電生理技術(shù)2015課件

電生理信號(hào)測(cè)量基礎(chǔ)上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院王成電生理學(xué)以作用于生物體的電作用和生物體所發(fā)生的電現(xiàn)象為主要對(duì)象的生理學(xué)的一個(gè)分支領(lǐng)域。細(xì)胞電生理神經(jīng)電生理視覺電生理心臟/心肌電生理電生理技術(shù)

electrophysiologicaltechniques測(cè)量、記錄和分析生物體發(fā)生的電現(xiàn)象（生物電）的技術(shù)研究生物體的電特性的技術(shù)。以各種形式的能量（電、磁、聲等）刺激生物體，并產(chǎn)生生物效應(yīng)的技術(shù)。生物電測(cè)量：用電極將微弱的生物電引出，經(jīng)生物電放大器將它放大，再經(jīng)示波器等顯示其波形并記錄下來，以便觀察、分析和保存。有關(guān)技術(shù)：①電極②生物電放大器③顯示和記錄④遙測(cè)技術(shù)。電腦在生物電信號(hào)的處理和分析中的應(yīng)用，不僅可以提高效率和測(cè)量精度，而且可以建立新的測(cè)量方法、開辟新的研究領(lǐng)域。生物體電學(xué)特性的測(cè)量：對(duì)生物體的電阻、電容和電感等參數(shù)的測(cè)量。利用某些系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的電表現(xiàn)來對(duì)這些系統(tǒng)本身的機(jī)能進(jìn)行分析，即分析某些電現(xiàn)象和功能之間的關(guān)系、功能單元之間的關(guān)系、刺激與反應(yīng)之間的關(guān)系。例：細(xì)胞的跨膜電位的變化強(qiáng)烈地改變著膜的電學(xué)特性，對(duì)跨膜電位進(jìn)行動(dòng)態(tài)的精確的控制，測(cè)量流過細(xì)胞膜的電流變化，這就是電壓鉗技術(shù)。它對(duì)于生物電產(chǎn)生和傳播過程的研究有重要意義。電流對(duì)生物體的作用：設(shè)計(jì)制造刺激器，使之能產(chǎn)生所需形式和參數(shù)的刺激能量；將刺激能量施加在欲刺激的部位上。電流的參數(shù)的確定：如強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間等，可精細(xì)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定，或由程序控制。電流給予的部位和方式。佩帶在正?；顒?dòng)的人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物身上，或埋藏在體內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作（如心臟起搏器）。Electrophysiology主題的不同研究方向的文獻(xiàn)出版篇數(shù)cardiovascularsystem每年出版文獻(xiàn)數(shù)cellbiology每年出版文獻(xiàn)數(shù)參考書F.Bretschneider和J.R.deWeille著，封洲燕譯：《電生理學(xué)方法與儀器入門》，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.9張日暉：《實(shí)用電生理基礎(chǔ)》。北京師范大學(xué)出版社，2011.1施瓦茨和雷迪根著，丁光宏和顧全保譯：《電生理學(xué)基礎(chǔ)（第二版）》，復(fù)旦大學(xué)出版社，2006.8一、生物電測(cè)量的技術(shù)基礎(chǔ)常見的生物電信號(hào)心電圖（ECG）腦電圖（EEG）肌電圖（EMG）視網(wǎng)膜電圖（ERG）/眼震電圖神經(jīng)電活動(dòng)記錄單細(xì)胞電活動(dòng)記錄/離子通道電活動(dòng)記錄生物電信號(hào)名稱幅值頻率范圍心電0.1

