預(yù)防醫(yī)學(xué)2常見醫(yī)學(xué)信號及其檢測課件

醫(yī)學(xué)信號分析與處理

邱天爽大連理工大學(xué)電子與信息工程學(xué)院2012年3月大連理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生必修課11/19/20221大連理工大學(xué)醫(yī)學(xué)信號分析與處理邱天爽大連理工大學(xué)11/9/20221大第2章

常見的醫(yī)學(xué)信號及其檢測11/19/20222大連理工大學(xué)第2章

常見的醫(yī)學(xué)信號及其檢測11/9/20222大連理心電信號（ECG）腦電信號（EEG）誘發(fā)電位信號（EP）肌電信號（EMG）胃電信號（EGG）心音信號腦磁圖常見的醫(yī)學(xué)圖像11/19/20223大連理工大學(xué)心電信號（ECG）11/9/20223大連理工大學(xué)§2.1心電信號（ECG）概念心電信號是心肌細(xì)胞興奮、收縮過程中其電活動的綜合，是心臟電生理活動的反映，具有較強(qiáng)的規(guī)律性，可以用于對心臟的功能狀態(tài)進(jìn)行評估和檢測。采集記錄心電信號的方法稱為心電圖學(xué)，是臨床心電學(xué)、心電電生理學(xué)的基礎(chǔ)。由于其無創(chuàng)性和簡便性，在臨床上得到廣泛應(yīng)用，其提供的信息對心血管等疾病的診斷具有重要的參考價值。11/19/20224大連理工大學(xué)§2.1心電信號（ECG）概念11/9/20224大連心臟的構(gòu)造與心電信號的產(chǎn)生11/19/20225大連理工大學(xué)心臟的構(gòu)造與心電信號的產(chǎn)生11/9/20225大連理工大學(xué)心臟的功能

心臟主要是通過持續(xù)地進(jìn)行節(jié)律性的舒張和收縮，完成向全身泵血的功能。心臟完成其生理功能的基礎(chǔ)是心肌細(xì)胞。

11/19/20226大連理工大學(xué)心臟的功能11/9/20226大連理工大學(xué)心肌細(xì)胞

心肌細(xì)胞有兩種，分別為普通工作心肌細(xì)胞和特殊心肌細(xì)胞。普通工作心肌細(xì)胞的內(nèi)部含有排列有序的肌原纖維，因而在興奮性和傳導(dǎo)性之外還具有較強(qiáng)的收縮性，是心臟實現(xiàn)舒張和收縮的最終執(zhí)行者。特殊心肌細(xì)胞具有興奮性和傳導(dǎo)性，在沒有外部刺激的情況下能夠自動產(chǎn)生節(jié)律性興奮活動，是心臟節(jié)律性活動的根源所在，控制著心臟收縮和舒張。另外，特殊心肌細(xì)胞也具有一定的收縮性，但是由于內(nèi)部的肌原纖維比較少，因而其收縮性也比較弱。11/19/20227大連理工大學(xué)心肌細(xì)胞11/9/20227大連理工大學(xué)心臟的節(jié)律性興奮

由竇房結(jié)產(chǎn)生，依次經(jīng)過右心房、左心房、房室交界區(qū)、房室束、左右束支、末梢浦肯野纖維、左心室和右心室，通過興奮普通工作心肌細(xì)胞，最終導(dǎo)致心房和心室先后次序的節(jié)律性興奮，即心臟的節(jié)律性舒張和收縮。11/19/20228大連理工大學(xué)心臟的節(jié)律性興奮11/9/20228大連理工大學(xué)心電信號的產(chǎn)生（P波）

體表心電信號可以分為P波、QRS波群和T波。P波對應(yīng)于心房肌細(xì)胞興奮過程中的去極化。在心臟的一個興奮周期內(nèi)，右心房先興奮，左心房后興奮。當(dāng)右心房肌細(xì)胞去極化開始興奮時，相對于左心房整個右心房肌細(xì)胞外表現(xiàn)出負(fù)電位；左右心房都處于興奮狀態(tài)時，兩者之間不存在電位差；在右心房肌細(xì)胞開始復(fù)極化完成興奮時，其細(xì)胞膜外電位恢復(fù)正常狀態(tài)；而左心房由于沒有結(jié)束興奮，其細(xì)胞膜外電位相對于右心房而言依然為負(fù)。

11/19/20229大連理工大學(xué)心電信號的產(chǎn)生（P波）11/9/20229大連理工大學(xué)心電信號的產(chǎn)生（QRS波）

體表心電信號QRS波群產(chǎn)生于心室肌細(xì)胞的去極化。心室的興奮從心室間隔開始，依次延伸到心室尖部和心室基底部。在心室去極化開始興奮期間，所形成綜合電場的方向和大小會發(fā)生多次的改變，因而形成了方向和大小發(fā)生多次變化的QRS波群。相對于心房肌細(xì)胞動作電位的相對相似性，不同部位心室肌細(xì)胞動作電位的形態(tài)存在較大的不同，這就導(dǎo)致不同部位心室肌細(xì)胞膜外負(fù)電位的大小和持續(xù)時間也都存在較大的差異；心室復(fù)極化產(chǎn)生的綜合電場與心室去極化產(chǎn)生的綜合電場大體上具有相同的方向。11/19/202210大連理工大學(xué)心電信號的產(chǎn)生（QRS波）11/9/202210大連理工大心電信號的產(chǎn)生（T波）體表心電信號中的T波產(chǎn)生于心室肌細(xì)胞的復(fù)極化；其方向與心室肌細(xì)胞去極化所產(chǎn)生QRS波群的方向一致。

11/19/202211大連理工大學(xué)心電信號的產(chǎn)生（T波）11/9/202211大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)11/19/202212大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)11/9/202212大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（P波）P波是由心房的去極化產(chǎn)生的；其波形比較小，形狀有些圓，幅度大約為0.25mV左右，持續(xù)時間約為0.08到0.11秒；竇房結(jié)去極化發(fā)生在心房肌細(xì)胞去極化之前，因而在時間上要先于P波，只是竇房結(jié)處于心臟內(nèi)部，其電活動在體表難以采集。

11/19/202213大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（P波）11/9/202213大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（P-R間期）P-R間期（P-Rinterval）是指P波起點(diǎn)和QRS波群起點(diǎn)所跨越的時間；是竇房結(jié)產(chǎn)生的興奮，經(jīng)過右心房、左心房、房室交界區(qū)、房室束、左右束支和蒲肯野纖維之后，傳導(dǎo)到心室所需要的時間；在正常的體表心電圖中，P-R間期的值約為0.12~0.2秒，其中大部分時間是興奮在房室交界區(qū)內(nèi)傳導(dǎo)所需要的時間；P-R間期也稱為房室傳導(dǎo)時間。

11/19/202214大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（P-R間期）11/9/202214大連理工大心電信號的特點(diǎn)（P-R段）P-R段（P-Rsegment）是指P波終點(diǎn)和QRS波群起點(diǎn)之間所跨越的時間；在正常的體表心電圖中，P-R段的心電信號電位值都是接近基線水平的很小電位；在P-R段，左右心房同時興奮，因而兩者產(chǎn)生的綜合電場對體表心電圖的影響較小，另外，此時的興奮還處于房室交界區(qū)和房室束特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)中，沒有到達(dá)心室，因而沒有產(chǎn)生較大波動的體表心電圖信號。

11/19/202215大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（P-R段）11/9/202215大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（QRS波群）QRS波群是左右心室肌細(xì)胞依次去極化所產(chǎn)生的膜外負(fù)電位在體表的反應(yīng)；其持續(xù)時間大約為0.06~0.1秒；特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)在心室內(nèi)的部分包括房室束、左右束支和蒲肯野纖維三部分，這些心室內(nèi)的特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)又合稱為希氏-浦肯野系統(tǒng)（His-PurkinjeSystem，HPS）；竇房結(jié)產(chǎn)生的興奮信號在經(jīng)過房室交界區(qū)后傳導(dǎo)到心室，引起左右心室各個部分產(chǎn)生先后有序的興奮活動。心室內(nèi)特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)的路徑分布決定了心室內(nèi)的興奮順序依次為心室間隔、心室尖部和心室基底部。由于興奮過程中的綜合電場向量多次發(fā)生改變，因而體表心電圖中大小和方向多次發(fā)生變化，QRS波群中第一個向下的為Q波，第一個向上的為R波，R波后面的為S波。

11/19/202216大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（QRS波群）11/9/202216大連理工大心電信號的特點(diǎn)（S-T段）S-T段（S-Tsegment）是指QRS波群終點(diǎn)和T波起點(diǎn)之間所跨越的時間。S-T段期間，左右心室的肌細(xì)胞都處于興奮期間，因而兩者形成的綜合電場向量在體表心電圖中的貢獻(xiàn)非常小，導(dǎo)致S-T段心電信號處于大約基線的水平。

11/19/202217大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（S-T段）11/9/202217大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（T波）T波由心室肌細(xì)胞的復(fù)極化產(chǎn)生；其幅度大約為0.1~0.8mV，持續(xù)時間約為0.05~0.25秒；由于復(fù)極化差異的存在，T波的方向和QRS波群主波的方向一致。在R波向上的情況下，T波的幅度一般都超過R波幅度的1/10。11/19/202218大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（T波）11/9/202218大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（Q-T間期）Q-T間期（Q-Tinterval）是指QRS波群起點(diǎn)和T波終點(diǎn)所跨越的時間段；代表心室肌細(xì)胞開始去極化到結(jié)束復(fù)極化所需要的時間；與心率呈負(fù)相關(guān)。11/19/202219大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（Q-T間期）11/9/202219大連理工大心電信號的采集（心電圖的概念）心肌細(xì)胞的興奮收縮會在細(xì)胞外側(cè)產(chǎn)生微弱負(fù)電流，該電流有向人體各個部位傳導(dǎo)的趨勢。由于人體各部位組織不同，其與心臟的距離也不同，因此，心臟活動過程中所產(chǎn)生的細(xì)胞外綜合負(fù)電位在人體體表各部位表現(xiàn)出不同的電位變化。這些電位變化被記錄下來之后形成隨時間改變的動態(tài)曲線，就是所謂的心電圖（electrocardiogram，ECG），也稱為體表心電圖。

