电子医疗仪器慢变信息的检测

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1、第二章 人体固有慢变信息的检测 人体固有慢变信息是十分丰富的。这里面 有生物电方面；有力、加速度、温度、声 音以及化学方面（如PH值、浓度等等）； 还有血液方面的一系列信息。 第一节 人体固有信息的提取 从电子检测的角度看，只有将所有收集到 的信息转变为相关的电量，才有可能应用 电子技术，其检测方案如图1。 人体固有（潜存）信息，大量是慢变化的 小信号，所以从电子技术角度来看，这类 信息主要是低频以至直流的微信息，亦即 属于直流放大这一范围的内容。电信号热、力、光 、 运动等人体非电量传 感 器电抗等驱动电极 直测电 压处理单 元(如放 大器)记录或 显 示图1 人体固有慢变信息的检测方案 人

2、体固有慢变信息提取主要有两种方法： 1、利用传感器接收非电的人体固有信息，并将 之转为电参量（如电抗、电压等）。 传感器种类很多，其功能是将非电量（如热、力 、运动（位移）、光等）转为电参量（电流、电 压或其他电参量，如阻抗等），有一部分传感器 能够把非电量直接转换成电压（或电流），我们 称之为有源传感器。因为这类传感器的输出就是 电压，所以不必用“源”的驱动转换就可以直接进 行放大处理，如压电、光电等；另一部分，传感 器则不是转为电压，而是输出如电阻、电感、电 容等电参量。这需要另外再被“源”驱动后才能转 换成电压进而被放大处理器所接受。 有源传感器包括光电传感器、热电传感器 热电偶、压电传

3、感器、电磁感应传感器 、驻极体传感器、离子敏感场效应管传感 器。 物理式无源传感器包括光敏电阻、热敏电 阻、压敏电阻。 位移式无源传感器包括位移-电阻式传感器 、位移-电感式传感器、位移-电容式传感器 。 2、信息本身就是电信号，可以用电极直接 提取。 医学上利用电极来直接检测人体的固有信 息主要用在生物电的检测方面。生物电极 的种类很多，有体外的，也有体内的，直 至伸到细胞内的微电极。不要把电极看成 像引线一样接通“电”就完事那么简单，不同 电极使用方法有很大差异。 第二节 临床应用中人体固有信息的研究方法 当前医学上对人体固有信息的研究方法重点都放在直 接模拟出这些信息，但也开始一些新的研

4、究方法。 1、信息时域单项特定参数的研究 人体固有信息一般是连续出现的，但由于技术水平的 限制或某些要求不高的情况，只要求取出某一瞬间的 信息，或某一方面的特征来进行研究。这也是医学应 用上常见的。通常有信息量值（幅值）、周期（频率 ）、相位等方面的研究。 (1)信息量值方面：信息的瞬时值、信息的平均值、峰 值、谷值、信息转折点值，在某指定间隔中出现的波 形幅值的平均值。 (2)周期与频率方面：周期时间与频率数，相移值的检 测。 2、信息的模拟 人体固有慢变信息是随时间变化的，而且通常是 周期性的。所以应模拟出信息随时间变化的关系 ，即信息的波形（心电图、心音图）。 3、信息的频率分析 (1)

5、限制频带的频率分析 这就是所说的滤波处理。这方面工作当前开展比 较多的是对心音图的信息处理。还有如脑电图的 滤波和高频心电图的研究都属于这一类工作。 (2)幅度频率谱分析 4、信息的功率分析 这里的分析方法是深入到信息的能量问题 中，从能量、功率的角度来研究信息。 (1)平均功率 信息的平均功率是将一段时间内信息的总 能量被这段时间除，只有周期性的信息在 一周期内发生的功率的平均才有可能代表 这一信息特征的意义。从医学仪器分析看 ，所有的信息都转化为电压的信息。 (2)平均功率谱和能量密度。 (a)平均功率谱 （对于周期信号） (b)能量密度。 信息为非周期信号时。信息每单位频率的 能量称为能

6、量密度。第三节 人体固有慢变信息的转换和信号处理 被检测的信息通过电极、换能器（传感器）提取 之后，得到的已都是电参量。但这些电参量有的 是电压，有的是电流，有的是电学量，如电阻、 电容、电感、相位等等，而且都是极其微弱的慢 变化量。所以要将其转换为可以利用的慢变电压 ，进而放大成较大的模拟量而被记录、显示、测 量。 1、信息的电压转换 由电极或传感器出来的电参量要变得能被电压放 大器接收的中心问题要将上述的各种电参量都转 换为电压量。 (1)电压直测式：传感器输出本身就是电压，可以 直接输入直流电压放大器进行放大，要求放大器 相对内阻有比较高的输入阻抗。 (2)驱动式阻抗电压转换: 这种方法

7、就是用一个驱动电源对换能器（传感器 ）提取的阻抗信息Z供电，这样在Z两端就得一定 的电压。回路中串上较大电阻（阻抗）Z1 来保证 驱动源为恒压，可从Z两端输出，但通过Z1 放大 器的适应性会更好。 传感器 Z Z Z1 输出 Us驱动电源 为提高Z对转换压V的灵敏度，希望Z与Z1相 差不太大，一般选择驱动源内阻比较合适。 (3)电流的电压转换。 (4)相位差的电压转换。 2、信息处理 (1) 差值法 由于从人体检出的慢变信息通常包括有固定的直 流和交流信号，而我们真正研究的对象仅是其中 的一部分，这种方法的中心是将被测电压和可变 源（基准）相差后才进到放大器。 (2)非线性整流处理 整流处理是

