第一篇：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集實(shí)習(xí)教案

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集實(shí)習(xí)

課程設(shè)計(jì)報(bào)告

心電信號(hào)采集

指導(dǎo)老師：

學(xué)號(hào)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 姓名：

起止日期：

目錄

一、前言 ———————————————————— 3

二、心電信號(hào)簡(jiǎn)介 ———————————————— 3

三、實(shí)驗(yàn)要求 —————————————————— 5

四、軟件設(shè)計(jì)及仿真 ——————————————— 6

五、硬件電路及仿真 ——————————————— 12

六、人體測(cè)量結(jié)果 ———————————————— 13

七、實(shí)驗(yàn)總結(jié) —————————————————— 14

一、前言

心臟是人體血液循環(huán)的動(dòng)力泵，心臟搏動(dòng)是生命存在的重要標(biāo)志，心臟搏動(dòng)節(jié)律也是人體生理狀態(tài)的重要標(biāo)志之一。心電信號(hào)是心臟電活動(dòng)的一種客觀表示方式，是一種典型的生物電信號(hào)，具有頻率、振幅、相位、時(shí)間差等特征要素，比其他生物電信號(hào)更易于檢測(cè)，并具有一定的規(guī)律性。由于心電信號(hào)從不同方面和層次上反映了心臟的工作狀態(tài)，因此在心臟疾病的臨床診斷和治療過程中具有非常重要的參考價(jià)值。對(duì)心電信號(hào)的采集和分析一直是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，涉及到降低噪聲和抗干擾技術(shù)，信號(hào)分析和處理技術(shù)等不同領(lǐng)域，也依賴于生命科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的研究進(jìn)展。

人體體表的一定位置安放電極，按時(shí)間順序放大并記錄這種電信號(hào)，可以得到連續(xù)有序的曲線，這就是心電圖。心電信號(hào)的各種生理參數(shù)都是復(fù)雜生命體(人體)發(fā)出的強(qiáng)噪聲條件下的弱信號(hào)(除體溫等直接測(cè)量的參數(shù)外)，心電信號(hào)的幅度在10μV～4mV之間，頻率范圍為0.05～100Hz，淹沒在50Hz的工頻干擾和人體其他信號(hào)之中，檢測(cè)過程及方法較復(fù)雜。去除信號(hào)檢測(cè)過程的干擾和噪聲、進(jìn)行心電信號(hào)的分析是心電儀器的重要功能之一，心電信號(hào)的放大質(zhì)量直接影響著分析儀器的性能和對(duì)人體心臟疾病的診斷。本次設(shè)計(jì)了一個(gè)心電信號(hào)檢測(cè)放大電路，充分考慮了人體心電信號(hào)的特點(diǎn)，采用三導(dǎo)聯(lián)輸入—前置放大電路—帶通濾波電路—次級(jí)放大電路組成的模式，并且利用軟件對(duì)相應(yīng)的電路進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電路能夠很好地完成人體心電信號(hào)的檢測(cè)放大。

關(guān)鍵詞：AD620、TL082CP、OP07CP、LM358、陷波、右腿驅(qū)動(dòng)、NI ELVIS

二、心電信號(hào)簡(jiǎn)介

1.心電圖

心肌是由無數(shù)個(gè)心肌細(xì)胞組成，由竇房結(jié)發(fā)出的興奮，按一定的途徑和時(shí)程，依次向心房和心室擴(kuò)布，引起整個(gè)心臟的循環(huán)興奮。心臟各部分興奮過程中出現(xiàn)的電位變化的方向、途徑、次序、和時(shí)間均有一定的規(guī)律。由于人體為一個(gè)容積導(dǎo)體，這種電變化也必須擴(kuò)布到身體表面。鑒于心臟在同一時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的電信號(hào)，因此，可以通過安放在身體表面的胸電極或四肢電極，將心臟產(chǎn)生的電位變化以時(shí)間為函數(shù)記錄下來，這種記錄曲線稱為心電圖，如下圖所示。心電圖反映心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中的生物電變化。心肌細(xì)胞的生物電變化時(shí)心電圖的來源，但是心電圖曲線與單個(gè)心肌細(xì)胞的膜電位曲線有明顯的區(qū)別。ECG波形是由不同的英文字母統(tǒng)一命名的。

心肌是由無數(shù)個(gè)心肌細(xì)胞組成，由竇房結(jié)發(fā)出的興奮，按一定的途徑和時(shí)程，依次向心房和心室擴(kuò)布，引起整個(gè)心臟的循環(huán)興奮。心臟各部分興奮過程中出現(xiàn)的電位變化的方向、途徑、次序、和時(shí)間均有一定的規(guī)律。由于人體為一個(gè)容積導(dǎo)體，這種電變化也必須擴(kuò)布到身體表面。鑒于心臟在同一時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的電信號(hào)，因此，可以通過安放在身體表面的胸電極或四肢電極，將心臟產(chǎn)生的電位變化以時(shí)間為函數(shù)記錄下來，這種記錄曲線稱為心電圖，如下圖所示。心電圖反映心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中的生物電變化。心肌細(xì)胞的生物電變化時(shí)

心電圖的來源，但是心電圖曲線與單個(gè)心肌細(xì)胞的膜電位曲線有明顯的區(qū)別。ECG波形是由不同的英文字母統(tǒng)一命名的。正常心電圖由一個(gè)P波、一個(gè)QRS波群和一個(gè)T波等組成。P波起因于心房收縮之前的心房極時(shí)的電位變化； QRS 波群起因于心室收縮之前的心室除極時(shí)的收位變化；T波為心室復(fù)極時(shí)的電位變化，其幅度不應(yīng)低于同一導(dǎo)聯(lián)R波的1/10，T波異常表示心肌缺血或損傷。ECG的持續(xù)時(shí)間由：P-R間期（或P-Q間期）為P波開始至QRS波群開始的持續(xù)時(shí)間，也就是心房除極開始至心室除極開始的間隔時(shí)間，正常值為0.12～0.20s，若P-R 期延長(zhǎng)，則表示房室傳導(dǎo)阻滯；Q-T間期為 QRS波群的開始至T波的末尾的持續(xù)時(shí)間，意為心室除極和心室復(fù)極的持續(xù)時(shí)間，正常值為 0.32～0.44s；S-T段為從QRS波群終末導(dǎo)T波開始之間的線段，此時(shí)心室全部處于除極狀態(tài)，無電位差存在，所以正常時(shí)與基線平齊，稱為等電位線，若S-T段偏離等電位線一定QRS波群持續(xù)時(shí)間正常值約為0.06～0.11s范圍，則提示心肌損傷或缺血等病變；因此，實(shí)時(shí)的檢測(cè)心電信號(hào)，可以從所得出的心電圖上觀察心臟的變化，醫(yī)生就可以從所測(cè)的心電圖上判斷心臟各個(gè)部位的功能是否正常，所以心電圖是醫(yī)生治療心臟方面的疾病所不可或缺的依據(jù)。因此心電檢測(cè)就有了實(shí)際應(yīng)用的意義。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)心電圖圖例

2.人體心電信號(hào)的干擾

人體心電信號(hào)是一種弱電信號(hào)，信噪比低。一般正常的心電信號(hào)頻率范圍為0.05-100Hz，而90％的心電信號(hào)(ECG)頻譜能量集中在0.25-35 Hz之間。采集一種電信號(hào)時(shí)，會(huì)受到各種噪聲的干擾，噪聲來源通常有下面幾種：

(1)工頻干擾50 Hz工頻干擾是由人體的分布電容所引起，工頻干擾的模型由50Hz的正弦信號(hào)及其諧波組成。幅值通常與ECG峰峰值相當(dāng)或更強(qiáng)。