11/19/202220大連理工大學(xué)心電信號的采集（心電圖的概念）11/9/202220大連理工心電圖機(jī)心電信號的采集通過心電圖機(jī)（electrocardiograph）來實現(xiàn)。在心電采集中，首先在體表放置多個測量電極，每兩個或多個電極形成具有一對電壓信號輸入的導(dǎo)聯(lián)。心電圖機(jī)包括輸入電路、心電信號放大電路、心電測量、心電記錄和電源等幾個部分組成。輸入電路完成導(dǎo)聯(lián)選擇、濾波、過壓保護(hù)等功能。前置和中間級放大電路完成對微弱心電信號的放大，功率放大電路用來驅(qū)動心電圖機(jī)中的記錄器從而完成對心電信號的記錄。

11/19/202221大連理工大學(xué)心電圖機(jī)11/9/202221大連理工大學(xué)電極電極的作用：是將體內(nèi)由離子介導(dǎo)的電流轉(zhuǎn)換為金屬導(dǎo)體中由電子介導(dǎo)的電流。材料：電極一般由在表面鍍貴金屬金、銀或鉻的銅或不銹鋼片制成。標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián)體系，是目前體表心電信號采集中經(jīng)常使用到的電極導(dǎo)聯(lián)方法。12導(dǎo)聯(lián)體系包括I、II、III標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)aVR、aVL、aVF，和單極胸壁導(dǎo)聯(lián)V1~V6，其中，3個標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)和3個加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)又稱為肢體導(dǎo)聯(lián)。具體的12導(dǎo)聯(lián)體系電極連接方法請見圖2.3。11/19/202222大連理工大學(xué)電極11/9/202222大連理工大學(xué)11/19/202223大連理工大學(xué)11/9/202223大連理工大學(xué)電極導(dǎo)聯(lián)方式V1導(dǎo)聯(lián)的正電極放置在胸骨右緣第4肋間；V2導(dǎo)聯(lián)的正電極放置在胸骨左緣第4肋間；V4導(dǎo)聯(lián)的正電極放置在第5肋間和左側(cè)鎖骨中線相交處；V3導(dǎo)聯(lián)的正電極放置在V2和V4連線的中點(diǎn)；V5導(dǎo)聯(lián)的正電極放置在左腋前線和V4水平線的相交處；V6導(dǎo)聯(lián)的正電極放置在左腋中線與V4水平線的相交處。V1和V2的正電極面對右心室，V3和V4的正電極面對室間隔及其附近的左右心室，V5和V6的正電極面對左心室。胸壁導(dǎo)聯(lián)的電極距離心臟很近，記錄的心電信號幅度大，在診斷心肌梗塞方面具有十分重要的作用。

11/19/202224大連理工大學(xué)電極導(dǎo)聯(lián)方式11/9/202224大連理工大學(xué)§2.2腦電信號（EEG）

概念腦電信號記錄的是大腦中大量神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行自發(fā)和節(jié)律性活動時所表現(xiàn)出的電位信號，可以在頭皮、腦皮層和腦皮層內(nèi)部記錄到得到，能在一定程度上反映大腦的功能狀態(tài)和信息處理的過程；腦電信號最早由德國精神科教授HansBerger（1873-1941）于1924年在他兒子的頭皮上獲得，并被其命名為electroencephalogram(EEG)。腦電信號具有無創(chuàng)性，用于很多疾?。ㄈ缒X部腫瘤、癲癇、腦血管疾病以及一些精神性和神經(jīng)性疾?。┑脑\斷和治療中。11/19/202225大連理工大學(xué)§2.2腦電信號（EEG）概念11/9/202225大腦電信號的產(chǎn)生及其自發(fā)性和低頻性基于大腦中大量神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生并傳導(dǎo)動作電位、進(jìn)行信息交互和處理，從而導(dǎo)致的細(xì)胞膜外負(fù)電位在頭皮和腦皮層的表現(xiàn)。腦電信號具有自發(fā)性、節(jié)律性和低頻的特點(diǎn)。腦電信號的自發(fā)性是指在沒有特定外界刺激的情況下，腦電信號依然存在。自發(fā)產(chǎn)生的腦電信號伴隨整個生命過程，一旦生命停止，腦電信號也就消失了。腦電信號具有的低頻節(jié)律特點(diǎn)對應(yīng)于很多生理狀態(tài)，如，安靜、閉眼條件下，腦電信號會表現(xiàn)出明顯的10Hz左右的節(jié)律，而睜眼會阻斷這一節(jié)律，使得腦電信號表現(xiàn)出更高頻率的節(jié)律。11/19/202226大連理工大學(xué)腦電信號的產(chǎn)生及其自發(fā)性和低頻性11/9/202226大連理腦電信號的節(jié)律性腦電信號的節(jié)律性有兩方面的原因：一個是大腦神經(jīng)細(xì)胞放電的同步化；另一個是大腦中大量神經(jīng)元細(xì)胞的一致性排列。腦電信號中的節(jié)律性是大量神經(jīng)細(xì)胞節(jié)律性放電行為在時間和空間上疊加的表現(xiàn)。在時間上，腦電信號表現(xiàn)出的節(jié)律性要求大量的神經(jīng)細(xì)胞同時發(fā)生和停止放電行為。另外一方面，由于生物電場比較弱，且具有一定的方向性，這就要求同步放電的神經(jīng)細(xì)胞在空間的排列上要具有相同的方向。11/19/202227大連理工大學(xué)腦電信號的節(jié)律性11/9/202227大連理工大學(xué)腦電信號的分類與特點(diǎn)腦電信號的幅度和頻率隨著在頭皮上的記錄位置和人體生理狀態(tài)的不同而有所不同。按照頻率腦電信號的波形基本上可以分為δ波、θ波、α波和β波等，如圖2.5所示。

11/19/202228大連理工大學(xué)腦電信號的分類與特點(diǎn)11/9/202228大連理工大學(xué)各種正常腦電信號的波形圖11/19/202229大連理工大學(xué)各種正常腦電信號的波形圖11/9/202229大連理工大學(xué)δ波δ波的頻率范圍為0.5~3Hz；其波形的幅度范圍為20~100μV；可以在顳葉和枕葉記錄到；一般情況下，δ波腦電信號只有當(dāng)人處于非清醒的狀態(tài)時才會出現(xiàn)，如，成年人在睡眠，或是處于極度疲勞、缺氧、麻醉狀態(tài)等情況時；因此，清醒狀態(tài)情況下出現(xiàn)的δ波屬于異常情況，可以用于對身體生理情況的評估。

11/19/202230大連理工大學(xué)δ波11/9/202230大連理工大學(xué)θ波θ波的頻率范圍為4~7Hz；幅度范圍大約為100~150μV；一般出現(xiàn)在疲勞、困倦少年或成年人的額葉和頂葉；θ波腦電信號表明大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)處于抑制狀態(tài)。11/19/202231大連理工大學(xué)θ波11/9/202231大連理工大學(xué)α波α波的頻率為8~13Hz，一般在成年人處于閉眼并安靜的狀態(tài)時出現(xiàn)。α波通常出現(xiàn)在枕部，另外，在顳葉和頂葉的后部也可以采集到α波。α波腦電信號的幅度在20μV和100μV之間，通常為50μV左右。α波腦電信號中的梭形波的周期長度大概為1~2秒。當(dāng)成年人睜眼時，α波消失，稱為α波阻斷。在人接受到聲音、視覺等刺激或進(jìn)行思維等大腦活動時，腦電信號也會出現(xiàn)α波阻斷的現(xiàn)象。

11/19/202232大連理工大學(xué)α波11/9/202232大連理工大學(xué)β波β波的頻率在14Hz到30Hz之間，其幅度約為5~20μV;在人的大腦皮層處于緊張活動狀態(tài)時出現(xiàn)。在額葉和頂葉可以記錄到顯著的β波腦電信號，而枕葉和顳葉的β波由于混在幅度比較大的α波中而難以被檢測到。因此，α波阻斷有利于對β波腦電信號的觀察。β波是快波腦電信號，是大腦神經(jīng)細(xì)胞去同步化活動的體現(xiàn)，表征著大腦皮層處于興奮的活動狀態(tài)

11/19/202233大連理工大學(xué)β波11/9/202233大連理工大學(xué)腦電信號的采集10-20標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)11/19/202234大連理工大學(xué)腦電信號的采集11/9/202234大連理工大學(xué)腦電采集系統(tǒng)腦電信號的采集系統(tǒng)也包括傳感器前端、信號的放大處理和存儲等幾個部分。傳感器前端包括電極及其放置和導(dǎo)聯(lián)選擇；放大處理部分包括放大器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)化等；存儲部分包括計算機(jī)設(shè)備或其磁盤設(shè)備等；腦電信號采集系統(tǒng)中的信號放大和信號存儲等和其它生物信號的采集系統(tǒng)類似。還提供了大量的腦電信號的在線和離線分析工具供研究者使用。11/19/202235大連理工大學(xué)腦電采集系統(tǒng)11/9/202235大連理工大學(xué)腦電放大器的要求腦電信號通常在微伏級別，因此對放大器、信號采集環(huán)境和受試者狀態(tài)的要求比較高。能放大微伏級別的信噪比較小、共模抑制比比較高、漂移比較低、輸入阻抗比較高、帶寬能滿足腦電信號的要求等；另外，腦電信號的采集環(huán)境要求有效接地，以便保護(hù)受試者、儀器、實驗人員以及避免引入更多的噪聲。通常受試者應(yīng)該盡量避免肢體的運(yùn)動，以便保證腦電信號不被肌電信號干擾淹沒等。

