各常用生理信號概述

中山大學醫(yī)學電子學與傳感器課程報告報告題目：各常用生理信號概述報告人：相關學科：生物醫(yī)學工程所在院系：生物醫(yī)學工程學院指導老師：報告時間：2020年4月4日

一、報告目的簡述下列各生理信號的含義，并列舉其測量范圍，測量單位和頻率范圍。ECG,EEG,EMG,EOG,ERG,GSR,PCG,細胞膜電位，胃電圖，血流量，血壓，呼吸率，體溫，Po2,Pco2。報告內容ECGECG其全稱為electrocardiogram，即心電圖。所謂ECG(心電圖)就是指心臟在每個心動周期中，由起搏點、心房、心室相繼興奮，伴隨著心電圖生物電的變化，通過心電描記器從體表引出多種形式的電位變化的圖形(簡稱ECG)。心電圖是心臟興奮的發(fā)生、傳播及恢復過程的客觀指標。ECG的檢查意義在于：用于對各種心律失常、心室心房肥大、心肌梗死、心率異常、心肌缺血、電解質紊亂(對血鉀不正常變化有快速直視的臨床參考意義)、心衰等病癥檢查，可用于床邊24小時監(jiān)視病人心臟功能。心電圖是反映心臟興奮的電活動過程，它對心臟基本功能及其病理研究方面，具有重要的參考價值。心電圖可以分析與鑒別各種心律失常;也可以反映心肌受損的程度和發(fā)展過程和心房、心室的功能結構情況。在指導心臟手術進行及指示必要的藥物處理上有參考價值。然而，心電圖并非檢查心臟功能狀態(tài)必不可少的指標。ECG代表整個心臟電激動的綜合過程，以一個個心肌細胞的電激動為基礎，心肌激動時細胞內發(fā)生電傳變化。心臟電活動按力學原理可歸結為一系列的瞬間心電綜合向量。在每一心動周期中，作空間環(huán)形運動的軌跡構成立體心電向量環(huán)。心肌細胞在靜息狀態(tài)下細胞膜外帶正電荷，膜內帶同等數量的負電荷，心肌細胞在靜息狀態(tài)保持著細胞膜內外的電位差，這稱為極化狀態(tài)。由于細胞膜對離子的通透性不同,膜內外各種離子主要是K+、Na+的濃度存在很大差別，細胞內k+濃度較細胞外約高20～30倍，而細胞外Na+濃度高于細胞內10～20倍。細胞膜對K+的通透性較高，于是一部分K+順著濃度梯度外流至膜外，增加了膜外正電荷膜內的有機負離子有隨K+外流的傾向，但因分子大，不能通過膜而被阻滯于膜的內表面。膜外正電的排斥作用和膜內負電的吸引作用，使K+的繼續(xù)外流受阻而達到平衡時，在膜的兩側便形成極化狀態(tài)。不同類型的心肌纖維，靜息電位不同;快反應纖維，如心室肌為-80～-90mV，慢反應纖維，如竇房結則僅-40～-70mV。當心肌細胞受到刺激而興奮時，細胞膜內外的電位迅速變化。細胞膜內外的電位差在瞬間消失，細胞內的電位由-90mV迅速變?yōu)?mV,乃至+20～+30mV。也就是說極化狀態(tài)消失，這過程稱為除極過程。以心室肌為例，膜電位從靜息時的-80～-90mV降至-60～-70mV的閾電位水平，即迅速開始除極。隨后細胞內又逐漸恢復其負電位，這過程稱為復極。由除極至復極，膜內電位由負變正及又回至靜息電位的一系列電位變化稱為跨膜動作電位?？僧嫵梢粭l曲線,分成為5個時相。心電信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，收到人體諸多因素的影響，因而有著一般信號沒有的特點：信號弱。從母體腹部取到的胎兒心電信號僅為10uv，成人的心電信號范圍也僅為5mv。心電信號的幅值在10uV~4mV之間，頻率范圍為0.05~100Hz，90%的心電信號頻譜能量集中在0.25~35Hz。噪聲強。由于人體自身信號弱，加之人體又是一個復雜的整體，因此信號易受噪聲干擾。如胎兒心電混有很強的噪音，一方面來自于肌電、工頻等干擾，另一方面，在胎兒心電中不可避免地含有母親的心電。