(2)電極接觸噪聲,電極接觸噪聲是瞬時(shí)干擾，來源于電極與肌膚的不良接觸，即病人與檢側(cè)系統(tǒng)的連接不好。其連接不好可能是瞬時(shí)的，如病人的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)導(dǎo)致松動(dòng)；也可能是檢測(cè)系統(tǒng)不斷的開關(guān)、放大器輸入端連接不

好等。電極接觸噪聲可抽象為快速、隨機(jī)變化的階躍信號(hào)，它按指數(shù)形式衰減到基線值，包含工頻成分。這種瞬態(tài)過渡過程可發(fā)生一次或多次、其特征值包括初始瞬態(tài)的幅值和工頻成分的幅值、衰減的時(shí)間常數(shù)；其持續(xù)時(shí)間一般的1s左右，幅值可達(dá)記錄儀的最大值。

(3)人為運(yùn)動(dòng),人為運(yùn)動(dòng)是瞬時(shí)的(但非階躍)基線改變，由電極移動(dòng)中電極與皮膚阻抗改變所引起。人為運(yùn)動(dòng)由病人的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)所引起，造成的基線干擾形狀可認(rèn)為類似周期正弦信號(hào)，其峰值幅度和持續(xù)時(shí)間是變化的，幅值通常為幾十毫伏。

(4)肌電干擾(EMG),肌電干擾來自于人體的肌肉顫動(dòng)，肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生毫伏級(jí)電勢(shì)。EMG基線通常在很小電壓范圍內(nèi)。所以一般不明顯。肌電干擾可視為瞬時(shí)發(fā)生的零均值帶限噪聲，主要能量集中在30-300Hz范圍內(nèi)。

(5)基線漂移和呼吸時(shí) ECG 幅值的變化 基線漂移和呼吸時(shí) ECG 幅值的變化一般由人體呼吸、電極移動(dòng)等低頻干擾所引起，頻率小于 5 Hz；其變化可視為一個(gè)加在心電信號(hào)上 的與呼吸頻率同頻率的正弦分量，在 O.015-O.3Hz 處基線變化變化幅度的為 ECG 峰峰值的 15％。

三、實(shí)驗(yàn)要求

1.實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備：

1)作圖工具：TINA原理圖編輯器

2)仿真工具：使用Multisim交互式地搭建電路，然后仿真。3)電路圖實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：面包板

4)電路測(cè)試：使用NI ELVISmx提供電壓，顯示電路數(shù)據(jù)。

2.設(shè)計(jì)要求

體表心電信號(hào)是微弱信號(hào)，極易受到干擾，心電前置放大電路設(shè)計(jì)要求盡可以將外界干擾排除，再通過ELVIS平臺(tái)傳到上位機(jī)做數(shù)字信號(hào)處理和顯示。要求完成以下技術(shù)指標(biāo)

(一)電路的放大倍數(shù)：800~1000倍。(二)電路的共模抑制比：大于75(三)電路的輸入阻抗：大于20M(四)電路的信號(hào)的頻率響應(yīng)范圍：0.05~120Hz

我們要設(shè)計(jì)的是三導(dǎo)聯(lián)。心電前置放大電路一般會(huì)由兩~三級(jí)組成，第一級(jí)是CMRR很高的差動(dòng)放大電路，主要用來抑制共模干擾，比如工頻電場(chǎng)干擾，但這一級(jí)放大倍數(shù)一般在10倍左右（為什么這么設(shè)定，請(qǐng)大家思考并查資料，采用什么電路方式來提高共模抑制比也可以查資料）。第二級(jí)通常是一個(gè)兩階低通濾波和放大10倍左右的電路。（請(qǐng)大家去找到合適的兩階濾波器電路，并選用合適的電容與電阻）。最后一級(jí)通常是可調(diào)放大倍數(shù)的放大電路，并提供一個(gè)低內(nèi)阻的輸出級(jí)。高通濾波一般在前端采用無源的一階濾波器。

四、軟件設(shè)計(jì)及仿真

1、前置放大電路和右腿驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

（1）前級(jí)放大電路是將采集到的心電信號(hào)直接放大，該信號(hào)包含了很多背景噪聲以及較高的共模信號(hào)，若這些干擾信號(hào)也隨著心電信號(hào)一起被放大，將導(dǎo)致心電信號(hào)完全被湮沒在噪聲信號(hào)中，因此前級(jí)放大電路是關(guān)鍵，它必須滿足高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲，低漂移等特點(diǎn)。因此選用儀用放大器AD620，它采用經(jīng)典的三運(yùn)放改進(jìn)設(shè)計(jì)，只需要一個(gè)電阻就能實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的調(diào)節(jié)。它具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，能夠很好地達(dá)到要求。對(duì)于前級(jí)放大的增益不宜過大，否則會(huì)使干擾信號(hào)過強(qiáng)，不利于后期處理。

（2）右腿驅(qū)動(dòng)電路專為針對(duì)50Hz工模干擾，提高CMRR而設(shè)計(jì)的，原理是采用人體為相加點(diǎn)的共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋，其方法是取出前置放大級(jí)中的共模電壓，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路反相后在加回體表上，一般做法是將此反饋信號(hào)接到人體的右腿上，所以稱為右腿驅(qū)動(dòng)。通常，病人在做正常的心電檢測(cè)時(shí)，空間電廠在人體產(chǎn)生的干擾電壓以及共模干擾是非常嚴(yán)重的，而用右腿驅(qū)動(dòng)電路就能很好地解決了上述問題。

圖1 前置放大電路

由電路圖1可知1腳和8腳之間的等效電阻RG?20k??6.67k?，根據(jù)

3G?49.4k??1可得，該電路的增益RGG=8.41，其中電阻R1、R2的匹配性會(huì)直接影響到該放大電路的共模抑制比，因此要盡量保持阻值的相等。

圖3 仿真結(jié)果

由圖3仿真結(jié)果可以看出，輸入1mV，40HZ的交流電壓后，經(jīng)AD620芯片 放大測(cè)量出的信號(hào)值達(dá)到12mV左右，有效值為8.64mV，即實(shí)際放大倍數(shù)為8.64倍，與理論值相近。

2、濾波電路的設(shè)計(jì)

因?yàn)殡娐匪蟮念l帶范圍為0.05Hz到100Hz，由于純粹的帶通濾波器的幅頻特性不好控制，因此選擇低通和高通兩個(gè)濾波器串聯(lián)，形成一個(gè)帶通濾波器。低通濾波器的截止頻率為100Hz，高通濾波器的截止頻率為0.5Hz。在芯片選擇方面，由于運(yùn)放本身的頻帶范圍會(huì)影響所做濾波器的特性，因此選擇頻帶范圍較寬的TL082做為濾波器的運(yùn)放。TL082是一種通用的J-FET雙運(yùn)算放大器，能夠用一個(gè)芯片來完成低通和高通濾波。我們采用二階的濾波器，雖然濾波階數(shù)越高，濾波效果越好，但是，濾波階數(shù)過高了就會(huì)提高成本，而且階數(shù)越高濾波電路結(jié)構(gòu)會(huì)更加復(fù)雜，調(diào)試也更加有難度。二階低通濾波相對(duì)于一階來說，其濾波性能

1更加穩(wěn)定，效果更好。圖1為濾波電路。根據(jù)公式f?得，截止頻

2?R1R2C1C2率分別為49Hz和0.08Hz，并其增益都為1。

圖1 帶通濾波電路圖

通過過對(duì)實(shí)際信號(hào)的濾波來檢驗(yàn)濾波器的特性，心電信號(hào)是屬于低頻信號(hào)，則前級(jí)要放大的信號(hào)必定為低幅值、低頻率的信號(hào)，由于信號(hào)的幅值和頻率都很小，更加容易受到噪聲的影響。在經(jīng)過高通和低通濾波之后，可以看出濾波器在截止頻率范圍內(nèi)提供了有效的濾波。

