生物信號(hào)可反映生物體的生命活動(dòng)狀態(tài)，因此，生物信號(hào)的采集與處理是生物科學(xué)研究的重要手段之一。

生物信號(hào)的表現(xiàn)形式具有多樣性，如：既有物理的聲、光、電、力等類的變化；又有化學(xué)的濃度、氣體分壓、PH等的變化，其特點(diǎn)是信號(hào)微弱、非線性、高內(nèi)阻、干擾因素多等等。這些特征對(duì)于生物信號(hào)的采集與處理的研究及運(yùn)用十分重要。

傳統(tǒng)的生物信號(hào)采集與處理系統(tǒng)是由功能不同的電子儀器及手工測(cè)量工具組合而成，如：由前置放大器，示波器，記錄儀，分割規(guī)，尺，計(jì)算器等構(gòu)成。由于近年計(jì)算機(jī)工業(yè)的飛速發(fā)展，特別是微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，以及計(jì)算機(jī)生物信號(hào)采集與處理軟件的開發(fā)，使得經(jīng)過(guò)放大的生物電信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行觀察、測(cè)量、處理和儲(chǔ)存成為可能，而且更為方便、精確。因此，生物信號(hào)采集與處理系統(tǒng)逐漸變?yōu)橐杂?jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件為采集處理核心的數(shù)字化系統(tǒng)。數(shù)字化生物信號(hào)采集與處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)的生物信號(hào)采集系統(tǒng)相比，生物信號(hào)的記錄和分析的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、可靠性有了很大的提高。而且更多的參數(shù)可以靈活設(shè)置，并隨時(shí)方便的改變，使采集的數(shù)據(jù)能夠共享和進(jìn)行復(fù)雜的多維處理，從而大大提高了系統(tǒng)的性能和實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

一個(gè)完整的生物信號(hào)采集與處理系統(tǒng)一般包括：生物信號(hào)的引導(dǎo)；生物信號(hào)的放大；生物信號(hào)的采集；生物信號(hào)的記錄與處理四部分。

（一）生物信號(hào)的引導(dǎo)

生物信號(hào)的一般可分為兩類，一類是電信號(hào)，如心電、腦電、肌電和細(xì)胞電活動(dòng)（動(dòng)作電位，靜息電位）；另一類是非電信號(hào)，如體溫、血壓、呼吸、心音、肌肉的收縮、二氧化碳分壓、氧分壓、PH值等等。在一個(gè)生物信號(hào)的采集與處理系統(tǒng)中電信號(hào)的采集需要合適的電極引導(dǎo)，非電信號(hào)的采集需要合適換能器將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。因此，電極和換能器是各種生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中必不可少的關(guān)鍵部分，它們的特性往往決定了測(cè)量系統(tǒng)的質(zhì)量。

1．電 極

電極是連接測(cè)量系統(tǒng)和生物體不可缺少的元件。采集生物電信號(hào)時(shí)需要合適的電極，電極的性能優(yōu)良與否，電極的類型選擇是否適合將直接影響電信號(hào)的采集結(jié)果。

（1）電極的種類:電極的種類很多。根據(jù)安放的位置,可分為體表電極、皮下電極及植入電極；根據(jù)電極形狀，可分為板狀電極、針狀電極、螺旋電極、環(huán)狀電極；根據(jù)電極的粗細(xì)，可分為，粗（宏）電極與微電極；根據(jù)制作材料，可分為金屬電極、玻璃電極、乏極化電極等。在生物電信號(hào)的引導(dǎo)中，常根據(jù)各種實(shí)驗(yàn)的不同要求選用不同類型的電極。

（2）常用的電極：

① 普通金屬電極? 這類電極一般用鉑(白金)、金、銀、合金(鎳、銅、鋅)、不銹鋼等金屬制作而成。金屬電極的外形可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求制成各種形狀。ECG、EMG、EEG及神經(jīng)干復(fù)合電位等的檢測(cè)一般均用此類電極。

② 乏極化電極? 當(dāng)電極進(jìn)入生物體組織或與生物的組織表面相接觸時(shí)，會(huì)在電極和組織之間出現(xiàn)半電池電動(dòng)勢(shì)。如果電極中有電流流過(guò)，則還會(huì)出現(xiàn)極化電位。極化電位可隨電極中流過(guò)電流的大小而變化，電流越大、極化電位越大。半電池電位與極化電位的總和電位差稱之為電極電位。這種電位影響生物信號(hào)的檢測(cè)，使波形畸變、失真，也影響刺激的精度等。為了解決這一問(wèn)題一般用Ag-AgCl乏極化電極。這類電極在電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中常作為刺激電極，也用于精確的生物電信號(hào)的檢測(cè)。其工作原理是：當(dāng)直流電通過(guò)Ag—AgCl電極刺激活組織時(shí)，正負(fù)離子分別向陰極及陽(yáng)極移動(dòng)。但不是吸附在電極表面使之極化，而是與電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。使極化現(xiàn)象不再發(fā)生，刺激脈沖或引導(dǎo)的生物電信號(hào)也就不會(huì)失真。Ag-Cl電極所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)表達(dá)式如下：

