天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院天津市生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)

1、天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院天津市生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2008.9李 剛 與 過(guò)采樣技術(shù)軟件定義儀器 2021/9/121醫(yī)學(xué)資料有人告訴您：有一臺(tái)儀器是真正萬(wàn)能的，可以測(cè)量心電、腦電、肌電、血壓、血氧他還告訴您：即使您不懂任何儀器的設(shè)計(jì)和原理，但您可以像打開電視選臺(tái)遙控器一樣把手中的儀器變?yōu)槿魏文胍膬x器序言？??？！2021/9/122醫(yī)學(xué)資料儀器既是人的感官的延伸 也是一個(gè)“測(cè)量”工具何為“測(cè)量”？把被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量相比較的過(guò)程現(xiàn)代儀器都采用微處理器（微計(jì)算機(jī)）作為核心計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)（量），而被測(cè)信號(hào)都是模擬量。因此需要把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量 采用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器2

2、021/9/123醫(yī)學(xué)資料電子診斷儀器的一般結(jié)構(gòu)傳感器傳感器接口電路DACP或CADC放大濾波鍵盤或其它人機(jī)對(duì)話輸入顯示模擬指示輸出控制信號(hào)傳輸信號(hào)存儲(chǔ)與記錄電源與參考信號(hào)以心電圖為例心電信號(hào)幅值為1mV，假定ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的分辨率為10位（2101024），輸入范圍為5V，因此需要5000倍的放大，可以分辨1V的信號(hào)。2021/9/124醫(yī)學(xué)資料電子診斷儀器的基本原理以心電圖為例換一個(gè)思路：如果我們采用24位的ADC，其輸入范圍仍然是5V，且不加任何放大器，信號(hào)的分辨率5V/2240.3V推理：只要ADC的精度足夠高，可以不要“放大器”，依然可以測(cè)量到所需的信號(hào)。帶來(lái)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：電

3、路簡(jiǎn)單！成本低！免調(diào)試！抗干擾能力強(qiáng)！功耗低！2021/9/125醫(yī)學(xué)資料電子診斷儀器的基本原理量變到質(zhì)變！只要ADC的精度足夠高，可以測(cè)量任何信號(hào)！只需更換傳感器。只要ADC的精度足夠高，可以采用數(shù)字信號(hào)處理來(lái)替代模擬信號(hào)處理。只要有足夠大的程序存儲(chǔ)器，可以在儀器中駐留任何可能用到的程序用戶只要選擇所需的程序（儀器功能）即可2021/9/126醫(yī)學(xué)資料百變金剛的電子診斷儀器用戶選擇所需的儀器功能軟件定義儀器？！肯定有人會(huì)問(wèn)：ADC有這么高的分辨率嗎？現(xiàn)在ADI、TI、Silicon等公司有很多款高分辨率（24位）的型ADC？！也肯定有人會(huì)問(wèn)：高分辨率的型ADC的速度夠嗎？這是下面我們要回答的

4、問(wèn)題2021/9/127醫(yī)學(xué)資料軟件定義儀器前面我們介紹了實(shí)現(xiàn)軟件定義儀器的兩個(gè)基本條件：（1）用ADC的分辨率換取放大器的放大倍數(shù)（2）大容量的存儲(chǔ)器為回答ADC的速度問(wèn)題，下面向大家匯報(bào)在“過(guò)采樣”方面的研究進(jìn)展2021/9/128醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣型ADC過(guò)采樣有很多成熟的產(chǎn)品，價(jià)格便宜，速度較低N型ADC利用普通的中等分辨率、中、高速度ADC實(shí)現(xiàn)2021/9/129醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC中等分辨率ADC的速度從幾百kHz幾百M(fèi)Hz而一般的生理信號(hào)多在數(shù)百Hz以下存在利用“過(guò)采樣技術(shù)” 提高分辨率（精度）的可能性！ 2021/9/1210醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC我們把信號(hào)分成幾種理

5、想的情況：?jiǎn)晤l交流信號(hào)純凈直流信號(hào)直流合適幅值的白噪聲2021/9/1211醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC單頻交流信號(hào)總量化噪聲功率 2 =(LSB value)/12 PSDnoise =(LSB value)2/12(1/fs) =(LSB value)2/12fs 功率頻譜密度 2021/9/1212醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC單頻交流信號(hào)N位ADC的信噪比為： SNRQ = 6.02N+4.77+20log10(LF) （dB） 輸入的滿量程單音正弦波時(shí)： SNRQ-max = 6.02N+4.773 =6.02N+1.77 （dB） 2021/9/1213醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC單