3、主放大電路設(shè)計(jì)

整個(gè)電路的放大部分主要由主放大來承擔(dān)，由于前級(jí)的放大倍數(shù)為8.6倍，因此將主放大的倍數(shù)定在100倍，整個(gè)電路總的增益為860倍（陷波器的增益不包括在內(nèi)）。這部分利用低偏置電壓的TL081CD來承擔(dān)。反向輸入端的1K和100K的電阻決定100倍增益，同相輸入端利用100K電阻平衡兩端電壓，增大共模抑制比。如圖1所示：

圖1 主放大電路仿真圖

在同相輸入端輸入60Hz,1mV Vpp的正弦信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后在6號(hào)腳測(cè)到信號(hào)Vpp約為10.1V，如圖2所示：主放大電路的實(shí)際放大倍數(shù)大約在100倍，與理論值的誤差是由芯片本身的特性以及電阻的失配引起。

圖2 主放大電路仿真結(jié)果 4、50HZ陷波器的設(shè)計(jì)

由于測(cè)得的心電信號(hào)中夾雜了工頻干擾，難以去除，并且干擾信號(hào)的幅值與心電信號(hào)相近，嚴(yán)重影響了心電信號(hào)的識(shí)別，因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行第二級(jí)放大時(shí)采用了一個(gè)陷波器，用于除去工頻干擾。該陷波器的中心頻率為50Hz，并且具有1.5倍的增益。50HZ陷波電路電路圖如圖1所示：

圖1 陷波電路

圖2 仿真結(jié)果

理論上中心頻率50Hz左右時(shí)有比較明顯的衰減，而測(cè)量結(jié)果也跟理論相近，對(duì)于實(shí)際電路，采用頻率50Hz，峰峰值為1V的，正弦信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，從圖2中看出，經(jīng)過陷波器之后，原本峰峰值為1V的信號(hào)，在1.5的增益下應(yīng)該為1.5V，實(shí)際測(cè)得的增益為由于是50Hz的信號(hào)，衰減至0.1V，效果較明顯。

5、總體電路設(shè)計(jì)

圖1 心電采集設(shè)計(jì)框圖

電路設(shè)計(jì)中最重要的是抑制信號(hào)中噪聲的產(chǎn)生及對(duì)噪聲信號(hào)的濾除，使其對(duì)心電信號(hào)本身的影響達(dá)到最小。本次實(shí)驗(yàn)中心電信號(hào)選擇為0.5至100Hz之間的頻帶。因?yàn)樾碾娦盘?hào)幅值大致都在1mV至3mV之間，電路供電電壓為±5V，因此選擇放大倍數(shù)為800至1000倍。總的電路圖設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2 心電采集電路總圖

圖3 仿真結(jié)果

理論上的放大倍數(shù)計(jì)算得出，前置放大倍數(shù)為8.41倍，主放大倍數(shù)為100倍，所以總體放大倍數(shù)約為841倍。然而從圖3的仿真結(jié)果看出，實(shí)際前置放大倍數(shù)約為7.57倍，這是因?yàn)閹V波模塊會(huì)衰減一部分信號(hào)，使總體的放大倍數(shù)減小，仿真實(shí)驗(yàn)到此成功結(jié)束。

五、硬件電路及仿真

1、前置放大電路

在面包板上搭建了以AD620為中心的差動(dòng)放大電路以后，用NI ELVIS軟件仿真，輸入一個(gè)頻率為25Hz，峰峰值為1V的正弦信號(hào)，得出的結(jié)果如圖1，可看出峰峰值放大了8倍左右，與軟件仿真結(jié)果相近。當(dāng)共模輸入信號(hào)時(shí)，測(cè)得的共模增益小于0.001，如圖2所示。

圖1 前置放大電路測(cè)試結(jié)果

圖2 共模輸入測(cè)試結(jié)果

2、帶通濾波電路

用一個(gè)低通濾波電路和一個(gè)高通濾波電路搭建好一個(gè)帶通濾波電路，軟件仿真計(jì)算出的帶通截止頻率在0.08Hz-49Hz之間，但由于是實(shí)際的電路做不到理想化，所以信號(hào)從30Hz就開始衰減，如圖1所示。

圖1 帶通濾波器測(cè)試結(jié)果 3、50Hz陷波電路

圖1 陷波測(cè)試結(jié)果

圖1可看出在中心頻率為51Hz左右時(shí)的信號(hào)有明顯的衰減，由于阻值的選擇不同，所以測(cè)試結(jié)果與軟件仿真結(jié)果存在一定的誤差。

4、后級(jí)放大電路

圖1 后級(jí)放大測(cè)試結(jié)果

搭建好電路以后，測(cè)試得出圖1的結(jié)果，由圖可看出，后級(jí)放大倍數(shù)在110倍左右，與理論值的誤差是由芯片本身的特性以及電阻R4和R5的失配引起。

5、總體電路

圖1 差模輸出 圖2 共模輸出

輸入為25Hz，10mV的正弦波。采用差模輸入時(shí)，輸出為11.13V左右，放大1113倍采；用共模輸入時(shí)，輸出為1.59mV，放大0.16倍。由公式CMRR?10?log(Ad2)可得，整個(gè)電路的共模增益為76.8dB。Ac

六、人體測(cè)量結(jié)果

圖1 實(shí)際測(cè)量結(jié)果

在實(shí)際測(cè)量時(shí)，電極貼的位置及個(gè)人的皮膚狀況也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果?？梢杂们逅疂駶?rùn)皮膚，并用砂皮磨掉表面的死皮，這樣會(huì)使測(cè)量效果更加。同時(shí)被測(cè)人的體質(zhì)不同也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響。

圖2 實(shí)際電路圖

在面包板上完成上述電路的搭建，并對(duì)每一部分都進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試。最終的電路實(shí)物圖如圖2所示。左上為前置放大，使用了AD620芯片，左下為右腿驅(qū)動(dòng)電路，使用的芯片為TL082CP，中上和中部構(gòu)成了一個(gè)帶通濾波電路，使用了兩個(gè)TL082CP，中下為陷波電路，使用的芯片為OP07CP,右下為第二級(jí)放大，使用了TL082CP芯片。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，采用三導(dǎo)聯(lián)的方式，一根接右腿，其余兩個(gè)分別接左右手，若分別接左右胸口效果會(huì)更佳，由于不是很方便就采用接左右手腕的方式。

七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)

1、難點(diǎn)

（1）前置放大電路中抑制共模信號(hào)的調(diào)制。

（2）消除隨機(jī)噪聲、工頻噪聲、內(nèi)部噪聲的干擾。（3）電路圖的設(shè)計(jì)，芯片、電阻等元件的選擇。

2、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)

（1）開始連接的電路沒有加入50Hz陷波電路，但在實(shí)際測(cè)量中有大量的工頻干擾，于是加入了該模塊，結(jié)果有效地一直掉了工頻干擾。

（2）原來選擇的低通濾波起的阻值為11K，理論計(jì)算出的截止頻率為97.6Hz，但實(shí)際測(cè)量中大量的干擾頻率在50Hz左右，于是修改了阻值，改為33K，這樣可以濾掉更多的干擾，有利于得出正常的心電圖。

（3）第一次沒有成功測(cè)出心電信號(hào)，經(jīng)討論才知道是因?yàn)榍爸梅糯笃髂K沒有做好，導(dǎo)致大量的共模信號(hào)進(jìn)入了電路，由于心電信號(hào)非常微小，就被這些干擾信號(hào)淹沒了，于是修改了差分輸入的阻值，選擇了兩個(gè)特別接近的阻值，以減小共模干擾，計(jì)算出前置放大器的共模抑制比在0.001dB左右，有效抑制了共模干擾，最終得出了正常的心電信號(hào)。