陽(yáng)極上： Ag-e ————Ag+

Ag+ ———— AgCl↓

陽(yáng)極上：AgCl+e —--- Ag↓+Cl-
Cl-+Na+ —--- NaCl

銀—氯化銀電極的缺點(diǎn)是Ag-Cl對(duì)活組織有毒性作用，因而不能直接將它與活組織接觸，而應(yīng)通過(guò)瓊脂鹽橋或脫脂棉線中介，這樣既能導(dǎo)電又避免直接與組織接觸。

③ 微電極。微電極是用于測(cè)量細(xì)胞生物電活動(dòng)的微型電極。這種電極的尖端直徑僅為0.5~5μm。微電極有兩種類型：一類是金屬微電極，另一類是充灌了電解質(zhì)溶液的玻璃微電極。金屬微電極多采用0.3~O.5mm不銹鋼絲或鎢絲，經(jīng)過(guò)特殊方法處理而制成。這種電極除尖端外，其它部分是絕緣的。玻璃微電極一般選用高熔點(diǎn)、高電阻率和膨脹系數(shù)低的硬質(zhì)毛細(xì)玻璃管，國(guó)外一般采用Pyrex毛細(xì)玻璃管，國(guó)內(nèi)一般采用GG-17毛細(xì)玻璃管。經(jīng)過(guò)凈化處理后毛細(xì)玻璃管，用已經(jīng)商業(yè)化的微電極拉制儀拉制成玻璃微電極，其內(nèi)一般充以3M KCl溶液作為電解質(zhì)。微電極通常有很高的電阻，一般在5~40MΩ范圍。由于電學(xué)上的差異，玻璃微電極通常用來(lái)測(cè)量低頻生物電信號(hào)，而金屬微電極一般用來(lái)測(cè)量高頻生物電信號(hào)和作為刺激電極。

（3）選擇電極時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng):

A．電極材料與生物組織的相容性:一方面是要求電極材料對(duì)組織無(wú)害,另一方面是生物組織內(nèi)環(huán)境對(duì)電極工作（尤其慢性實(shí)驗(yàn)時(shí)）沒(méi)有影響。

B．使電極的接觸阻抗盡可能的小。降低接觸電阻相當(dāng)于降低了信號(hào)源阻抗，使得對(duì)放大器輸入阻抗的要求降低，放大器選擇范圍加寬。一般增大電極面積可以降低接觸電阻，但同時(shí)會(huì)降低空間分辨率。

C．注意電極的機(jī)械性質(zhì)和幾何形狀對(duì)生物體狀態(tài)的影響。

D．盡量使用半電池電位和極化電壓小的電極。使用雙電極時(shí)應(yīng)用同一種材料，使半電池電位近似相等。

2．換能器
     換能器又稱傳感器，是將能量從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式的傳感元件。換能器對(duì)于生物醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究和教學(xué)起著重要的作用，是非電信號(hào)精確測(cè)量不可缺少的部分。由于生物體的特殊性，所以生物換能器在性能和結(jié)構(gòu)上必須滿足下列要求：

（1）換能器本身具有良好的技術(shù)性能，如：靈敏度、信噪聲比要高，線性好，零點(diǎn)漂移低等等。

（2）換能器對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響要小，不會(huì)給被測(cè)對(duì)象的生理活動(dòng)帶來(lái)負(fù)擔(dān)，其形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)該符合被測(cè)對(duì)象的解剖結(jié)構(gòu)。

（3）換能器本要有足夠的絕緣和耐腐蝕及不會(huì)給生物體帶來(lái)有害影響。

二、生物電信號(hào)的放大

由于大多數(shù)生物電信號(hào)的電位幅值很小，通常需要經(jīng)過(guò)放大才能被觀察儀器及記錄儀器測(cè)量到。因此，在生物信號(hào)的采集過(guò)程中必須對(duì)引導(dǎo)的生物信號(hào)進(jìn)行放大。