5mv0

100Hz腦電5

50μv0.5

60Hz肌電20μv

30mv10

3000Hz胃電50μv

2mv0.001

20Hz視網(wǎng)膜電50μv

200μvDC

20Hz1.1生物電位分類單細(xì)胞電位局部組織電位體表電位自發(fā)電位（自身）誘發(fā)電位（外加刺激）細(xì)胞膜電位：

靜息電位-70mV電壓鉗電路RE實(shí)際運(yùn)算放大器-+AVoV-V+Vo=A(V+-V-)Vo=V+-+ARfVo=IfRfIf電壓鉗電路膜片鉗電路典型的膜片鉗微電極的電阻為0.5-50MΩ，只需一根電極就可以控制電位，在電流通過的時(shí)候同時(shí)可以進(jìn)行電壓測(cè)量。IM=VF/RFIM單細(xì)胞電位體表電位單個(gè)細(xì)胞可以看作一個(gè)電偶極子，由細(xì)胞組成的組織和器官可以看作是電偶極子的集合，身體可以看作容積導(dǎo)體，這樣，在體表就可以檢測(cè)到變化的電位。電偶極子和體表電位變化+-相對(duì)電位和“絕對(duì)”電位相對(duì)電位是指兩紀(jì)錄電極電位之差；“絕對(duì)”電位是指記錄電位和“零”電位之差。+-+-導(dǎo)聯(lián)體表電極安放在不同位置所測(cè)得的波形是不同的。按某一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定安放體表電極并連線——導(dǎo)聯(lián)12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)（10個(gè)電極）心電圖導(dǎo)聯(lián)記錄兩個(gè)電極之間的電位差差分放大器DifferentialAmplifier要考慮最大電極電位差和直流飄移心電標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)找到中心電位測(cè)量“絕對(duì)電位”多個(gè)電極的電位取均值作為中心電位。把中心電位作為測(cè)量的零電位。胸導(dǎo)聯(lián)加壓肢體導(dǎo)聯(lián)監(jiān)護(hù)電極及其安放RA、LA分別對(duì)應(yīng)右上肢和左上肢，置于胸骨兩側(cè)第一或笫二肋間。RL、LL分別對(duì)應(yīng)右下肢和左下肢，置于腋前線的劍狀軟骨水平。V對(duì)應(yīng)胸導(dǎo)聯(lián)。

腦電電極放置法其特點(diǎn)是：電極有各自的名稱：位于左側(cè)的是奇數(shù)，右側(cè)的是偶數(shù)。按近中線的用較小的數(shù)字，較外側(cè)的用較大的數(shù)字。電極名稱包括電極所在頭部分區(qū)的第一個(gè)字母。諸點(diǎn)電極的間隔均以10%和20％來測(cè)量。世界上絕大多數(shù)腦電圖實(shí)驗(yàn)室采用的是國際10-20系統(tǒng)(the10-20internationalSystem)電極放置法利用腦電圖確定位病灶和診斷病情，并非只由一對(duì)電極來實(shí)現(xiàn)，而是要用多對(duì)電極(多個(gè)導(dǎo)聯(lián))，根據(jù)不同的情況和要求，連接成不同的方式，記錄多個(gè)波形，分析這多個(gè)波形的基本特征和相互聯(lián)系才能完成病灶定位和疾病診斷。這就要求腦電圖機(jī)有多個(gè)放大器，同步記錄8、16或32導(dǎo)波形。EEG/ERP記錄系統(tǒng)Neuroscan128導(dǎo)EEG/ERP記錄系統(tǒng)為腦科學(xué)的研究提供了很好的技術(shù)和研究平臺(tái)，而且還有和磁共振結(jié)合研究的工具。現(xiàn)有512導(dǎo)的記錄系統(tǒng)和全新的腦電研究的方法，誘發(fā)電位

:（EvokedPotentialResponse)幅度：0.1~10μv視覺體感聽覺誘發(fā)1.2.生物電信號(hào)的特點(diǎn)生物系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)通?？偸沁B續(xù)信號(hào)。實(shí)際生物信號(hào)總是不有一些不確定的噪聲或參數(shù)變化，因而是不確定性的。休息時(shí)的正常心電圖看上去幾乎是周期性的，然而P波，QRS波的精確形狀并完全不相同，各個(gè)QRS波的間隔（心率）也不相同，R-R間期，也即心率變異（HRV）程度是預(yù)測(cè)心臟健康的一個(gè)指標(biāo)。特點(diǎn)1.信號(hào)微弱

