传递函数的有源RC网络的实现方式，选择电路类型性能测试，修改设计2.二阶低通滤波器的设计滤波器结构放大器的实现生物（医学）电子学*用节点分析法得到电压传递函数生物（医学）电子学*生物（医学）电子学*与二阶滤波器通式比较，有：生物（医学）电子学*常用设计公式生物（医学）电子学*例：在脑电放大器中，为了限制频带范围，用高频截止频率为3kHz的二阶低通滤波器作为末级放大，A=10，,选用Butterworth低通滤波器。试设计之。解：生物（医学）电子学*3.二阶高通滤波器的设计电路形式生物（医学）电子学*传递函数生物（医学）电子学*生物（医学）电子学*4.二阶带通滤波器的设计利用LP和HP可以构成BP滤波器窄带滤波器设计生物（医学）电子学*分析生物（医学）电子学*匹配滤波器用于提取信号中的特定成分，例如ECG中的QRS波由BP和HP滤波器构成频谱特性与QRS波的特性相同典型电路生物（医学）电子学*5.二阶带阻滤波器的设计电路与特性生物（医学）电子学*电路分析生物（医学）电子学*6.移相（延时）滤波器移相滤波器允许所有频率的信号通过，其幅度响应为恒定值（全通），但是使相位随频率变化电路生物（医学）电子学*工作原理讨论（以(a)为例）当输入f=0时，C相当于开路，电路为电压跟随器，当f很高时，C短路，，电路为反相放大器，在0与很高频率之间生物（医学）电子学*二阶移相滤波器应用在心电QRS波提取中，将T波等干扰分量移相180度，将QRS波分量移相360度，再与未移相的信号相加，可以抵消干扰分量。生物（医学）电子学*5.2非线性变换非线性电路实现信号的频率变换、产生振荡、产生新频率1.半波线性检波电路生物（医学）电子学*2.全波线性检波电路作业：当输入信号ui为正弦波时，试对应于ui画出u1和u0的波形.生物（医学）电子学*3.电压-频率变换器输出信号的频率与输入电压成正比，把输入电压变换为相应的频率方波。在生物遥测、生理信号检测中有广泛应用。生物（医学）电子学*电压-频率变换器的工作过程在ui（+）作用下，A1负向积分。当u1达到-VT时，A2输出变为高电平，D正向偏置，T导通。A1上的积分电容放电，其上电压近似为0。由于R1>>R2，A1的输出电压为0。重复上述过程，形成振荡，即频率。计算生物（医学）电子学*5.3电压比较器1.单限电压比较器生物（医学）电子学*说明：图（d）为利用反馈箝位方法的电路。门限电位VT不为0，输出为生物（医学）电子学*2.迟滞比较器

上行迟滞比较器下行迟滞比较生物（医学）电子学*电路分析生物（医学）电子学*2.双限比较器（窗比较器）生物（医学）电子学*电路分析生物（医学）电子学*5.4信号运算1.信号的微分理论电路生物（医学）电子学*实际电路生物（医学）电子学*2.信号的积分生物（医学）电子学*3.乘除法运算生物（医学）电子学*对数运算电路分析生物（医学）电子学*乘法电路的变种若把A3加法器变为减法器，则实现除法运算；若把u1和u2连接起来，则成为平方运算；若将平方电路设置在放大器负反馈回路中，则构成开平方运算。生物（医学）电子学*

生物医学信号的数字处理*6.1数字信号处理基础1.信号的定义与分类信号的定义一个传输信息的物理量函数信息的载体例心电图信号分析处理后得到信息信号的分类确定性信号—表示为确定的时间函数随机信号—不能表示为确定的时间函数*周期性信号—存在周期性的信号非周期性信号—不存在周期性的信号连续时间信号—在任意时间值（在一定范围内）都可以给出函数值的信号离散时间信号—在时间上离散的信号幅度连续的离散时间信号—抽样信号幅度离散的离散时间信号—数字信号2.数字信号处理的过程*采样信号处理的过程*3.采样定理时域采样定理频谱受限信号可以用等间隔采样值来唯一表示。采样间隔必须大于1/2fm。奈魁斯特采样频率：

