電子醫(yī)療儀器慢變信息的檢測課件

人體固有慢變信息是十分豐富的。這里面有生物電方面；有力、加速度、溫度、聲音以及化學方面（如PH值、濃度等等）；還有血液方面的一系列信息。第一節(jié)人體固有信息的提取從電子檢測的角度看，只有將所有收集到的信息轉(zhuǎn)變?yōu)橄嚓P的電量，才有可能應用電子技術，其檢測方案如圖1。人體固有慢變信息是十分豐富的。這里面有生物電方面；有力、加速1人體固有（潛存）信息，大量是慢變化的小信號，所以從電子技術角度來看，這類信息主要是低頻以至直流的微信息，亦即屬于直流放大這一范圍的內(nèi)容。電信號熱、力、光、運動等人體非電量傳感器電抗等驅(qū)動電極直測電壓處理單元(如放大器)記錄或顯示圖1人體固有慢變信息的檢測方案人體固有（潛存）信息，大量是慢變化的小信號，所以從電子技術角2人體固有慢變信息提取主要有兩種方法：1、利用傳感器接收非電的人體固有信息，并將之轉(zhuǎn)為電參量（如電抗、電壓等）。傳感器種類很多，其功能是將非電量（如熱、力、運動（位移）、光等）轉(zhuǎn)為電參量（電流、電壓或其他電參量，如阻抗等），有一部分傳感器能夠把非電量直接轉(zhuǎn)換成電壓（或電流），我們稱之為有源傳感器。因為這類傳感器的輸出就是電壓，所以不必用“源”的驅(qū)動轉(zhuǎn)換就可以直接進行放大處理，如壓電、光電等；另一部分，傳感器則不是轉(zhuǎn)為電壓，而是輸出如電阻、電感、電容等電參量。這需要另外再被“源”驅(qū)動后才能轉(zhuǎn)換成電壓進而被放大處理器所接受。人體固有慢變信息提取主要有兩種方法：3有源傳感器包括光電傳感器、熱電傳感器—熱電偶、壓電傳感器、電磁感應傳感器、駐極體傳感器、離子敏感場效應管傳感器。物理式無源傳感器包括光敏電阻、熱敏電阻、壓敏電阻。位移式無源傳感器包括位移-電阻式傳感器、位移-電感式傳感器、位移-電容式傳感器。有源傳感器包括光電傳感器、熱電傳感器—熱電偶、壓電傳感器、電42、信息本身就是電信號，可以用電極直接提取。醫(yī)學上利用電極來直接檢測人體的固有信息主要用在生物電的檢測方面。生物電極的種類很多，有體外的，也有體內(nèi)的，直至伸到細胞內(nèi)的微電極。不要把電極看成像引線一樣接通“電”就完事那么簡單，不同電極使用方法有很大差異。2、信息本身就是電信號，可以用電極直接提取。5第二節(jié)臨床應用中人體固有信息的研究方法當前醫(yī)學上對人體固有信息的研究方法重點都放在直接模擬出這些信息，但也開始一些新的研究方法。1、信息時域單項特定參數(shù)的研究人體固有信息一般是連續(xù)出現(xiàn)的，但由于技術水平的限制或某些要求不高的情況，只要求取出某一瞬間的信息，或某一方面的特征來進行研究。這也是醫(yī)學應用上常見的。通常有信息量值（幅值）、周期（頻率）、相位等方面的研究。(1)信息量值方面：信息的瞬時值、信息的平均值、峰值、谷值、信息轉(zhuǎn)折點值，在某指定間隔中出現(xiàn)的波形幅值的平均值。(2)周期與頻率方面：周期時間與頻率數(shù)，相移值的檢測。第二節(jié)臨床應用中人體固有信息的研究方法62、信息的模擬人體固有慢變信息是隨時間變化的，而且通常是周期性的。所以應模擬出信息隨時間變化的關系，即信息的波形（心電圖、心音圖）。3、信息的頻率分析(1)限制頻帶的頻率分析這就是所說的濾波處理。這方面工作當前開展比較多的是對心音圖的信息處理。還有如腦電圖的濾波和高頻心電圖的研究都屬于這一類工作。(2)幅度——頻率譜分析