放大器的選擇

用于生物電信號(hào)放大的任何一個(gè)放大器，必須考慮其頻率響應(yīng)、噪聲水平及輸入阻抗三個(gè)基本
技術(shù)參數(shù)。這三個(gè)參數(shù)是保證所放大的信號(hào)清晰、真實(shí)的前提。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)信號(hào)的性質(zhì)選擇合適的放大器。例如，使用微電極記錄生物電信號(hào)時(shí)，應(yīng)選擇低噪聲、高輸入阻抗（大于1 000 MΩ）的放大器。其次根據(jù)需要放大信號(hào)的大小、性質(zhì)、選擇恰當(dāng)?shù)撵`敏度、時(shí)間常數(shù)、高頻濾波，才能不失真地把生物電信號(hào)放大，并記錄下來(lái)。

放大器靈敏度、時(shí)間常數(shù)和高頻濾波的選擇

（1）靈敏度? 應(yīng)以觀測(cè)儀器、記錄儀器能清晰分辨所測(cè)信號(hào)的為準(zhǔn)。

（2）時(shí)間常數(shù)? 時(shí)間常數(shù)是決定放大器低端頻率主要指標(biāo)。正確地選擇時(shí)間常數(shù)，可使所需放大的信號(hào)逼真、清晰、穩(wěn)定。一般測(cè)量快速交變信號(hào)時(shí)選擇較小的時(shí)間常數(shù)，測(cè)量慢速交變信號(hào)時(shí)選擇較大的時(shí)間常數(shù)。

（3）高頻濾波? 可將所檢測(cè)的生物電信號(hào)中不需要的高頻成份或噪聲濾掉。這樣可使所測(cè)信號(hào)的主要頻率成份能夠得到很好的放大。正確的選擇放大器高頻濾波，可提高儀器的分辨率，使圖像更為清晰。一般情況下，高頻濾波的選擇應(yīng)是輸入信號(hào)高頻端的兩倍左右。

在測(cè)量下述生物電信號(hào)時(shí)，放大器的靈敏度、時(shí)間常數(shù)及高頻濾波的選擇可參考下表：

三、生物電信號(hào)的采集

在傳統(tǒng)的生物信號(hào)處理系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)放大的生物電信號(hào)可輸送到示波器或記錄儀進(jìn)行觀察、記錄和測(cè)量。為了能正確重現(xiàn)被測(cè)生物信號(hào)，示波器、記錄儀應(yīng)具有足夠高的頻率響應(yīng)、合適的振幅動(dòng)態(tài)范圍、良好的線性、適當(dāng)?shù)淖枘崽匦约白銐蚋叩撵`敏度與良好的穩(wěn)定性。記錄器可選用墨水式記錄儀、噴墨筆式記錄儀、光線示波器或X-Y記錄儀，也可選用多通道磁帶記錄儀、示波器專用照像機(jī)等。

基于計(jì)算機(jī)的生物信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是將電極及換能器引導(dǎo)、轉(zhuǎn)換并放大的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并將其輸入計(jì)算機(jī)的過(guò)程。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，需注意以下問(wèn)題：

1. 采樣頻率(fs)的選擇:采樣時(shí)間間隔的倒數(shù)為采樣頻率, 即fs=1/T。為使信號(hào)采樣后能不失真的還原，fs的選擇必須滿足：采樣頻率必須不低于信號(hào)最高頻率的兩倍。即：fs≥2fH

例如：生物信號(hào)的頻率范圍是20Hz-20KHz，對(duì)其采樣時(shí)，選取的采樣頻率應(yīng)滿足：fs≥40 KHz。

2．多路采樣時(shí)通道數(shù)與采樣頻率的關(guān)系：由于計(jì)算機(jī)對(duì)多通道信號(hào)采集和處理是分時(shí)進(jìn)行的，因此，通道數(shù)越多，同樣的情況下每個(gè)通道可選擇的最高采樣頻率就越低。

3.分辨率與輸入信號(hào)的范圍關(guān)系：分辨率，即，所能測(cè)出信號(hào)的最小變化量，該變化量越小，則稱分辨率越高。因此，分辨率越高，可測(cè)量信號(hào)的最大值就越小，即信號(hào)的輸入范圍越小。

四、生物信號(hào)的處理與記錄

傳統(tǒng)的生物信號(hào)處理主要是根據(jù)記錄儀和示波器照相機(jī)等記錄裝置記錄到的圖形，通過(guò)分割規(guī)、米尺、積分儀、計(jì)算器等進(jìn)行手工計(jì)算?；谟?jì)算機(jī)的生物信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，由于生物信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，所以，對(duì)信號(hào)的處理都是以數(shù)字方式由計(jì)算機(jī)進(jìn)行。計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器能夠使數(shù)據(jù)暫時(shí)或長(zhǎng)久存儲(chǔ)，并可隨時(shí)輸出、顯示或用于計(jì)算，使得被測(cè)信號(hào)能容易地進(jìn)行多次處理、顯示和比較，因此，與傳統(tǒng)的信號(hào)處理方式相比，基于計(jì)算機(jī)的生物信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理更快，更精確，更靈活。

