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1、医学信号处理的原理和方法曹曹曹曹 银银银银 祥祥祥祥Dept.ofPhysiology&PathophysiologyDept.ofPhysiology&PathophysiologyShanghaiMedicalCollegeShanghaiMedicalCollegeFudanUniversityFudanUniversity第二讲医学信号概述2-1 2-1 医学信号的类型医学信号的类型2-2 2-2 生物电信号的产生生物电信号的产生2-3 2-3 生物电信号在生物体内的传导生物电信号在生物体内的传导2-4 2-4 生物电信号的频、幅特性和内、外源性干扰生物电信号的频、幅特性和内、外源性干
2、扰2-5 2-5 生物电信号对放大器的要求生物电信号对放大器的要求 2-1 医学信号的类型主动信号主动信号 （1 1）电信号如：心电、脑电、肌电、皮肤电等。）电信号如：心电、脑电、肌电、皮肤电等。 （2 2）非电信号（经换能器转换成电信号）。）非电信号（经换能器转换成电信号）。如：血如：血 压、呼吸、体温、脉搏等。压、呼吸、体温、脉搏等。被动信号被动信号超声波、同位素、线等。如超声波，被超声波、同位素、线等。如超声波，被测物的信息将通过回波信号的幅度、频率及相测物的信息将通过回波信号的幅度、频率及相位来表现。位来表现。医学研究中经常涉及的信号n nECGECG、脉搏波和心音图、脉搏波和心音图n
3、 n动脉压、中心静脉压和左心室内压动脉压、中心静脉压和左心室内压n n呼吸波呼吸波n n中枢和外周神经放电中枢和外周神经放电n n血流图和心动图血流图和心动图n n生物磁、生物光和生物声生物磁、生物光和生物声n n图像和其他理化信息图像和其他理化信息2-2 生物电信号的产生生物电现象生物电现象n n海洋中的电鳐能发电，古罗马人利用这种电来治疗海洋中的电鳐能发电，古罗马人利用这种电来治疗精神病患者。精神病患者。n n非洲电鳐能产生非洲电鳐能产生350350伏的电压。伏的电压。n n北大西洋的巨电鳐。能产生北大西洋的巨电鳐。能产生3 3千瓦功率的电脉冲。千瓦功率的电脉冲。n n捕蝇草、降藻、轮藻、
4、含羞草等植物中也存在生命捕蝇草、降藻、轮藻、含羞草等植物中也存在生命电现象。科学家们用类似于测量动物神经的精细测电现象。科学家们用类似于测量动物神经的精细测量方法，测量出蚕豆根周围的电场，它的量值是相量方法，测量出蚕豆根周围的电场，它的量值是相当微弱的，假如能把蚕豆根的能量集中起来，则一当微弱的，假如能把蚕豆根的能量集中起来，则一千亿个蚕豆根所产生的电能总和，只能供给一个一千亿个蚕豆根所产生的电能总和，只能供给一个一百瓦的灯泡发光百瓦的灯泡发光 。n n1780179417801794年，在蛙的神经肌肉标本上研究生物电。年，在蛙的神经肌肉标本上研究生物电。 人体活组织的每一个活动都伴随有人体活
5、组织的每一个活动都伴随有电现象。如神经传导、肌肉兴奋、心脏电现象。如神经传导、肌肉兴奋、心脏跳动、大脑活动以及腺体分泌等等生理跳动、大脑活动以及腺体分泌等等生理过程，都产生相应的电变化。过程，都产生相应的电变化。 对生物电的研究已成为了解生命活对生物电的研究已成为了解生命活动、研究生物功能、诊断疾病的可靠依动、研究生物功能、诊断疾病的可靠依据。据。 生物电是如何产生的呢？任何动物组织，都是由一群细胞以及浸浴它们任何动物组织，都是由一群细胞以及浸浴它们的细胞间液所组成，所以要研究人体的生物电的细胞间液所组成，所以要研究人体的生物电必须从讨论人体细胞的电性质和他们之间产生必须从讨论人体细胞的电性质