（4）雖然最后實(shí)驗(yàn)成功了，但是還是存在一些干擾信號(hào)，說明濾波這一塊還需改進(jìn)。心電測(cè)量電路中對(duì)噪聲的消除是十分重要的。外界噪聲很有可能在電路的任何一部分摻雜進(jìn)來，所以在最后再加一個(gè)低通濾波器濾除高頻噪聲是必要的。（5）電極的放置對(duì)心電的影響也很大，放在一個(gè)準(zhǔn)確的位置可以很容易地從示波器上看到清晰的波形，反之，心電信號(hào)太過微弱會(huì)被噪聲完全淹沒。

（6）實(shí)驗(yàn)中，有源濾波器比無源的濾波效果要好很多。兩個(gè)有源濾波器串聯(lián)構(gòu)成的帶通濾波器也比無源和有源串聯(lián)的效果好。

（7）對(duì)于電容的選擇：在本次實(shí)驗(yàn)中，用瓷片電容的效果比電解電容要好一點(diǎn)。因?yàn)榇善娙輼?gòu)成的濾波器濾除高頻成分的性能好，電解電容構(gòu)成的濾波器濾除低頻成分的性能好。

第二篇：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理總結(jié)

一、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理緒論

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的對(duì)象：由生理過程自發(fā)產(chǎn)生的；把人體作為通道，外界施加于人體產(chǎn)生的電生理信號(hào)和非電生理信號(hào)。

生物信號(hào)的主要特點(diǎn)：復(fù)雜性，隨機(jī)性強(qiáng)，噪聲干擾強(qiáng)，非平穩(wěn)性等

二、數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)

傅立葉變換的意義：把一個(gè)無論多復(fù)雜的輸入信號(hào)分解成復(fù)指數(shù)信號(hào)的線性組合，那么系統(tǒng)的輸出也能通過圖2.1的關(guān)系表達(dá)成相同復(fù)指數(shù)信號(hào)的線性組合，并且在輸出中的每一個(gè)頻率的復(fù)指數(shù)函數(shù)上乘以系統(tǒng)在那個(gè)頻率的頻率響應(yīng)值。使得分析、處理信號(hào)變得簡(jiǎn)單。

數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)：IIR濾波器的設(shè)計(jì)：利用傳統(tǒng)的模擬濾波器設(shè)計(jì)方法。

切比雪夫低通濾波器：

%低通濾波器設(shè)計(jì)0~35Hz

wp=35;ws=45;%WP通帶截止頻率，WS阻帶截止頻率

Rp=1;Rs=71;%Rp通帶內(nèi)的最大衰減,Rs阻帶內(nèi)的最小衰減

fs=1000;%采樣頻率

[N,wn]=cheb1ord(wp/(fs/2),ws/(fs/2),Rp,Rs);

[B,A]=cheby1(N,Rp,wn);

freqz(B,A,[],fs)%幅頻特性

FIR濾波器設(shè)計(jì)：多采用窗函數(shù)和頻率取樣設(shè)計(jì)法。橢圓帶通濾波器

[b_alpha,a_alpha] = ellip(5,1,40,[8 13]*2/500);

freqz(b_alpha,a_alpha,[],500)

例題2-11選擇合適的窗設(shè)計(jì)FIR低通濾波器，畫出濾波器的單位脈沖響應(yīng)和該濾波器的幅度響應(yīng)：

解：

wp = 0.2*pi;ws = 0.3*pi;%給出通帶頻率和阻帶頻率

tr_width = ws-wp;%求過渡帶寬度

%，hamming window即可滿足該條件，查表求得窗長(zhǎng)度

M = ceil(6.6*pi/tr_width);

n=[0:1:M-1];

wc =(ws+wp)/2;%求截止頻率

b= fir1(M,wc/pi);%求FIR低通濾波器的系數(shù)，默認(rèn)就是hamming window

h=b(1:end-1);

[hh,w] = freqz(h,[1],'whole');%求濾波器的頻率響應(yīng)

hhh=hh(1:255);ww=w(1:255);%由于對(duì)稱性，畫一半圖即可

% 畫圖

subplot(1,2,1);stem(n,h);title('實(shí)際脈沖響應(yīng)')

axis([0 M-1-0.1 0.3]);xlabel('n');ylabel('h(n)')

subplot(1,2,2);plot(ww/pi,20*log10(abs(hhh)));title('幅度響應(yīng)（單位： dB）');grid

axis([0 1-100 10]);xlabel('頻率（單位：pi）');ylabel('分貝')

set(gca,'XTickMode','manual','XTick',[0,0.2,0.3,1])

set(gca,'YTickMode','manual','YTick',[-50,0])

例2-12】最常碰到的信號(hào)處理任務(wù)是平滑數(shù)據(jù)以抑制高頻噪聲。求幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值是減弱高頻噪聲的一種簡(jiǎn)單方法，這種濾波器被稱為平滑濾波器或中值濾波器。

Y = MEDFILT1(X,N)，如果沒有給出N的值，則默認(rèn)N=3；

當(dāng)N是奇數(shù)時(shí)Y是X(k-(N-1)/2 : k+(N-1)/2)的平均；

當(dāng)N是偶數(shù)時(shí)，Y是X(k-N/2 : k+N/2-1)的平均。

三、隨機(jī)信號(hào)基礎(chǔ)

平穩(wěn)各態(tài)遍歷的隨機(jī)過程：如果隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性與開始進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的時(shí)刻無關(guān)，則為平穩(wěn)隨機(jī)過程，否則為非平穩(wěn)隨機(jī)過程。

如果所有樣本在固定時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)特征和單一樣本在全時(shí)間上的統(tǒng)計(jì)特征一致，則為各態(tài)遍歷的隨機(jī)過程。

隨機(jī)信號(hào)通過線性系統(tǒng)的四個(gè)關(guān)系式

1.Py(ej?)?H(ej?)Px(ej?)

2.Ry(m)?Rx(m)?h(?m)?h(m)

3.Pxy(ej?)?H(ej?)Px(ej?)

4.Rxy(m)?Rx(m)?h(m)

四、數(shù)字卷積和數(shù)字相關(guān)

卷積和相關(guān)運(yùn)算的程序編寫實(shí)現(xiàn)

線性相關(guān)函數(shù)：2

rxy(m)?

n????x(n)y(n?m)??

相關(guān)函數(shù)和功率譜的估計(jì)

估計(jì)質(zhì)量的評(píng)估

五、維納濾波

相關(guān)函數(shù)法推導(dǎo)維納濾波器的維納－霍夫方程

FIR法解維納霍方程

預(yù)白化法解維納霍夫方程

六、卡爾曼濾波

卡爾曼濾波的狀態(tài)方程和量測(cè)方程

卡爾曼濾波的信號(hào)模型和估計(jì)模型

卡爾曼濾波的原理

七、隨機(jī)信號(hào)的參數(shù)建模

AR模型中Y-W方程的推導(dǎo)

Y-W方程的估計(jì)法：L-D算法推導(dǎo)和編程

八、自適應(yīng)濾波

LMS濾波過程

自適應(yīng)濾波的實(shí)現(xiàn)

