溫州醫(yī)學(xué)院信息與工程學(xué)院 周馳超 周樟偉 陶大錦

1.引言

近年來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，人體生理信號(hào)采集從機(jī)械化轉(zhuǎn)為電子化，不斷向著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，方便了人們對(duì)生命的生理病理狀況等的研究，采集信號(hào)的多樣化，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，在臨床診斷治療和醫(yī)學(xué)教學(xué)研究中具有十分重要的意義。

2.人體生理信號(hào)特征及其檢測(cè)

人體生理信號(hào)多種多樣，從電的性質(zhì)來講，可以分為電信號(hào)如心電、肌電、腦電等，和非電信號(hào)如呼吸、有創(chuàng)血壓、無創(chuàng)血壓、血氧飽和度、呼吸末二氧化碳、體溫、心輸出量、脈搏等。

由于人體是復(fù)雜的生命體，各種生理信號(hào)受到人體及外部環(huán)境等諸多因素的影響，因而有著一般信號(hào)所沒有的特點(diǎn)[1]：

（1）信號(hào)微弱，例如從母體腹部取到的胎兒心電信號(hào)10～50μV。

（2）噪聲強(qiáng)，由于人體自身信號(hào)微弱，極易受噪聲的干擾。如胎兒心電混有很強(qiáng)噪聲，它一方面來自肌電、工頻等干擾；另一方面，在胎兒心電中不可避免地含有母親心電，母親心電相對(duì)我們要提取的胎兒心電則變成了噪聲。

（3）頻率范圍一般較低，除心音信號(hào)頻譜成份稍高外，其他電生理信號(hào)頻譜一般較低。

（4）隨機(jī)性強(qiáng)，人體生理信號(hào)不但是隨機(jī)的，而且是非平穩(wěn)的。

根據(jù)人體生理信號(hào)的不穩(wěn)定性、非線性及概率性的特點(diǎn)，針對(duì)不同的生理參數(shù)，需要采用不同的檢測(cè)方式。生物醫(yī)學(xué)傳感器是獲取各種信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量和處理信號(hào)（一般為電信號(hào)）的器件，是檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)[3]；檢測(cè)一些十分微弱的信息，必須用高靈敏度的傳感器或電極，對(duì)一些變化極為緩慢的生物信號(hào)，則要求檢測(cè)系統(tǒng)有很好的頻率響應(yīng)特性[2]。絕大部分人體生理信號(hào)都是信噪比很低的微弱信號(hào)，且一般都伴隨著噪聲和干擾，必須采用抑制噪聲的處理技術(shù)。生物信號(hào)檢測(cè)經(jīng)常需要考慮的噪聲有：工頻干擾、電極接觸噪聲、運(yùn)動(dòng)軌跡、呼吸引起的基線漂移和不同信號(hào)之間的相互干擾[3]。由于人體系統(tǒng)十分復(fù)雜，信息豐富，生物信號(hào)檢測(cè)技術(shù)十分重要。

3.臨床診斷治療中的醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀

一些疾病與生理信號(hào)有著非常密切的關(guān)系，在早期由于受到技術(shù)的限制，病人的生理和生化參數(shù)只能由人工間斷地、不定時(shí)地進(jìn)行測(cè)定。醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀是一種用于持續(xù)檢測(cè)病人生理參數(shù)并進(jìn)行自動(dòng)分析的電子儀器。它能24小時(shí)連續(xù)對(duì)病人的狀況和生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，極大方便了醫(yī)療工作，為醫(yī)護(hù)人員診斷和治療及搶救提供重要參考指標(biāo)，可減少并發(fā)癥，大大降低危重病人的死亡率[4-5]。醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀成為了醫(yī)院的不可缺少的重要設(shè)備。

醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀是由各種傳感器的物理模塊和內(nèi)置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的。各種生理信號(hào)由傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)前置放大處理后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)果的顯示，存儲(chǔ)和管理。按其物理結(jié)構(gòu)大致可劃分為三種[7]：