隨機性強。心電信號不但是隨機的，而且是非平穩(wěn)的。參考文獻：[1]LucchiniMaristella,WapnerRonaldJ,Chia-LingNhan-Chang,TorresCaroline,YangJoel,WilliamsIsmeeA,FiferWilliamP.EffectsofmaternalsleeppositiononfetalandmaternalheartratepatternsusingovernighthomefetalECGrecordings.[J].Internationaljournalofgynaecologyandobstetrics:theofficialorganoftheInternationalFederationofGynaecologyandObstetrics,2020,149(1).EEG腦電信號（electroencephalography，EEG）的本質是腦神經細胞群的電反應，而由于腦部神經細胞群運動的復雜性、多變性和個體差異性，導致EEG信號中所包含的有效信息被完整采集保存下來是很有難度的，保存下來的腦電信號經過處理也很難完全真實地反映人腦蘊藏的大量信息與模擬人腦的思維活動；另一方面，現階段EEG信號在實時處理上也存在一定難度。依據腦電圖儀與臨床生理學會國際聯(lián)盟的分類，腦電信號的頻率分為4個頻段，分別是δ波、θ波、α波與β波。δ波頻率為0.5-4Hz，振幅為20-200uV，當人在嬰兒期或智力發(fā)育不成熟、成年人在極度疲勞和昏睡或麻醉狀態(tài)下，可在顳葉和頂葉記錄到這種波段。θ波頻率為4-8Hz，振幅為100-150uV，在成年人意愿受挫或者抑郁以及精神病患者中這種波極為顯著。但此波為少年（10－17歲）的腦電圖中的主要成分。α波頻率為8-13Hz，振幅為20-100uV，它是正常人腦電波的基本節(jié)律，如果沒有外加的刺激，其頻率是相當恒定的。人在清醒、安靜并閉眼時該節(jié)律最為明顯，睜開眼睛（受到光刺激）或接受其它刺激時，α波即刻消失。β波頻率為13-30Hz，振幅為5-20uV，當精神緊張和情緒激動或亢奮時出現此波，當人從噩夢中驚醒時，原來的慢波節(jié)律可立即被該節(jié)律所替代。腦電信號的特點：腦電信號非常微弱，一般只有50uV左右，幅值范圍為5uV-100uV。腦電信號的頻率低，一般在0.1Hz-100Hz，需要濾出腦電信號頻率以外的高頻干擾。在電極與頭皮接觸的部位會產生電位差，稱為極化電壓。極化電壓一般在幾毫伏到幾百毫伏之間，理想情況下，在用雙電極提取人體兩點電位差時，極化電極可以相互抵消，但實際上，由于極化電極受到多種因素的影響，所以無法完全消除。參考文獻：[1]陳真誠，鐘靖，腦電信號采集預處理電路設計，中國醫(yī)學物理學雜志，2009年7月，第26卷第六期EOG眼電信號（electro-oculogram，EOG）是因眼球運動產生的一種微弱的生理信號，該信號可以被貼在眼球周圍的電極記錄下來。在生物電信號中，EOG信號具有幅值較高、波形便于檢測、容易處理等優(yōu)勢。然而，由于受到采集設備和特征提取與模式識別技術的制約，有關EOG信號的研究還不十分廣泛。眼球可以理想化地看成是一個雙極性球體模型，角膜和視網膜之間因電勢不同而存在以毫伏量級計算的電勢差。為尋求眼球運動與電勢之間的關系，許多科研工作者做出了不謝努力。直到20世紀80年代初期，Stern與Oster在眾多的科學家工作的基礎上，綜合了各方的觀點與結論，得出偏轉角在30度范圍內，電勢差與眼球偏轉角符合線性關系；而在偏轉角介于30度與60度之間時，電勢差與眼球的偏轉角則符合正弦曲線關系。