2、信息的模擬74、信息的功率分析這里的分析方法是深入到信息的能量問題中，從能量、功率的角度來研究信息。(1)平均功率信息的平均功率是將一段時間內(nèi)信息的總能量被這段時間除，只有周期性的信息在一周期內(nèi)發(fā)生的功率的平均才有可能代表這一信息特征的意義。從醫(yī)學儀器分析看，所有的信息都轉(zhuǎn)化為電壓的信息。

4、信息的功率分析8(2)平均功率譜和能量密度。

(a)平均功率譜（對于周期信號）

(b)能量密度。信息為非周期信號時。信息每單位頻率的能量稱為能量密度。(2)平均功率譜和能量密度。9第三節(jié)人體固有慢變信息的轉(zhuǎn)換和信號處理

被檢測的信息通過電極、換能器（傳感器）提取之后，得到的已都是電參量。但這些電參量有的是電壓，有的是電流，有的是電學量，如電阻、電容、電感、相位等等，而且都是極其微弱的慢變化量。所以要將其轉(zhuǎn)換為可以利用的慢變電壓，進而放大成較大的模擬量而被記錄、顯示、測量。1、信息的電壓轉(zhuǎn)換由電極或傳感器出來的電參量要變得能被電壓放大器接收的中心問題要將上述的各種電參量都轉(zhuǎn)換為電壓量。第三節(jié)人體固有慢變信息的轉(zhuǎn)換和信號處理

被檢測的信息通過10(1)電壓直測式：傳感器輸出本身就是電壓，可以直接輸入直流電壓放大器進行放大，要求放大器相對內(nèi)阻有比較高的輸入阻抗。(2)驅(qū)動式阻抗—電壓轉(zhuǎn)換:這種方法就是用一個驅(qū)動電源對換能器（傳感器）提取的阻抗信息Z供電，這樣在Z兩端就得一定的電壓?；芈分写陷^大電阻（阻抗）Z1來保證驅(qū)動源為恒壓，可從Z兩端輸出，但通過Z1放大器的適應性會更好。(1)電壓直測式：傳感器輸出本身就是電壓，可以直接輸入直流電11

傳感器●ZZZ1輸出

Us驅(qū)動電源為提高Z對轉(zhuǎn)換壓V的靈敏度，希望Z與Z1相差不太大，一般選擇驅(qū)動源內(nèi)阻比較合適。電子醫(yī)療儀器慢變信息的檢測課件12(3)電流的電壓轉(zhuǎn)換。(4)相位差的電壓轉(zhuǎn)換。2、信息處理(1)差值法由于從人體檢出的慢變信息通常包括有固定的直流和交流信號，而我們真正研究的對象僅是其中的一部分，這種方法的中心是將被測電壓和可變源（基準）相差后才進到放大器。(2)非線性整流處理整流處理是非線性限幅處理的一種。整流處理主要適用于信息特定參量檢測用表頭顯示其量值的技術中。(3)電流的電壓轉(zhuǎn)換。13(3)線性處理其輸入和輸出的關系是線性的，至少也得對某頻率是線性的，微分、積分、濾波等等。(4)信息的增強要想把微弱的慢變信息達到可被觀察或指示的程度，信息的增強是十分重要的處理技術。這里主要包括各種放大技術，但不僅包含波形的放大，因為有時還要放大中進行轉(zhuǎn)換等等。電荷放大、對數(shù)放大、線性直流放大。(3)線性處理14第四節(jié)近代醫(yī)學信號處理系統(tǒng)前面所討論的醫(yī)學信息處理，基本上都把信號看成是確定性的，大量的還看成是周期性的。這是當前臨床討論的主要前提。如心電圖，都看成是周期性的，每周信號是重復而且穩(wěn)定的。然而，隨著技術的發(fā)展，進一步研究的深入，就可以很容易發(fā)現(xiàn)醫(yī)學信息本身并不是這樣的。它明顯具有二大特點：一是隨機性強，因為影響醫(yī)學信號的因素非常之多，如做心電圖是因人而異的，就是同一個人，當這個人突然看到什么，或有什么活動，信號都在變化中。因此準確地講，醫(yī)學信號是隨機信號，而且它具有的統(tǒng)計特性也是隨時間變化的非平穩(wěn)性的。二是噪聲背景強，噪聲是指非研究對象的信號和干擾在觀察值中的表現(xiàn)。第四節(jié)近代醫(yī)學信號處理系統(tǒng)15一般生理電信號總是伴隨著由于肢體動作、精神緊張等帶來的假象，而且還?；煊休^強的工頻共模干擾等等?？紤]這二個新問題后，以上的醫(yī)學信號處理的辦法就不好直接應用了，應該應用醫(yī)學信號統(tǒng)計處理方法，建立新的處理系統(tǒng)進行醫(yī)學信息的研究。1、醫(yī)學信號統(tǒng)計特征的描述及取得主要統(tǒng)計特征包括：數(shù)字特征、自相關函數(shù)、功率譜密度三種。2、淹沒在噪聲中醫(yī)學信息的檢測與提取。一般生理電信號總是伴隨著由于肢體動作、精神緊張等帶來的假象，16上面對醫(yī)學統(tǒng)計信號特征做了估計，這其實是統(tǒng)計信號處理的主要內(nèi)容，也是淹沒在噪聲中醫(yī)學信息檢測估計的重要部分。在統(tǒng)計信號處理中的“檢測”是證明信息的存在，如果信號波形是未知的，就只要判斷波形的存在與否，即是檢測問題，主要的處理方法是匹配濾波等。而從噪聲背景中提取未知確定性信號的一種常用又比較簡單易懂的方法是平均法。上面對醫(yī)學統(tǒng)計信號特征做了估計，這其實是統(tǒng)計信號處理的主要內(nèi)17許多醫(yī)學信號都是幅度很小被淹沒在很大噪聲分量中的信號。如果噪聲分量的頻率比信號頻率高或低，則可以用普通的濾波技術予以分開，但若信號的頻率分量與噪聲的頻率分量重迭的話，濾波就不能用了，這種場合用平均方法可以改善信噪比，提取與噪聲不相關的確定信號。許多醫(yī)學信號都是幅度很小被淹沒在很大噪聲分量中的信號。如果噪183、近代醫(yī)學信號處理系統(tǒng)的臨床應用