11/19/202236大連理工大學(xué)腦電放大器的要求11/9/202236大連理工大學(xué)腦電采集需注意的問題為了方便實驗的進(jìn)行和確保電極位置的準(zhǔn)確，腦電信號的采集通常使用電極帽來進(jìn)行電極在頭皮上的放置。受試者在頭上戴上電極帽，保證位置正確；實驗人員在電極帽上的電極內(nèi)打上導(dǎo)電膏，并盡量做到導(dǎo)電膏和頭皮接觸的比較緊密，保證電極和頭皮之間的電阻在要求的范圍之內(nèi)；腦電信號的采集使用的電極起到電壓傳感器的作用，通常使用表面為Ag-AgCl的盤狀或表面電極為好。11/19/202237大連理工大學(xué)腦電采集需注意的問題11/9/202237大連理工大學(xué)國際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)10-20系統(tǒng)在矢狀位上把鼻根和枕外隆凸連接形成中央線，其在頭皮頂端的中點(diǎn)標(biāo)記為Cz，Cz前后20%距離的位置分別標(biāo)記為Fz和Pz，距離鼻根和枕外隆凸10%的位置上也都標(biāo)記一個電極位置；在冠狀位上，由鼻根、外耳孔和枕外隆凸連接所形成的冠狀線上，以同樣的10%和20%的距離定位電極的放置位置。連接左右兩側(cè)對稱電極位置形成的橫線，通過中央線上相應(yīng)的電極，并在此電極左右兩側(cè)的20%分別定位電極位置，左側(cè)的電極以單數(shù)標(biāo)記，右側(cè)的電極以偶數(shù)標(biāo)記，如在頭皮中央?yún)^(qū)為例，中央電極為Cz，而左側(cè)的電極為C3，右側(cè)電極標(biāo)記為C4。11/19/202238大連理工大學(xué)國際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)10-20系統(tǒng)11/9/202238大連理工大學(xué)腦電信號的應(yīng)用（1）腦電信號可以用于對某些疾病的診斷。當(dāng)血糖、體溫較低時，腦電信號中的α波頻率減??；而當(dāng)動脈血氧分壓降低時，α波頻率升高；癲癇患者的腦電信號中會出現(xiàn)異常高頻和高幅的成分，或是在高頻和高幅腦電波的后面跟隨一個慢波；通過信號處理等方法進(jìn)行分析和提取，腦電信號可以用于對癲癇的預(yù)測；另外，腦電信號還可以用于對麻醉深度的監(jiān)測，腦部腫瘤的定位，腦外傷、腦血管、顱內(nèi)炎癥和一些精神疾病等病癥的診斷當(dāng)中。11/19/202239大連理工大學(xué)腦電信號的應(yīng)用（1）11/9/202239大連理工大學(xué)腦電信號的應(yīng)用（2）基于腦電信號的生物反饋治療技術(shù)在最近幾年中得到了極大的發(fā)展，在抑郁癥等精神疾病的治療中發(fā)揮了一定的作用。腦電生物反饋治療技術(shù)應(yīng)用操作性條件反射和閉環(huán)反饋治療儀器，以糾正某些腦電信號中失調(diào)的成分為目標(biāo)和指標(biāo)，來進(jìn)行精神狀態(tài)的長時間調(diào)整和保持，從而達(dá)到對精神疾病治療的目的。這一技術(shù)憑借恢復(fù)性訓(xùn)練進(jìn)行治療，在一定程度上克服了傳統(tǒng)服用藥物來治療精神疾病這一方法所帶來的較大負(fù)面作用，是對傳統(tǒng)方法的極大補(bǔ)充和突破。

11/19/202240大連理工大學(xué)腦電信號的應(yīng)用（2）11/9/202240大連理工大學(xué)腦電信號的應(yīng)用（3）基于腦電信號的腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)是腦電信號應(yīng)用的一個比較新的技術(shù)，是運(yùn)動功能損傷的康復(fù)治療和運(yùn)動功能的輔助補(bǔ)充的有效手段，在臨床康復(fù)治療、游戲和軍事的運(yùn)動輔助等方面都具有非常重要的應(yīng)用價值。腦機(jī)接口技術(shù)通過對腦電信號進(jìn)行預(yù)處理、特征采集和模式識別等手段，在人的大腦和外部計算機(jī)等電子設(shè)備之間建立一個直接的信息交流和控制通道，不依賴于人體的外周神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉組織等正常運(yùn)動控制輸出通路，達(dá)到使用大腦的意識活動直接控制外部設(shè)備的目的。目前，腦機(jī)接口技術(shù)也逐漸應(yīng)用大腦皮層記錄的腦電信號來實現(xiàn)對大腦信息的采集。

11/19/202241大連理工大學(xué)腦電信號的應(yīng)用（3）11/9/202241大連理工大學(xué)§2.3誘發(fā)電位信號（EP）概念當(dāng)某一特定的刺激（如聲音或光等）作用于人體的感覺系統(tǒng)時，大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)會產(chǎn)生與刺激具有一定相位差的電位，稱為誘發(fā)電位（evokedpotentials，EPs）。

11/19/202242大連理工大學(xué)§2.3誘發(fā)電位信號（EP）概念11/9/202242誘發(fā)電位的產(chǎn)生各種誘發(fā)電位都具有特定的波形和相位，反映了相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)的功能。常用的誘發(fā)電位：皮層誘發(fā)電位是指在外加特定刺激作用于感覺系統(tǒng)時，在大腦皮層上某一區(qū)域誘發(fā)出的具有一定特點(diǎn)和規(guī)律的電位變化。是大腦皮層中椎體細(xì)胞的興奮性和抑制性突觸后電位在時間和空間上的綜合，可以在頭皮通過疊加平均的方法記錄到。皮層下誘發(fā)電位是由大腦皮層下面的中繼核團(tuán)神經(jīng)元群產(chǎn)生的突觸后電位和神經(jīng)元中的動作電位綜合形成。神經(jīng)纖維誘發(fā)電位是由特定刺激誘發(fā)的在感覺或運(yùn)動神經(jīng)元中傳導(dǎo)的動作電位，使用放置于神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)部或外部的電極來記錄。

11/19/202243大連理工大學(xué)誘發(fā)電位的產(chǎn)生11/9/202243大連理工大學(xué)誘發(fā)電位的采集使用盤狀電極，其電阻值要在5kΩ以內(nèi)。雙極導(dǎo)聯(lián)或單極導(dǎo)聯(lián)，連接放大器。在采集誘發(fā)電位時，通常在前額放置接地電極，在耳垂或是肢體等非頭參考點(diǎn)部位放置參考電極。誘發(fā)電位的采集也可根據(jù)10-20標(biāo)準(zhǔn)來放置電極。誘發(fā)電位非常微弱，受到噪聲的干擾非常強(qiáng)烈。為了采集到較好的信號波形，通常使用疊加平均的方法。常采用N1、N2等分別代表依次出現(xiàn)的負(fù)相波，而使用P1、P2等來標(biāo)記依次出現(xiàn)的正相波。P300是指刺激后300ms時出現(xiàn)正相波。11/19/202244大連理工大學(xué)誘發(fā)電位的采集11/9/202244大連理工大學(xué)誘發(fā)電位的應(yīng)用神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)與疾病檢測；聽覺閾值確定；中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳導(dǎo)功能的檢測；沖擊加速度實驗檢測神經(jīng)系統(tǒng)的耐受力11/19/202245大連理工大學(xué)誘發(fā)電位的應(yīng)用11/9/202245大連理工大學(xué)§2.4肌電信號（EMG）人體的肌肉人體的肌肉組織分為骨骼肌、心肌和平滑肌三類，都是受到神經(jīng)支配的。骨骼肌受中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制，能產(chǎn)生隨意運(yùn)動，如肢體運(yùn)動、語言和呼吸等；心肌由竇房結(jié)產(chǎn)生的節(jié)律性興奮控制，其活動不是隨意的；平滑肌構(gòu)成體內(nèi)空腔器官的管壁，其運(yùn)動受到自主神經(jīng)的調(diào)節(jié)。11/19/202246大連理工大學(xué)§2.4肌電信號（EMG）人體的肌肉11/9/2022神經(jīng)肌肉接頭示意圖11/19/202247大連理工大學(xué)神經(jīng)肌肉接頭示意圖11/9/202247大連理工大學(xué)骨骼肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)示意圖11/19/202248大連理工大學(xué)骨骼肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)示意圖11/9/202248大連理工大學(xué)肌電信號的產(chǎn)生神經(jīng)產(chǎn)生興奮最終引起并控制肌肉組織發(fā)生收縮和舒張運(yùn)動的過程是通過誘發(fā)肌肉細(xì)胞發(fā)生去極化產(chǎn)生動作電位來實現(xiàn)的。因此，肌肉的運(yùn)動總是伴隨著肌細(xì)胞的興奮過程，因而，在肌肉組織外部呈現(xiàn)出一定的負(fù)電位，這是在肌肉組織中或外部能夠測到肌細(xì)胞電信號的原因，所測量到的隨時間變化的電信號稱為肌電信號（electromyogram，EMG）

11/19/202249大連理工大學(xué)肌電信號的產(chǎn)生11/9/202249大連理工大學(xué)肌電信號的特點(diǎn)當(dāng)肌肉處于放松狀態(tài)時，沒有動作電位產(chǎn)生，肌細(xì)胞膜周圍呈現(xiàn)出正常的狀態(tài)，因而，肌肉組織周圍的肌電信號應(yīng)該是處于基線水平的零值電位。在一個運(yùn)動單元的肌肉細(xì)胞因受到興奮而運(yùn)動時，產(chǎn)生的細(xì)胞膜外負(fù)電位會形成一個綜合電位。運(yùn)動單元電位按照電位信號離開基線的次數(shù)，可以分為單相（離開基線1次）、雙相（離開基線2次）、三相（離開基線3次）和多相（離開基線5次以上）。其總的持續(xù)時間一般為3~15ms，而峰峰值一般為100~2000μV，最高的不超過5mV

11/19/202250大連理工大學(xué)肌電信號的特點(diǎn)11/9/202250大連理工大學(xué)肌電信號的采集肌電圖機(jī)一般是由電極、放大器、監(jiān)聽器、掃描器、刺激器等部分組成。針狀電極插進(jìn)肌肉當(dāng)中能夠記錄少量運(yùn)動單元所產(chǎn)生的肌電信號。將表面電極放在肌肉所在皮膚表面采集的肌電信號反映了電極下面局部區(qū)域內(nèi)的肌肉運(yùn)動情況。肌電圖機(jī)通常還包括電刺激器和同步采集信號的功能。肌電圖機(jī)中的放大器要求具有較高的電壓增益，較寬的通頻帶和輸入阻抗，并具有較小的噪聲和漂移。

