医学信号处理的原理和方法 曹 银 祥 Dept. of Physiology & Pathophysiology Shanghai Medical College Fudan University
第二讲 医学信号概述 §2-1 医学信号的类型 §2-2 生物电信号的产生 §2-3 生物电信号在生物体内的传导 第二讲 医学信号概述 §2-1 医学信号的类型 §2-2 生物电信号的产生 §2-3 生物电信号在生物体内的传导 §2-4 生物电信号的频、幅特性和内、外源性干扰 §2-5 生物电信号对放大器的要求
§2-1 医学信号的类型 主动信号 （1）电信号如：心电、脑电、肌电、皮肤电等。 （2）非电信号（经换能器转换成电信号）。 如：血 压、呼吸、体温、脉搏等。 被动信号 超声波、同位素、Ｘ线等。如超声波，被测物的信息将通过回波信号的幅度、频率及相位来表现。
医学研究中经常涉及的信号 ECG、脉搏波和心音图 动脉压、中心静脉压和左心室内压 呼吸波 中枢和外周神经放电 血流图和心动图 生物磁、生物光和生物声 图像和其他理化信息
§2-2 生物电信号的产生 生物电现象 海洋中的电鳐能发电，古罗马人利用这种电来治疗精神病患者。 非洲电鳐能产生350伏的电压。 §2-2 生物电信号的产生 生物电现象 海洋中的电鳐能发电，古罗马人利用这种电来治疗精神病患者。 非洲电鳐能产生350伏的电压。 北大西洋的巨电鳐。能产生3千瓦功率的电脉冲。 捕蝇草、降藻、轮藻、含羞草等植物中也存在生命电现象。科学家们用类似于测量动物神经的精细测量方法，测量出蚕豆根周围的电场，它的量值是相当微弱的，假如能把蚕豆根的能量集中起来，则一千亿个蚕豆根所产生的电能总和，只能供给一个一百瓦的灯泡发光 。 1780~1794年，在蛙的神经肌肉标本上研究生物电。
人体活组织的每一个活动都伴随有电现象。如神经传导、肌肉兴奋、心脏跳动、大脑活动以及腺体分泌等等生理过程，都产生相应的电变化。 对生物电的研究已成为了解生命活动、研究生物功能、诊断疾病的可靠依据。
任何动物组织，都是由一群细胞以及浸浴它们的细胞间液所组成，所以要研究人体的生物电必须从讨论人体细胞的电性质和他们之间产生的电变化着手。 生物电是如何产生的呢？ 任何动物组织，都是由一群细胞以及浸浴它们的细胞间液所组成，所以要研究人体的生物电必须从讨论人体细胞的电性质和他们之间产生的电变化着手。
细胞静息电位
细胞内液和细胞外液中主要离子的浓度和电位 组 织 离子 细胞外液 胞浆 平衡电位 静息电位 （mmol/L） （mmol/L） （mV） （mV） 枪乌鰂大神经 Na+ 440 50 +55 –60 K+ 20 400 –75 Cl- 560 52 –60 有机负离子 385 哺乳动物骨骼肌 Na+ 145 12 +67 –90 K+ 4 155 –98 Cl- 120 4 –90 有机负离子 155
细胞膜结构
电化学驱动力=电位差驱动力+浓度差驱动力
K+平衡电位（K+ equilibrium potential, EK） Nernst方程式
膜电位计算公式 式中： Em为膜电位； gk、gNa和gCl 分别为膜的钾电导、钠电导和氯电导； Σg为gk、gNa和gCl 之和； EK、ENa和ECl 分别为K+、Na+和Cl–的平衡电位。
动作电位 静息电位是神经细胞，肌纤维在机体内实现其特殊功能的先决条件。 当神经和肌肉细胞受到外来的刺激时，不管刺激的性质是电的、化学的、热的或机械的，只要达到一定强度，就会引起细胞膜电位的变化，膜电位达到阈值时便产生动作电位。
动作电位的传导
§2—3生物电信号在生物体内的传导 组织和细胞是一个复杂的电解质导体 §2—3生物电信号在生物体内的传导 组织和细胞是一个复杂的电解质导体 电阻特性 对于大多数哺乳动物而言，细胞质的电阻率约为300Ω.cm；而单位面积的细胞膜电阻，多数在1~10kΩ.cm。 电容特性 多数细胞的膜电容都在1μF／cm2左右。
细胞电在容积导体内产生的电位变化
在容积导体的不同位置 记到的电偶极子产生的电位 在容积导体的不同位置 记到的电偶极子产生的电位
§2-4 生物电信号的频、幅特性和内、外源性干扰 生物信号的某些特点 §2-4 生物电信号的频、幅特性和内、外源性干扰 生物信号的某些特点 ★信号微弱，如体表诱发脑电、体表希氏束电位等。 ★信号噪声背景大，如诱发脑电伴有自发脑电、胎儿 心电伴有母亲心电等。 ★信号的随机性和非平稳性。 ★干扰 高频磁场干扰 高频电磁场干扰 电场干扰 接地回路的干扰 来自电极的干扰 刺激伪迹
某些生物电的基本数据 生物电 幅 值 频谱Hz 信号源阻抗k 极化电压 某些生物电的基本数据 生物电 幅 值 频谱Hz 信号源阻抗k 极化电压 心 电 0.1~8mv 0.2~100 数k ~数十k ±300mv 脑 电 10μv~1mv 1~60 数k ~数十k ±100mv 皮肤电 50μv~0.2mv 1~100 数k ~数十k ±300mv 肌 电 20μv~30mv 10~3000 数k ~数十k ±300mv 胃 电 50μv~2mv 0.001~20 数k ~数十k 几mv 细胞电 100μv~100mv DC~104 数千k 几mv 胎心电 20μv~100μv 5~60 数千k 几十mv
§2-5 生物电信号对放大器的要求 ★高增益 几百至几十万倍 ★输入阻抗 几M 至几十M ★高共模抑制比 ★低噪声 ★低漂移
共模抑制比