1、电生理信号测量基础上海交通大学 医学院王成1胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术电生理学以作用于生物体的电作用和生物体所发生的电现象为主要对象的生理学的一个分支领域。细胞电生理神经电生理视觉电生理心脏/心肌电生理2胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术电生理技术electrophysiological techniques测量、记录和分析生物体发生的电现象（生物电）的技术研究生物体的电特性的技术。以各种形式的能量（电、磁、声等）刺激生物体，并产生生物效应的技术。3胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术生物电测量：用电极将微弱的生物电引出，经生物电放大器将它放大，再经示波器等显示其波形并记录下
2、来，以便观察、分析和保存。有关技术：电极生物电放大器显示和记录遥测技术。电脑在生物电信号的处理和分析中的应用，不仅可以提高效率和测量精度，而且可以建立新的测量方法、开辟新的研究领域。4胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术生物体电学特性的测量：对生物体的电阻、电容和电感等参数的测量。利用某些系统活动时的电表现来对这些系统本身的机能进行分析，即分析某些电现象和功能之间的关系、功能单元之间的关系、刺激与反应之间的关系。例：细胞的跨膜电位的变化强烈地改变着膜的电学特性，对跨膜电位进行动态的精确的控制，测量流过细胞膜的电流变化，这就是电压钳技术。它对于生物电产生和传播过程的研究有重要意义。5胡优敏电生
3、理学技术及临床应用电生理技术电流对生物体的作用：设计制造刺激器，使之能产生所需形式和参数的刺激能量；将刺激能量施加在欲刺激的部位上。电流的参数的确定：如强度、持续时间等，可精细调节和稳定，或由程序控制。电流给予的部位和方式。佩带在正常活动的人或实验动物身上，或埋藏在体内的长时间连续工作（如心脏起搏器）。6胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术7胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术Electrophysiology主题的不同研究方向的文献出版篇数cardiovascular system每年出版文献数cell biology每年出版文献数8胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术参考书F.Bre
4、tschneider和J.R.deWeille著，封洲燕译：电生理学方法与仪器入门，机械工业出版社，2008.9张日晖：实用电生理基础。北京师范大学出版社，2011.1施瓦茨和雷迪根著，丁光宏和顾全保译：电生理学基础（第二版），复旦大学出版社，2006.89胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术一、生物电测量的技术基础10胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术常见的生物电信号心电图（ECG）脑电图（EEG）肌电图（EMG）视网膜电图（ERG）/眼震电图神经电活动记录单细胞电活动记录/离子通道电活动记录11胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术生物电信号名称幅值幅值频率范围频率范围心电0.15m
5、v0100Hz脑电550v0.560Hz肌电20v30mv103000Hz胃电50v2mv0.00120Hz视网膜电 50v200vDC20Hz12胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术1.1 生物电位分类单细胞电位单细胞电位局部组织电位局部组织电位体表电位体表电位自发电位（自身）自发电位（自身）诱发电位（外加刺激）诱发电位（外加刺激）13胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术细胞膜电位：静息电位-70mV14胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术电压钳电路RE实际15胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术运算放大器-+AVoV-V+Vo=A(V+-V-)-+ARfVo=IfRfIf16胡优敏
6、电生理学技术及临床应用电生理技术电压钳电路17胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术膜片钳电路典型的膜片钳微电极的电阻为0.5-50M，只需一根电极就可以控制电位，在电流通过的时候同时可以进行电压测量。IM=VF/RFIM18胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术单细胞电位19胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术体表电位单个细胞可以看作一个电偶极单个细胞可以看作一个电偶极子，由细胞组成的组织和器官子，由细胞组成的组织和器官可以看作是电偶极子的集合，可以看作是电偶极子的集合，身体可以看作容积导体，这样，身体可以看作容积导体，这样，在体表就可以检测到变化的电在体表就可以检测到变化的电位。位。电偶
7、极子和体表电位变化+-20胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术相对电位和“绝对”电位相对电位是指两纪录电极电位之差；“绝对”电位是指记录电位和“零”电位之差。+-+-21胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术导联体表电极安放在不同位置所测得的波形是不体表电极安放在不同位置所测得的波形是不同的。同的。按某一标准规定安放体表电极并连线按某一标准规定安放体表电极并连线导导联联22胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术1212个标准个标准导联（导联（1010个电极）个电极）心电图导联心电图导联23胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术记录两个电极之间的电位差差分放大器Differential Amp