(1)信號平均器:這是一個通用的梳狀數(shù)字濾波器系統(tǒng)，它應用微機可以完成上述平均工作的濾波器，可以提取各種淹沒在噪聲中的醫(yī)學信號。(2)希氏束電圖：它是心臟傳導組織希氏束產(chǎn)生的電活動，在體表反應幅度僅為1-10uV，且往往埋于各種噪聲之中。以前是用創(chuàng)傷性的導管檢測，它的體表檢測就是應用現(xiàn)代醫(yī)學信號處理技術的一個成功。3、近代醫(yī)學信號處理系統(tǒng)的臨床應用19(3)胎兒心電：由于胎兒心臟在母體腹腔內(nèi)部，其心電信號傳至母體表，中間要經(jīng)很多肌層，它們的導電性能又有很大差異，所以也只能用統(tǒng)計信號處理的辦法提取，常見的有相干平均法等獲得胎兒心電信號。(4)誘發(fā)腦電（肌電）的提取：在這種誘發(fā)響應的提取中，其噪聲就不是通常想象的噪聲，而是腦電肌電的本身信號，而我們要提取的是各次刺激以后腦電、肌電變化部分。因此這時噪聲和信息是相關的，所以如果也用相干平均法還應是信噪相關情況下的處理方法。(3)胎兒心電：由于胎兒心臟在母體腹腔內(nèi)部，其心電信號傳至母20第五節(jié)關于人體慢變微信息處理中的干擾問題由于生物電和人體信息轉(zhuǎn)換來的電信號大量是微弱的，因此，周圍電磁場的干擾與之是可比擬的數(shù)量級，這就不能不把干擾問題放到重要的地位來討論。干擾源從頻率上分可以有：很高頻率的輻射干擾，甚低頻到接近直流的體現(xiàn)在基線漂移上的干擾，以及介于生物電頻譜中間的50Hz干擾。第五節(jié)關于人體慢變微信息處理中的干擾問題211、高頻輻射干擾這通常是指遠場高頻率的干擾。對于一般的生物電來講，頻帶的高限都在1KHz以下。因此，人體慢變微信息的檢測，可以用低通濾波器。2、基線的漂移——零點漂移1、高頻輻射干擾22這里不包括開路瞬態(tài)由RC常數(shù)帶來的基線波動，而是來自極慢干擾的基線漂移。這一干擾來自輸入端耦合進來的慢速或直流微小電壓。由于直流放大器對這些小電壓在頻率上是暢通的，具有很大的增益，因而在放大器的輸出端將產(chǎn)生一較大的直流電壓或極慢變化的電壓，附加在輸出信號上。這就引起基線的漂移。這一現(xiàn)象通常是因為器件在工作中溫度升高后參數(shù)發(fā)生變化所致。此外，由于人體是個高內(nèi)阻信息源，而且這個內(nèi)阻也會發(fā)生變化（如人體同一部位的阻抗可以在2-150KΩ范圍內(nèi)變動），這使得輸入支路不平衡（指雙端式）這里包括了如攝取生物電的極化電勢差異帶來的阻抗不同等。這些都會引起基線的不穩(wěn)定或漂移。這里不包括開路瞬態(tài)由RC常數(shù)帶來的基線波動，而是來自極慢干擾23消除辦法：主要應從上述產(chǎn)生漂移的原因入手。如嚴格選擇元件，主要工作部件的溫度控制；另外，如果被檢測信息的頻帶下限比較高，還可以用低通濾波的辦法把慢漂移部分濾除。消除辦法：主要應從上述產(chǎn)生漂移的原因入手。如嚴格選擇元件，主24人體固有慢變信息是十分豐富的。這里面有生物電方面；有力、加速度、溫度、聲音以及化學方面（如PH值、濃度等等）；還有血液方面的一系列信息。