生物醫學信號包含哪些

1. 生物電信號有何特點對生物醫學放大器有何基本要求

活動細胞或組織(如人體、動物組織)不論在靜止狀態還是活動狀態，都會產生與生命狀態密切相關的，有規律的電現象，稱為生物電。生物電信號包括靜息電位和動作電位，其本質是離子的跨膜流動。
靜息電位(RP):細胞在安靜的狀態下，存在於細胞膜內外兩端的電位差，稱為靜息電位或跨膜靜息電位。這種電位差是由於細胞膜兩側的鈉離子和鉀離子分布不均勻造成的。生理學中常把膜外電位規定為"0"，因此膜內電位為負。不同細胞的靜息電位有所不同，如:神經細胞-86mV，心室肌細胞-90~-80mV，浦肯野纖維-100~-90mV，竇房結細胞-70~-40mV。靜息電位又成為極化狀態(polarization)。
動作電位(AP):當細胞受到外界刺激而興奮時，受刺激部位的膜電位將發生一系列短暫的變化，最初發生膜電位升高，接著又慢慢恢復到靜息電位，這種膜電位的變化，生理學上成為動作電位。該過程包含了去極化(depolarization)和復極化(repolarization)兩個過程，前者指細胞受到刺激時，細胞膜對離子的通透性發生變化，大量Na迅速進入胞內，使得胞內電位迅速上升;後者指當去極化的電位達到峰值後，會逐漸回到靜息狀態的過程。
臨床上常見的生物電信號主要有:心電、腦電、肌電、胃電、視網膜電等。這些體表生物電信號通常能通過電極拾取，經適當的生物電放大器放大，記錄而成為心電圖、腦電圖、肌電圖、胃電圖、視網膜電圖等。
心電圖(ECG或者EKG)是利用心電圖機從體表記錄心臟每一心動周期所產生的電活動變化圖形的技術。對整體心臟來說，心肌細胞從心內膜向心外膜順序除極過程中的電位變化，由電流記錄儀描記的電位曲線稱為除極波，即體表心電圖上心房的P波和心室的QRS波。
肌電圖(EMG):通過測定運動單位電位的時限、波幅，安靜情況下有無自發的電活動，以及肌肉大力收縮的波型及波幅，可區別神經源性損害和肌源性損害，診斷脊髓前角急、慢性損害(如脊髓前灰質炎、運動神經元疾病)，神經根及周圍神經病變(例如肌電圖檢查可以協助確定神經損傷的部位、程度、范圍和預後)。
眼電圖:目前只有使用較間接的方法，在內、外眥角皮膚上各置一氯化銀電極，患者頭部固定，眼注視一個在30度內作水平移動的紅燈。因為眼球的電軸跟隨眼球的轉動而改變，所以內、外眥角電極的電位也不斷變化，比較明、暗適應下的這種變化並將此電位加以放大及記錄，即得眼電圖。
生物醫學信號屬於強雜訊背景下的低頻微弱信號，它是由復雜的生命體發出的不穩定的自然信號，從信號本身特徵、檢測方式到處理技術，都不同於一般的信號。

1 生物醫學信號的特點

生物醫學信號由於受到人體諸多因素的影響，因而有著一般信號所沒有的特點。①信號弱，例如從母體腹部取到的胎兒心電信號10~50μV。腦干聽覺誘發響應信號小於1μV。②雜訊強，由於人體自身信號弱，加之人體又是一個復雜的整體，因此信號易受雜訊的干擾。如胎兒心電混有很強雜訊，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，母親心電相對我們要提取的胎兒心電則變成了雜訊。③頻率范圍一般較低，除心音信號頻譜成份稍高外，其他電生理信號頻譜一般較低。④隨機性強，生物醫學信號不但是隨機的，而且是非平穩的。正是因為生物醫學信號的這些特點，使得生物醫學信號處理成為當代信號處理技術最可發揮其威力的一個重要領域。