8、非线性限幅处理的一种。整流处理主 要适用于信息特定参量检测用表头显示其量值的 技术中。 (3)线性处理 其输入和输出的关系是线性的，至少也得对某频 率是线性的，微分、积分、滤波等等。 (4)信息的增强 要想把微弱的慢变信息达到可被观察或指示的程 度，信息的增强是十分重要的处理技术。这里主 要包括各种放大技术，但不仅包含波形的放大， 因为有时还要放大中进行转换等等。电荷放大、 对数放大、线性直流放大。 第四节 近代医学信号处理系统 前面所讨论的医学信息处理，基本上都把信号看 成是确定性的，大量的还看成是周期性的。这是 当前临床讨论的主要前提。如心电图，都看成是 周期性的，每周信号是重复而且稳定的

9、。然而， 随着技术的发展，进一步研究的深入，就可以很 容易发现医学信息本身并不是这样的。它明显具 有二大特点：一是随机性强，因为影响医学信号 的因素非常之多，如做心电图是因人而异的，就 是同一个人，当这个人突然看到什么，或有什么 活动，信号都在变化中。因此准确地讲，医学信 号是随机信号，而且它具有的统计特性也是随时 间变化的非平稳性的。二是噪声背景强，噪声是 指非研究对象的信号和干扰在观察值中的表现。 一般生理电信号总是伴随着由于肢体动作 、精神紧张等带来的假象，而且还常混有 较强的工频共模干扰等等。考虑这二个新 问题后，以上的医学信号处理的办法就不 好直接应用了，应该应用医学信号统计处 理方

10、法，建立新的处理系统进行医学信息 的研究。 1、医学信号统计特征的描述及取得 主要统计特征包括：数字特征、自相关函 数、功率谱密度三种。 2、淹没在噪声中医学信息的检测与提取。 上面对医学统计信号特征做了估计，这其 实是统计信号处理的主要内容，也是淹没 在噪声中医学信息检测估计的重要部分。 在统计信号处理中的“检测”是证明信息的存 在，如果信号波形是未知的，就只要判断 波形的存在与否，即是检测问题，主要的 处理方法是匹配滤波等。而从噪声背景中 提取未知确定性信号的一种常用又比较简 单易懂的方法是平均法。 许多医学信号都是幅度很小被淹没在很大 噪声分量中的信号。如果噪声分量的频率 比信号频率高或

11、低，则可以用普通的滤波 技术予以分开，但若信号的频率分量与噪 声的频率分量重迭的话，滤波就不能用了 ，这种场合用平均方法可以改善信噪比， 提取与噪声不相关的确定信号。 3、近代医学信号处理系统的临床应用 (1)信号平均器:这是一个通用的梳状数字 滤波器系统，它应用微机可以完成上述平 均工作的滤波器，可以提取各种淹没在噪 声中的医学信号。 (2)希氏束电图：它是心脏传导组织希氏束 产生的电活动，在体表反应幅度仅为1- 10uV，且往往埋于各种噪声之中。以前是 用创伤性的导管检测，它的体表检测就是 应用现代医学信号处理技术的一个成功。 (3)胎儿心电：由于胎儿心脏在母体腹腔内部，其 心电信号传至母

12、体表，中间要经很多肌层，它们 的导电性能又有很大差异，所以也只能用统计信 号处理的办法提取，常见的有相干平均法等获得 胎儿心电信号。 (4)诱发脑电（肌电）的提取：在这种诱发响应的 提取中，其噪声就不是通常想象的噪声，而是脑 电肌电的本身信号，而我们要提取的是各次刺激 以后脑电、肌电变化部分。因此这时噪声和信息 是相关的，所以如果也用相干平均法还应是信噪 相关情况下的处理方法。 第五节 关于人体慢变微信息处理中的 干扰问题 由于生物电和人体信息转换来的电信号大 量是微弱的，因此，周围电磁场的干扰与 之是可比拟的数量级，这就不能不把干扰 问题放到重要的地位来讨论。干扰源从频 率上分可以有：很高频

13、率的辐射干扰，甚 低频到接近直流的体现在基线漂移上的干 扰，以及介于生物电频谱中间的50Hz干扰 。 1、高频辐射干扰 这通常是指远场高频率的干扰。对于一般 的生物电来讲，频带的高限都在1KHz以下 。因此，人体慢变微信息的检测，可以用 低通滤波器。 2、基线的漂移零点漂移 这里不包括开路瞬态由RC常数带来的基线波动， 而是来自极慢干扰的基线漂移。这一干扰来自输 入端耦合进来的慢速或直流微小电压。由于直流 放大器对这些小电压在频率上是畅通的，具有很 大的增益，因而在放大器的输出端将产生一较大 的直流电压或极慢变化的电压，附加在输出信号 上。这就引起基线的漂移。这一现象通常是因为 器件在工作中温度升高后参数发生变化所致。此 外，由于人体是个高内阻信息源，而且这个内阻 也会发生变化（如人体同一部位的阻抗可以在2- 150K范围内变动），这使得输入支路不平衡（ 指双端式）这里包括了如摄取生物电的极化电势 差异带来的阻抗不同等。这些都会引起基线的不 稳定或漂移。 消除办法：主要应从上述产生漂移的原因 入手。如严格选择元件，主要工作部件的 温度控制；另外，如果被检测信息的频带 下限比较高，还可以用低通滤波的办法把 慢漂移部分滤除。