第三篇：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理

1.生物醫(yī)學(xué)簡(jiǎn)述

1.1生物醫(yī)學(xué)信號(hào)概述

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是人體生命信息的體現(xiàn)，是了解探索生命現(xiàn)象的一個(gè)途徑。因此，深入進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理理論與方法的研究對(duì)于認(rèn)識(shí)生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、探索疾病預(yù)防與治療的新方法以及發(fā)展醫(yī)療儀器這一高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)都具有極其重要的意義。國(guó)內(nèi)外對(duì)于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)處理理論與方法的研究都給予極大的重視。人體給出的信號(hào)非常豐富，每一種信號(hào)都攜帶著對(duì)應(yīng)的一個(gè)或幾個(gè)器官的生理病理信息。由于人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此可以從人體的不同的“層次”得到各類信號(hào)，如器官的層次、系統(tǒng)的層次以及細(xì)胞的層次,這些信號(hào)大致分為電生理信號(hào)、非電生理信號(hào)、人體生理信號(hào)、生化信號(hào)、生物信息以及醫(yī)學(xué)圖像[1]。1.2生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，它是由復(fù)雜的生命體發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號(hào)，從信號(hào)本身特征、檢測(cè)方式到處理技術(shù)，都不同于一般的信號(hào)。

⑴信號(hào)弱，如心電信號(hào)在mV級(jí)，腦電信號(hào)在μV級(jí)，而誘發(fā)電位信號(hào)的幅度更小。⑵噪聲強(qiáng)，人體是電的導(dǎo)體，易感應(yīng)出工頻噪聲；其次是信號(hào)記錄時(shí)受試者移動(dòng)所產(chǎn)生的肌電噪聲，由此引起電極移動(dòng)所產(chǎn)生的信號(hào)基線漂移。另外，凡是記錄中所含有的不需要成分都是噪聲，如記錄胎兒心電時(shí)混入的母親的心電。⑶隨機(jī)性強(qiáng)且一般是非平穩(wěn)信號(hào)，由于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)要受到生理和心理的影響，因此屬于隨機(jī)信號(hào)。

⑷非線性，非線性信號(hào)源于非線性系統(tǒng)的輸出，人體體表采集到的電生理信號(hào)都是細(xì)胞膜電位通過人體系統(tǒng)后在體表疊加的結(jié)果，因此這些信號(hào)嚴(yán)格地說都是非線性信號(hào)，但目前都是把他們當(dāng)作線性信號(hào)來處理[2]。

2.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)是對(duì)生物體中包含地生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)和成分等信息進(jìn)行檢測(cè)和量化地技術(shù)，涉及到人機(jī)接口技術(shù)、低噪聲和抗干擾技術(shù)、信號(hào)拾取、分析與處理技術(shù)等工程領(lǐng)域。絕大部分生物醫(yī)學(xué)信號(hào)都是信噪比很低地微弱信號(hào)，且一般都是伴隨著噪聲和干擾地信號(hào),對(duì)于此類信號(hào)必須采用抑制噪聲地處理技術(shù)。由于生物系統(tǒng)十分復(fù)雜，生物體內(nèi)的信息豐富，生物信號(hào)檢測(cè)技術(shù)十分重要。生物信號(hào)的檢測(cè)一般需要通過以下步驟：①生物醫(yī)學(xué)信號(hào)通過電極拾取或通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；②放大器及預(yù)處理器進(jìn)行信號(hào)放大和預(yù)處理；③經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)；④輸入計(jì)算機(jī)；⑤通過各種數(shù)字信號(hào)處理算法進(jìn)行信號(hào)分析處理，得到有意義的結(jié)果[3]。

圖1 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)流程

生物醫(yī)學(xué)的檢測(cè)技術(shù)分為以下幾類：①無創(chuàng)檢測(cè)、微創(chuàng)檢測(cè)、有創(chuàng)檢測(cè)；②在體檢測(cè)、離體檢測(cè)；③直接檢測(cè)、間接檢測(cè)；④非接觸檢測(cè)、體表檢測(cè)、體內(nèi)檢測(cè)；⑤生物電檢測(cè)、生物非電檢測(cè)；⑥形態(tài)檢測(cè)、功能檢測(cè)；⑦處于拘束狀態(tài)下的生物體檢測(cè)、處于自然狀態(tài)下的生物體檢測(cè)；⑧透射法檢測(cè)、反射法檢測(cè)；⑨一維信號(hào)檢測(cè)、多維信號(hào)檢測(cè)；⑩分子級(jí)檢測(cè)、細(xì)胞級(jí)檢測(cè)、系統(tǒng)級(jí)檢測(cè)[4]。

3.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是研究被干擾和噪聲淹沒的信號(hào)中提取有用的生物醫(yī)學(xué)信息的特征并作模式分類的方法。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的目的是要區(qū)分正常信號(hào)與異常信號(hào)，在此基礎(chǔ)上診斷疾病的存在。近年來對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理廣泛地使用了數(shù)字信號(hào)分析處理方法。以下為幾種常用地處理方法：

⑴小波變換方法。在信號(hào)處理、圖像處理、語(yǔ)音分析、模式識(shí)別、量子物理及眾多非線性科學(xué)領(lǐng)域小波變換受到廣泛地應(yīng)用，被認(rèn)為是近年來在工具及方法上地重大突破。所謂地小波變換是指把某一被稱作為基本小波地函數(shù)作位移τ后，在不同尺度α下與待分析信號(hào)作內(nèi)積[5]。小波變換具有以下特點(diǎn)：時(shí)頻局部化特點(diǎn)，即可以同時(shí)提供時(shí)域和頻域局部化信息;多分辨率，即多尺度的特點(diǎn)，可以由粗到細(xì)逐步觀察信號(hào)；帶通濾波的特點(diǎn)，可以根據(jù)中心頻率的變化調(diào)節(jié)帶寬，中心頻率的高低與帶寬成反向變化，可以觀測(cè)出信號(hào)的低頻緩變部分和高頻突變部分[6]。這種變焦特性決定了它對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)處理的特殊功能。在生物醫(yī)學(xué)工程中的信號(hào)處理，信號(hào)壓縮，醫(yī)學(xué)圖像處理中，小波變換均有應(yīng)用。

⑵頻域?yàn)V波。頻域?yàn)V波是數(shù)字濾波中常用的一種方法，是消除生物醫(yī)學(xué)信號(hào)中噪聲的另一種有效方法，當(dāng)信號(hào)頻譜與噪聲頻譜不相重疊時(shí)，或雖有重疊，但信號(hào)在重疊部分的能量很小時(shí)，可用頻域?yàn)V波法來消除干擾。數(shù)字濾波器由于可做到非因果性，所以具有較模擬濾波器更為優(yōu)越的頻響特性，較之能更接近理想濾波器對(duì)數(shù)字濾波器的要求時(shí)相頻線性，通帶平坦，過度帶窄[7]。

⑶生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的混沌測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)以線性方法為主，強(qiáng)調(diào)的是平穩(wěn)、平衡和均勻性。而非線性系統(tǒng)是在不穩(wěn)定、非平衡的狀態(tài)中提取信息、處理信息，從而顯示它特有的優(yōu)點(diǎn)?；煦缬糜跍y(cè)量可以說是一種嘗試，也許人們很難想象一個(gè)極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng)，其檢測(cè)靈敏度卻明顯超出目前的科技水平，這是一個(gè)全新的測(cè)量概念，是很有發(fā)展前途的領(lǐng)域。該方法的最大的特點(diǎn)是初值敏感性和參數(shù)敏感性，即蝴蝶效應(yīng)。其基本的思路就是把蝴蝶效應(yīng)倒過來應(yīng)用，將敏感元件作為混沌電路的一部分，其敏感參數(shù)隨待測(cè)量變化而變化，并使系統(tǒng)的混沌軌道變化，測(cè)出混沌軌道的變化就可得到待測(cè)量。