后期生物醫(yī)學研究進一步證明，在角膜與視網膜二者之間存在介于0.4~10mV的電勢差，其中角膜（Cornea）部分電勢較高，可以視為帶正電荷；視網膜（Retina）部分電勢較低。可以視為帶負電荷。EOG信號的頻率介于0.1Hz-38Hz范圍之間，幅值通常在50-3500uV之間。參考文獻：DENGLY,HSUCL,LINTC,etal.EOG-basedHuman-ComputerInterfacesystemdevelopment[J].ExpertSystemswithApplication,2010,37(4):3337-3343.BAREAR,BOQUETEL,ORTEGAS,etal.EOG-basedeyemovementscodificationforhumancomputerinteraction[J].ExpertSystemswithApplication,2012,39(3):2677-2683.王君，EOG信號的特征提取與識別算法研究EMGEMG，應用電子學儀器記錄肌肉靜止或收縮時的電活動，及應用電刺激檢查神經、肌肉興奮及傳導功能的方法。英文簡稱EMG。通過此檢查可以確定周圍神經、神經元、神經肌肉接頭及肌肉本身的功能狀態(tài)。通過測定運動單位電位的時限、波幅，安靜情況下有無自發(fā)的電活動，以及肌肉大力收縮的波型及波幅，可區(qū)別神經原性損害和肌原性損害，診斷脊髓前角急、慢性損害（如脊髓前灰質炎、運動神經元疾?。窠浉爸車窠洸∽儯ɡ缂‰妶D檢查可以協(xié)助確定神經損傷的部位、程度、范圍和預后）。另外對神經嵌壓性病變、神經炎、遺傳代謝障礙神經病、各種肌肉病也有診斷價值。此外，肌電圖還用于在各種疾病的治療過程中追蹤疾病的恢復過程及療效。利用計算機技術，可作肌電圖的自動分析，如解析肌電圖、單纖維肌電圖以及巨肌電圖等，提高診斷的陽性率。肌電圖檢查多用針電極及應用電刺激技術，檢查過程中有一定的痛苦及損傷，因此除非必要，不可濫用此項檢查。另外，檢查時要求肌肉能完全放松或作不同程度的用力，因而要求受檢者充分合作。對于某些檢查，檢查前要停藥，如新斯地明類藥物應于檢查前16小時停用。記錄肌肉動作電位的曲線（電描記圖）稱為肌電圖?？s寫為EMG。實際使用的描記方法有兩種：一種是表面導出法，即把電極貼附在皮膚上導出電位的方法；另一種是針電極法，即把針電極刺入肌肉導出局部電位的方法。用后一種方法能分別記錄肌肉每次的動作電位，而根據從每秒數次到二、三十次的肌肉動作電位情況，發(fā)現頻率的異常。應用肌電圖還可以診斷運動機能失常的原因。平常所用的針電極稱為同心電極，它是把細針狀電極穿過注射針的中心，兩者絕緣固定制成的。EMG信號我們可以分為三類來看，分別是iEMG(肌內肌電信號)、pEMG(經皮肌電信號)、sEMG(表面肌電信號)。根據神經生理知識，肌肉動作電位將產生-90mV到30mV的電勢差，由于人體是電的不良導體（1MΩ數量級內阻），故從體表的貼片電極上只能獲得1mV左右的峰值。根據文獻，SEMG中往往混合著甚低頻（接近直流）和高頻的干擾信號，而有效的肌電信號頻譜分布在10-500Hz間。故從貼片電極檢測出的信號需經過高通濾波（隔直處理）、高倍放大、低通濾波（濾除高頻干擾）等信號調理過程。ERG視覺電生理檢查主要包含三個方面：眼電圖、視網膜電圖以及視誘發(fā)電位。其中眼電圖以及視誘發(fā)電位都可以通過皮膚電極進行信號采集提取。但是視網膜電信號的采集則是通過角膜接觸鏡電極獲得電信號。當向視網膜施加廣泛的光刺激時，通過高精度的信號采集裝置記錄視網膜的一簇電反應，將其稱之為全視野ERG，它記錄了視網膜中感受器細胞以及雙極細胞等接受全視野光刺激時的綜合反應。