第一節(jié)人體固有信息的提取從電子檢測的角度看，只有將所有收集到的信息轉(zhuǎn)變?yōu)橄嚓P的電量，才有可能應用電子技術，其檢測方案如圖1。人體固有慢變信息是十分豐富的。這里面有生物電方面；有力、加速25人體固有（潛存）信息，大量是慢變化的小信號，所以從電子技術角度來看，這類信息主要是低頻以至直流的微信息，亦即屬于直流放大這一范圍的內(nèi)容。電信號熱、力、光、運動等人體非電量傳感器電抗等驅(qū)動電極直測電壓處理單元(如放大器)記錄或顯示圖1人體固有慢變信息的檢測方案人體固有（潛存）信息，大量是慢變化的小信號，所以從電子技術角26人體固有慢變信息提取主要有兩種方法：1、利用傳感器接收非電的人體固有信息，并將之轉(zhuǎn)為電參量（如電抗、電壓等）。傳感器種類很多，其功能是將非電量（如熱、力、運動（位移）、光等）轉(zhuǎn)為電參量（電流、電壓或其他電參量，如阻抗等），有一部分傳感器能夠把非電量直接轉(zhuǎn)換成電壓（或電流），我們稱之為有源傳感器。因為這類傳感器的輸出就是電壓，所以不必用“源”的驅(qū)動轉(zhuǎn)換就可以直接進行放大處理，如壓電、光電等；另一部分，傳感器則不是轉(zhuǎn)為電壓，而是輸出如電阻、電感、電容等電參量。這需要另外再被“源”驅(qū)動后才能轉(zhuǎn)換成電壓進而被放大處理器所接受。人體固有慢變信息提取主要有兩種方法：27有源傳感器包括光電傳感器、熱電傳感器—熱電偶、壓電傳感器、電磁感應傳感器、駐極體傳感器、離子敏感場效應管傳感器。物理式無源傳感器包括光敏電阻、熱敏電阻、壓敏電阻。位移式無源傳感器包括位移-電阻式傳感器、位移-電感式傳感器、位移-電容式傳感器。有源傳感器包括光電傳感器、熱電傳感器—熱電偶、壓電傳感器、電282、信息本身就是電信號，可以用電極直接提取。醫(yī)學上利用電極來直接檢測人體的固有信息主要用在生物電的檢測方面。生物電極的種類很多，有體外的，也有體內(nèi)的，直至伸到細胞內(nèi)的微電極。不要把電極看成像引線一樣接通“電”就完事那么簡單，不同電極使用方法有很大差異。2、信息本身就是電信號，可以用電極直接提取。29第二節(jié)臨床應用中人體固有信息的研究方法當前醫(yī)學上對人體固有信息的研究方法重點都放在直接模擬出這些信息，但也開始一些新的研究方法。1、信息時域單項特定參數(shù)的研究人體固有信息一般是連續(xù)出現(xiàn)的，但由于技術水平的限制或某些要求不高的情況，只要求取出某一瞬間的信息，或某一方面的特征來進行研究。這也是醫(yī)學應用上常見的。通常有信息量值（幅值）、周期（頻率）、相位等方面的研究。(1)信息量值方面：信息的瞬時值、信息的平均值、峰值、谷值、信息轉(zhuǎn)折點值，在某指定間隔中出現(xiàn)的波形幅值的平均值。(2)周期與頻率方面：周期時間與頻率數(shù)，相移值的檢測。第二節(jié)臨床應用中人體固有信息的研究方法302、信息的模擬人體固有慢變信息是隨時間變化的，而且通常是周期性的。所以應模擬出信息隨時間變化的關系，即信息的波形（心電圖、心音圖）。3、信息的頻率分析(1)限制頻帶的頻率分析這就是所說的濾波處理。這方面工作當前開展比較多的是對心音圖的信息處理。還有如腦電圖的濾波和高頻心電圖的研究都屬于這一類工作。(2)幅度——頻率譜分析