2 生物醫學信號的分類

生物信號如從電的性質來講，可以分成電信號和非電信號，如心電、肌電、腦電等屬於電信號；其它如體溫、血壓、呼吸、血流量、脈博、心音等屬於非電信號，非電信號又可分為：①機械量，如振動（心音、脈搏、心沖擊、Korotkov音等）、壓力（血壓、氣血和消化道內壓等）、力（心肌張力等）；②熱學量，如體溫；③光學量，如光透射性（光電脈波、血氧飽和度等）；④化學量，如血液的pH值、血氣、呼吸氣體等。如從處理的維數來看，可以分成一維信號和二維信號，如體溫、血壓、呼吸、血流量、脈博、心音等屬於一維信號；而腦電圖、心電圖、肌電圖、X光片、超聲圖片、CT圖片、核磁共振（MRI）圖像等則屬於二維信號。

3 生物醫學信號的檢測方法

生物醫學信號檢測是對生物體中包含生命現象、狀態、性質、變數和成份等信息的信號進行檢測和量化的技術。生物醫學信號處理的研究，是根據生物醫學信號的特點，對所採集到的生物醫學信號進行分析、解釋、分類、顯示、存貯和傳輸，其研究目的一是對生物體系結構與功能的研究，二是協助對疾病進行診斷和治療。生物醫學信號檢測技術是生物醫學工程學科研究中的一個先導技術，由於研究者所站的立場、目的以及採用的檢測方法不同，使生物醫學信號的檢測技術的分類呈現多樣化，具體介紹如下：①無創檢測、微創檢測、有創檢測；②在體檢測、離體檢測；③直接檢測、間接檢測；④非接觸檢測、體表檢測、體內檢測；⑤生物電檢測、生物非電量檢測；⑥形態檢測、功能檢測；⑦處於拘束狀態下的生物體檢測、處於自然狀態下的生物體檢測；⑧透射法檢測、反射法檢測；⑨一維信號檢測、多 維信號檢測；⑩遙感法檢測、多 維信號檢測；一次量檢測、二次量分析檢測；分子級檢測、細胞級檢測、系統級檢測。

4 生物醫學信號的處理

技術自然界中廣泛的生物醫學信號是連續的，人們處理生物醫學信號的程序一般是先經A/D轉換，將其轉換成數字信號，然後送到計算機中進行處理。本文對一維信號的處理方法進行探討。

4.1 時域方法——AEV方法AEV方法原是通信研究中用於提高信噪比的一種疊加平均法，在醫學研究中也叫平均誘發反應法，簡稱AEV（averaged evoked response）方法。所謂誘發反應就是肌體對某個外加刺激所產生的反應，AEV方法常用來檢測那些微弱的生物醫學信號，如希氏束電圖、腦電圖、耳蝸電圖等。希氏束電圖的信號幅度僅1~10μV，它們在用AEV方法檢測之前，幾乎或完全淹沒在很強的雜訊中，這些雜訊包括自發反應、外界干擾、儀器雜訊。AEV方法要求雜訊是隨機的，並且其協方差為零，信號是周期或重復產生的，這樣經過N平方次疊加，信噪比可提高N倍，使用AEV方法的關鍵是尋找疊加的時間基準點。

4.2 頻域濾波方法頻域濾波是數字濾波中常用的一種方法，是消除生物醫學信號中雜訊的另一種有效方法。當信號頻譜與雜訊頻譜很小時，可用頻域濾波的方法來消除干擾，頻域濾波器可分為兩類：FIR（Finite Impulse Response）濾波器，FIR濾波器的設計方法主要有：窗函數法，頻率采樣法；IIR(Infinite Impulse Response）濾波器，IIR濾波器的主要設計方法有：沖激響應不變法，雙線性變換法。

4.3 自適應濾波方法自適應濾波器能夠跟蹤和適應系統或環境的動態變化，它不需要事先知道信號或雜訊的特性，通過採用期望值和負反饋值進行綜合判斷的方法來改變濾波器的參數。自適應濾波器的設計有兩種最優准則，一種准則是使濾波器的輸出達到最大的信噪比，稱為匹配濾波器；另一種准則是使濾波器的輸出均方估計誤差為最小，這就是維納（Wiener）濾波器。維納濾波器是從雜訊中提取信號的一種有效的方法，它是根據全部過去和當前的觀測數據來估計信號的當前值，維納濾波器要求解著名的WienerHopf方程，它是期望存在情況下的線性最優濾波器。卡爾曼（Kalman）從狀態空間模型出發，提出了基於狀態空間模型的線性最優濾波器即卡爾曼濾波器。 Kalman濾波理論是Wiener濾波理論的發展，它最早用於隨機過程的參數估計，後來很快在各最優濾波和最優控制問題中得到了廣泛的應用。值得提出的Kalman濾波器提供了推導稱作遞推最小二乘濾波器的一大類自適應濾波器的統一框架，實際上廣泛使用的最小二乘演算法即是Kalman演算法的一個特例。

