Beijing Institute of Technology 数字信号处理

第二章

生物医学信号时域处理

第一节 生物医学信号检测基础 • 生物体：信号发生系统 • 处理信号前，需要准备获取信号，本部分内容包括： • 感知生物医学信号器件：传感器或换能器 • 模拟放大器 • 数字化 • 信号获取与处理的基本组成 • 干扰和噪声

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生物医学传感器 • 电量信号：

• 如心电、脑电、肌电；电极按一定的导联方式 • 非电量信号：

• 如脉搏、体温等；各种换能器变换为电信号 • 常用的生物医学换能器

• 体表换能器 • 腔穴换能器 • 微创式换能器 • 植入式换能器 • 生物换能器 3 / 30

• 体表换能器： • 体表电极

• 湿电极：采用导电膏或其它电介质皮肤与电极间形成电流耦合

• 干电极：皮肤与电极接触面有一层很薄的绝缘膜将电极和人体分开，人体表面和电极形成电容耦合

• 体表非电量测量换能器 • 力学量换能器

• 血压、眼压、脉搏波的压电换能器

• 热血量换能器 • 热电式（直肠温度测量）、热阻式（热敏电阻体表温度）、热辐射式（红外成像）

• 光电换能器 • 红外光脉搏波检测

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生物医学信号放大器 • 一般采用多级放大，其中核心的是前置级放大，其基本要求如下： • 高输入阻抗

• 生物信号源是高内阻、微弱信号源。 • 电极阻抗是频率的函数，频率增加阻抗降低，因此，电极阻抗低时，低频分量幅度减少而失真。

• 低幅度信号的电流密度小，电极阻抗大 • 如用于细胞电位测量的微电极放大器的输入阻抗高达 量级。

• 高输入阻抗是高共模抑制比的必要条件 5 / 30

910 Ω

• 高共模抑制比（CMRR, common mode rejection ratio） • 工频干扰、其它生理作用的干扰，一般选用差动放大

• 生物电放大器CMRR60~80dB，高性能达100dB 10mV的干扰和0.1uV的差模信号有相同的输出

• 差模放大器的两个输入端电极的等效源阻抗一般不相等，造成共模干扰输出。共模抑制比再高也无济于事，提高放大器的输入阻抗可减少共模干扰输出。

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A、B两点的电压分别为：

共模电压转换成差模电压

通常

1 2

,i iA CM B CM

i s i s

Z ZU U U UZ Z Z Z

= =+ +

A BU U−

1 2

( )i iA B CM

i s i s

Z ZU U UZ Z Z Z

− = −+ +

1 2,i s sZ Z Z

2 1s sA B CM

i

Z ZU U UZ−

− ≈

相差5k欧时（典型值），对于10mV的共模干扰电压，如希望共模引起的差模电压限制在10uV以下，则放大器的输入阻抗应在5M欧以上。对于信噪比要求更高的信号，还要 进一步提高输入阻抗，或降低共模干扰电压Ucm值。

1 2,s sZ Z

• 低噪声和低漂移 • 高阻抗源带来高热噪声，使得放大器放大信号有下限

• 零点漂移限制了放大器的输入范围，微弱缓变信号未放大，BME信号存在1Hz以下分量

• 设置保护电路

• 控制电极流过的电流在安全水平 • 采用浮地、浮置、隔离等安全措施

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生物医学信号的数字化 • 大多数生物医学信号是模拟信号，需要采样后变成离散信号，然后再数字化便于计算机（或微处理器）处理。

• Nyquist采样定理 • 采样频率fs大于或等于模拟信号最高频率

fm的两倍时，采样后的离散序列就能无失真地恢复出原始模拟信号。

• 一般采样频率取最高频率的3~5倍，甚至10倍以上。

• 采样率越高，处理速度要求越快，数据量也越大。

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2s mf f≥

• 模拟角频率、数字角频率、采样频率、归一化的采样频率之间的关系

f1 T

1 NT

Ω2 Tπ

2 NTπ 2 fπΩ =

ω2π

2 Nπ Tω = Ω

kN

1

2 kNπω =

模拟角频率

数字角频率

采样频率

/ sF f f=F 数字频率

或归一化的采样频率

计算机处理的采样点数

生物医学信号处理系统的基本组成

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生物医学信号检测中的干扰与噪声 • 干扰（系统外部）

• 50Hz工频干扰 • 电磁干扰

• 由干扰源、耦合通道、敏感电路形成的。 • 生物体内的非目标信号

• 噪声（系统内部） • 由器件、材料、部件的物理因素产生的随机扰动（或称测量噪声）

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