11/19/202251大連理工大學(xué)肌電信號的采集11/9/202251大連理工大學(xué)肌電信號的應(yīng)用肌電信號可以用于監(jiān)測和檢測肌肉組織的機(jī)能。例如：鑒別神經(jīng)性肌萎縮和肌源性肌萎縮，判別神經(jīng)損傷的程度和部位，研究各種情況下人體各個部位肌肉組織的功能是否發(fā)生變化等。肌電信號還能夠應(yīng)用于反饋治療，例如：通過肌電信號作為反饋，可以使得患者能夠主動松弛身體內(nèi)部的肌肉等。人體的肌電信號還可以作為控制外部設(shè)備的輸入信號，例如：很多研究已經(jīng)實現(xiàn)了使用肌電信號來控制假肢進(jìn)行運(yùn)動。

11/19/202252大連理工大學(xué)肌電信號的應(yīng)用11/9/202252大連理工大學(xué)§2.5胃電信號（EGG）胃電信號的產(chǎn)生胃的活動是依靠平滑肌的運(yùn)動完成的。胃平滑肌的運(yùn)動受到自主神經(jīng)系統(tǒng)的控制。同肌電信號的產(chǎn)生機(jī)制類似，胃電信號是胃平滑肌細(xì)胞興奮過程中導(dǎo)致細(xì)胞膜外負(fù)電位在腹部體表的反應(yīng)。使用電極在人體的腹部皮膚表面記錄的胃平滑肌細(xì)胞的電活動，即胃電信號（Electrogastrogram，EGG），同其它生物電信號，如腦電信號和心電信號等，在頻率、幅度和波形上也都存在著較大的不同。

11/19/202253大連理工大學(xué)§2.5胃電信號（EGG）胃電信號的產(chǎn)生11/9/20胃電信號的特點(diǎn)胃平滑肌細(xì)胞動作電位包含慢波和尖峰兩種信號。慢波信號具有重復(fù)出現(xiàn)的特點(diǎn)，其頻率大約為每分鐘3次，胃的收縮運(yùn)動通常發(fā)生在慢波之后的6~9秒。胃平滑肌細(xì)胞動作電位中的慢波最早出現(xiàn)在胃大彎上部，并逐漸地向胃的幽門傳播，同時，其速度和幅值在傳播過程中不斷增加。一般認(rèn)為，慢波完成起搏功能。胃平滑肌細(xì)胞動作電位中的尖峰信號產(chǎn)生于胃平滑肌細(xì)胞的收縮。尖峰信號的頻率約為每分鐘60次，隨機(jī)地疊加在慢波信號當(dāng)中，改變了胃電信號的幅度。

11/19/202254大連理工大學(xué)胃電信號的特點(diǎn)11/9/202254大連理工大學(xué)胃電信號的波形11/19/202255大連理工大學(xué)胃電信號的波形11/9/202255大連理工大學(xué)胃電信號的應(yīng)用由于不同的平滑肌動作電位導(dǎo)致的胃活動不盡相同，因而胃電信號在一定程度上能夠反映胃的生理狀態(tài)及其活動狀態(tài)。比如，胃電信號能夠非常好地反映胃節(jié)律性紊亂等功能性改變，而且，對于慢性胃炎和胃癌也有較高的特異性反應(yīng)。胃電信號同時也能夠反應(yīng)胃的活動狀態(tài)，而且此種方法具有無創(chuàng)性，容易被患者所接受。然而，由于胃電信號的信噪比比較低，因而其應(yīng)用還沒有廣泛的普及，沒有得到較多的臨床應(yīng)用。

11/19/202256大連理工大學(xué)胃電信號的應(yīng)用11/9/202256大連理工大學(xué)胃電信號的檢測胃電信號的信噪比比較低，在腹部皮膚表面記錄的胃電信號當(dāng)中包含有大量的噪聲成分。因而在記錄胃電信號的各個環(huán)節(jié)要注意降低噪聲的影響，盡可能消除受試者、系統(tǒng)和環(huán)境帶來的干擾。在胃電信號的采集系統(tǒng)中，尤其應(yīng)該注意的電極和放大電路。盡可能使用Ag-AgCl電極，以便減小電極和皮膚電解質(zhì)之間形成的極化電壓。放大電路要求具有高輸入阻抗和共模抑制比，并且具有較低基線漂移和噪聲干擾。

11/19/202257大連理工大學(xué)胃電信號的檢測11/9/202257大連理工大學(xué)§2.6心音信號（EGG）心音信號的產(chǎn)生心臟收縮舒張的過程，會產(chǎn)生心肌收縮、瓣膜關(guān)閉和血液在擠壓下向動脈的流動。此時，血液和心臟的腔室壁之間的沖擊會產(chǎn)生聲音，稱為心音。由于心音是由于心臟完成其泵血功能而產(chǎn)生的，因而能在一定程度上反應(yīng)心臟的功能狀態(tài)。另外，血液從心臟到鄰近大血管中的流動還會形成一定的湍流和渦流，這些物理現(xiàn)象也會產(chǎn)生一些振動音，稱為心雜音。當(dāng)循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生病變時，心音和心雜音將發(fā)生變化。11/19/202258大連理工大學(xué)§2.6心音信號（EGG）心音信號的產(chǎn)生11/9/20心電與心音信號11/19/202259大連理工大學(xué)心電與心音信號11/9/202259大連理工大學(xué)心音信號的特點(diǎn)（1）心音和心雜音的頻率范圍為0.1~2000Hz，由于其幅度非常低，通常都在人的聽覺閾值附近，因而很難被人耳直接聽到。心音信號可以通過聽診器在胸壁上的某些位置得到。由于心音和心電信號都是心臟實現(xiàn)泵血功能過程中表現(xiàn)出來的特征信號，因而兩者之間也存在一定的聯(lián)系。對應(yīng)于心電信號QRS波群的心音信號為第一心音，發(fā)生于心室肌細(xì)胞去極化時。對應(yīng)于心電信號T波結(jié)束的心音信號為第二心音，發(fā)生于心室肌細(xì)胞復(fù)極化時。第三心音發(fā)生于T波結(jié)束之后。第四心音發(fā)生于QRS波之前。11/19/202260大連理工大學(xué)心音信號的特點(diǎn)（1）11/9/202260大連理工大學(xué)心音信號的特點(diǎn)（2）當(dāng)心室收縮時，血液流向主動脈，并因為血液的相繼擺動而導(dǎo)致房室瓣的關(guān)閉，這就是第一心音產(chǎn)生的原因。同時，第一心音還源于主動脈根和心室間的血液擺動及血液在主動脈和肺動脈的湍流所引起的振動。第一心音的分裂產(chǎn)生于二尖瓣和三尖瓣的非同步關(guān)閉。主動脈和肺動脈內(nèi)血流的減速和反向流動，以及半月瓣的關(guān)閉所伴隨的低頻振動是第二心音產(chǎn)生的原因。在心房向心室迅速灌注突然結(jié)束時，松弛的心室壁肌肉會進(jìn)行一定的振動，這產(chǎn)生了第三心音。第四心音是心房收縮時推動血液流入心室所產(chǎn)生的，也被稱為心房音。11/19/202261大連理工大學(xué)心音信號的特點(diǎn)（2）11/9/202261大連理工大學(xué)心音信號的檢測心內(nèi)心音測量：將微型的心音傳感器安裝在心導(dǎo)管端部插入心臟或某些大血管內(nèi)側(cè)測量的心音。心外心音測量：在胸壁外表面測得的。心音的圖形記錄稱為心音圖，記錄心音圖的儀器稱為心音圖機(jī)，它由將胸壁的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電信號的心音傳感器、放大濾波器及記錄器三部分組成?？諝鈧鲗?dǎo)式心音傳感器是利用心臟搏動時通過胸壁傳遞出的心音波再經(jīng)空氣傳遞到傳感器的敏感振動膜上，這個振動膜與換能器相連，當(dāng)空氣振動時膜片就發(fā)生振動，從而帶動換能元件并使其產(chǎn)生與心音強(qiáng)度成比例的輸出信號。11/19/202262大連理工大學(xué)心音信號的檢測11/9/202262大連理工大學(xué)§2.7腦磁圖（MEG）腦磁信號的概念在大腦中的神經(jīng)元產(chǎn)生的動作電位在突觸（神經(jīng)元之間的連接處）中進(jìn)行傳遞時，神經(jīng)元樹突中流動著離子電流。根據(jù)麥克斯韋方程，任何變化的電流都會產(chǎn)生一個正交的磁場。腦磁信號就是這些神經(jīng)樹突中離子電流所產(chǎn)生磁場的綜合。腦磁信號反應(yīng)了大腦中皮層神經(jīng)元的活動狀態(tài)。11/19/202263大連理工大學(xué)§2.7腦磁圖（MEG）腦磁信號的概念11/9/202腦磁信號的特點(diǎn)由于顱骨不是鐵磁物質(zhì)，對大腦磁信號沒有較大的干擾，因而，在體外測得的腦磁信號真實地反應(yīng)了大腦中神經(jīng)細(xì)胞的活動情況。另外一方面，由于腦磁信號映射到頭皮外的過程中沒有受到干擾，因而可以通過逆運(yùn)算方法來進(jìn)行腦活動區(qū)的高精度空間定位。由于腦磁場信號是磁場信號，使用空間探測方法采集，不需要使用頭皮電極，因而可以在不接觸受試者的情況下實現(xiàn)信號的檢測，避免了使用電極引入的干擾。11/19/202264大連理工大學(xué)腦磁信號的特點(diǎn)11/9/202264大連理工大學(xué)腦磁信號的應(yīng)用腦磁信號的采集設(shè)備運(yùn)行期間都非常安靜，這一點(diǎn)尤其有利于一些與聲音相關(guān)的認(rèn)知實驗的進(jìn)行。腦磁信號具有毫秒級的時間分辨率和毫米級的空間分辨率，這一點(diǎn)對于腦電信號和功能性核磁共振來說，具有很大的優(yōu)勢。目前的設(shè)備能夠記錄整個腦皮層的磁信號，而且，腦磁信號可以轉(zhuǎn)換成曲線圖和等高線圖等圖形。腦磁信號還能夠與MRI或CT等解剖學(xué)影像信息疊加在一起，形成腦功能活動區(qū)的定位。此外，腦磁信號還能與腦誘發(fā)技術(shù)、多導(dǎo)聯(lián)EEG等技術(shù)相互綜合進(jìn)行實驗，從而提供更多的信息。