8、lifier o要考虑最大电极电位差和直流飘移要考虑最大电极电位差和直流飘移24胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术心电标准导联25胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术找到中心电位测量“绝对电位”多个电极的电位取均值作为中心电位。把中心电位作为测量的零电位。26胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术胸导联27胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术加压肢体导联28胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术监护电极及其安放RARA、LALA分别对应右上分别对应右上肢和左上肢，置于胸肢和左上肢，置于胸骨两侧第一或笫二肋骨两侧第一或笫二肋间。间。RLRL、LLLL分别对应分别对应右下肢和左下肢，置右下
9、肢和左下肢，置于腋前线的剑状软骨于腋前线的剑状软骨水平。水平。V V对应胸导联。对应胸导联。29胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术 脑电电极放置法其特点是：其特点是：电极有各自的名称：位于左侧的是奇数，右侧的是偶数。按近中线的用较小的数字，较外侧的用较大的数字。电极名称包括电极所在头部分区的第一个字母。诸点电极的间隔均以10%和20来测量。世界上绝大多数脑电图实验室采用的是国际国际10-20系统系统(the 10-20 international System)电极放置法电极放置法30胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术31胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术利用脑电图确定位病灶和诊断
10、病情，并非只由一对电极来实现，而利用脑电图确定位病灶和诊断病情，并非只由一对电极来实现，而是要用多对电极是要用多对电极(多个导联多个导联)，根据不同的情况和要求，连接成不同，根据不同的情况和要求，连接成不同的方式，记录多个波形，分析这多个波形的基本特征和相互联系才的方式，记录多个波形，分析这多个波形的基本特征和相互联系才能完成病灶定位和疾病诊断。这就要求脑电图机有多个放大器，同能完成病灶定位和疾病诊断。这就要求脑电图机有多个放大器，同步记录步记录8 8、1616或或3232导波形。导波形。32胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术EEG/ERP记录系统Neuroscan 128导EEG/ERP
11、记录系统为脑科学的研究提供了很好的技术和研究平台，而且还有和磁共振结合研究的工具。现有512导的记录系统和全新的脑电研究的方法，33胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术诱发电位:（Evoked Potential Response)幅度：0.110 v视觉 体感 听觉 诱发34胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术1.2.生物电信号的特点35胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术生物系统产生的信号通常总是连续信号。实际生物信号总是不有一些不确定的噪声或参数变化，因而是不确定性的。休息时的正常心电图看上去几乎是周期性的，然而P波，QRS波的精确形状并完全不相同，各个QRS波的间隔（心率）也不相
12、同，R-R间期，也即心率变异（HRV）程度是预测心脏健康的一个指标。36胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术特点 1.信号微弱 最大的是心电QRS波 1-5mv 小的如诱发电位 0.1-10v 希氏束电位 1 v左右37胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术特点2.信号的频率低信号的频率：信号变化的快慢快变化信号频率高生物电信号大部分都在几百赫兹以下的超低频段38胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术时间域和频率域50Hz的信号是指每秒钟交变50次。信号的频谱概念50HzHzt39胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术40胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术生物电信号名称幅值幅值频率范围频
13、率范围心电0.15mv0100Hz脑电550v0.560Hz肌电20v30mv103000Hz胃电50v2mv0.00120Hz视网膜电 50v200vDC20Hz41胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术特点3.强噪声背景（信噪比小）50HZ噪声：电磁场噪声 电源电压产生的噪声其他信号的干扰：诱发脑电时 自发脑电的干扰 胎儿心电时 母体心电的干扰元电件噪声：热噪声、PC结噪声提高信噪比提高信噪比42胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术特点4.统计性和不可接通性正常值有范围探头的进入 破坏内环境43胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术特点5、包含深层次的信息：深层次信息的含义有强干扰下的动
14、态信息提取，从体表上收集到的各种信号中提取生物体内各器官的信息、内部各组织的信息、以至细胞层次和分子层次的信息，以及各系统、各层次内的信息和相互之间的联系。例如:瞬时心率含有植物神经活动的大量消息(交感神经、副交感神经、迷走神经)从头皮上拾取的脑电信号隐含着大量脑工作的信息。44胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术1.3。生物电信号的检测45胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术电信号几个要素电压 U电流 I阻抗 R频率F-频率响应噪声N-信噪比S/NRUI欧姆定律：U=IR单位：伏特V=安培A欧姆电位1电位246胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术传感器模拟信号调理信号数字化数据存储和显
15、示数字信号处理需观察的参数图2.1 生物信号监测系统框图47胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术电极生物电信号的拾取采用电极。由于电极是将体内原始的离子电流转换为电子电流，实质上也是一种传感器。48胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术微电极玻璃微电极金属微电极。微电极的尖端直径小于1微米，也可大至几微米。玻璃微电极的尖端由于电阻很高（在5100兆欧之间），而引起信号衰减，高频失真等。所以微电极放大器需具有极高的输入电阻和减小输入电容的补偿电路，使生物电能保真地放大。微电极插入细胞体内记录时，对放大器的偏流须有严格的限制（如应小于10-11A），以防止漏电流对细胞兴奋性的影响。49胡优敏电生