6、頻交流信號(hào)通過(guò)過(guò)采樣得到改進(jìn)的信號(hào)與量化噪聲比為（以dB為單位） SNRQ-gain =10log10(fs,new /fs,old ) 令M=fs,new /fs,old=4K當(dāng)K1時(shí)， SNRQ-gain =6.02 （dB）對(duì)比N位ADC的信噪比為： SNRQ = 6.02N+1.77 （dB）說(shuō)明每過(guò)4倍的采樣率，可以得到1位的分辨率（精度）。2021/9/1214醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC單頻交流信號(hào)考慮過(guò)采樣得到的“精度增益”后N位ADC的分別率： SNRQ = 6.02N+1.77 + 10log10M （dB） = 6.02N+4.776.02K （dB） 2021/9/12

7、15醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC 我們用12位，200kSPS的ADC采樣心電信號(hào)，并利用過(guò)采樣技術(shù)，相當(dāng)于17位、200SPS的ADC采樣。這時(shí)只需要放大器的增益為20倍。2021/9/1216醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC直流信號(hào)白噪聲對(duì)直流信號(hào)疊加合適幅值白噪聲，4K次疊加的均方差為：因此，信噪比提高了SNR =20log10(2k )=6.02k與前面單頻正弦波得到了類似的效果2021/9/1217醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC“純凈”的直流信號(hào)信噪比的提高精度的提高有效分辨率的提高？有一個(gè)純凈的直流信號(hào)，假定它為相當(dāng)于2.4LSB的電平，請(qǐng)問(wèn)：“過(guò)采樣”如何能夠提高分別率？如何能夠提高精

8、度？這時(shí)：“過(guò)采樣”如何能夠提高分別率？！如何能夠提高精度？！也即如何用ADC得到準(zhǔn)確2.4LSB的“數(shù)字”？！2021/9/1218醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC“純凈”的直流信號(hào)此時(shí)，我們可以先回答先前一個(gè)隱含的問(wèn)題：有益的噪聲是什么？為什么有益？在過(guò)采樣中：有益的噪聲是白噪聲，一定幅值的它是實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣效益的條件。平時(shí)避之莫及卻又回避無(wú)門的白噪聲（熱噪聲）這時(shí)成了趨之若鶩的寶貝！因而，在過(guò)采樣中“有人”加入“高頻擾動(dòng)”偽隨機(jī)噪聲。2021/9/1219醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC成型信號(hào)且慢！ADC前端必定有什么電路？抗混疊濾波器和采樣保持電路有“抗混疊濾波器和采樣保持電路”，高頻擾動(dòng)如何能

9、夠加入到ADC中？2021/9/1220醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC成型信號(hào)成型信號(hào)成為一個(gè)載波信號(hào)或運(yùn)載工具：將ADC不能“分辯”的直流變成可以分辨的信號(hào)，然后再?gòu)腁DC的變換結(jié)果中除去成型信號(hào)。2021/9/1221醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC成型信號(hào)成型信號(hào)帶來(lái)的“附加值”：降低ADC的微分非線性2021/9/1222醫(yī)學(xué)資料過(guò)采樣： N型ADC已發(fā)表論文林凌，張麗君，李剛，軟件定義儀器，電子產(chǎn)品世界，2007年11月，54-60.李剛，張麗君，林凌，一種新型數(shù)字鎖相放大器的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化算法，天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2008年4月，Vol.41（4）：429-432。（EI：08211127296

10、6）李剛，張麗君，林凌，何峰，結(jié)合過(guò)采樣技術(shù)和鋸齒波成形函數(shù)的微弱信號(hào)檢測(cè)，電子學(xué)報(bào)，2008年4月，Vol.36（4）：756-759。（EI：082411312847）李剛，張麗君，林凌，何峰，基于過(guò)采樣技術(shù)的生物電信號(hào)檢測(cè)，電子學(xué)報(bào)，2008年7月，Vol.36（）：1465-1467。（EI檢索源） 2021/9/1223醫(yī)學(xué)資料限于時(shí)間關(guān)系，有興趣的同志可以在下面討論下面簡(jiǎn)要介紹我們實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的其他研究2021/9/1224醫(yī)學(xué)資料其他研究簡(jiǎn)介經(jīng)絡(luò)機(jī)理的研究經(jīng)絡(luò)是一種具有特殊電特性細(xì)胞組成的信號(hào)傳導(dǎo)組織 （1） 經(jīng)絡(luò)能夠傳到信息；（2） 經(jīng)絡(luò)具有低阻抗特性；（3） 經(jīng)絡(luò)至今沒(méi)有發(fā)