全視野ERG的波形通常由命名為a,b,c,d的四個特征波組成。各個波形的起源如下圖所示，首先是a波，有時稱之為“感受器電勢”，主要來源于感光細胞的感受器電位，通常反映視網膜外層光感受器的生理健康。相對應的，b波主要與給光雙極細胞等細胞的活動有關，反映了視網膜內層光雙極細胞的功能是否正常。此外c波來自于視網膜的色素上皮細胞，而d波則顯示了撤光雙極細胞的活動。在實際的臨床檢測中，我們主要關注ERG中的主要成分a波和b波，其波形如下圖所示，a波為ERG波形的波谷，b波則代表波峰。對于ERG波形主要關注兩方面的參數信息，首先是相對于基線a波與b波的峰值。其次是a波隱含期，即刺激起始至a波波谷的時間；以及b波隱含期，即刺激起始至b波波峰的時間。視網膜電信號作為一種微弱的人體信號，與其他的物理量微弱信號相比，更不易于采集。首先，它的幅值特別低，通過角膜接觸電極能夠提取到相對較大的ERG信號，其幅值約為200uV。但通過皮膚電極進行采集時。由于人體的皮膚阻抗較大，采集到的原始信號幅值僅為20uV左右。此外，從人體中提取勝生理信號的時候，受到很多外界因素的干擾比較嚴重。上圖所示為羅蘭眼電生理系統(tǒng)采集的ERG信號波形。圖中第一個波谷標記為a波波谷，波峰標記點為b波波峰，圖中測量了a波與b波的反應振幅以及隱含期時間。a波的振幅是從基線到a波波谷的反應電位值，b波的振幅是由a波波谷到b波波峰的反應電位值。參考文獻：SutterEE.Noninvasivetestingmethods:multifocalelectrophysiology[J],EncyclopesiaoftheEye,2010,3:142-160肖家翔，林小洪.視覺電生理在糖尿病視網膜病變中醫(yī)治中的應用[J]，中國中醫(yī)藥信息雜志，2012,19（2）：73-74MarmorMF,BrigellMG,McCullochDLetal.ISCEVstandardforclinicalelectro-oculography(2010update)[J],Documentaophthalmologica,2011,122(1):1-7.GSR皮膚電阻隨皮膚汗腺機能變化而改變，叫做皮電反應GSR（Galvanicskinresponse）。皮膚電反應可以作為交感神經系統(tǒng)功能的間接指標反應人體的情緒變化，尤其對于測謊，皮電無論是頻率還是幅度變化都很明顯，是良好的測謊指標。GSR信號具有很低的頻率，一般在0.02-0.2Hz的范圍內。它既包含緩變的皮膚電水平（skinconductancelevel，SCL）成分也包含突變的皮膚電響應成分，具有非平穩(wěn)性。參考文獻：[1]劉名揚，張曉寒，基于選擇因子的皮膚電反應信號小波去噪方法，技術科技與工程雜志，2017年5月，第17卷第15期PCG心音是指在一個完整的心動周期中，心肌收縮，心臟瓣膜關閉，血液撞擊心室壁、大動脈壁，引起器官震動發(fā)出的聲音。心音信號大體可以分為第一心音S1和第二心音S2（有時還伴隨微弱的第三、第四心音）。心電信號是人體心臟電位差的直接反映，作為心臟機能的一種特征反映，體現著人體生理電信號信息。醫(yī)學上正常的心音頻率主要分布在10-800Hz范圍，雜音則分布在800-1500Hz。心音的時域圖如下圖所示。由圖可知，一個正常的心動周期持續(xù)時間大約為0.8-1s。S1時限表示的是第一心音S1的持續(xù)時間（一般為70-150ms），S2時限則表示第二心音S2的持續(xù)時間（約為60-120ms）。32】參考文獻：[1]PCG/ECG采集電路設計與信號分析研究細胞膜電位細胞膜電位包括靜息電位和動作電位兩種。