2、信息的模擬314、信息的功率分析這里的分析方法是深入到信息的能量問題中，從能量、功率的角度來研究信息。(1)平均功率信息的平均功率是將一段時間內(nèi)信息的總能量被這段時間除，只有周期性的信息在一周期內(nèi)發(fā)生的功率的平均才有可能代表這一信息特征的意義。從醫(yī)學儀器分析看，所有的信息都轉(zhuǎn)化為電壓的信息。

4、信息的功率分析32(2)平均功率譜和能量密度。

(a)平均功率譜（對于周期信號）

(b)能量密度。信息為非周期信號時。信息每單位頻率的能量稱為能量密度。(2)平均功率譜和能量密度。33第三節(jié)人體固有慢變信息的轉(zhuǎn)換和信號處理

被檢測的信息通過電極、換能器（傳感器）提取之后，得到的已都是電參量。但這些電參量有的是電壓，有的是電流，有的是電學量，如電阻、電容、電感、相位等等，而且都是極其微弱的慢變化量。所以要將其轉(zhuǎn)換為可以利用的慢變電壓，進而放大成較大的模擬量而被記錄、顯示、測量。1、信息的電壓轉(zhuǎn)換由電極或傳感器出來的電參量要變得能被電壓放大器接收的中心問題要將上述的各種電參量都轉(zhuǎn)換為電壓量。第三節(jié)人體固有慢變信息的轉(zhuǎn)換和信號處理

被檢測的信息通過34(1)電壓直測式：傳感器輸出本身就是電壓，可以直接輸入直流電壓放大器進行放大，要求放大器相對內(nèi)阻有比較高的輸入阻抗。(2)驅(qū)動式阻抗—電壓轉(zhuǎn)換:這種方法就是用一個驅(qū)動電源對換能器（傳感器）提取的阻抗信息Z供電，這樣在Z兩端就得一定的電壓?；芈分写陷^大電阻（阻抗）Z1來保證驅(qū)動源為恒壓，可從Z兩端輸出，但通過Z1放大器的適應性會更好。(1)電壓直測式：傳感器輸出本身就是電壓，可以直接輸入直流電35