奈魁斯特采样间隔：频域采样定理若信号f(t)是时间受限信号，，若在频域中以不大于1/2tm的频率间隔对f(t)的频谱进行采样，采样后得到的频谱可以唯一地表示信号。*4.数字信号处理的优点处理功能强灵活性好精度高稳定性好*6.2数字信号的基本变换1.傅里叶变换周期信号的频率表示—傅里叶级数三角形式*复指数形式*非周期信号的频率表示—傅里叶变换***离散时间傅里叶变换（DTFT）定义离散傅里叶变换（DFT）定义*快速傅里叶变换（FFT）计算DFT存在的问题N点DFT需做4N*N次实数乘和2N*N+2（N-1）次实数加，若N=1024，则实数乘和实数加各为419万次。蝶形运算FFT的计算量（利用周期性和对称性）复数乘法：(N/2)log2N复数加法：Nlog2N**6.3随机信号处理的基本概念与方法1.随机信号的描述分类平稳随机信号：随机信号的统计特性与开始进行统计分析的时间无关；非平稳随机信号：随机信号的统计特性与开始进行统计分析的时间有关；各态历经性随机过程：所有样本在固定时刻的统计特征与单一样本在全时间上的统计特性一致；非各态历经随机过程：不满足上述条件高斯过程：服从高斯分布的过程；非高斯过程：不服从高斯分布的过程*各态历经的条件随机信号的特点随机信号的任何一个实现都是随机信号总体中的一个样本，任何一个样本都不能全面代表该随机信号；在任意时刻，随机信号的取值都是一个随机变量，因此只能用概率函数和集平均的概念来描述。对于各态历经随机信号，集平均可以用对一个样本的时间平均来代替。平均随机信号在时间上是无始无终的，因此导致能量无限，傅里叶变换不存在，不能用频谱表示，不能用常规滤波。*随机信号举例*2.随机信号的统计函数概率密度函数和概率分布函数概率密度函数概率分布函数*常用的概率密度函数高斯分布泊松分布瑞利分布正弦分布*数字特征n阶原点矩n阶中心矩相关函数自相关函数*互相关函数随机序列的自相关与互相关功率谱密度表示随机信号的平均功率相对频率的分布情况双边功率谱密度*单边功率谱密度互功率谱密度随机序列的谱密度*3.线性系统对随机信号的响应对于离散信号与系统的情况，结果是相同的。*4.维纳滤波概念维纳滤波是最优线性滤波，当信号x(n)输入时，在系统的输出端将s(n)尽可能精确地重现出来，噪声受到最大抑制。数学表示*推导思路由上式可以解出（略去推导过程）*例*

6.3自适应滤波1.基本概念具有自学习、自调整和自适应的能力，能够依据某些预先确定的最优准则在迭代过程中自动调整自身的参数和/或结构，去适应变化的环境，以实现在这中最优准则下的最优滤波2.与常系数滤波器的比较*3.自适应滤波器的结构*4.LMS算法*上式中*自适应滤波器的性能函数*搜索最小点（梯度下降法）迭代，选用最速下降法*迭代公式学习曲线*5.自适应滤波器的应用自适应均衡用于校正通信中由于数据传输信道色散引起的信号失真。原理框图*自适应预测当e(n)min时,y(n)=s(n)*自适应系统辨识当e(n)min时,d(n)=y(n)这样,未知系统=W(n)*自适应噪声(干扰)抵消当e(n)=min时,s(n)+v1(n)-v2(n)min即v1(n)与v2(n)抵消e(n)=s(n)*5.自适应滤波器在生物医学工程中的应用胎儿心电图的提取意义了解分娩期心率是否正常有无疑难胎位预测胎儿在子宫内的生理状况问题胎儿的心电与母亲的心电混在一起信号一般很难从接收信号中观测到胎儿的心电信号****EP潜伏期变化的自适应检测概念EP是中枢神经系统在外界声光电等刺激下产生的生物电信号。EP潜伏期反映了中枢神经系统传导通路上各部位的状态和变化。潜伏期有正常的范围，若神经系统发生损伤、病变，则有延迟，称为潜伏期变化。检测这种变化，可以诊断神经系统的损伤。自适应检测方法*EP波形及其潜伏期*算法原理*计算机仿真的结果*撞击加速度实验数据分析的结果*6.4信号平均与信号压缩技术1.信号平均条件信号具有某种周期特性信号与噪声在频率域重合