靜息電位是組織細胞安靜狀態(tài)下存在于膜兩側的電位差。動作電位是當細胞受刺激時，在靜息電位的基礎上發(fā)生的電位變化。細胞在安靜狀態(tài)時，正電荷位于膜外一側(膜外電位為正)，負電荷位于膜內一側(膜內電位為負，)這種狀態(tài)稱為極化。如果膜內外電位差增大，即靜息電位的數值向膜內負值加大的方向變化時，稱為超極化。相反地，如果膜內外電位差減小，即膜內電位向負值減小的方向變化，則稱為去極化或極化。一般神經纖維的靜息電位如以膜外電位為零，膜內電位為-70~-90mv。靜息電位是由于細胞內K+出膜，膜內帶負電，膜外帶正電導致的。兩棲類和哺乳類骨骼肌細胞的靜息電位一般為-90mV。平滑肌細胞的為-55mV，人類紅細胞的僅為-9mV。當細胞受刺激時，在靜息電位的基礎上可發(fā)生電位變化，這種電位變化稱為動作電位。動作電位的波形可因記錄方法不同而有所差異以微電極置于細胞內，記錄到快速、可逆的變化，表現為鋒電位;鋒電位代表細胞興奮過程，是興奮產生和傳導的標志。動作電位可以分成去極化、復極化、超極化三個過程。動作電位的產生符合“全或無定律”，即刺激只要達到閾值，就能引發(fā)動作電位。動作電位的幅度約為90~130mV，動作電位超過零電位水平約35mV，這一段稱為超射。神經纖維的動作電位一般歷時約0.5~2.0ms，可沿膜傳播，又稱神經沖動，即興奮和神經沖動是動作電位意義相同。參考文獻：[1]左明雪，細胞靜息膜電位的測量，生物學通報，2006年，第41卷第5期.胃電圖胃電圖（EGG）可檢測異常胃電節(jié)律，是臨床上有價值的檢查方法。正常情況下餐后、餐前胃電主功率比大于1。否則，提示餐后胃動力低下，或空腹情況下存在胃過度擴張，而致餐后胃不能進一步擴張。胃竇動力低下時，亦可見胃動過速(大于4周/分)，或胃動過緩(小于2周/分)。正常情況下餐后、餐前胃電主功率比大于1。正常胃電主頻為2～4周/分，餐后應占75%以上。異常結果：正常情況下餐后、餐前胃電主功率比大于1。否則，提示餐后胃動力低下，或空腹情況下存在胃過度擴張，而致餐后胃不能進一步擴張。胃竇動力低下時，亦可見胃動過速(大于4周/分)，或胃動過緩(小于2周/分)血流量血流量(bloodflowvolume)，又稱血流的容積速度。是指單位時間內流經血管某一截面的血量，常以每分鐘毫升數或升數表示。血流量的大小與血管兩端的壓力差成正比，與血管對血流的阻力成反比。1）血流速度通常以平均線速度來表示，以mm/s(毫米/秒)為單位。指某一質粒(如紅細胞)在血管中沿著直線流過的平均速度，不管心縮或心舒時流速的差異如何。血流平均線速度(V)與血流量(Q)成正比，而與血管橫斷面的總面積(A)成反比:當血液由主動脈經中等動脈、小動脈而至毛細血管，再經小靜脈而由腔靜脈回心時,主動脈的口徑雖大,但只有一根;毛細血管的口徑雖小,但有無數根,故就毛細血管橫斷面的總面積而言,則比主動脈的橫斷面面積約大220~440倍。主動脈血流的平均線速度，約為220mm/s，依上列公式計算，則毛細血管血流的平均線速度，應介于220/440至220/220，即0.5~1.0mm/s之間，與實際測量的結果基本相符。腔靜脈有兩根，其橫斷面總面積比主動脈要大一倍多，故腔靜脈血流線速度平均不及主動脈的一半。動脈血流速度隨著心縮和心舒而波動，心室收縮時血流加快，舒張時血流變慢。例如，馬的頸動脈血流速度，心縮時約為520mm/s，心舒時約為150mm/s，差異很大。這種波動幅度在小動脈管即逐漸變小，到了毛細血管，流速的波動即不明顯，靜脈的血流則始終表現均勻。在接近心臟的腔靜脈血流，由于受到房內壓變動的影響而發(fā)生相應的改變，但波動的幅度很小。