11/19/202265大連理工大學(xué)腦磁信號的應(yīng)用11/9/202265大連理工大學(xué)腦磁信號的采集大腦中神經(jīng)細(xì)胞電流所誘發(fā)的磁場非常微弱，在腦電信號中出現(xiàn)alpha波的時候，產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度約為103fT（1fT=1.0x10-15T）。腦磁信號的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于城市環(huán)境中的磁場噪聲（約為0.1μT），僅為地球磁場（100fT）的億萬分之一。所以，腦磁信號的采集主要問題就是如何克服環(huán)境的磁場噪聲，并找到足夠靈敏的磁場探頭。目前，腦磁信號主要使用超導(dǎo)量子干涉儀（superconductingquantuminterferencedevice，SQUID）來檢測。能夠檢測到非常微弱的磁場信號，具有高靈敏度和低噪聲的特點(diǎn)。11/19/202266大連理工大學(xué)腦磁信號的采集11/9/202266大連理工大學(xué)§2.8常見的醫(yī)學(xué)影像常見的醫(yī)學(xué)影像X射線斷層成像（CT）、磁共振成像（MRI）、功能磁共振成像（fMRI）、正電子發(fā)射式計算機(jī)斷層成像（PET）、單光子發(fā)射式計算機(jī)斷層（SPECT）、數(shù)字血管造影（DSA）、腦部血流量圖（CBF）、數(shù)字熒光造影（DF）和超聲醫(yī)學(xué)成像等醫(yī)學(xué)圖像等。11/19/202267大連理工大學(xué)§2.8常見的醫(yī)學(xué)影像常見的醫(yī)學(xué)影像11/9/2022醫(yī)學(xué)影像的產(chǎn)生機(jī)理（CT為例）X射線發(fā)射源和檢測器同步圍繞病人進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，采集透射過人體的X射線投影數(shù)據(jù)。根據(jù)重建算法，可以重建出病人被掃描斷面的圖像。常用的重建算法有反投影重建算法、傅里葉變換重建算法、迭代重建算法等。傳統(tǒng)的CT每次只能掃描一個斷面數(shù)據(jù)。螺旋CT在進(jìn)行X射線計算機(jī)斷層成像時，病人躺著的臺架能夠同時平移運(yùn)動，系統(tǒng)采集了病人不同斷面后的投射數(shù)據(jù)，通過使用重建算法，能夠提供三維結(jié)構(gòu)的信息。為了加快速度，采用了多排檢測器陣列，稱為多層螺旋CT系統(tǒng)，每次旋轉(zhuǎn)X射線源和檢測器都能獲得更多斷面的信息，因而極大地提高了成像速度。11/19/202268大連理工大學(xué)醫(yī)學(xué)影像的產(chǎn)生機(jī)理（CT為例）11/9/202268大連理工CT機(jī)11/19/202269大連理工大學(xué)CT機(jī)11/9/202269大連理工大學(xué)腦部CT影像11/19/202270大連理工大學(xué)腦部CT影像11/9/202270大連理工大學(xué)醫(yī)學(xué)影像的發(fā)展趨勢多維圖像的成像問題。例如，作為外科手術(shù)的導(dǎo)航、進(jìn)行假體的設(shè)計和放射等治療中的定位等。功能成像的問題。例如，使用功能性磁共振成像（fMRI）可以確定大腦在處理一些認(rèn)知相關(guān)任務(wù)過程中所激活的大腦區(qū)域，這對于理解大腦如何運(yùn)作產(chǎn)生認(rèn)知功能等科學(xué)研究和精神疾病的診斷具有一定的意義。多種圖像以及和其它醫(yī)學(xué)信號的融合問題。將模態(tài)圖像和信號融合到一起，能夠提供更加詳盡的信息。分子水平上的成像。相對于前面提到的一些成像技術(shù)所獲得宏觀圖像，分子水平上的成像能夠提供生物體內(nèi)微觀環(huán)境中的疾病發(fā)展過程，對于疾病的預(yù)防、藥物的制作等都有著重要的意義。11/19/202271大連理工大學(xué)醫(yī)學(xué)影像的發(fā)展趨勢11/9/202271大連理工大學(xué)習(xí)題與思考題心電信號是如何產(chǎn)生的？心電信號有何特點(diǎn)，其對應(yīng)的生理含義有哪些？簡述腦電信號的產(chǎn)生機(jī)制及其特點(diǎn)。試述皮層誘發(fā)電位信號的產(chǎn)生機(jī)制及其特點(diǎn)。試述肌電信號的產(chǎn)生機(jī)制及其特點(diǎn)。決定胃蠕動頻率的電信號是如何傳導(dǎo)的？試述心音的產(chǎn)生原理及其特點(diǎn)。腦磁信號是如何產(chǎn)生的？其應(yīng)用具有何種優(yōu)點(diǎn)？列舉幾種常見的醫(yī)學(xué)圖像，并說明其形成的機(jī)理。11/19/202272大連理工大學(xué)習(xí)題與思考題心電信號是如何產(chǎn)生的？心電信號有何特點(diǎn)，其對應(yīng)的TheEndofThisChapterThankYou!11/19/202273大連理工大學(xué)TheEndofThisChapterThankY醫(yī)學(xué)信號分析與處理

邱天爽大連理工大學(xué)電子與信息工程學(xué)院2012年3月大連理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生必修課11/19/202274大連理工大學(xué)醫(yī)學(xué)信號分析與處理邱天爽大連理工大學(xué)11/9/20221大第2章

常見的醫(yī)學(xué)信號及其檢測11/19/202275大連理工大學(xué)第2章

常見的醫(yī)學(xué)信號及其檢測11/9/20222大連理心電信號（ECG）腦電信號（EEG）誘發(fā)電位信號（EP）肌電信號（EMG）胃電信號（EGG）心音信號腦磁圖常見的醫(yī)學(xué)圖像11/19/202276大連理工大學(xué)心電信號（ECG）11/9/20223大連理工大學(xué)§2.1心電信號（ECG）概念心電信號是心肌細(xì)胞興奮、收縮過程中其電活動的綜合，是心臟電生理活動的反映，具有較強(qiáng)的規(guī)律性，可以用于對心臟的功能狀態(tài)進(jìn)行評估和檢測。采集記錄心電信號的方法稱為心電圖學(xué)，是臨床心電學(xué)、心電電生理學(xué)的基礎(chǔ)。由于其無創(chuàng)性和簡便性，在臨床上得到廣泛應(yīng)用，其提供的信息對心血管等疾病的診斷具有重要的參考價值。11/19/202277大連理工大學(xué)§2.1心電信號（ECG）概念11/9/20224大連心臟的構(gòu)造與心電信號的產(chǎn)生11/19/202278大連理工大學(xué)心臟的構(gòu)造與心電信號的產(chǎn)生11/9/20225大連理工大學(xué)心臟的功能

心臟主要是通過持續(xù)地進(jìn)行節(jié)律性的舒張和收縮，完成向全身泵血的功能。心臟完成其生理功能的基礎(chǔ)是心肌細(xì)胞。

11/19/202279大連理工大學(xué)心臟的功能11/9/20226大連理工大學(xué)心肌細(xì)胞

心肌細(xì)胞有兩種，分別為普通工作心肌細(xì)胞和特殊心肌細(xì)胞。普通工作心肌細(xì)胞的內(nèi)部含有排列有序的肌原纖維，因而在興奮性和傳導(dǎo)性之外還具有較強(qiáng)的收縮性，是心臟實現(xiàn)舒張和收縮的最終執(zhí)行者。特殊心肌細(xì)胞具有興奮性和傳導(dǎo)性，在沒有外部刺激的情況下能夠自動產(chǎn)生節(jié)律性興奮活動，是心臟節(jié)律性活動的根源所在，控制著心臟收縮和舒張。另外，特殊心肌細(xì)胞也具有一定的收縮性，但是由于內(nèi)部的肌原纖維比較少，因而其收縮性也比較弱。11/19/202280大連理工大學(xué)心肌細(xì)胞11/9/20227大連理工大學(xué)心臟的節(jié)律性興奮

由竇房結(jié)產(chǎn)生，依次經(jīng)過右心房、左心房、房室交界區(qū)、房室束、左右束支、末梢浦肯野纖維、左心室和右心室，通過興奮普通工作心肌細(xì)胞，最終導(dǎo)致心房和心室先后次序的節(jié)律性興奮，即心臟的節(jié)律性舒張和收縮。11/19/202281大連理工大學(xué)心臟的節(jié)律性興奮11/9/20228大連理工大學(xué)心電信號的產(chǎn)生（P波）

體表心電信號可以分為P波、QRS波群和T波。P波對應(yīng)于心房肌細(xì)胞興奮過程中的去極化。在心臟的一個興奮周期內(nèi)，右心房先興奮，左心房后興奮。當(dāng)右心房肌細(xì)胞去極化開始興奮時，相對于左心房整個右心房肌細(xì)胞外表現(xiàn)出負(fù)電位；左右心房都處于興奮狀態(tài)時，兩者之間不存在電位差；在右心房肌細(xì)胞開始復(fù)極化完成興奮時，其細(xì)胞膜外電位恢復(fù)正常狀態(tài)；而左心房由于沒有結(jié)束興奮，其細(xì)胞膜外電位相對于右心房而言依然為負(fù)。

11/19/202282大連理工大學(xué)心電信號的產(chǎn)生（P波）11/9/20229大連理工大學(xué)心電信號的產(chǎn)生（QRS波）

體表心電信號QRS波群產(chǎn)生于心室肌細(xì)胞的去極化。心室的興奮從心室間隔開始，依次延伸到心室尖部和心室基底部。在心室去極化開始興奮期間，所形成綜合電場的方向和大小會發(fā)生多次的改變，因而形成了方向和大小發(fā)生多次變化的QRS波群。相對于心房肌細(xì)胞動作電位的相對相似性，不同部位心室肌細(xì)胞動作電位的形態(tài)存在較大的不同，這就導(dǎo)致不同部位心室肌細(xì)胞膜外負(fù)電位的大小和持續(xù)時間也都存在較大的差異；心室復(fù)極化產(chǎn)生的綜合電場與心室去極化產(chǎn)生的綜合電場大體上具有相同的方向。11/19/202283大連理工大學(xué)心電信號的產(chǎn)生（QRS波）11/9/202210大連理工大心電信號的產(chǎn)生（T波）體表心電信號中的T波產(chǎn)生于心室肌細(xì)胞的復(fù)極化；其方向與心室肌細(xì)胞去極化所產(chǎn)生QRS波群的方向一致。

