生物醫學信號測量實驗系統設計

沈義民，裘利堅，湯守健，譚 瑋

（浙江大學 生物醫學工程與儀器科學學院教學實驗中心，浙江 杭州 310027）

生物醫學信號處理是生物醫學工程學的一個重要研究領域，也是近年來數字信號處理技術的一個重要應用方面［1］。生物醫學信號處理課程已成為國內外大多數生物醫學工程專業本科教學大綱中的專業基礎課程，它為學生進一步學習及開展科研工作奠定了基礎。該課程作為生物與醫學工程專業的核心課程，充分體現了生物醫學與工程學的交叉性，其綜合性、理論性和實驗性都很強，因此其教學過程對于培養學生運用工程技術手段解決生物醫學領域具體問題的能力具有重要意義［2］。通過該課程的學習，旨在讓學生了解各種生物醫學信號及其特點，掌握生物醫學信號處理的基本原理、算法和設計應用技術，培養學生對各種原始生物醫學信息進行有效的信號加工處理技能［3－6］。由于生物醫學信號處理課程的教學內容既包含有抽象的理論，又有實用技術，還涉及到實際的生物醫學問題，所以對其教學方法與手段的設計要求很高，否則難以達到優良的教學效果［7－8］。

生物醫學信號處理是一門實踐性很強的課程，為切實提高學生的動手能力，需多開設設計性和綜合性強的實驗課程［9－10］。生物醫學信號的測量無疑是該課程實驗教學中最基礎環節，因此包括體溫、心電、血壓、呼吸、脈搏等常見人體醫學信號測量實驗系統可以為學生創造了一個很好的實驗平臺。

1 生物醫學信號特點及范圍

生物醫學信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，它是由復雜的生命體發出的不穩定的自然信號，從信號本身特征、檢測方式到處理技術，都不同于一般的信號［11］。其特點可歸納為：

（1）噪聲強。所謂強噪聲是指由于人體自身信號弱，加之人體又是一個復雜的整體，因此信號易受噪聲的干擾。例如對于要從母體腹部提取的胎兒心電信號，母體的心電信號就是一個強噪聲。

（2）信號弱。人體的生理參數的強度微弱，如電壓信號大都在微伏、毫伏量級，壓力信號強度也很弱。

（3）頻率低。生物醫學信號頻率范圍一般較低。除心音信號在音頻段，其他大多數電生理信號是在甚低頻段，甚至是直流信號。

（4）隨機性強。生物醫學信號不但是隨機的，而且是非平穩的，因此對檢測傳感器的靈敏度和分辨率有較高的要求。表1列出實驗系統涉及的人體生理參數范圍，各文獻報道的參數值范圍不盡一致，因為人體生理參數本身就具有顯著的離散性，被測人體系統處于在某種特定的狀態，某一生理參數值的范圍可能有很大的變化。

表1 實驗系統涉及的人體生理參數范圍

2 生物醫學信號采集實驗系統設計

2.1 總體設計思路

不同的信號類型采用不同的檢測方法。一般，對于生物電信號通過電極采用一定的導聯方式檢測出來，而對于非電量參數則通過各種傳感器變換成電信號后被檢測，然后通過前置放大濾波電路去掉原始信號中的干擾得到初級的生物信號。不同的生理參數采用不同的電極或者傳感器以及對應的前置放大濾波電路，后級的信號采集、存儲及數字處理的過程則基本類似，整個測量實驗系統見圖1。

2.2 傳感器的選擇及前置放大濾波電路的設計

2.2.1 體溫

體溫傳感器采用負溫度系數的半導體熱敏電阻，其特點為靈敏度高、熱容量小、相應速度快、分辨率高。其對應的放大電路見圖2，采用2級反向放大電路使得輸出電壓與溫度成正比例關系。

圖1 生物醫學信號測量實驗系統架構

圖2 體溫測量放大電路

2.2.2 心電（ECG）

由于電信號可直接采用醫用心電圖機的電極連接至放大電路。由于是實驗系統，采用肢體導聯電極更方便實驗需求。心電測量放大濾波電路見圖3和圖4。

心電肢體導聯（左、右手）信號分別從LIFT和RIGHT引入，由IC6A、IC6B、IC8A、IC8B、IC8C構成的差分放大電路兩個輸入端，經過一級放大后再經由IC8D構成的濾波電路濾波后，通過IC7B進行二級放大。可通過電位器R37、R42分別調節一、二級放大電路的放大倍數，電位器R38用于調節電路對稱性。IC7A與其外圍電路構成屏蔽驅動電路以提高共模抑制比。IC9為模擬光耦，用于隔離心電放大電路與信號采集電路，確保系統安全性。

2.2.3 血壓

血壓傳感器采用壓阻式固態壓力傳感器［12］，其結構如圖5所示，其核心是利用半導體擴散技術在硅膜片上擴散4個P型電阻構成平衡電橋。當膜片兩側存在壓力差時產生形變后阻值發生變化，電橋失去平衡，輸出相應的電壓，電壓與膜片兩側的壓力差成正比。對應的放大電路見圖6。