⑷人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN),人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指由大量簡(jiǎn)單元件廣泛相互連接而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很多具體模型，其共同的基本特征是以大規(guī)模并行處理為主，采用分布式存儲(chǔ)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性和聯(lián)想功能，強(qiáng)調(diào)自適應(yīng)過程和學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程[8]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最新發(fā)展使其成為信號(hào)處理的強(qiáng)有力工具，對(duì)于那些用其他信號(hào)處理技術(shù)無法解決的問題，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域，許多ANN的算法和它們的應(yīng)用已廣泛的在自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域被應(yīng)用。這些網(wǎng)絡(luò)模型中，多層感知器被認(rèn)為是最有用的學(xué)習(xí)模型，廣泛應(yīng)用于腦電信號(hào)、心電信號(hào)的處理中。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以把專家知識(shí)和先驗(yàn)知識(shí)結(jié)合進(jìn)一個(gè)數(shù)學(xué)框架來完成特征提取和分類識(shí)別等功能，而不需要任何對(duì)數(shù)據(jù)和噪聲的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)假設(shè)，也不需要把專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)歸納成嚴(yán)密清晰的條文，所以最適應(yīng)用于研究和分析生物醫(yī)學(xué)信號(hào)。

4.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的應(yīng)用及發(fā)展前景

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)至今已在臨床和生命學(xué)科的研究中獲得了廣泛的應(yīng)用，而基于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的醫(yī)療儀器已成為現(xiàn)代醫(yī)院的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已由過去的定性診斷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)定量診斷。而定量診斷的依據(jù)即是病人的生理信號(hào)、醫(yī)學(xué)圖像和生化指標(biāo)等。

4.1心電信號(hào)的應(yīng)用 心電信號(hào)中最重要的特征是R波、P波、T波的位置、幅度和形態(tài)，此外還有S-T段的形態(tài)、Q波、S波、QRS寬度、U波、心室晚電位及T波交替等。心電R波檢測(cè)是所有其他心電特征檢測(cè)和自動(dòng)診斷的基礎(chǔ)，其檢測(cè)的精度直接影響到儀器的性能，檢測(cè)精度至少在99%以上。R波自動(dòng)檢測(cè)已有近40年的歷史，從早期的差分域值法、模板匹配法、積分法、濾波器法，發(fā)展到20世紀(jì)90年代，基于小波變換的算法逐漸成為主流。至今新的R波檢測(cè)算法仍然在不斷的被提出，例如將R波檢測(cè)和心電數(shù)據(jù)壓縮相結(jié)合的算法，目的是使算法在用于可穿戴心電監(jiān)護(hù)儀時(shí)具有實(shí)時(shí)分析功能并降低儀器的功耗，算法對(duì)R波的檢測(cè)精度達(dá)到了99.64%。由于P、S、T等波形的幅度遠(yuǎn)低于P波，且形態(tài)多變，因此，用于對(duì)它們的檢測(cè)非常困難。完成了P、Q、R、S和T等波形的檢測(cè)，即可算出R-R間隔，從而得到瞬時(shí)心率以及P-R間隙、QRS寬度、P-T間隙以及S-T段形態(tài)等參數(shù)。這些參數(shù)總的又可分為兩類：①心電形態(tài)學(xué)的信息②心電節(jié)律的信息，它們時(shí)心電圖臨床診斷的重要依據(jù)。根據(jù)檢測(cè)出的參數(shù)、心臟疾病的原理和醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，建立起各種心律異常的數(shù)學(xué)模型，從而對(duì)心電信號(hào)作出判別，決定是否異常，若異常時(shí)屬于哪一種異常。這一工作即是心電的自動(dòng)診斷，它也是信號(hào)處理的應(yīng)用。

4.2腦電信號(hào)的應(yīng)用

人類大腦無疑是自然界中最精密也是最復(fù)雜的巨系統(tǒng)。開展腦科學(xué)研究的目的：①闡明腦的功能和機(jī)理；②保護(hù)大腦，即腦疾病的預(yù)防、治療及延緩衰老；③進(jìn)一步開發(fā)大腦；腦科學(xué)的研究主要有兩大研究方向：①微觀層次的研究，包括神經(jīng)生物學(xué)、分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等學(xué)科；②宏觀層次的研究，即通過大腦宏觀層次的測(cè)量來分析大腦內(nèi)部隱含的生理、病理信息。目前，大腦宏觀層次的測(cè)量主要是腦電圖和腦部成像兩大類。腦電圖是無創(chuàng)并低價(jià)的腦測(cè)量手段，無論是在神經(jīng)內(nèi)科還是在神經(jīng)外科都獲得了廣泛的應(yīng)用，幾乎是神經(jīng)門診的必做項(xiàng)目之一，同時(shí)它在腦的認(rèn)知研究中也起著重要的作用。

5.結(jié)語(yǔ)

由于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)來自于人體器官、組織及細(xì)胞，因此存在信號(hào)的多樣性、復(fù)雜性及應(yīng)用的特殊性等突出特點(diǎn)。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對(duì)定量診斷和精確治療的要求越來越高，因此，生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越迅速擴(kuò)展。正因?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號(hào)的上述屬性，因此吸引了眾多學(xué)科的信號(hào)處理工作者到該領(lǐng)域來探索?？梢哉f生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域充滿了挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新機(jī)會(huì)，其給科研工作者帶來了勇攀高峰的激情和期待。

參考文獻(xiàn)

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生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志 第３３卷

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第四篇：變電站信號(hào)采集與分類

一、信息分類原則 1.事故信號(hào) 2.異常信號(hào) 3.變位信號(hào)

4.遙測(cè)越限信號(hào) 5.告知信號(hào)

二、COS信號(hào)和SOE信號(hào)的區(qū)別？

COS信號(hào)：遙信變位（不帶時(shí)間標(biāo)記）SOE信號(hào)：事件順序記錄(sequence of event)（分辨率不大于2ms），把事件（開關(guān)或保護(hù)動(dòng)作）發(fā)生的時(shí)間按先后順序逐個(gè)記錄下來，這就是事件順序記錄。

三、為什么保護(hù)出口信號(hào)和開關(guān)位置信號(hào)要設(shè)置SOE 事件順序記錄主要用來提供時(shí)間標(biāo)記，以利于對(duì)電力系統(tǒng)的事故分析。

四、為什么要設(shè)置事故總信號(hào)，沒有可以嗎？ 防止開關(guān)偷跳

五．某110kV變電站主變高壓側(cè)開關(guān)發(fā)SF6二級(jí)告警，運(yùn)維人員如何處理？ 1．運(yùn)維人員應(yīng)立即匯報(bào)當(dāng)班調(diào)度員；

2．運(yùn)維人員按照調(diào)度指令加強(qiáng)對(duì)該開關(guān)的SF6氣壓監(jiān)視，防止出現(xiàn)一級(jí)告警后閉鎖分合閘；

3．通知檢修人員到站檢查處理； 4．做好相關(guān)安全措施，帶電補(bǔ)氣。

六．某110kV變電站運(yùn)行主變發(fā)過負(fù)荷告警，監(jiān)控人員如何處理？ 1.監(jiān)控人員應(yīng)立即匯報(bào)調(diào)度；

2.監(jiān)控人員應(yīng)按照調(diào)度指令加強(qiáng)對(duì)過負(fù)荷主變油溫及負(fù)荷監(jiān)視； 3.如有備用主變，則操作備用主變送電； 4.如無備用主變，按調(diào)度指令壓減負(fù)荷。

第五篇：淺談生物醫(yī)學(xué)信號(hào)及傳感器

淺談生物醫(yī)學(xué)信號(hào)及傳感器

導(dǎo)論：

人體存在高度精密而復(fù)雜的生物信號(hào)，每一種信號(hào)都在傳遞著身體的工作狀態(tài)，器官機(jī)能是否正常，呼吸、循環(huán)系統(tǒng)是否健全，人體是否處于一種健康狀態(tài)……隨著信息科技的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，產(chǎn)生了“高端”的醫(yī)生，它們通過接收人體信號(hào)，對(duì)人體信息進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)疾病的診斷和防治。