11/19/202284大連理工大學(xué)心電信號的產(chǎn)生（T波）11/9/202211大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)11/19/202285大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)11/9/202212大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（P波）P波是由心房的去極化產(chǎn)生的；其波形比較小，形狀有些圓，幅度大約為0.25mV左右，持續(xù)時間約為0.08到0.11秒；竇房結(jié)去極化發(fā)生在心房肌細(xì)胞去極化之前，因而在時間上要先于P波，只是竇房結(jié)處于心臟內(nèi)部，其電活動在體表難以采集。

11/19/202286大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（P波）11/9/202213大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（P-R間期）P-R間期（P-Rinterval）是指P波起點(diǎn)和QRS波群起點(diǎn)所跨越的時間；是竇房結(jié)產(chǎn)生的興奮，經(jīng)過右心房、左心房、房室交界區(qū)、房室束、左右束支和蒲肯野纖維之后，傳導(dǎo)到心室所需要的時間；在正常的體表心電圖中，P-R間期的值約為0.12~0.2秒，其中大部分時間是興奮在房室交界區(qū)內(nèi)傳導(dǎo)所需要的時間；P-R間期也稱為房室傳導(dǎo)時間。

11/19/202287大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（P-R間期）11/9/202214大連理工大心電信號的特點(diǎn)（P-R段）P-R段（P-Rsegment）是指P波終點(diǎn)和QRS波群起點(diǎn)之間所跨越的時間；在正常的體表心電圖中，P-R段的心電信號電位值都是接近基線水平的很小電位；在P-R段，左右心房同時興奮，因而兩者產(chǎn)生的綜合電場對體表心電圖的影響較小，另外，此時的興奮還處于房室交界區(qū)和房室束特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)中，沒有到達(dá)心室，因而沒有產(chǎn)生較大波動的體表心電圖信號。

11/19/202288大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（P-R段）11/9/202215大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（QRS波群）QRS波群是左右心室肌細(xì)胞依次去極化所產(chǎn)生的膜外負(fù)電位在體表的反應(yīng)；其持續(xù)時間大約為0.06~0.1秒；特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)在心室內(nèi)的部分包括房室束、左右束支和蒲肯野纖維三部分，這些心室內(nèi)的特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)又合稱為希氏-浦肯野系統(tǒng)（His-PurkinjeSystem，HPS）；竇房結(jié)產(chǎn)生的興奮信號在經(jīng)過房室交界區(qū)后傳導(dǎo)到心室，引起左右心室各個部分產(chǎn)生先后有序的興奮活動。心室內(nèi)特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)的路徑分布決定了心室內(nèi)的興奮順序依次為心室間隔、心室尖部和心室基底部。由于興奮過程中的綜合電場向量多次發(fā)生改變，因而體表心電圖中大小和方向多次發(fā)生變化，QRS波群中第一個向下的為Q波，第一個向上的為R波，R波后面的為S波。

11/19/202289大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（QRS波群）11/9/202216大連理工大心電信號的特點(diǎn)（S-T段）S-T段（S-Tsegment）是指QRS波群終點(diǎn)和T波起點(diǎn)之間所跨越的時間。S-T段期間，左右心室的肌細(xì)胞都處于興奮期間，因而兩者形成的綜合電場向量在體表心電圖中的貢獻(xiàn)非常小，導(dǎo)致S-T段心電信號處于大約基線的水平。

11/19/202290大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（S-T段）11/9/202217大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（T波）T波由心室肌細(xì)胞的復(fù)極化產(chǎn)生；其幅度大約為0.1~0.8mV，持續(xù)時間約為0.05~0.25秒；由于復(fù)極化差異的存在，T波的方向和QRS波群主波的方向一致。在R波向上的情況下，T波的幅度一般都超過R波幅度的1/10。11/19/202291大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（T波）11/9/202218大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（Q-T間期）Q-T間期（Q-Tinterval）是指QRS波群起點(diǎn)和T波終點(diǎn)所跨越的時間段；代表心室肌細(xì)胞開始去極化到結(jié)束復(fù)極化所需要的時間；與心率呈負(fù)相關(guān)。11/19/202292大連理工大學(xué)心電信號的特點(diǎn)（Q-T間期）11/9/202219大連理工大心電信號的采集（心電圖的概念）心肌細(xì)胞的興奮收縮會在細(xì)胞外側(cè)產(chǎn)生微弱負(fù)電流，該電流有向人體各個部位傳導(dǎo)的趨勢。由于人體各部位組織不同，其與心臟的距離也不同，因此，心臟活動過程中所產(chǎn)生的細(xì)胞外綜合負(fù)電位在人體體表各部位表現(xiàn)出不同的電位變化。這些電位變化被記錄下來之后形成隨時間改變的動態(tài)曲線，就是所謂的心電圖（electrocardiogram，ECG），也稱為體表心電圖。

11/19/202293大連理工大學(xué)心電信號的采集（心電圖的概念）11/9/202220大連理工心電圖機(jī)心電信號的采集通過心電圖機(jī)（electrocardiograph）來實現(xiàn)。在心電采集中，首先在體表放置多個測量電極，每兩個或多個電極形成具有一對電壓信號輸入的導(dǎo)聯(lián)。心電圖機(jī)包括輸入電路、心電信號放大電路、心電測量、心電記錄和電源等幾個部分組成。輸入電路完成導(dǎo)聯(lián)選擇、濾波、過壓保護(hù)等功能。前置和中間級放大電路完成對微弱心電信號的放大，功率放大電路用來驅(qū)動心電圖機(jī)中的記錄器從而完成對心電信號的記錄。

11/19/202294大連理工大學(xué)心電圖機(jī)11/9/202221大連理工大學(xué)電極電極的作用：是將體內(nèi)由離子介導(dǎo)的電流轉(zhuǎn)換為金屬導(dǎo)體中由電子介導(dǎo)的電流。材料：電極一般由在表面鍍貴金屬金、銀或鉻的銅或不銹鋼片制成。標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián)體系，是目前體表心電信號采集中經(jīng)常使用到的電極導(dǎo)聯(lián)方法。12導(dǎo)聯(lián)體系包括I、II、III標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)aVR、aVL、aVF，和單極胸壁導(dǎo)聯(lián)V1~V6，其中，3個標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)和3個加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)又稱為肢體導(dǎo)聯(lián)。具體的12導(dǎo)聯(lián)體系電極連接方法請見圖2.3。11/19/202295大連理工大學(xué)電極11/9/202222大連理工大學(xué)11/19/202296大連理工大學(xué)11/9/202223大連理工大學(xué)電極導(dǎo)聯(lián)方式V1導(dǎo)聯(lián)的正電極放置在胸骨右緣第4肋間；V2導(dǎo)聯(lián)的正電極放置在胸骨左緣第4肋間；V4導(dǎo)聯(lián)的正電極放置在第5肋間和左側(cè)鎖骨中線相交處；V3導(dǎo)聯(lián)的正電極放置在V2和V4連線的中點(diǎn)；V5導(dǎo)聯(lián)的正電極放置在左腋前線和V4水平線的相交處；V6導(dǎo)聯(lián)的正電極放置在左腋中線與V4水平線的相交處。V1和V2的正電極面對右心室，V3和V4的正電極面對室間隔及其附近的左右心室，V5和V6的正電極面對左心室。胸壁導(dǎo)聯(lián)的電極距離心臟很近，記錄的心電信號幅度大，在診斷心肌梗塞方面具有十分重要的作用。

11/19/202297大連理工大學(xué)電極導(dǎo)聯(lián)方式11/9/202224大連理工大學(xué)§2.2腦電信號（EEG）

概念腦電信號記錄的是大腦中大量神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行自發(fā)和節(jié)律性活動時所表現(xiàn)出的電位信號，可以在頭皮、腦皮層和腦皮層內(nèi)部記錄到得到，能在一定程度上反映大腦的功能狀態(tài)和信息處理的過程；腦電信號最早由德國精神科教授HansBerger（1873-1941）于1924年在他兒子的頭皮上獲得，并被其命名為electroencephalogram(EEG)。腦電信號具有無創(chuàng)性，用于很多疾病（如腦部腫瘤、癲癇、腦血管疾病以及一些精神性和神經(jīng)性疾?。┑脑\斷和治療中。11/19/202298大連理工大學(xué)§2.2腦電信號（EEG）概念11/9/202225大腦電信號的產(chǎn)生及其自發(fā)性和低頻性基于大腦中大量神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生并傳導(dǎo)動作電位、進(jìn)行信息交互和處理，從而導(dǎo)致的細(xì)胞膜外負(fù)電位在頭皮和腦皮層的表現(xiàn)。腦電信號具有自發(fā)性、節(jié)律性和低頻的特點(diǎn)。腦電信號的自發(fā)性是指在沒有特定外界刺激的情況下，腦電信號依然存在。自發(fā)產(chǎn)生的腦電信號伴隨整個生命過程，一旦生命停止，腦電信號也就消失了。腦電信號具有的低頻節(jié)律特點(diǎn)對應(yīng)于很多生理狀態(tài)，如，安靜、閉眼條件下，腦電信號會表現(xiàn)出明顯的10Hz左右的節(jié)律，而睜眼會阻斷這一節(jié)律，使得腦電信號表現(xiàn)出更高頻率的節(jié)律。11/19/202299大連理工大學(xué)腦電信號的產(chǎn)生及其自發(fā)性和低頻性11/9/202226大連理腦電信號的節(jié)律性腦電信號的節(jié)律性有兩方面的原因：一個是大腦神經(jīng)細(xì)胞放電的同步化；另一個是大腦中大量神經(jīng)元細(xì)胞的一致性排列。腦電信號中的節(jié)律性是大量神經(jīng)細(xì)胞節(jié)律性放電行為在時間和空間上疊加的表現(xiàn)。在時間上，腦電信號表現(xiàn)出的節(jié)律性要求大量的神經(jīng)細(xì)胞同時發(fā)生和停止放電行為。另外一方面，由于生物電場比較弱，且具有一定的方向性，這就要求同步放電的神經(jīng)細(xì)胞在空間的排列上要具有相同的方向。11/19/2022100大連理工大學(xué)腦電信號的節(jié)律性11/9/202227大連理工大學(xué)腦電信號的分類與特點(diǎn)腦電信號的幅度和頻率隨著在頭皮上的記錄位置和人體生理狀態(tài)的不同而有所不同。按照頻率腦電信號的波形基本上可以分為δ波、θ波、α波和β波等，如圖2.5所示。