傳感器●ZZZ1輸出

Us驅(qū)動電源為提高Z對轉(zhuǎn)換壓V的靈敏度，希望Z與Z1相差不太大，一般選擇驅(qū)動源內(nèi)阻比較合適。電子醫(yī)療儀器慢變信息的檢測課件36(3)電流的電壓轉(zhuǎn)換。(4)相位差的電壓轉(zhuǎn)換。2、信息處理(1)差值法由于從人體檢出的慢變信息通常包括有固定的直流和交流信號，而我們真正研究的對象僅是其中的一部分，這種方法的中心是將被測電壓和可變源（基準）相差后才進到放大器。(2)非線性整流處理整流處理是非線性限幅處理的一種。整流處理主要適用于信息特定參量檢測用表頭顯示其量值的技術中。(3)電流的電壓轉(zhuǎn)換。37(3)線性處理其輸入和輸出的關系是線性的，至少也得對某頻率是線性的，微分、積分、濾波等等。(4)信息的增強要想把微弱的慢變信息達到可被觀察或指示的程度，信息的增強是十分重要的處理技術。這里主要包括各種放大技術，但不僅包含波形的放大，因為有時還要放大中進行轉(zhuǎn)換等等。電荷放大、對數(shù)放大、線性直流放大。(3)線性處理38第四節(jié)近代醫(yī)學信號處理系統(tǒng)前面所討論的醫(yī)學信息處理，基本上都把信號看成是確定性的，大量的還看成是周期性的。這是當前臨床討論的主要前提。如心電圖，都看成是周期性的，每周信號是重復而且穩(wěn)定的。然而，隨著技術的發(fā)展，進一步研究的深入，就可以很容易發(fā)現(xiàn)醫(yī)學信息本身并不是這樣的。它明顯具有二大特點：一是隨機性強，因為影響醫(yī)學信號的因素非常之多，如做心電圖是因人而異的，就是同一個人，當這個人突然看到什么，或有什么活動，信號都在變化中。因此準確地講，醫(yī)學信號是隨機信號，而且它具有的統(tǒng)計特性也是隨時間變化的非平穩(wěn)性的。二是噪聲背景強，噪聲是指非研究對象的信號和干擾在觀察值中的表現(xiàn)。第四節(jié)近代醫(yī)學信號處理系統(tǒng)39一般生理電信號總是伴隨著由于肢體動作、精神緊張等帶來的假象，而且還?；煊休^強的工頻共模干擾等等?？紤]這二個新問題后，以上的醫(yī)學信號處理的辦法就不好直接應用了，應該應用醫(yī)學信號統(tǒng)計處理方法，建立新的處理系統(tǒng)進行醫(yī)學信息的研究。1、醫(yī)學信號統(tǒng)計特征的描述及取得主要統(tǒng)計特征包括：數(shù)字特征、自相關函數(shù)、功率譜密度三種。2、淹沒在噪聲中醫(yī)學信息的檢測與提取。一般生理電信號總是伴隨著由于肢體動作、精神緊張等帶來的假象，40上面對醫(yī)學統(tǒng)計信號特征做了估計，這其實是統(tǒng)計信號處理的主要內(nèi)容，也是淹沒在噪聲中醫(yī)學信息檢測估計的重要部分。在統(tǒng)計信號處理中的“檢測”是證明信息的存在，如果信號波形是未知的，就只要判斷波形的存在與否，即是檢測問題，主要的處理方法是匹配濾波等。而從噪聲背景中提取未知確定性信號的一種常用又比較簡單易懂的方法是平均法。上面對醫(yī)學統(tǒng)計信號特征做了估計，這其實是統(tǒng)計信號處理的主要內(nèi)41許多醫(yī)學信號都是幅度很小被淹沒在很大噪聲分量中的信號。如果噪聲分量的頻率比信號頻率高或低，則可以用普通的濾波技術予以分開，但若信號的頻率分量與噪聲的頻率分量重迭的話，濾波就不能用了，這種場合用平均方法可以改善信噪比，提取與噪聲不相關的確定信號。許多醫(yī)學信號都是幅度很小被淹沒在很大噪聲分量中的信號。如果噪423、近代醫(yī)學信號處理系統(tǒng)的臨床應用

(1)信號平均器:這是一個通用的梳狀數(shù)字濾波器系統(tǒng)，它應用微機可以完成上述平均工作的濾波器，可以提取各種淹沒在噪聲中的醫(yī)學信號。(2)希氏束電圖：它是心臟傳導組織希氏束產(chǎn)生的電活動，在體表反應幅度僅為1-10uV，且往往埋于各種噪聲之中。以前是用創(chuàng)傷性的導管檢測，它的體表檢測就是應用現(xiàn)代醫(yī)學信號處理技術的一個成功。3、近代醫(yī)學信號處理系統(tǒng)的臨床應用43(3)胎兒心電：由于胎兒心臟在母體腹腔內(nèi)部，其心電信號傳至母體表