16、理学技术及临床应用电生理技术体表电极材料：体表检测生物电信号时通常使用银-氯化银电极，这种电极的噪声较小。其它常用的有不锈钢、银、铂金、金等。形状：针状电极、平面电极、浮式电极等。也可分为单电极、多电极、矩阵电极等。电极的安置固定方法对检测效果很重要。50胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术信号调理（Signal Conditioning）把由电极拾取的生物信号调理到适合于线性记录或显示。现今，通常是使之适合于A/D转换器对信号进行数字化放大：用电子电路将信号变化的幅度增大；滤波：去除噪声和补偿因传感器造成的信号失真。线性补偿；有些仪器是用电气隔离设计来保证电器安全等。由于信号调理的主要作用
17、是将生物信号进行无失真的放大，习惯上也将生物信号调理电路称为生物信号放大器。51胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术1.4。生物电放大器的技术特性52胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术生物电放大器的要求（特点）1.采用差分放大器2.高增益（gain）3.低噪声4.高输入阻抗5.合适的通频带6.电气隔离和保护 53胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术1、双端输入单端输出:采用采用差分放大器Differential Amplifier o要考虑最大电极电位差和直流飘移要考虑最大电极电位差和直流飘移54胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术2、输入抗阻（input resistance）信号
18、内阻电压/流RinVinRsVsRinVin=VsRs+Rin如RinRs 则Vin=Vs 如Rin=Rs 则Vin=1/2Vs要求要求Rin10Rs，至少大于，至少大于2M输出抗阻越小越好输出抗阻越小越好55胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术3、共模抑制比差模信号共模信号(common-mode)共模抑制比 CMRR=-+A-+AVcV0=AD（V2-V1）V0=AcVcADACCommon-mode Rejection RationADCMR=20lg 分贝 dbACV2V156胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术差分放大器在理想情况下 Ac=0 CMRR=100dB =105 即1
19、00,000倍 60dB =103 即1,000倍ADACADAC57胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术实际情况Op的不平衡及电路不完全对称 Ac0（内部不平衡）电路电缆输入不平衡 共模差模 （电路不平衡）电磁场对电路的影响及电源等的问题 （电源及外界干扰）58胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术4、噪声来自放大器的元器件：热噪声、PN结噪声等初级放大器的噪声将随着信号一起放大。通常输出端测量到的噪声需要折合到输入端进行比较。其它干扰有共模噪声和其它生物电干扰。59胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术降低共模噪声的办法提高共模抑制比提高共模抑制比提高输入抗阻提高输入抗阻屏蔽屏蔽良好的接
20、地良好的接地（或共用端、隔离电路）右腿驱动或屏蔽驱动隔离电源或浮动电源隔离电源或浮动电源良好的电路设计和布局信号处理信号处理:滤波（合适的频响范围）滤波（合适的频响范围）同步叠加同步叠加60胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术5、频响仪器的频率特性幅频特性和相频特性（相位失真）1.仪器频响范围必须包括兴趣信号的频率范围。2.仪器的频响不能突变3.记录器的影响 热笔、描笔、光笔、磁带、示波器61胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术50 7070%通带阻带-3dB滤波器特性62胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术1.5。信号的数字化63胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术A/D转换器用于将
21、生物信号由连续的模拟波形转变为数字信号的电子器件。原先由传感器检测出来并经过放大和滤波后的模拟波形是连续信号，A/D转换器将其转换成了离散的数字信号。所谓离散信号由一系列数字组成的序列。64胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术用A/D转换进行信号采样时需要考虑的两个问题：用几位二进制数来表示采集到的电压幅值？采样的时间间隔应该为多少是合适的？65胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术用几位二进制数来表示信号幅度位数越长对信号幅度的分辨率高，或精度越高。16位A/D转换器比8位A/D转换器的精度高。但受到器件和技术的限制。A/D转换器的分辨率由输入模拟信号的电压范围除以A/D转换器的数值范围所
22、决定。数值范围是：2（位数）-1。当输入信号的电压范围为10V，8位A/D转换器的分辨率是：位位输入电压范围位数/2.39/0392.02551012mVVV66胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术量化误差数字化后的采样值以二进制的形式被储存在计算机或由计算机处理，每一个采样下来的数据必须被量化，即将采样值转化成二进制数。而二进制数表示的精度受A/D转换器的位数长度的限制，如8位、12位、16位等。用量化值来近似采样值而产生的误差就是量化误差，量化误差小于最小分辨率的二分之一。67胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术量化误差由于量化的结果是把尾数按四舍五入处理，对于有m位、输入电压范围是V
