人體生理信號采集系統(tǒng)

溫州醫(yī)學院信息與工程學院 周馳超 周樟偉 陶大錦

1.引言

近年來，隨著電子技術、計算機技術、數字信號處理技術和自動化的發(fā)展，人體生理信號采集從機械化轉為電子化，不斷向著自動化、智能化方向發(fā)展，方便了人們對生命的生理病理狀況等的研究，采集信號的多樣化，結果準確可靠，在臨床診斷治療和醫(yī)學教學研究中具有十分重要的意義。

2.人體生理信號特征及其檢測

人體生理信號多種多樣，從電的性質來講，可以分為電信號如心電、肌電、腦電等，和非電信號如呼吸、有創(chuàng)血壓、無創(chuàng)血壓、血氧飽和度、呼吸末二氧化碳、體溫、心輸出量、脈搏等。

由于人體是復雜的生命體，各種生理信號受到人體及外部環(huán)境等諸多因素的影響，因而有著一般信號所沒有的特點[1]：

（1）信號微弱，例如從母體腹部取到的胎兒心電信號10～50μV。

（2）噪聲強，由于人體自身信號微弱，極易受噪聲的干擾。如胎兒心電混有很強噪聲，它一方面來自肌電、工頻等干擾；另一方面，在胎兒心電中不可避免地含有母親心電，母親心電相對我們要提取的胎兒心電則變成了噪聲。

（3）頻率范圍一般較低，除心音信號頻譜成份稍高外，其他電生理信號頻譜一般較低。

（4）隨機性強，人體生理信號不但是隨機的，而且是非平穩(wěn)的。

根據人體生理信號的不穩(wěn)定性、非線性及概率性的特點，針對不同的生理參數，需要采用不同的檢測方式。生物醫(yī)學傳感器是獲取各種信號并將其轉換成易于測量和處理信號（一般為電信號）的器件，是檢測的關鍵技術[3]；檢測一些十分微弱的信息，必須用高靈敏度的傳感器或電極，對一些變化極為緩慢的生物信號，則要求檢測系統(tǒng)有很好的頻率響應特性[2]。絕大部分人體生理信號都是信噪比很低的微弱信號，且一般都伴隨著噪聲和干擾，必須采用抑制噪聲的處理技術。生物信號檢測經常需要考慮的噪聲有：工頻干擾、電極接觸噪聲、運動軌跡、呼吸引起的基線漂移和不同信號之間的相互干擾[3]。由于人體系統(tǒng)十分復雜，信息豐富，生物信號檢測技術十分重要。

3.臨床診斷治療中的醫(yī)用監(jiān)護儀

一些疾病與生理信號有著非常密切的關系，在早期由于受到技術的限制，病人的生理和生化參數只能由人工間斷地、不定時地進行測定。醫(yī)用監(jiān)護儀是一種用于持續(xù)檢測病人生理參數并進行自動分析的電子儀器。它能24小時連續(xù)對病人的狀況和生理參數進行實時監(jiān)護，極大方便了醫(yī)療工作，為醫(yī)護人員診斷和治療及搶救提供重要參考指標，可減少并發(fā)癥，大大降低危重病人的死亡率[4-5]。醫(yī)用監(jiān)護儀成為了醫(yī)院的不可缺少的重要設備。

醫(yī)用監(jiān)護儀是由各種傳感器的物理模塊和內置計算機系統(tǒng)構成的。各種生理信號由傳感器轉換成電信號，經前置放大處理后送入計算機進行結果的顯示，存儲和管理。按其物理結構大致可劃分為三種[7]：

