電生理技術(shù)2015課件

電生理信號測量基礎(chǔ)上海交通大學醫(yī)學院王成電生理學以作用于生物體的電作用和生物體所發(fā)生的電現(xiàn)象為主要對象的生理學的一個分支領(lǐng)域。細胞電生理神經(jīng)電生理視覺電生理心臟/心肌電生理電生理技術(shù)

electrophysiologicaltechniques測量、記錄和分析生物體發(fā)生的電現(xiàn)象（生物電）的技術(shù)研究生物體的電特性的技術(shù)。以各種形式的能量（電、磁、聲等）刺激生物體，并產(chǎn)生生物效應(yīng)的技術(shù)。生物電測量：用電極將微弱的生物電引出，經(jīng)生物電放大器將它放大，再經(jīng)示波器等顯示其波形并記錄下來，以便觀察、分析和保存。有關(guān)技術(shù)：①電極②生物電放大器③顯示和記錄④遙測技術(shù)。電腦在生物電信號的處理和分析中的應(yīng)用，不僅可以提高效率和測量精度，而且可以建立新的測量方法、開辟新的研究領(lǐng)域。生物體電學特性的測量：對生物體的電阻、電容和電感等參數(shù)的測量。利用某些系統(tǒng)活動時的電表現(xiàn)來對這些系統(tǒng)本身的機能進行分析，即分析某些電現(xiàn)象和功能之間的關(guān)系、功能單元之間的關(guān)系、刺激與反應(yīng)之間的關(guān)系。例：細胞的跨膜電位的變化強烈地改變著膜的電學特性，對跨膜電位進行動態(tài)的精確的控制，測量流過細胞膜的電流變化，這就是電壓鉗技術(shù)。它對于生物電產(chǎn)生和傳播過程的研究有重要意義。電流對生物體的作用：設(shè)計制造刺激器，使之能產(chǎn)生所需形式和參數(shù)的刺激能量；將刺激能量施加在欲刺激的部位上。電流的參數(shù)的確定：如強度、持續(xù)時間等，可精細調(diào)節(jié)和穩(wěn)定，或由程序控制。電流給予的部位和方式。佩帶在正?；顒拥娜嘶?qū)嶒瀯游锷砩?，或埋藏在體內(nèi)的長時間連續(xù)工作（如心臟起搏器）。Electrophysiology主題的不同研究方向的文獻出版篇數(shù)cardiovascularsystem每年出版文獻數(shù)cellbiology每年出版文獻數(shù)參考書F.Bretschneider和J.R.deWeille著，封洲燕譯：《電生理學方法與儀器入門》，機械工業(yè)出版社，2008.9張日暉：《實用電生理基礎(chǔ)》。北京師范大學出版社，2011.1施瓦茨和雷迪根著，丁光宏和顧全保譯：《電生理學基礎(chǔ)（第二版）》，復旦大學出版社，2006.8一、生物電測量的技術(shù)基礎(chǔ)常見的生物電信號心電圖（ECG）腦電圖（EEG）肌電圖（EMG）視網(wǎng)膜電圖（ERG）/眼震電圖神經(jīng)電活動記錄單細胞電活動記錄/離子通道電活動記錄生物電信號名稱幅值頻率范圍心電0.1