最大的是心電QRS波1-5mv

小的如誘發(fā)電位0.1-10μv

希氏束電位1μv左右特點(diǎn)2.信號(hào)的頻率低信號(hào)的頻率：信號(hào)變化的快慢

快變化信號(hào)——頻率高生物電信號(hào)大部分都在幾百赫茲以下的超低頻段時(shí)間域和頻率域50Hz的信號(hào)是指每秒鐘交變50次。信號(hào)的頻譜概念50HzHzt生物電信號(hào)名稱幅值頻率范圍心電0.1

5mv0

100Hz腦電5

50μv0.5

60Hz肌電20μv

30mv10

3000Hz胃電50μv

2mv0.001

20Hz視網(wǎng)膜電50μv

200μvDC

20Hz特點(diǎn)3.強(qiáng)噪聲背景（信噪比?。?0HZ噪聲：①電磁場(chǎng)噪聲②電源電壓產(chǎn)生的噪聲其他信號(hào)的干擾：誘發(fā)腦電時(shí)自發(fā)腦電的干擾胎兒心電時(shí)母體心電的干擾元電件噪聲：熱噪聲、PC結(jié)噪聲——提高信噪比特點(diǎn)4.統(tǒng)計(jì)性和不可接通性正常值有范圍探頭的進(jìn)入破壞內(nèi)環(huán)境特點(diǎn)5、包含深層次的信息：深層次信息的含義有強(qiáng)干擾下的動(dòng)態(tài)信息提取，從體表上收集到的各種信號(hào)中提取生物體內(nèi)各器官的信息、內(nèi)部各組織的信息、以至細(xì)胞層次和分子層次的信息，以及各系統(tǒng)、各層次內(nèi)的信息和相互之間的聯(lián)系。例如:瞬時(shí)心率含有植物神經(jīng)活動(dòng)的大量消息(交感神經(jīng)、副交感神經(jīng)、迷走神經(jīng))從頭皮上拾取的腦電信號(hào)隱含著大量腦工作的信息。1.3。生物電信號(hào)的檢測(cè)電信號(hào)幾個(gè)要素電壓U電流I阻抗R頻率F-頻率響應(yīng)噪聲N-信噪比S/NRUI歐姆定律：U=IR單位：伏特V=安培A歐姆電位1電位2傳感器模擬信號(hào)調(diào)理信號(hào)數(shù)字化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示數(shù)字信號(hào)處理需觀察的參數(shù)圖2.1生物信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖電極生物電信號(hào)的拾取采用電極。由于電極是將體內(nèi)原始的離子電流轉(zhuǎn)換為電子電流，實(shí)質(zhì)上也是一種傳感器。微電極玻璃微電極金屬微電極。微電極的尖端直徑小于1微米，也可大至幾微米。玻璃微電極的尖端由于電阻很高（在5～100兆歐之間），而引起信號(hào)衰減，高頻失真等。所以微電極放大器需具有極高的輸入電阻和減小輸入電容的補(bǔ)償電路，使生物電能保真地放大。微電極插入細(xì)胞體內(nèi)記錄時(shí)，對(duì)放大器的偏流須有嚴(yán)格的限制（如應(yīng)小于10-11A），以防止漏電流對(duì)細(xì)胞興奮性的影響。體表電極材料：體表檢測(cè)生物電信號(hào)時(shí)通常使用銀-氯化銀電極，這種電極的噪聲較小。其它常用的有不銹鋼、銀、鉑金、金等。形狀：針狀電極、平面電極、浮式電極等。也可分為單電極、多電極、矩陣電極等。電極的安置固定方法對(duì)檢測(cè)效果很重要。信號(hào)調(diào)理（SignalConditioning）把由電極拾取的生物信號(hào)調(diào)理到適合于線性記錄或顯示?，F(xiàn)今，通常是使之適合于A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化放大：用電子電路將信號(hào)變化的幅度增大；濾波：去除噪聲和補(bǔ)償因傳感器造成的信號(hào)失真。線性補(bǔ)償；有些儀器是用電氣隔離設(shè)計(jì)來保證電器安全等。由于信號(hào)調(diào)理的主要作用是將生物信號(hào)進(jìn)行無失真的放大，習(xí)慣上也將生物信號(hào)調(diào)理電路稱為生物信號(hào)放大器。1.4。生物電放大器的技術(shù)特性生物電放大器的要求（特點(diǎn)）1.采用差分放大器2.高增益（gain）3.低噪聲4.高輸入阻抗5.合適的通頻帶6.電氣隔離和保護(hù)1、雙端輸入單端輸出:采用差分放大器DifferentialAmplifier要考慮最大電極電位差和直流飄移2、輸入抗阻（inputresistance）信號(hào)內(nèi)阻電壓/流RinVinRsVsRinVin=VsRs+Rin如Rin>>Rs則Vin=Vs如Rin=Rs則Vin=1/2Vs要求Rin>10Rs，至少大于2MΩ輸出抗阻越小越好3、共模抑制比差模信號(hào)共模信號(hào)(common-mode)共模抑制比CMRR=-+A-+AVcV0=AD（V2-V1）V0=AcVcADACCommon-modeRejectionRationADCMR=20lg分貝