11/19/2022101大連理工大學(xué)腦電信號的分類與特點(diǎn)11/9/202228大連理工大學(xué)各種正常腦電信號的波形圖11/19/2022102大連理工大學(xué)各種正常腦電信號的波形圖11/9/202229大連理工大學(xué)δ波δ波的頻率范圍為0.5~3Hz；其波形的幅度范圍為20~100μV；可以在顳葉和枕葉記錄到；一般情況下，δ波腦電信號只有當(dāng)人處于非清醒的狀態(tài)時才會出現(xiàn)，如，成年人在睡眠，或是處于極度疲勞、缺氧、麻醉狀態(tài)等情況時；因此，清醒狀態(tài)情況下出現(xiàn)的δ波屬于異常情況，可以用于對身體生理情況的評估。

11/19/2022103大連理工大學(xué)δ波11/9/202230大連理工大學(xué)θ波θ波的頻率范圍為4~7Hz；幅度范圍大約為100~150μV；一般出現(xiàn)在疲勞、困倦少年或成年人的額葉和頂葉；θ波腦電信號表明大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)處于抑制狀態(tài)。11/19/2022104大連理工大學(xué)θ波11/9/202231大連理工大學(xué)α波α波的頻率為8~13Hz，一般在成年人處于閉眼并安靜的狀態(tài)時出現(xiàn)。α波通常出現(xiàn)在枕部，另外，在顳葉和頂葉的后部也可以采集到α波。α波腦電信號的幅度在20μV和100μV之間，通常為50μV左右。α波腦電信號中的梭形波的周期長度大概為1~2秒。當(dāng)成年人睜眼時，α波消失，稱為α波阻斷。在人接受到聲音、視覺等刺激或進(jìn)行思維等大腦活動時，腦電信號也會出現(xiàn)α波阻斷的現(xiàn)象。

11/19/2022105大連理工大學(xué)α波11/9/202232大連理工大學(xué)β波β波的頻率在14Hz到30Hz之間，其幅度約為5~20μV;在人的大腦皮層處于緊張活動狀態(tài)時出現(xiàn)。在額葉和頂葉可以記錄到顯著的β波腦電信號，而枕葉和顳葉的β波由于混在幅度比較大的α波中而難以被檢測到。因此，α波阻斷有利于對β波腦電信號的觀察。β波是快波腦電信號，是大腦神經(jīng)細(xì)胞去同步化活動的體現(xiàn)，表征著大腦皮層處于興奮的活動狀態(tài)

11/19/2022106大連理工大學(xué)β波11/9/202233大連理工大學(xué)腦電信號的采集10-20標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)11/19/2022107大連理工大學(xué)腦電信號的采集11/9/202234大連理工大學(xué)腦電采集系統(tǒng)腦電信號的采集系統(tǒng)也包括傳感器前端、信號的放大處理和存儲等幾個部分。傳感器前端包括電極及其放置和導(dǎo)聯(lián)選擇；放大處理部分包括放大器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)化等；存儲部分包括計算機(jī)設(shè)備或其磁盤設(shè)備等；腦電信號采集系統(tǒng)中的信號放大和信號存儲等和其它生物信號的采集系統(tǒng)類似。還提供了大量的腦電信號的在線和離線分析工具供研究者使用。11/19/2022108大連理工大學(xué)腦電采集系統(tǒng)11/9/202235大連理工大學(xué)腦電放大器的要求腦電信號通常在微伏級別，因此對放大器、信號采集環(huán)境和受試者狀態(tài)的要求比較高。能放大微伏級別的信噪比較小、共模抑制比比較高、漂移比較低、輸入阻抗比較高、帶寬能滿足腦電信號的要求等；另外，腦電信號的采集環(huán)境要求有效接地，以便保護(hù)受試者、儀器、實驗人員以及避免引入更多的噪聲。通常受試者應(yīng)該盡量避免肢體的運(yùn)動，以便保證腦電信號不被肌電信號干擾淹沒等。

11/19/2022109大連理工大學(xué)腦電放大器的要求11/9/202236大連理工大學(xué)腦電采集需注意的問題為了方便實驗的進(jìn)行和確保電極位置的準(zhǔn)確，腦電信號的采集通常使用電極帽來進(jìn)行電極在頭皮上的放置。受試者在頭上戴上電極帽，保證位置正確；實驗人員在電極帽上的電極內(nèi)打上導(dǎo)電膏，并盡量做到導(dǎo)電膏和頭皮接觸的比較緊密，保證電極和頭皮之間的電阻在要求的范圍之內(nèi)；腦電信號的采集使用的電極起到電壓傳感器的作用，通常使用表面為Ag-AgCl的盤狀或表面電極為好。11/19/2022110大連理工大學(xué)腦電采集需注意的問題11/9/202237大連理工大學(xué)國際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)10-20系統(tǒng)在矢狀位上把鼻根和枕外隆凸連接形成中央線，其在頭皮頂端的中點(diǎn)標(biāo)記為Cz，Cz前后20%距離的位置分別標(biāo)記為Fz和Pz，距離鼻根和枕外隆凸10%的位置上也都標(biāo)記一個電極位置；在冠狀位上，由鼻根、外耳孔和枕外隆凸連接所形成的冠狀線上，以同樣的10%和20%的距離定位電極的放置位置。連接左右兩側(cè)對稱電極位置形成的橫線，通過中央線上相應(yīng)的電極，并在此電極左右兩側(cè)的20%分別定位電極位置，左側(cè)的電極以單數(shù)標(biāo)記，右側(cè)的電極以偶數(shù)標(biāo)記，如在頭皮中央?yún)^(qū)為例，中央電極為Cz，而左側(cè)的電極為C3，右側(cè)電極標(biāo)記為C4。11/19/2022111大連理工大學(xué)國際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)10-20系統(tǒng)11/9/202238大連理工大學(xué)腦電信號的應(yīng)用（1）腦電信號可以用于對某些疾病的診斷。當(dāng)血糖、體溫較低時，腦電信號中的α波頻率減小；而當(dāng)動脈血氧分壓降低時，α波頻率升高；癲癇患者的腦電信號中會出現(xiàn)異常高頻和高幅的成分，或是在高頻和高幅腦電波的后面跟隨一個慢波；通過信號處理等方法進(jìn)行分析和提取，腦電信號可以用于對癲癇的預(yù)測；另外，腦電信號還可以用于對麻醉深度的監(jiān)測，腦部腫瘤的定位，腦外傷、腦血管、顱內(nèi)炎癥和一些精神疾病等病癥的診斷當(dāng)中。11/19/2022112大連理工大學(xué)腦電信號的應(yīng)用（1）11/9/202239大連理工大學(xué)腦電信號的應(yīng)用（2）基于腦電信號的生物反饋治療技術(shù)在最近幾年中得到了極大的發(fā)展，在抑郁癥等精神疾病的治療中發(fā)揮了一定的作用。腦電生物反饋治療技術(shù)應(yīng)用操作性條件反射和閉環(huán)反饋治療儀器，以糾正某些腦電信號中失調(diào)的成分為目標(biāo)和指標(biāo)，來進(jìn)行精神狀態(tài)的長時間調(diào)整和保持，從而達(dá)到對精神疾病治療的目的。這一技術(shù)憑借恢復(fù)性訓(xùn)練進(jìn)行治療，在一定程度上克服了傳統(tǒng)服用藥物來治療精神疾病這一方法所帶來的較大負(fù)面作用，是對傳統(tǒng)方法的極大補(bǔ)充和突破。

11/19/2022113大連理工大學(xué)腦電信號的應(yīng)用（2）11/9/202240大連理工大學(xué)腦電信號的應(yīng)用（3）基于腦電信號的腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)是腦電信號應(yīng)用的一個比較新的技術(shù)，是運(yùn)動功能損傷的康復(fù)治療和運(yùn)動功能的輔助補(bǔ)充的有效手段，在臨床康復(fù)治療、游戲和軍事的運(yùn)動輔助等方面都具有非常重要的應(yīng)用價值。腦機(jī)接口技術(shù)通過對腦電信號進(jìn)行預(yù)處理、特征采集和模式識別等手段，在人的大腦和外部計算機(jī)等電子設(shè)備之間建立一個直接的信息交流和控制通道，不依賴于人體的外周神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉組織等正常運(yùn)動控制輸出通路，達(dá)到使用大腦的意識活動直接控制外部設(shè)備的目的。目前，腦機(jī)接口技術(shù)也逐漸應(yīng)用大腦皮層記錄的腦電信號來實現(xiàn)對大腦信息的采集。

11/19/2022114大連理工大學(xué)腦電信號的應(yīng)用（3）11/9/202241大連理工大學(xué)§2.3誘發(fā)電位信號（EP）概念當(dāng)某一特定的刺激（如聲音或光等）作用于人體的感覺系統(tǒng)時，大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)會產(chǎn)生與刺激具有一定相位差的電位，稱為誘發(fā)電位（evokedpotentials，EPs）。

11/19/2022115大連理工大學(xué)§2.3誘發(fā)電位信號（EP）概念11/9/202242誘發(fā)電位的產(chǎn)生各種誘發(fā)電位都具有特定的波形和相位，反映了相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)的功能。常用的誘發(fā)電位：皮層誘發(fā)電位是指在外加特定刺激作用于感覺系統(tǒng)時，在大腦皮層上某一區(qū)域誘發(fā)出的具有一定特點(diǎn)和規(guī)律的電位變化。是大腦皮層中椎體細(xì)胞的興奮性和抑制性突觸后電位在時間和空間上的綜合，可以在頭皮通過疊加平均的方法記錄到。皮層下誘發(fā)電位是由大腦皮層下面的中繼核團(tuán)神經(jīng)元群產(chǎn)生的突觸后電位和神經(jīng)元中的動作電位綜合形成。神經(jīng)纖維誘發(fā)電位是由特定刺激誘發(fā)的在感覺或運(yùn)動神經(jīng)元中傳導(dǎo)的動作電位，使用放置于神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)部或外部的電極來記錄。