基于計(jì)算機(jī)的生物信號(hào)采集與處理系統(tǒng)常用的信號(hào)處理方法：

1．信號(hào)運(yùn)算：

（1）微分和積分：使用運(yùn)算放大器，可實(shí)現(xiàn)模擬電路對(duì)信號(hào)的微分或積分，用計(jì)算機(jī)通過(guò)某種運(yùn)算完成對(duì)信號(hào)的微分或積分則更為簡(jiǎn)單、直接。

（2）迭加平均：生物信號(hào)測(cè)量中常常出現(xiàn)信號(hào)幅質(zhì)很小而噪聲很大的情況，使得有用的信號(hào)淹沒(méi)在噪聲之中，難以測(cè)量和處理。如果信號(hào)和噪聲頻譜不一致，可以用濾波的方法分離出有效信號(hào),但如果信噪比太小,效果不一定好；如果噪聲和信號(hào)頻譜重疊，濾波不在適用。這種情況使用迭加平均的方法可以抑制噪聲，提高信噪比。

迭加平均是對(duì)具有確定參考點(diǎn)的重復(fù)信號(hào)多次迭加，然后取平均值。這種方法使用的條件是：噪聲具有隨機(jī)特性，信號(hào)具有重復(fù)特性，兩者互不相關(guān)。由于信號(hào)是有規(guī)律的，所以，迭加后信號(hào)增強(qiáng)，而噪聲是隨機(jī)的，所以，迭加后大部分相互抵消。迭加N次后，信號(hào)幅度增加N倍，而噪聲則衰減到原來(lái)的1/N。迭加平均法一般用于誘發(fā)生物電的測(cè)量。

（3）凍結(jié)顯示：所謂凍結(jié)顯示是可以使某一段波形在顯示屏上做任意時(shí)間的停留。這種顯示方式非常便于屏幕分析和測(cè)量。

（4）頻譜分析：任何信號(hào)都可以看成是不同頻率的正弦波的疊加，頻譜分析就是以組成信號(hào)的正弦波的頻率為變量研究信號(hào)特性的方法。

在生物信號(hào)的測(cè)量中，我們記錄到的多數(shù)信號(hào)都是隨時(shí)間變化的信號(hào)，在生物醫(yī)學(xué)工程上稱為時(shí)域信號(hào)。頻譜分析中的信號(hào)是頻域信號(hào)，在頻域里分析信號(hào)可使一些在時(shí)域中無(wú)明顯特征的信號(hào)在頻域里能出現(xiàn)明顯特征，這是頻域分析的最大優(yōu)點(diǎn)。除此之外，頻域分析還有使復(fù)雜計(jì)算簡(jiǎn)單化等優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)于離散時(shí)間信號(hào)，從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換要進(jìn)行繁瑣的迭加計(jì)算，而使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）可方便完成這一運(yùn)算過(guò)程。 頻域分析廣泛用于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理之中，如腦電圖的檢查，心電信號(hào)的分析等等。信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理以后，一般將處理結(jié)果輸出到打印機(jī)，可打出具體數(shù)據(jù)或圖形。

五、干擾的處理

干擾是生物信號(hào)采集過(guò)程經(jīng)常遇到問(wèn)題，尤其是在電生理實(shí)驗(yàn)中常見的、對(duì)生物電信號(hào)測(cè)量有著很大影響的電現(xiàn)象。輕者可使被測(cè)信號(hào)畸形，重者可導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法正常進(jìn)行，因此，排除干擾是電生理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常遇到的、非常重要的工作之一。干擾的種類很多，排除干擾的基本原則是準(zhǔn)確尋找出干擾源，然后采取相應(yīng)的措施加以排除。電磁干擾是電生理實(shí)驗(yàn)中最常見的干擾之一，解決電磁干擾的最好辦法是采用金屬屏蔽。既可以將實(shí)驗(yàn)對(duì)象置于屏蔽裝置之中，也可以將實(shí)驗(yàn)儀器加以屏蔽。其次，測(cè)量?jī)x器良好的接地和采取合適的濾波也是解決電磁干擾的有效方法。

參考文獻(xiàn)：

1．許熄銘等 譯·生物醫(yī)學(xué)換能器---原理與應(yīng)用·第一版·上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1984。

2．徐叔云，卞如濂，陳修主編·藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法·第三版·北京：人民衛(wèi)生出版社，2002，3～145

3.周衍椒等 主編·生理學(xué)方法與技術(shù)·第一版·北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1984。