dbACV2V1①差分放大器在理想情況下

Ac=0CMRR=∞②100dB=105

即100,000倍

60dB=103

即1,000倍ADACADAC③實(shí)際情況☆Op的不平衡及電路不完全對(duì)稱

Ac≠0（內(nèi)部不平衡）☆電路電纜輸入不平衡共?！钅＃娐凡黄胶猓铍姶艌?chǎng)對(duì)電路的影響及電源等的問題（電源及外界干擾）4、噪聲來自放大器的元器件：熱噪聲、PN結(jié)噪聲等初級(jí)放大器的噪聲將隨著信號(hào)一起放大。通常輸出端測(cè)量到的噪聲需要折合到輸入端進(jìn)行比較。其它干擾有共模噪聲和其它生物電干擾。降低共模噪聲的辦法提高共模抑制比提高輸入抗阻屏蔽良好的接地（或共用端、隔離電路）右腿驅(qū)動(dòng)或屏蔽驅(qū)動(dòng)隔離電源或浮動(dòng)電源良好的電路設(shè)計(jì)和布局信號(hào)處理:濾波（合適的頻響范圍）同步疊加5、頻響儀器的頻率特性幅頻特性和相頻特性（相位失真）1.儀器頻響范圍必須包括興趣信號(hào)的頻率范圍。2.儀器的頻響不能突變3.記錄器的影響熱筆、描筆、光筆、磁帶、示波器507070%通帶阻帶-3dB濾波器特性1.5。信號(hào)的數(shù)字化A/D轉(zhuǎn)換器用于將生物信號(hào)由連續(xù)的模擬波形轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的電子器件。原先由傳感器檢測(cè)出來并經(jīng)過放大和濾波后的模擬波形是連續(xù)信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成了離散的數(shù)字信號(hào)。所謂離散信號(hào)由一系列數(shù)字組成的序列。用A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行信號(hào)采樣時(shí)需要考慮的兩個(gè)問題：用幾位二進(jìn)制數(shù)來表示采集到的電壓幅值？采樣的時(shí)間間隔應(yīng)該為多少是合適的？用幾位二進(jìn)制數(shù)來表示信號(hào)幅度位數(shù)越長(zhǎng)對(duì)信號(hào)幅度的分辨率高，或精度越高。16位A/D轉(zhuǎn)換器比8位A/D轉(zhuǎn)換器的精度高。但受到器件和技術(shù)的限制。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率由輸入模擬信號(hào)的電壓范圍除以A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)值范圍所決定。數(shù)值范圍是：2（位數(shù)）-1。當(dāng)輸入信號(hào)的電壓范圍為10V，8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是：量化誤差數(shù)字化后的采樣值以二進(jìn)制的形式被儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)或由計(jì)算機(jī)處理，每一個(gè)采樣下來的數(shù)據(jù)必須被量化，即將采樣值轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)。而二進(jìn)制數(shù)表示的精度受A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)長(zhǎng)度的限制，如8位、12位、16位等。用量化值來近似采樣值而產(chǎn)生的誤差就是量化誤差，量化誤差小于最小分辨率的二分之一。量化誤差由于量化的結(jié)果是把尾數(shù)按四舍五入處理，對(duì)于有m位、輸入電壓范圍是Vmax的A/D轉(zhuǎn)換器，有0至2m-1共2m個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)的增量為δ=Vmax/2m-1，那么，量化的最大誤差就是emax(nT)=