5mv0

100Hz腦電5

50μv0.5

60Hz肌電20μv

30mv10

3000Hz胃電50μv

2mv0.001

20Hz視網(wǎng)膜電50μv

200μvDC

20Hz1.1生物電位分類單細胞電位局部組織電位體表電位自發(fā)電位（自身）誘發(fā)電位（外加刺激）細胞膜電位：

靜息電位-70mV電壓鉗電路RE實際運算放大器-+AVoV-V+Vo=A(V+-V-)Vo=V+-+ARfVo=IfRfIf電壓鉗電路膜片鉗電路典型的膜片鉗微電極的電阻為0.5-50MΩ，只需一根電極就可以控制電位，在電流通過的時候同時可以進行電壓測量。IM=VF/RFIM單細胞電位體表電位單個細胞可以看作一個電偶極子，由細胞組成的組織和器官可以看作是電偶極子的集合，身體可以看作容積導體，這樣，在體表就可以檢測到變化的電位。電偶極子和體表電位變化+-相對電位和“絕對”電位相對電位是指兩紀錄電極電位之差；“絕對”電位是指記錄電位和“零”電位之差。+-+-導聯(lián)體表電極安放在不同位置所測得的波形是不同的。按某一標準規(guī)定安放體表電極并連線——導聯(lián)12個標準導聯(lián)（10個電極）心電圖導聯(lián)記錄兩個電極之間的電位差差分放大器DifferentialAmplifier要考慮最大電極電位差和直流飄移心電標準導聯(lián)找到中心電位測量“絕對電位”多個電極的電位取均值作為中心電位。把中心電位作為測量的零電位。胸導聯(lián)加壓肢體導聯(lián)監(jiān)護電極及其安放RA、LA分別對應(yīng)右上肢和左上肢，置于胸骨兩側(cè)第一或笫二肋間。RL、LL分別對應(yīng)右下肢和左下肢，置于腋前線的劍狀軟骨水平。V對應(yīng)胸導聯(lián)。

腦電電極放置法其特點是：電極有各自的名稱：位于左側(cè)的是奇數(shù)，右側(cè)的是偶數(shù)。按近中線的用較小的數(shù)字，較外側(cè)的用較大的數(shù)字。電極名稱包括電極所在頭部分區(qū)的第一個字母。諸點電極的間隔均以10%和20％來測量。世界上絕大多數(shù)腦電圖實驗室采用的是國際10-20系統(tǒng)(the10-20internationalSystem)電極放置法利用腦電圖確定位病灶和診斷病情，并非只由一對電極來實現(xiàn)，而是要用多對電極(多個導聯(lián))，根據(jù)不同的情況和要求，連接成不同的方式，記錄多個波形，分析這多個波形的基本特征和相互聯(lián)系才能完成病灶定位和疾病診斷。這就要求腦電圖機有多個放大器，同步記錄8、16或32導波形。EEG/ERP記錄系統(tǒng)Neuroscan128導EEG/ERP記錄系統(tǒng)為腦科學的研究提供了很好的技術(shù)和研究平臺，而且還有和磁共振結(jié)合研究的工具?，F(xiàn)有512導的記錄系統(tǒng)和全新的腦電研究的方法，誘發(fā)電位

:（EvokedPotentialResponse)幅度：0.1~10μv視覺體感聽覺誘發(fā)1.2.生物電信號的特點生物系統(tǒng)產(chǎn)生的信號通常總是連續(xù)信號。實際生物信號總是不有一些不確定的噪聲或參數(shù)變化，因而是不確定性的。休息時的正常心電圖看上去幾乎是周期性的，然而P波，QRS波的精確形狀并完全不相同，各個QRS波的間隔（心率）也不相同，R-R間期，也即心率變異（HRV）程度是預測心臟健康的一個指標。特點1.信號微弱

最大的是心電QRS波1-5mv

小的如誘發(fā)電位0.1-10μv

希氏束電位1μv左右特點2.信號的頻率低信號的頻率：信號變化的快慢

快變化信號——頻率高生物電信號大部分都在幾百赫茲以下的超低頻段時間域和頻率域50Hz的信號是指每秒鐘交變50次。信號的頻譜概念50HzHzt生物電信號名稱幅值頻率范圍心電0.1