11/19/2022116大連理工大學(xué)誘發(fā)電位的產(chǎn)生11/9/202243大連理工大學(xué)誘發(fā)電位的采集使用盤狀電極，其電阻值要在5kΩ以內(nèi)。雙極導(dǎo)聯(lián)或單極導(dǎo)聯(lián)，連接放大器。在采集誘發(fā)電位時，通常在前額放置接地電極，在耳垂或是肢體等非頭參考點(diǎn)部位放置參考電極。誘發(fā)電位的采集也可根據(jù)10-20標(biāo)準(zhǔn)來放置電極。誘發(fā)電位非常微弱，受到噪聲的干擾非常強(qiáng)烈。為了采集到較好的信號波形，通常使用疊加平均的方法。常采用N1、N2等分別代表依次出現(xiàn)的負(fù)相波，而使用P1、P2等來標(biāo)記依次出現(xiàn)的正相波。P300是指刺激后300ms時出現(xiàn)正相波。11/19/2022117大連理工大學(xué)誘發(fā)電位的采集11/9/202244大連理工大學(xué)誘發(fā)電位的應(yīng)用神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)與疾病檢測；聽覺閾值確定；中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳導(dǎo)功能的檢測；沖擊加速度實驗檢測神經(jīng)系統(tǒng)的耐受力11/19/2022118大連理工大學(xué)誘發(fā)電位的應(yīng)用11/9/202245大連理工大學(xué)§2.4肌電信號（EMG）人體的肌肉人體的肌肉組織分為骨骼肌、心肌和平滑肌三類，都是受到神經(jīng)支配的。骨骼肌受中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制，能產(chǎn)生隨意運(yùn)動，如肢體運(yùn)動、語言和呼吸等；心肌由竇房結(jié)產(chǎn)生的節(jié)律性興奮控制，其活動不是隨意的；平滑肌構(gòu)成體內(nèi)空腔器官的管壁，其運(yùn)動受到自主神經(jīng)的調(diào)節(jié)。11/19/2022119大連理工大學(xué)§2.4肌電信號（EMG）人體的肌肉11/9/2022神經(jīng)肌肉接頭示意圖11/19/2022120大連理工大學(xué)神經(jīng)肌肉接頭示意圖11/9/202247大連理工大學(xué)骨骼肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)示意圖11/19/2022121大連理工大學(xué)骨骼肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)示意圖11/9/202248大連理工大學(xué)肌電信號的產(chǎn)生神經(jīng)產(chǎn)生興奮最終引起并控制肌肉組織發(fā)生收縮和舒張運(yùn)動的過程是通過誘發(fā)肌肉細(xì)胞發(fā)生去極化產(chǎn)生動作電位來實現(xiàn)的。因此，肌肉的運(yùn)動總是伴隨著肌細(xì)胞的興奮過程，因而，在肌肉組織外部呈現(xiàn)出一定的負(fù)電位，這是在肌肉組織中或外部能夠測到肌細(xì)胞電信號的原因，所測量到的隨時間變化的電信號稱為肌電信號（electromyogram，EMG）

11/19/2022122大連理工大學(xué)肌電信號的產(chǎn)生11/9/202249大連理工大學(xué)肌電信號的特點(diǎn)當(dāng)肌肉處于放松狀態(tài)時，沒有動作電位產(chǎn)生，肌細(xì)胞膜周圍呈現(xiàn)出正常的狀態(tài)，因而，肌肉組織周圍的肌電信號應(yīng)該是處于基線水平的零值電位。在一個運(yùn)動單元的肌肉細(xì)胞因受到興奮而運(yùn)動時，產(chǎn)生的細(xì)胞膜外負(fù)電位會形成一個綜合電位。運(yùn)動單元電位按照電位信號離開基線的次數(shù)，可以分為單相（離開基線1次）、雙相（離開基線2次）、三相（離開基線3次）和多相（離開基線5次以上）。其總的持續(xù)時間一般為3~15ms，而峰峰值一般為100~2000μV，最高的不超過5mV

11/19/2022123大連理工大學(xué)肌電信號的特點(diǎn)11/9/202250大連理工大學(xué)肌電信號的采集肌電圖機(jī)一般是由電極、放大器、監(jiān)聽器、掃描器、刺激器等部分組成。針狀電極插進(jìn)肌肉當(dāng)中能夠記錄少量運(yùn)動單元所產(chǎn)生的肌電信號。將表面電極放在肌肉所在皮膚表面采集的肌電信號反映了電極下面局部區(qū)域內(nèi)的肌肉運(yùn)動情況。肌電圖機(jī)通常還包括電刺激器和同步采集信號的功能。肌電圖機(jī)中的放大器要求具有較高的電壓增益，較寬的通頻帶和輸入阻抗，并具有較小的噪聲和漂移。

11/19/2022124大連理工大學(xué)肌電信號的采集11/9/202251大連理工大學(xué)肌電信號的應(yīng)用肌電信號可以用于監(jiān)測和檢測肌肉組織的機(jī)能。例如：鑒別神經(jīng)性肌萎縮和肌源性肌萎縮，判別神經(jīng)損傷的程度和部位，研究各種情況下人體各個部位肌肉組織的功能是否發(fā)生變化等。肌電信號還能夠應(yīng)用于反饋治療，例如：通過肌電信號作為反饋，可以使得患者能夠主動松弛身體內(nèi)部的肌肉等。人體的肌電信號還可以作為控制外部設(shè)備的輸入信號，例如：很多研究已經(jīng)實現(xiàn)了使用肌電信號來控制假肢進(jìn)行運(yùn)動。

11/19/2022125大連理工大學(xué)肌電信號的應(yīng)用11/9/202252大連理工大學(xué)§2.5胃電信號（EGG）胃電信號的產(chǎn)生胃的活動是依靠平滑肌的運(yùn)動完成的。胃平滑肌的運(yùn)動受到自主神經(jīng)系統(tǒng)的控制。同肌電信號的產(chǎn)生機(jī)制類似，胃電信號是胃平滑肌細(xì)胞興奮過程中導(dǎo)致細(xì)胞膜外負(fù)電位在腹部體表的反應(yīng)。使用電極在人體的腹部皮膚表面記錄的胃平滑肌細(xì)胞的電活動，即胃電信號（Electrogastrogram，EGG），同其它生物電信號，如腦電信號和心電信號等，在頻率、幅度和波形上也都存在著較大的不同。

11/19/2022126大連理工大學(xué)§2.5胃電信號（EGG）胃電信號的產(chǎn)生11/9/20胃電信號的特點(diǎn)胃平滑肌細(xì)胞動作電位包含慢波和尖峰兩種信號。慢波信號具有重復(fù)出現(xiàn)的特點(diǎn)，其頻率大約為每分鐘3次，胃的收縮運(yùn)動通常發(fā)生在慢波之后的6~9秒。胃平滑肌細(xì)胞動作電位中的慢波最早出現(xiàn)在胃大彎上部，并逐漸地向胃的幽門傳播，同時，其速度和幅值在傳播過程中不斷增加。一般認(rèn)為，慢波完成起搏功能。胃平滑肌細(xì)胞動作電位中的尖峰信號產(chǎn)生于胃平滑肌細(xì)胞的收縮。尖峰信號的頻率約為每分鐘60次，隨機(jī)地疊加在慢波信號當(dāng)中，改變了胃電信號的幅度。

11/19/2022127大連理工大學(xué)胃電信號的特點(diǎn)11/9/202254大連理工大學(xué)胃電信號的波形11/19/2022128大連理工大學(xué)胃電信號的波形11/9/202255大連理工大學(xué)胃電信號的應(yīng)用由于不同的平滑肌動作電位導(dǎo)致的胃活動不盡相同，因而胃電信號在一定程度上能夠反映胃的生理狀態(tài)及其活動狀態(tài)。比如，胃電信號能夠非常好地反映胃節(jié)律性紊亂等功能性改變，而且，對于慢性胃炎和胃癌也有較高的特異性反應(yīng)。胃電信號同時也能夠反應(yīng)胃的活動狀態(tài)，而且此種方法具有無創(chuàng)性，容易被患者所接受。然而，由于胃電信號的信噪比比較低，因而其應(yīng)用還沒有廣泛的普及，沒有得到較多的臨床應(yīng)用。

11/19/2022129大連理工大學(xué)胃電信號的應(yīng)用11/9/202256大連理工大學(xué)胃電信號的檢測胃電信號的信噪比比較低，在腹部皮膚表面記錄的胃電信號當(dāng)中包含有大量的噪聲成分。因而在記錄胃電信號的各個環(huán)節(jié)要注意降低噪聲的影響，盡可能消除受試者、系統(tǒng)和環(huán)境帶來的干擾。在胃電信號的采集系統(tǒng)中，尤其應(yīng)該注意的電極和放大電路。盡可能使用Ag-AgCl電極，以便減小電極和皮膚電解質(zhì)之間形成的極化電壓。放大電路要求具有高輸入阻抗和共模抑制比，并且具有較低基線漂移和噪聲干擾。

11/19/2022130大連理工大學(xué)胃電信號的檢測11/9/202257大連理工大學(xué)§2.6心音信號（EGG）心音信號的產(chǎn)生心臟收縮舒張的過程，會產(chǎn)生心肌收縮、瓣膜關(guān)閉和血液在擠壓下向動脈的流動。此時，血液和心臟的腔室壁之間的沖擊會產(chǎn)生聲音，稱為心音。由于心音是由于心臟完成其泵血功能而產(chǎn)生的，因而能在一定程度上反應(yīng)心臟的功能狀態(tài)。另外，血液從心臟到鄰近大血管中的流動還會形成一定的湍流和渦流，這些物理現(xiàn)象也會產(chǎn)生一些振動音，稱為心雜音。當(dāng)循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生病變時，心音和心雜音將發(fā)生變化。11/19/2022131大連理工大學(xué)§2.6心音信號（EGG）心音信號的產(chǎn)生11/9/20心電與心音信號11/19/2022132大連理工大學(xué)心電與心音信號11/9/202259大連理工大學(xué)心音信號的特點(diǎn)（1）心音和心雜音的頻率范圍為0.1~2000Hz，由于其幅度非常低，通常都在人的聽覺閾值附近，因而很