δ/2。

A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越長(zhǎng)則量化噪聲越小，精度越高。應(yīng)合理的選擇輸入電壓范圍和A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來控制量化誤差在允許的范圍之內(nèi)。量化誤差Quantizationerror放大器增益與量化誤差減小量化誤差：1.增加A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)；2.增益匹配采樣的時(shí)間間隔A/D轉(zhuǎn)換器中的兩個(gè)主要過程：量化。采樣采樣是指每隔T秒所記錄的x(t)

的幅值。設(shè)x(t)是模擬信號(hào)，將采集到的幅值用x(kT)表示，其中k表示數(shù)據(jù)序列中的采樣位置，k=0,1,…N-1，（N是數(shù)據(jù)序列總的采樣數(shù)）。T稱為采樣間隔，采樣率為1/T（Hz）。納奎斯特（Nyquist）定理采樣后的數(shù)字信號(hào)必須要能精確的描述原來的模擬信號(hào)。如果采樣率太低會(huì)造成數(shù)字信號(hào)失真。納奎斯特定理要求最小采樣頻率應(yīng)該是原始模擬信號(hào)的最高頻率fmax的兩倍。即fnyquist=2

fmax例：ECG信號(hào)的頻率范圍是0.5-100Hz，那么它的最低采樣頻率應(yīng)是：fnyquist=2

100Hz=200次采樣/秒。采樣率過低造成的信號(hào)失真1.6。濾波和濾波器濾波器分類按濾波器的通頻帶可把濾波器分成四類：低通濾波器(LowPassFilter,LPF)，高通濾波器(HighPassFilter,HPF)，帶通濾波器(BandPassFilter,BPF)陷波濾波器(NotchFilter,NF)，濾波器的用途低通濾波器常用于去除生物電信號(hào)中的高頻噪聲如肌電噪聲。高通濾波器常用于去除生物電信號(hào)中的基線漂移。帶通濾波器是上述二種濾波器的綜合應(yīng)用。陷波濾波器常用于去除生物電信號(hào)中的50Hz工頻干擾。通帶、阻帶、截止頻率(上)Frequencyresponseplot(幅頻響應(yīng)曲線)(左)TheBodeplotofafirst-orderButterworthlow-passfilter數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器是指在計(jì)算機(jī)中用軟件實(shí)現(xiàn)的對(duì)數(shù)字信號(hào)的濾波。它比模擬濾波器具有靈活，精度高等優(yōu)點(diǎn)。按濾波函數(shù)是否遞歸可分為：非遞歸濾波器(NonrecursiveFilter)遞歸濾波器(RecursiveFilter)平滑濾波器(Smoother)最簡(jiǎn)單的FIR濾波器，它實(shí)際是一個(gè)LowPassFilter。它的多項(xiàng)式系數(shù)是：3點(diǎn)平滑——1/4（1，2，1）5點(diǎn)平滑——1/35（-3，12，17，12，-3）7點(diǎn)平滑——1/21（-2，3，6，7，6，3，-2）[b0,b1,b2,……bM]’yn非遞歸濾波器也稱有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器(FiniteImpulseResp