11、現(xiàn)任何解剖學(xué)上的結(jié)構(gòu)由（1）和（2）證明：經(jīng)絡(luò)是客觀存在的。由（3）推論：經(jīng)絡(luò)不是“管道”結(jié)構(gòu)，不能像血管、淋巴那樣通過(guò)“管道”傳輸物質(zhì)從而達(dá)到傳遞信息的功能。2021/9/1225醫(yī)學(xué)資料其他研究簡(jiǎn)介經(jīng)絡(luò)機(jī)理的研究“電”是生物體內(nèi)信號(hào)傳輸?shù)闹匾绞?，也是生命存在的基本特征?！半姟毙盘?hào)傳輸又分為三種方式：一種是像神經(jīng)細(xì)胞一樣的信號(hào)在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)傳輸，另一種是像心肌細(xì)胞一樣在同種細(xì)胞間傳遞，再一種是不同細(xì)胞間的信息傳遞。前兩種符合“全或無(wú)”的定律，信號(hào)在“特定的渠道和方向上”傳遞。而后一種情況雖然也符合“全或無(wú)”的定律，但除非信號(hào)足夠強(qiáng)而能夠轉(zhuǎn)變到前兩種方式得以繼續(xù)傳播（如感受器接收到其他組織的信

12、號(hào)后經(jīng)神經(jīng)組織向大腦）外，其他“電”信號(hào)均以電場(chǎng)形式在體內(nèi)傳播并快速衰減。而純化學(xué)物質(zhì)的信息傳遞有長(zhǎng)距離作用主要靠經(jīng)管傳輸、速度慢等特點(diǎn)。而經(jīng)絡(luò)傳遞信息的速度介于純化學(xué)物質(zhì)的信息傳遞與神經(jīng)電的信息傳遞之間。2021/9/1226醫(yī)學(xué)資料其他研究簡(jiǎn)介經(jīng)絡(luò)機(jī)理的研究由（2）可以推論：“經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”（我們姑且這樣稱呼經(jīng)絡(luò)上的細(xì)胞）一定具有與“非經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”（我們姑且這樣稱呼經(jīng)絡(luò)周邊的細(xì)胞）不同的“電特性”，目前解剖學(xué)上沒(méi)有能夠發(fā)現(xiàn)“經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”與“非經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”的區(qū)別在于對(duì)這兩種細(xì)胞在細(xì)胞及亞細(xì)胞層次上缺乏充分的研究。就如同兩個(gè)人的長(zhǎng)相可能相似，但在某個(gè)方面的能力可能相差甚遠(yuǎn)一樣，也可以用化學(xué)上的“同分異構(gòu)

13、”和“同構(gòu)異分”的原理來(lái)說(shuō)明：“同構(gòu)”和“同分”是指“經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”與“非經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”的外形（目前所能夠觀察到的）和構(gòu)成元素或基本成份（氫、氧、碳、氮、氨基酸、線粒體）基本相同， “異分”和“異構(gòu)”是指“經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”與“非經(jīng)絡(luò)細(xì)胞”內(nèi)的功能團(tuán)等的構(gòu)成和機(jī)理是有區(qū)別的，內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)與功能，如細(xì)胞的興奮性、離子通道可能不同，特別是相鄰細(xì)胞之間離子通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系可能不同。 2021/9/1227醫(yī)學(xué)資料其他研究簡(jiǎn)介經(jīng)絡(luò)機(jī)理的研究2021/9/1228醫(yī)學(xué)資料其他研究簡(jiǎn)介無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血液成份原理出射光強(qiáng)Imin動(dòng)脈血液非脈動(dòng)部分Imax脈動(dòng)血液靜脈血液其他組織 入射光組織厚度時(shí) 刻 t出射光時(shí) 刻tImax=Ii

14、IminIiIi（Thickness of the tissues）（Time）（Transmitted light intensity）（Time）2021/9/1229醫(yī)學(xué)資料其他研究簡(jiǎn)介無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血液成份優(yōu)勢(shì)消除了大部分個(gè)體差異與測(cè)量條件的影響困難需要高速度，喪失了光譜測(cè)量中利用長(zhǎng)時(shí)間積分或多次疊加來(lái)提高精度的優(yōu)勢(shì)措施傅立葉變換提取信號(hào)降低采樣速度、提高測(cè)量精度新型高速光譜儀2021/9/1230醫(yī)學(xué)資料其他研究簡(jiǎn)介腦起搏器（DBS） 腦深部刺激術(shù)是目前臨床上療效最好的治療帕金森病的方法，但世界上僅有美國(guó)美敦力公司生產(chǎn)腦深部刺激器（DBS，Deep Brain Stimulator），單只價(jià)格高達(dá)8萬(wàn)元人民幣，而且電池使用時(shí)間短，需頻繁更換等缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)很少患者能夠用得起，我們研發(fā)兩種具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)DBS：可充電式和外置式DBS