（1）單參數(shù)監(jiān)護(hù)儀如血壓監(jiān)護(hù)儀、血氧飽和度監(jiān)護(hù)儀、心電監(jiān)護(hù)儀等。

（2）多功能、多參數(shù)綜合監(jiān)護(hù)儀可同時(shí)監(jiān)護(hù)心電、呼吸、體溫、血壓、血氧等參數(shù)。

（3）插件式組合監(jiān)護(hù)儀，它是由各分立可拆卸的生理參數(shù)模塊和一臺(tái)監(jiān)護(hù)儀主機(jī)構(gòu)成。

目前監(jiān)護(hù)儀能同時(shí)處理的人體參數(shù)的種類還是有限，給定型號(hào)儀器不能通用，對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理功能也有限?，F(xiàn)代醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀發(fā)展，需要以醫(yī)學(xué)傳感器測(cè)試參數(shù)多元化及對(duì)所測(cè)參數(shù)的采集、分析、處理有較高的準(zhǔn)確性為基礎(chǔ)。無損測(cè)量技術(shù)是其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵，快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)如DSP(數(shù)字信號(hào)處理)芯片、單片機(jī)RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))以及VHDL(超高速硬件描述語言)是監(jiān)護(hù)儀發(fā)展的潛動(dòng)力。現(xiàn)代醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀向網(wǎng)絡(luò)化、家庭遠(yuǎn)程化方向發(fā)展將成為必然[6]。

4.教學(xué)科研中基于微機(jī)的生理信號(hào)采集系統(tǒng)

以微機(jī)為核心的生理信號(hào)采集系統(tǒng)功能強(qiáng)大，一般可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的示波器、生物信號(hào)放大器、記錄儀和刺激器，一機(jī)多用，可用于生理學(xué)、病理生理學(xué)和藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)的生物信號(hào)檢測(cè)、記錄和分析，亦可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)電子學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)、各類醫(yī)學(xué)儀器研發(fā)等領(lǐng)域。不同于醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀，這類系統(tǒng)的生理信號(hào)可以來自于各類醫(yī)學(xué)儀器，也可以來于自制的簡(jiǎn)易生理信號(hào)條例電路，通過數(shù)據(jù)采集卡采集后由微機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)波形顯示，信號(hào)存儲(chǔ)，提取特征生理參數(shù)[8-9]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1 生理參數(shù)采集系統(tǒng)

人體生理信號(hào)首先經(jīng)傳感器（如腦電極、心音傳感器等）提??；然后由信號(hào)調(diào)理電路，將微弱信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除干擾成分及噪聲；再放大后達(dá)到采集卡采集信號(hào)范圍，尤其實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)采集卡，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，可以通過USB[10]、PXI、PCI、PCI Express、火線(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash等總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于微機(jī)或者其他專用測(cè)試平臺(tái)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。采集系統(tǒng)可以基于MFC，VC，VB，delphi，cbuilder等編程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，也可以使用較專業(yè)的美國(guó)國(guó)家儀器公司開發(fā)的LABVIEW虛擬儀器平臺(tái)。

微機(jī)Windows環(huán)境的多任務(wù)的圖形用戶界面、交互的工作方式、圖形設(shè)備接口(GDI)、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交換功能(DDE)及動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)的支持等優(yōu)點(diǎn)，使得基于Windows環(huán)境實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)采樣、分析處理，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示及打印等是醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療儀器研制的大趨勢(shì)。這類系統(tǒng)利用微機(jī)超強(qiáng)的處理功能及運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)多種人體生理參數(shù)采集過程的一體化，功能多；成本低，不需購置昂貴的各類采集儀器；還可根據(jù)需要在不改變硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，增加系統(tǒng)的適應(yīng)能力，實(shí)用性強(qiáng)，擴(kuò)展性好。

5.討論

目前，信息處理電腦化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的教學(xué)、科研及臨床檢查、監(jiān)護(hù)等，現(xiàn)代化的生物醫(yī)學(xué)儀器進(jìn)入了以計(jì)算機(jī)為核心的階段。在此背景下，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)軟、硬件組成的電腦化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)——計(jì)算機(jī)化生物信號(hào)采集處理系統(tǒng)，國(guó)外此類典型產(chǎn)品為Madlab，國(guó)內(nèi)這類產(chǎn)品有成都泰盟公司推出的Biolab等。雖然已有不少的生物信號(hào)采集系統(tǒng)，根據(jù)人體生理參數(shù)采集儀器現(xiàn)狀，還是有待開發(fā)和研制一種成本更低、性能穩(wěn)定可靠的通用人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)一般醫(yī)學(xué)檢測(cè)儀器的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)均能自動(dòng)連續(xù)采集與波形顯示，信號(hào)的預(yù)處理、自動(dòng)分析存儲(chǔ)，分析結(jié)果打印等功能。這種系統(tǒng)是現(xiàn)代臨床診斷治療和醫(yī)學(xué)教學(xué)研究的理想工具。

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