圖3 心電測量放大濾波電路一

圖4 心電測量放大濾波電路二

圖5 壓阻式固態壓力傳感器結構

圖6 血壓測量放大電路

圖6中的IC2與外接電阻構成一恒流電路，其6腳輸出一恒定電流提供給壓力傳感器SE1的2端。IC4構成溫度補償電路，輸出至運放IC5的5腳。傳感器將壓力信號轉換成電信號后通過IC5差動放大后輸出至IC3輸出。電位器RP1可改變放大倍數。

2.2.4 呼吸

用于測量呼吸波的傳感器是由一個差壓傳感器和一個差壓閥組成差壓式流量傳感器，又稱節流式流量傳感器，它是利用差壓閥內的節流裝置將管道中的流體的瞬間流量轉換成節流裝置前后的壓力差從而轉換成電信號的。其測量放大電路見圖7。

圖7 呼吸測量放大電路

壓力傳感器將變化的電壓通過連接器JP0接至由IC1A、IC1B、IC1C構成的差動放大電路以及IC1D進行兩級放大后，在AI0端輸出一個與壓力成正比的電壓波形。

2.2.5 脈搏

脈搏傳感器由無源的緊密壓力換能器和一個指套組成，將其綁在食指上即可測量脈搏。脈搏測量放大電路見圖8，其核心為一個差分放大器U7，電位器RP61用于調節放大倍數，U6A、U6B、U8為輸入輸出阻抗匹配電路。最終可在AI3端輸出一個與壓力成正比的電壓波形。

圖8 脈搏測量放大電路

2.3 信號采集設備USB6008

NIUSB6008是一款便攜式的數據采集設備，用于采集各類實時信號，可以與圖形化編程軟件NI Lab－VIEW無縫集成，可輕松地在PC上完成采樣數據的分析、處理以及友好用戶界面的設計，方便地構建一較完整的測量系統。在實驗系統中，利用USB6008的8路AI輸入端，可實現多路信號的并行采集，方便地觀察研究各種生理信號的相關性。

2.4 基于LabVIEW的上位機測量軟件設計

圖形化的編程環境可以較方便地實現用戶界面，利用LabVIEW系統中內嵌的DAQ Assistant實現與USB6008的無縫連接。只需通過簡單設置采樣通道、采用電壓范圍、采用模式、采用率等參數，就可以方便地將數據采集進來。利用LabVIEW中的數字信號處理單元可以方便地對信號進行高通、低通等濾波處理。在上位機測量軟件中主要采用了Butterworth低通濾波，簡單地演示了濾波的效果。對于濾波后的數據通過一定的算法可獲得相關的生理參數量化數據，在軟件中實現了心率、潮氣量、脈率的計算。利用 Write To Measurement File可以將采集的數據保存成lvm文件，并可以利用 Read From Measurement File讀取數據。上位機測量軟件的前面板設計如圖9所示，源程序如圖10所示。

圖9 上位機測量軟件前面板

圖10 上位機測量軟件源程序

2.5 基于Matlab的數字信號處理

對于采樣保存后的數據經過數據格式轉換，可應用Matlab工程語言分析和實現常見的生物醫學信號處理過程。在實驗教學環節中包括如數字濾波器的設計，生物醫學信號的時域、頻域分析等，例如高、低通數字濾波器設計，功率譜分析等。

3 結束語

生物醫學信號測量以人體作為信號源，其復雜程度是任何工業工程系統都不能比擬的。與一般的測量系統相比，其特殊性主要表現為安全性方面和強噪聲背景。當在生物信號的測量過程中需要對人體施加一定的能量時，如通過人體的電流、施加于人體的放射性射線等，必須考慮人體的承受能力并按規定作出一定的限制。而且其承受范圍制不僅取決于生物組織本身的物理、化學性質，還受到這些作用產生的生理學、心理學影響。例如在心電測量時金屬電極直接作用于人體，而人體是一種導體，當有低頻微電流（直流到1 kHz）流入人體時可能會對敏感人群產生微電擊，極易誘發心室顫動造成被測對象的猝死，而同樣的條件可能對健康普通人群又相對安全。因此我們在設計生物信號測量系統時必須考慮所有人群的安全性要求，如在實驗系統的設計中除了所有的電源均采用醫用級DC－DC隔離電源外，在心電測量電路中的輸出端必須采用光耦與采樣系統隔離。

該實驗系統應用于“生物醫學信號處理”、“現代醫學儀器”、“傳感器原理”等多門核心課程的實驗教學中。在實際使用中常遇到的是個體化差異問題，同樣的裝置及測量環境，因被測對象的不同而產生的實驗效果相差很大。當然，這也充分體現了人體生物醫學信號的離散性。

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