5mv0

100Hz腦電5

50μv0.5

60Hz肌電20μv

30mv10

3000Hz胃電50μv

2mv0.001

20Hz視網(wǎng)膜電50μv

200μvDC

20Hz特點3.強噪聲背景（信噪比小）50HZ噪聲：①電磁場噪聲②電源電壓產(chǎn)生的噪聲其他信號的干擾：誘發(fā)腦電時自發(fā)腦電的干擾胎兒心電時母體心電的干擾元電件噪聲：熱噪聲、PC結(jié)噪聲——提高信噪比特點4.統(tǒng)計性和不可接通性正常值有范圍探頭的進入破壞內(nèi)環(huán)境特點5、包含深層次的信息：深層次信息的含義有強干擾下的動態(tài)信息提取，從體表上收集到的各種信號中提取生物體內(nèi)各器官的信息、內(nèi)部各組織的信息、以至細胞層次和分子層次的信息，以及各系統(tǒng)、各層次內(nèi)的信息和相互之間的聯(lián)系。例如:瞬時心率含有植物神經(jīng)活動的大量消息(交感神經(jīng)、副交感神經(jīng)、迷走神經(jīng))從頭皮上拾取的腦電信號隱含著大量腦工作的信息。1.3。生物電信號的檢測電信號幾個要素電壓U電流I阻抗R頻率F-頻率響應(yīng)噪聲N-信噪比S/NRUI歐姆定律：U=IR單位：伏特V=安培A歐姆電位1電位2傳感器模擬信號調(diào)理信號數(shù)字化數(shù)據(jù)存儲和顯示數(shù)字信號處理需觀察的參數(shù)圖2.1生物信號監(jiān)測系統(tǒng)框圖電極生物電信號的拾取采用電極。由于電極是將體內(nèi)原始的離子電流轉(zhuǎn)換為電子電流，實質(zhì)上也是一種傳感器。微電極玻璃微電極金屬微電極。微電極的尖端直徑小于1微米，也可大至幾微米。玻璃微電極的尖端由于電阻很高（在5～100兆歐之間），而引起信號衰減，高頻失真等。所以微電極放大器需具有極高的輸入電阻和減小輸入電容的補償電路，使生物電能保真地放大。微電極插入細胞體內(nèi)記錄時，對放大器的偏流須有嚴格的限制（如應(yīng)小于10-11A），以防止漏電流對細胞興奮性的影響。體表電極材料：體表檢測生物電信號時通常使用銀-氯化銀電極，這種電極的噪聲較小。其它常用的有不銹鋼、銀、鉑金、金等。形狀：針狀電極、平面電極、浮式電極等。也可分為單電極、多電極、矩陣電極等。電極的安置固定方法對檢測效果很重要。信號調(diào)理（SignalConditioning）把由電極拾取的生物信號調(diào)理到適合于線性記錄或顯示?，F(xiàn)今，通常是使之適合于A/D轉(zhuǎn)換器對信號進行數(shù)字化放大：用電子電路將信號變化的幅度增大；濾波：去除噪聲和補償因傳感器造成的信號失真。線性補償；有些儀器是用電氣隔離設(shè)計來保證電器安全等。由于信號調(diào)理的主要作用是將生物信號進行無失真的放大，習慣上也將生物信號調(diào)理電路稱為生物信號放大器。1.4。生物電放大器的技術(shù)特性生物電放大器的要求（特點）1.采用差分放大器2.高增益（gain）3.低噪聲4.高輸入阻抗5.合適的通頻帶6.電氣隔離和保護1、雙端輸入單端輸出:采用差分放大器DifferentialAmplifier要考慮最大電極電位差和直流飄移2、輸入抗阻（inputresistance）信號內(nèi)阻電壓/流RinVinRsVsRinVin=VsRs+Rin如Rin>>Rs則Vin=Vs如Rin=Rs則Vin=1/2Vs要求Rin>10Rs，至少大于2MΩ輸出抗阻越小越好3、共模抑制比差模信號共模信號(common-mode)共模抑制比CMRR=-+A-+AVcV0=AD（V2-V1）V0=AcVcADACCommon-modeRejectionRationADCMR=20lg分貝