2）循環(huán)時長血流中某一質粒經體循環(huán)和肺循環(huán)流過一周所需的時間，稱為總循環(huán)時;如只經過肺循環(huán)一周，則其所需時間稱為肺循環(huán)時。在人體，總循環(huán)時約為23秒，肺循環(huán)時約為11秒。循環(huán)時可因血流速度加快而縮短，如肌肉運動時或注射腎上腺素后，循環(huán)時可明顯縮短。病理情況下，循環(huán)時也有大的改變，如患甲狀腺機能亢進或貧血者，以及心肌衰竭時，循環(huán)時將延長。3）變動規(guī)律綜合上述血壓和阻力兩個條件，血流量的變動規(guī)律便可以下式來表示:這里阻力也稱外周阻力。阻力的數值如用物理學的單位來表示，則是dyn·s/cm(達因·秒/厘米)。為了避免計算的麻煩，生理學常用動脈壓的mmHg數(毫米汞柱數)與血流量的ml/s(毫升/秒)數的比值來表示。如平均動脈壓為90mmHg，平均血流量為90ml/s，則其外周阻力為90mmHg/90ml/s=1個阻力"單位"。正常人體總的外周阻力約變動于0.45~1.05阻力單位之間。器官血流量上述公式既可適用于整個體循環(huán)或肺循環(huán)的血流量，也可適用于體循環(huán)的各個器官的血流量。若應用于器官血流量的推算,則Q就指某一器官的血流量,P指進入該器官的平均動脈血壓,R則指該器官內的微小血管的阻力。在機體靜息時，肝、腎的血流量較多，肌肉的血流量較少;隨著運動的加強，前者明顯減少，后者則急劇增加;腦循環(huán)的血流量保持恒定，冠狀循環(huán)有明顯增加;皮膚血流量也相應增加，但在最強運動時反而減少。心輸出量是各器官血流量的總和，隨著運動加強而相應增加。由此可見，體循環(huán)各器官血流量在不同強度運動時，有增有減，這些變化是由于神經系統(tǒng)和體液因素的調節(jié)作用造成的(見血壓)。血壓通常所說的血壓是指動脈血壓。收縮壓與舒張壓的差值稱為脈搏壓，簡稱脈壓。體循環(huán)動脈血壓簡稱"血壓"(bloodpressure，BP)。血壓是血液在血管內流動時，作用于血管壁的壓力，它是推動血液在血管內流動的動力。國家權威機構發(fā)布正常血壓:收縮壓<130mmHg，舒張壓<85mmHg;理想血壓:收縮壓<120mmHg，舒張壓<80mmHg。呼吸率呼吸率即呼吸頻率，是用來形容每分鐘呼吸的次數，胸部的一次起伏即為一次呼吸，即為一次吸氣一次呼氣，正常值為每分鐘12-20次；然而每分鐘的呼吸次數、呼吸頻率隨著年齡、性格、與生理狀態(tài)的不同而出現差異，成年人的呼吸頻率正常值通常為每分鐘12-20次，而兒童為每分鐘20次，一般情況下，女性比男性要快1-2次。體溫人體內部的溫度稱體溫。保持恒定的體溫，是保證新陳代謝和生命活動正常進行的必要條件。體溫是物質代謝轉化為熱能的產物。正常人的體溫是相對恒定的，它通過大腦和丘腦下部的體溫調節(jié)中樞，調節(jié)和神經體液的作用，使產熱和散熱保持動態(tài)平衡。在正常生理狀態(tài)下，體溫升高時，機體通過減少產熱和增加散熱來維持體溫相對恒定;反之，當體溫下降時，則產熱增加而散熱減少，使體溫維持在正常水平。正常體溫不是一個具體的溫度點，而是一個溫度范圍。機體深部的體溫較為恒定和均勻，稱深部體溫;而體表的溫度受多種因素影響，變化和差異較大，稱表層溫度。臨床上所指的體溫是指平均深部溫度。一般以口腔、直腸和腋窩的體溫為代表，其中直腸體溫最接近深部體溫。正常值:口腔舌下溫度為36.3~37.2℃，直腸溫度36.5~37.7℃比口腔溫度高(0.2~0.5℃)，腋下溫度36.0℃-37.0℃。正常體溫的標準是根據多數人的數值，并非為個體的絕