生物醫(yī)學(xué)傳感器好比人的五官，人通過五官，即眼（視覺）、耳（聽覺）、鼻（嗅覺）、舌（味覺）和四肢（觸覺）感知和接受外界信息，然后通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞給大腦進(jìn)行加工處理。傳感器則是一個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)的“電五官”，他感測(cè)到外界的信息，然后送給系統(tǒng)的處理器進(jìn)行加工處理。如果一個(gè)系統(tǒng)沒有傳感器，就相當(dāng)于人沒有五官。

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，也是近年來迅速發(fā)展的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的一個(gè)重要的應(yīng)用方面，正是由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程的緊密結(jié)合，才使得我們?cè)谏镝t(yī)學(xué)信號(hào)特征的檢測(cè)、提取及臨床應(yīng)用上有了新的手段，因而也幫助我們加深了對(duì)人體自身的認(rèn)識(shí)。

生物醫(yī)學(xué)傳感器的認(rèn)識(shí)

一、定義

我們定義：傳感器是能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應(yīng)于被測(cè)量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的電子線路組成。也可把傳感器狹義地定義為：能把外界非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件或裝置。

二、分類

生物醫(yī)學(xué)傳感器是一類特殊的電子器件，它能把各種被觀測(cè)的生物醫(yī)學(xué)中的非電量轉(zhuǎn)換為易觀測(cè)的電量，擴(kuò)大人地感官功能，是構(gòu)成各種醫(yī)療分析和診斷儀器與設(shè)備的關(guān)鍵部件。我們將生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)中常用的傳感器按被觀測(cè)的量劃分為以下三類：

（1）物理傳感器：用于測(cè)量和監(jiān)護(hù)生物體的血壓、呼吸、脈搏、體溫、心音、心電、血液的粘度、流速和流量等物理量的檢測(cè)。

（2）化學(xué)傳感器：用于生物體中氣味分子，體液（血液、汗液、尿液等）中的PH值，氧和二氧化碳含量（pO2、pCO2），Na+、K+、Ca2+、Cl-以及重金屬離子等化學(xué)量的檢測(cè)。

（3）生物傳感器：用于生物體中組織、細(xì)胞、酶、抗原、抗體、受體、激素、膽酸，乙酰膽堿、五羥色胺等神經(jīng)遞質(zhì)，DNA與RNA以及蛋白質(zhì)等生物量的檢測(cè)。

傳感器按尺寸劃分有：常規(guī)傳感器（毫米級(jí)，可用于組織檢測(cè)），微型傳感器（微米級(jí)，可用于細(xì)胞檢測(cè)）和納米傳感器（納米級(jí)，可用于細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)）。

三、對(duì)傳感器的性能要求：

（1）有較高的靈敏度和信噪比。

靈敏度高時(shí)，輸入較小的信號(hào)即可產(chǎn)生較大的輸出信號(hào)。傳感器輸出信號(hào)電壓與噪聲電壓之比稱為信噪比。信噪比越高，說明獲得的有用的輸出信號(hào)就越大，信噪比越小，信號(hào)與噪聲越難分辨，嚴(yán)重時(shí)將出現(xiàn)信號(hào)被噪聲淹沒的現(xiàn)象，無法獲得有用的信號(hào)，測(cè)量無效。

（2）有良好的線性和較高的響應(yīng)速度

線性好是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)在規(guī)定的工作范圍內(nèi)與輸出信號(hào)成比例關(guān)系，而不產(chǎn)生信號(hào)非線性失真。響應(yīng)速度快表明輸出和輸入的延遲時(shí)間短、實(shí)時(shí)性好。

（3）重復(fù)性、一致性和選擇性好

重復(fù)性好是指?jìng)鞲衅鞣磸?fù)使用，其性能不變。一致性好是指?jìng)鞲衅鞯幕Q性強(qiáng)，在生產(chǎn)與修理中尤為重要。選擇性好是指?jìng)鞲衅髦粚?duì)確定目標(biāo)的變量有響應(yīng)，不受其他變量的影響。

（4）化學(xué)、物理性能好

傳感器必須與人體的化學(xué)成分相容，既不會(huì)腐蝕也不會(huì)給人體帶來毒性。傳感器的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)應(yīng)與待測(cè)部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響要小，使用時(shí)應(yīng)不損傷組織。

（5）電氣安全性好

傳感器要與人體有足夠的電絕緣，即使在傳感器損傷的情況下，人體收到的電擊也應(yīng)在安全之下。

（6）操作性好

傳感器應(yīng)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、便于消毒。

生物醫(yī)學(xué)傳感器的意義

隨著生物傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，生物傳感器必將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域掀起一股熱潮。

（1）生物傳感器采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價(jià)值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。因此，這一技成本低，在連續(xù)使用時(shí)，每例測(cè)定僅需要幾分錢人民幣，術(shù)在很大程度上減輕病患醫(yī)療費(fèi)用上的負(fù)擔(dān)。（2）生物傳感器專一性強(qiáng)，只對(duì)特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響，準(zhǔn)確度高，一般相對(duì)誤差可以達(dá)到1％；分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果。因此，這一技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上不僅提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，更是縮短了整個(gè)過程所需的時(shí)間，進(jìn)一步提供了救治病人的先機(jī)。

（3）操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析。在臨床中，許多操作對(duì)于病患來說是痛苦的，若能很好的利用生物傳感器的這一特點(diǎn)，我相信將為他們減少很多的痛苦。

當(dāng)前各種利用生物傳感技術(shù)開發(fā)的儀器也已問世，但是在應(yīng)用上還有許多技術(shù)需要深入研究。診斷各種疾病的醫(yī)用傳感器，還有待于引深研發(fā)，例如谷氨酸傳感器是一種穩(wěn)定的脫氫酶、轉(zhuǎn)氨酶、血氨的指示性傳感器，它在臨床急癥室等許多場(chǎng)合可取代光度法測(cè)定，有潛在應(yīng)用前景；測(cè)定胸外科病人乳酸指標(biāo)的生物傳感器也已開始應(yīng)用,與腎透析聯(lián)用的幾種生物傳感器也有產(chǎn)業(yè)化開發(fā)價(jià)值。今后這些生物傳感器將逐漸得到普及，給廣大病患帶來更多的福音。

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)有一維、二維之分一般而言, 將一維信號(hào)稱為信號(hào), 二維信號(hào)稱為圖像自然界廣泛存在的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是連續(xù)的, 由于計(jì)算機(jī)巨大的計(jì)算能力, 一般先用轉(zhuǎn)換器將

連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào), 然后在計(jì)算機(jī)內(nèi)用各種方法編制成的軟件進(jìn)行分析處理限于篇幅, 這里只論一維生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理方法。

信號(hào)處理的領(lǐng)域是相當(dāng)廣泛而又深人的, 已在不同程度上滲透到幾乎所有的醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域從預(yù)防醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)到臨床醫(yī)學(xué), 從醫(yī)療、科研到健康普查, 都已有許多成功的例子如心電圖分析, 腦電圖分析, 視網(wǎng)膜電圖分析, 光片處理, 圖像重建, 健康普查的醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì), 疾病的自動(dòng)診斷, 細(xì)胞、染色體顯微圖像處理, 血流速度測(cè)定, 生物信號(hào)的混沌測(cè)量等等。

一、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)特點(diǎn)