dbACV2V1①差分放大器在理想情況下

Ac=0CMRR=∞②100dB=105

即100,000倍

60dB=103

即1,000倍ADACADAC③實際情況☆Op的不平衡及電路不完全對稱

Ac≠0（內(nèi)部不平衡）☆電路電纜輸入不平衡共模→差模（電路不平衡）☆電磁場對電路的影響及電源等的問題（電源及外界干擾）4、噪聲來自放大器的元器件：熱噪聲、PN結(jié)噪聲等初級放大器的噪聲將隨著信號一起放大。通常輸出端測量到的噪聲需要折合到輸入端進行比較。其它干擾有共模噪聲和其它生物電干擾。降低共模噪聲的辦法提高共模抑制比提高輸入抗阻屏蔽良好的接地（或共用端、隔離電路）右腿驅(qū)動或屏蔽驅(qū)動隔離電源或浮動電源良好的電路設(shè)計和布局信號處理:濾波（合適的頻響范圍）同步疊加5、頻響儀器的頻率特性幅頻特性和相頻特性（相位失真）1.儀器頻響范圍必須包括興趣信號的頻率范圍。2.儀器的頻響不能突變3.記錄器的影響熱筆、描筆、光筆、磁帶、示波器507070%通帶阻帶-3dB濾波器特性1.5。信號的數(shù)字化A/D轉(zhuǎn)換器用于將生物信號由連續(xù)的模擬波形轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的電子器件。原先由傳感器檢測出來并經(jīng)過放大和濾波后的模擬波形是連續(xù)信號，A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成了離散的數(shù)字信號。所謂離散信號由一系列數(shù)字組成的序列。用A/D轉(zhuǎn)換進行信號采樣時需要考慮的兩個問題：用幾位二進制數(shù)來表示采集到的電壓幅值？采樣的時間間隔應(yīng)該為多少是合適的？用幾位二進制數(shù)來表示信號幅度位數(shù)越長對信號幅度的分辨率高，或精度越高。16位A/D轉(zhuǎn)換器比8位A/D轉(zhuǎn)換器的精度高。但受到器件和技術(shù)的限制。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率由輸入模擬信號的電壓范圍除以A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)值范圍所決定。數(shù)值范圍是：2（位數(shù)）-1。當輸入信號的電壓范圍為10V，8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是：量化誤差數(shù)字化后的采樣值以二進制的形式被儲存在計算機或由計算機處理，每一個采樣下來的數(shù)據(jù)必須被量化，即將采樣值轉(zhuǎn)化成二進制數(shù)。而二進制數(shù)表示的精度受A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)長度的限制，如8位、12位、16位等。用量化值來近似采樣值而產(chǎn)生的誤差就是量化誤差，量化誤差小于最小分辨率的二分之一。量化誤差由于量化的結(jié)果是把尾數(shù)按四舍五入處理，對于有m位、輸入電壓范圍是Vmax的A/D轉(zhuǎn)換器，有0至2m-1共2m個等級，每個等級的增量為δ=Vmax/2m-1，那么，量化的最大誤差就是emax(nT)=

δ/2。

A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越長則量化噪聲越小，精度越高。應(yīng)合理的選擇輸入電壓范圍和A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來控制量化誤差在允許的范圍之內(nèi)。量化誤差Quantizationerror放大器增益與量化誤差減小量化誤差：1.增加A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)；2.增益匹配采樣的時間間隔A/D轉(zhuǎn)換器中的兩個主要過程：量化。采樣采樣是指每隔T秒所記錄的x(t)

的幅值。設(shè)x(t)是模擬信號，將采集到的幅值用x(kT)表示，其中k表示數(shù)據(jù)序列中的采樣位置，k=0,1,…N-1，（N是數(shù)據(jù)序列總的采樣數(shù)）。T稱為采樣間隔，采樣率為1/T（Hz）。納奎斯特（Nyquist）定理采樣后的數(shù)字信號必須要能精確的描述原來的模擬信號。如果采樣率太低會造成數(shù)字信號失真。納奎斯特定理要求最小采樣頻率應(yīng)該是原始模擬信號的最高頻率fmax的兩倍。即fnyquist=2

fmax例：ECG信號的頻率范圍是0.5-100Hz，那么它的最低采樣頻率應(yīng)是：fnyquist=2

100Hz=200次采樣/秒。采樣率過低造成的信號失真1.6。濾波和濾波器濾波器分類按濾波器的通頻帶可把濾波器分成四類：低通濾波器(LowPassFilter,LPF)，高通濾波器(HighPassFilter,HPF)，帶通濾波器(BandPassFilter,BPF)陷波濾波器(NotchFilter,NF)，濾波器的用途低通濾波器常用于去除生物電信號中的高頻噪聲如肌電噪聲。高通濾波器常用于去除生物電信號中的基線漂移。帶通濾波器是上述二種濾波器的綜合應(yīng)用。陷波濾波器常用于去除生物電信號中的50Hz工頻干擾。通帶、阻帶、截止頻率(上)Frequencyresponseplot(幅頻響應(yīng)曲線)(左)TheBodeplotofafirst-orderButterworthlow-passfilter數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器是指在計算機中用軟件實現(xiàn)的對數(shù)字信號的濾波。它比模擬濾波器具有靈活，精度高等優(yōu)點。按濾波函數(shù)是否遞歸可分為：非遞歸濾波器(NonrecursiveFilter)遞歸濾波器(RecursiveFilter)平滑濾波器(Smoother)最簡單的FIR濾波器，它實際是一個LowPassFilter。它的多項式系數(shù)是：3點平滑——1/4（1，2，1）5點平滑——1/35（-3，12，17，12，-3）7點平滑——1/21（-2，3，6，7，6，3，-2）[b0,b1,b2,……bM]’yn非遞歸濾波器也稱有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器(FiniteImpulseResp