23、max的A/D转换器，有0至2m-1共2m个等级，每个等级的增量为=Vmax/2m-1，那么，量化的最大误差就是emax(nT)=/2。A/D转换器的位数越长则量化噪声越小，精度越高。应合理的选择输入电压范围和A/D转换器的位数来控制量化误差在允许的范围之内。68胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术69胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术Quantization error 70胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术放大器增益与量化误差减小量化误差：减小量化误差：1.1.增加增加A/DA/D转换器位数；转换器位数；2.2.增益匹配增益匹配71胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术采样的时间
24、间隔A/D转换器中的两个主要过程：量化。采样采样是指每隔T秒所记录的x(t)的幅值。设x(t)是模拟信号，将采集到的幅值用x(kT)表示，其中k表示数据序列中的采样位置，k=0,1,N-1，（N是数据序列总的采样数）。T称为采样间隔，采样率为1/T（Hz）。72胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术纳奎斯特（Nyquist）定理采样后的数字信号必须要能精确的描述原来的模拟信号。如果采样率太低会造成数字信号失真。纳奎斯特定理要求最小采样频率应该是原始模拟信号的最高频率fmax的两倍。即fnyquist=2 fmax例：ECG信号的频率范围是0.5-100Hz，那么它的最低采样频率应是：fnyqu
25、ist=2 100Hz=200 次采样/秒。73胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术采样率过低造成的信号失真74胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术1.6。滤波和滤波器75胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术滤波器分类按滤波器的通频带可把滤波器分成四类：低通滤波器(Low Pass Filter,LPF)，高通滤波器(High Pass Filter,HPF)，带通滤波器(Band Pass Filter,BPF)陷波滤波器(Notch Filter,NF)，76胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术滤波器的用途低通滤波器常用于去除生物电信号中的高频噪声如肌电噪声。高通滤波器常用于去除生
26、物电信号中的基线漂移。带通滤波器是上述二种滤波器的综合应用。陷波滤波器常用于去除生物电信号中的50Hz工频干扰。77胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术通带、阻带、截止频率(上)Frequency response plot(幅频响应曲线)(左)The Bode plot of a first-order Butterworth low-pass filter 78胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术79胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术数字滤波器数字滤波器是指在计算机中用软件实现的对数字信号的滤波。它比模拟滤波器具有灵活，精度高等优点。按滤波函数是否递归可分为：非递归滤波器(Nonr
27、ecursive Filter)(Nonrecursive Filter)递归滤波器(Recursive Filter)(Recursive Filter)80胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术平滑滤波器(Smoother)最简单的FIR滤波器，它实际是一个Low Pass Filter。它的多项式系数是：3点平滑 1/4（1，2，1）5点平滑1/35（-3，12，17，12，-3）7点平滑1/21（-2，3，6，7，6，3，-2）Mnnnnxxxx21b0,b1,b2,bMyn81胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术非递归滤波器也称有限冲激响应数字滤波器(Finite Impulse
28、Response Digital Filter,FIR数字滤波器)，这类滤波器的输出是由输入信号决定的，因此称非递归滤波器。MkknkMnMnnnnxbxbxbxbxby02211082胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术非递归滤波器的优缺点优点：相位失真小。即滤波器对各种频率的延迟是基本一致的。因此在处理生物电信号中常用FIR滤波器。缺点：幅频特性较差，因此为了得到较好的幅频特性常使用较高的阶数，多项式的项数是阶数加1，这样使计算工作量较大，运算速度降低。83胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术递归滤波器也称无限冲激响应数字滤波器(Infinite Impulse Response Di
29、gital Filter,IIR数字滤波器)，这类滤波器的输出是由输入信号和以前的输出信号一起决定的，因此称递归滤波器。它的算法是二个多项式：NkknkMkknkNnNnnMnMnnnnyaxbyayayaxbxbxbxby0022112211084胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术递归滤波器优点：由于是递归的，因此IIR滤波 器中多项式的项数较少，即阶数较低就可得到较好的幅频特性。缺点：此类IIR滤波器往往存在相位失真，即信号中的不同频率成份通过IIR滤波器的延迟是不同的。因此滤波后的波形形态会发生失真，这往往在处理生物电信号时是不希望的。常用的IIR滤波器有：巴特沃思滤波器(Butte
30、rworth Filter)切比雪夫滤波器(Chebyshev Filter)85胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术零相位失真滤波器零相位失真滤波器是通过二次滤波达到的，第一次是从数据x0 xn正序滤波，第二次是用同样的滤波器从数据xn x0反序滤波。这样一正一反二次滤波的相位失真正好抵消，达到零相位失真的目的。正反两次使用的滤波器可选用特性较好的IIR滤波器如Butterworth滤波器。86胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术小结电生理技术的定义、范围及临床应用生物电信号的种类和导联生物电信号的特点生物电信号的检测和技术特性要求信号的采样频率和量化误差信号的滤波和滤波器87胡优敏电生理学技术及临床应用电生理技术