6、和他们之间产生的电变化着手。的电变化着手。细胞静息电位细胞内液和细胞外液中主要离子的浓度和电位组组织织离子离子细胞外液细胞外液胞浆胞浆平衡电位平衡电位静息电位静息电位（mmol/Lmmol/L） （mmol/Lmmol/L） （mVmV）（mVmV）枪乌鰂大神经枪乌鰂大神经NaNa+44050+556044050+5560KK+20400752040075ClCl-56052605605260有机负离子有机负离子385385 哺乳动物骨骼肌哺乳动物骨骼肌NaNa+14512+679014512+6790KK+415598415598ClCl-120490120490有机负离子有机负离子1551
7、55细胞膜结构电化学驱动力=电位差驱动力+浓度差驱动力K+平衡电位（K+equilibriumpotential,EK）NernstNernst方程式方程式膜电位计算公式式中：Em为膜电位；gk、gNa和gCl分别为膜的钾电导、钠电导和氯电导；g为gk、gNa和gCl之和；EK、ENa和ECl分别为K+、Na+和Cl的平衡电位。动作电位静息电位是神经细胞，肌纤维在机体内实现其静息电位是神经细胞，肌纤维在机体内实现其特殊功能的先决条件。特殊功能的先决条件。当神经和肌肉细胞受到外来的刺激时，不管刺当神经和肌肉细胞受到外来的刺激时，不管刺激的性质是电的、化学的、热的或机械的，只激的性质是电的、化学的
8、、热的或机械的，只要达到一定强度，就会引起细胞膜电位的变化，要达到一定强度，就会引起细胞膜电位的变化，膜电位达到阈值时便产生动作电位。膜电位达到阈值时便产生动作电位。动作电位的传导2 23 3生物电信号在生物体生物电信号在生物体内的传导内的传导组织和细胞是一个复杂的电解质导体电阻特性电阻特性对于大多数哺乳动物而言，细胞质的电阻率约为对于大多数哺乳动物而言，细胞质的电阻率约为300300.cm.cm；而；而单位面积的细胞膜电阻，多数在单位面积的细胞膜电阻，多数在110k110k.cm.cm。电容特性电容特性多数细胞的膜电容都在多数细胞的膜电容都在1 1F Fcmcm2 2左右。左右。 细胞电在容
9、积导体内产生的电位变化在容积导体的不同位置在容积导体的不同位置 记到的电偶极子产生的电位记到的电偶极子产生的电位2-4 生物电信号的频、幅特性和内、外源性干扰生物信号的某些特点信号微弱，如体表诱发脑电、体表希氏束电位等。信号微弱，如体表诱发脑电、体表希氏束电位等。信号噪声背景大，如诱发脑电伴有自发脑电、胎儿信号噪声背景大，如诱发脑电伴有自发脑电、胎儿 心电伴有母亲心电等。心电伴有母亲心电等。信号的信号的随机性和非平稳性。随机性和非平稳性。干扰干扰高频磁场干扰高频磁场干扰高频电磁场干扰高频电磁场干扰电场干扰电场干扰接地回路的干扰接地回路的干扰来自电极的干扰来自电极的干扰刺激伪迹刺激伪迹某些生物电
10、的基本数据某些生物电的基本数据生物电生物电生物电生物电 幅幅幅幅 值值值值 频谱频谱频谱频谱Hz Hz 信号源阻抗信号源阻抗信号源阻抗信号源阻抗k k 极化电压极化电压极化电压极化电压心心心心 电电电电 0.18mv 0.2100 0.18mv 0.2100 数数数数k k 数十数十数十数十k k 300mv 300mv脑脑脑脑 电电电电 10v1mv 160 10v1mv 160 数数数数k k 数十数十数十数十k k 100mv 100mv皮肤电皮肤电皮肤电皮肤电 50v0.2mv 1100 50v0.2mv 1100 数数数数k k 数十数十数十数十k k 300mv 300mv肌肌肌肌
11、 电电电电 20v30mv 103000 20v30mv 103000 数数数数k k 数十数十数十数十k k 300mv 300mv胃胃胃胃 电电电电 50v2mv 0.00120 50v2mv 0.00120 数数数数k k 数十数十数十数十k k 几几几几mvmv细胞电细胞电细胞电细胞电 100v100mv DC10 100v100mv DC104 4 数千数千数千数千k k 几几几几mvmv胎心电胎心电胎心电胎心电 20v100v 560 20v100v 560 数千数千数千数千k k 几十几十几十几十mvmv2-5 生物电信号对放大器的要求 高增益高增益几百至几十万倍几百至几十万倍输入阻抗输入阻抗 几几MM 至几十至几十MM高共模抑制比高共模抑制比低噪声低噪声低漂移低漂移共模抑制比