（1）單參數監(jiān)護儀如血壓監(jiān)護儀、血氧飽和度監(jiān)護儀、心電監(jiān)護儀等。

（2）多功能、多參數綜合監(jiān)護儀可同時監(jiān)護心電、呼吸、體溫、血壓、血氧等參數。

（3）插件式組合監(jiān)護儀，它是由各分立可拆卸的生理參數模塊和一臺監(jiān)護儀主機構成。

目前監(jiān)護儀能同時處理的人體參數的種類還是有限，給定型號儀器不能通用，對采集數據的處理功能也有限?，F代醫(yī)用監(jiān)護儀發(fā)展，需要以醫(yī)學傳感器測試參數多元化及對所測參數的采集、分析、處理有較高的準確性為基礎。無損測量技術是其進一步發(fā)展的關鍵，快速發(fā)展的計算機技術如DSP(數字信號處理)芯片、單片機RTOS(實時操作系統(tǒng))以及VHDL(超高速硬件描述語言)是監(jiān)護儀發(fā)展的潛動力?，F代醫(yī)用監(jiān)護儀向網絡化、家庭遠程化方向發(fā)展將成為必然[6]。

4.教學科研中基于微機的生理信號采集系統(tǒng)

以微機為核心的生理信號采集系統(tǒng)功能強大，一般可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的示波器、生物信號放大器、記錄儀和刺激器，一機多用，可用于生理學、病理生理學和藥理學實驗的生物信號檢測、記錄和分析，亦可應用于醫(yī)學電子學教學實驗、各類醫(yī)學儀器研發(fā)等領域。不同于醫(yī)用監(jiān)護儀，這類系統(tǒng)的生理信號可以來自于各類醫(yī)學儀器，也可以來于自制的簡易生理信號條例電路，通過數據采集卡采集后由微機實現信號波形顯示，信號存儲，提取特征生理參數[8-9]，其系統(tǒng)結構如圖1：

圖1 生理參數采集系統(tǒng)

人體生理信號首先經傳感器（如腦電極、心音傳感器等）提??；然后由信號調理電路，將微弱信號進行濾波，濾除干擾成分及噪聲；再放大后達到采集卡采集信號范圍，尤其實現A/D轉換。

數據采集卡，即實現數據采集功能的計算機擴展卡，可以通過USB[10]、PXI、PCI、PCI Express、火線(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash等總線接入個人計算機。數據采集系統(tǒng)是結合基于微機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。采集系統(tǒng)可以基于MFC，VC，VB，delphi，cbuilder等編程平臺實現，也可以使用較專業(yè)的美國國家儀器公司開發(fā)的LABVIEW虛擬儀器平臺。

微機Windows環(huán)境的多任務的圖形用戶界面、交互的工作方式、圖形設備接口(GDI)、數據動態(tài)交換功能(DDE)及動態(tài)鏈接庫(DLL)的支持等優(yōu)點，使得基于Windows環(huán)境實現生理信號采樣、分析處理，實時動態(tài)顯示及打印等是醫(yī)學研究和醫(yī)療儀器研制的大趨勢。這類系統(tǒng)利用微機超強的處理功能及運行速度，實現多種人體生理參數采集過程的一體化，功能多；成本低，不需購置昂貴的各類采集儀器；還可根據需要在不改變硬件設計的基礎上進行調整，增加系統(tǒng)的適應能力，實用性強，擴展性好。

5.討論

目前，信息處理電腦化廣泛應用于醫(yī)學的教學、科研及臨床檢查、監(jiān)護等，現代化的生物醫(yī)學儀器進入了以計算機為核心的階段。在此背景下，國內外出現了計算機軟、硬件組成的電腦化實驗系統(tǒng)——計算機化生物信號采集處理系統(tǒng)，國外此類典型產品為Madlab，國內這類產品有成都泰盟公司推出的Biolab等。雖然已有不少的生物信號采集系統(tǒng)，根據人體生理參數采集儀器現狀，還是有待開發(fā)和研制一種成本更低、性能穩(wěn)定可靠的通用人體生理參數采集系統(tǒng)，實現對一般醫(yī)學檢測儀器的模擬信號和數字信號均能自動連續(xù)采集與波形顯示，信號的預處理、自動分析存儲，分析結果打印等功能。這種系統(tǒng)是現代臨床診斷治療和醫(yī)學教學研究的理想工具。

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