（1）信號(hào)弱：直接從人體中檢測(cè)到的生理電信號(hào)其幅值一般比較小。如從母體腹部取到的胎兒心電信號(hào)僅為10～50μV，腦干聽覺誘發(fā)響應(yīng)信號(hào)小于1μV，自發(fā)腦電信號(hào)約5～150μV，體表心電信號(hào)相對(duì)較大，最大可達(dá)5mV。

因此，在處理各種生理信號(hào)之前要配置各種高性能的放大器。

（2）噪聲強(qiáng)：噪聲是指其它信號(hào)對(duì)所研究對(duì)象信號(hào)的干擾。如電生理信號(hào)總是伴隨著由于肢體動(dòng)作、精神緊張等帶來的干擾，而且?；煊休^強(qiáng)的工頻干擾；誘發(fā)腦電信號(hào)中總是伴隨著較強(qiáng)的自發(fā)腦電；從母腹取到的胎兒心電信號(hào)常被較強(qiáng)的母親心電所淹沒。這給信號(hào)的檢測(cè)與處理帶來了困難。

因此要求采用一系列的有效的去除噪聲的算法。

（3）頻率范圍一般較低：經(jīng)頻譜分析可知，除聲音信號(hào)（如心音）頻譜成分較高外，其它電生理信號(hào)的頻譜一般較低。如心電的頻譜為0.01～35Hz，腦電的頻譜分布在l～30Hz之間。

因此在信號(hào)的獲取、放大、處理時(shí)要充分考慮對(duì)信號(hào)的頻率響應(yīng)特性。

（4）隨機(jī)性強(qiáng)：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是隨機(jī)信號(hào)，一般不能用確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述，它的規(guī)律主要從大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果中呈現(xiàn)出來，必須借助統(tǒng)計(jì)處理技術(shù)來檢測(cè)、辨識(shí)隨機(jī)信號(hào)和

估計(jì)它的特征。而且它往往是非平穩(wěn)的，即信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征（如均值、方差等）隨時(shí)間的變化而改變。這給生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理帶來了困難。

因此在信號(hào)處理時(shí)往往進(jìn)行相應(yīng)的理想化和簡(jiǎn)化。當(dāng)信號(hào)非平穩(wěn)性變化不太快時(shí)，可以把它作為分段平穩(wěn)的準(zhǔn)平穩(wěn)信號(hào)來處理；如果信號(hào)具有周期重復(fù)的節(jié)律性，只是周期和各周期的波形有一定程度的隨機(jī)變異，則可以作為周期平穩(wěn)的重復(fù)性信號(hào)來處理。更一般性的方法是采用自適應(yīng)處理技術(shù)，使處理的參數(shù)自動(dòng)跟隨信號(hào)的非平穩(wěn)性而改變。

二、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)方法

（1）AEV方法

AEV方法原是通信研究中用于提高信噪比的一種疊加平均法, 在醫(yī)學(xué)研究中也叫平均誘發(fā)反應(yīng)法,簡(jiǎn)稱方法所謂誘發(fā)反應(yīng)是指肌體對(duì)某個(gè)外加刺激所產(chǎn)生的反應(yīng),AEV方法常用來檢測(cè)那些微弱的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)如希氏束電圖、腦電圖、耳蝸電圖等希氏束電圖的信號(hào)幅度僅一拼, 它們?cè)谟醚痉椒z測(cè)出之前, 幾乎或完全淹沒在很強(qiáng)的噪聲中, 這些噪聲包括自發(fā)反應(yīng), 外界干擾, 儀器噪聲方法要求噪聲是隨機(jī)的, 并且其協(xié)方差為零, 信號(hào)是周期或可重復(fù)產(chǎn)生的, 這樣經(jīng)過平方次疊加, 信噪比可提高N倍, 使用方法的關(guān)鍵是尋找疊加的時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)。

（2）生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的混沌測(cè)量

傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)以線性方法為主, 強(qiáng)調(diào)的是穩(wěn)定、平衡和均勻性而非線性系統(tǒng)是在不穩(wěn)定、非平衡的狀態(tài)中提取信息、處理信息, 從而顯示它特有的優(yōu)點(diǎn)混沌用于測(cè)量閉可以說是一種嘗試, 也許人們很難想象一個(gè)極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng)能進(jìn)行精確的測(cè)量, 可是生物的感覺器官就是極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng), 其檢測(cè)靈敏度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前的科技水平, 這是一個(gè)全

混沌系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是初值敏感性和參數(shù)敏感性, 即所謂蝴蝶效應(yīng)混沌測(cè)量的基本思路就是把蝴蝶效應(yīng)倒過來應(yīng)用將敏感元件作為混沌電路的一部分, 其敏感參數(shù)隨待測(cè)量變化而變化, 并使系統(tǒng)的混沌軌道變化, 測(cè)出餛沌軌道的變化就可得到待測(cè)量, 這是一種不同于傳統(tǒng)測(cè)量的新方法。

三、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理方法

簡(jiǎn)單的信號(hào)處理是建立在線性時(shí)不變系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上的，這種理論只適用于平穩(wěn)信號(hào)的處理，非平穩(wěn)信號(hào)是多種多樣的。其中有一種是均值緩慢變化而方差不變的信號(hào)。由于生物體對(duì)處界刺激的適應(yīng)能力，生物體在接受外界刺激的適應(yīng)過程中產(chǎn)生的生物信號(hào)就具有這樣的特點(diǎn)。均值變化的規(guī)律稱為趨勢(shì)函數(shù)，一旦從這類信號(hào)中除去趨勢(shì)函數(shù)，信號(hào)就變成了平穩(wěn)的。因而在分析這種信號(hào)時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行消除趨勢(shì)函數(shù)處理；另一類非平穩(wěn)的信號(hào)可近似地看成是分段平穩(wěn)的。腦電信號(hào)常具有這個(gè)特點(diǎn)，因?yàn)槟X電信號(hào)隨著精神狀態(tài)的改變而改變，造成逐段平穩(wěn)的狀態(tài)。在處理這類信號(hào)的第一步是把它正確地分段，使它的每一段都可以認(rèn)為是平穩(wěn)的，再用平穩(wěn)信號(hào)處理方法處理它們。

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及與發(fā)展，以及數(shù)字處理方法的通用性和靈活性，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)己成了信號(hào)處理技術(shù)的主流。為了進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，必須在正式處理前先把模擬信號(hào)時(shí)間離散化、量化。在數(shù)字信號(hào)處理中已經(jīng)指出，采樣導(dǎo)致信號(hào)頻譜的周期延托，周期延拓結(jié)果造成頻譜混疊。對(duì)一個(gè)頻帶寬度有限的信號(hào)，只要采樣頻率大于信號(hào)最高頻率的兩倍，就可以避免這種頻譜混疊。然而，實(shí)際信號(hào)的頻譜并不像理想的那樣，在高于某個(gè)最高頻率的區(qū)域上幅度就截然變?yōu)榱?，而只是比較小而已。因此，采樣定理只能近似地滿足，實(shí)際頻譜混疊仍然存在。為了克服這個(gè)問題，必須在采樣以前，將信號(hào)通過一個(gè)高頻抑制能力較理想的低溫濾波器(稱為抗混迭濾波器)進(jìn)行限帶濾波處理。

根據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)任務(wù)要求，有時(shí)在取得信號(hào)后，不需立即得到處理結(jié)果，這時(shí)就可以來用離線處理。大多數(shù)情況下，要求處理結(jié)果在采集同時(shí)或采集結(jié)束后立即得到，就要用實(shí)時(shí)的或在線的處理方法。在實(shí)時(shí)和在線的處理中，處理(運(yùn)算)速度要足夠快，占用內(nèi)存空間也有一定限制，均比離線處理要求高，有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)足夠快的處理速度，不得不采用專用的硬件處理器。

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