4.4 混沌（Chaos）和分形（Fractal）方法混沌和分形理論是一種非線性動力學課題，混沌系統的最大特點是初值敏感性和參數敏感性，即所謂的蝴蝶效應。混沌學研究的是無序中的有序，許多現象即使遵循嚴格的確定性規則，但大體上仍是無法預測的，比如大氣中的湍流、人心臟的跳動等。混沌事件在不同的時間標度下表現出相似的變化模式，與分形在空間標度下表現十分相象，但混沌主要討論非線性動力系統的不穩、發散的過程。混沌與分形在腦電信號處理的應用中尤為引人注目。自本世紀二十年代發現腦電信號以來，人們對其已進行了大量的研究，然而由於腦電信號的隨機性很強，始終難以找到其規律性，無法使腦電信號成為認識大腦思維以及某些屬性的有用信息。究其原因是腦電信號是神經元動作電位的無規則的腦電活動，實際上只由少數獨立的動力學變數控制著，因此可以用研究混沌動力學的方法來研究人腦的功能。

4.5 小波分析（Wavelet Analysis）方法小波分析是傳統傅里葉變換的繼承和發展。由於小波的多分辨分析（Multiresolution Analysis）具有良好的空間域和頻率域局部化特性，對高頻採用逐漸精細的時域或空域取樣步長，可以聚焦到分析對象的任意細節，從這個意義上講，它已被人們譽為數學顯微鏡。目前，在心電數據的壓縮、生物醫學信號的信噪分離、QRS波的綜合檢測、腦電圖EEG的時頻分析、信號的提取與奇異性檢測等方面有了廣泛的應用。

4.6 人工神經網路（Artificial Neural Networks）分析方法人工神經網路是

一種模仿生物神經元結構和神經信息傳遞機理的信號處理方法，是由大量簡單的基本單元（神經元）相互廣泛聯接構成的自適應非線性動態系統，其特點是：①並行計算，因此處理速度快；②分布式存貯，因此容錯能力較好；③自適應學習。生物醫學工程工作者採用神經網路的方法來解釋許多復雜的生理現象，例如心電和腦電的識別，心電信號的壓縮和醫學圖像的識別和處理。神經網路在微弱生理電信號的檢測和處理應用主要集中在對自發腦電EEG的分析和腦干聽覺誘發電位的提取。

2. 物質信號傳遞的不同方式和主要生物學意義

生物細胞所接受的信號有多種多樣，從這些信號的自然性質來說，可以分為物理信號、化學信號和生物學信號等幾大類，它們包括光、熱、紫外線、X-射線、離子、過氧化氫、不穩定的氧化還原化學物質、生長因子、分化因子、神經遞質和激素等等。在這些信號中，最經常、最普遍、最廣泛的信號應該說是化學信號。
生物體內有各種各樣的，能夠調節機體功能的生理活性物質，它們大多是在細胞內合成，並分泌出細胞的物質。這些物質就可以作為化學信號在細胞間傳遞信息。這些化學信號大部分是水溶性的，它們可以很容易地在體內隨血液或體液運送，但是不能通過細胞膜，需要與細胞膜上的特殊受體結合，在經過幾毫秒或者幾分鍾後被內化而進入細胞；有的是脂溶性的，特別是激素，它們可以穿越細胞膜進入細胞內，也可以與特殊的載體蛋白，如清蛋白結合在一起通過血液運送到身體的各個部位，還可以通過受體的作用到達所要去的位點。因此，它們在幾小時後還能起作用。這些化學信號及其信號轉導方式可以分為三類。
1，內分泌系統的激素
內分泌系統將來自環境的信號傳達到生物體內的各種器官和細胞，在整體上起著綜合調節生物體功能的作用。它產生的化學信號是激素。內分泌系統的細胞產生的激素釋放到血液中，經過血流的運送到達靶細胞而發揮特別的作用。這樣的傳遞方式叫內分泌作用。可見，這種方式有幾個特點：A，低濃度——激素在血流中的濃度被稀釋到只有10-8到10-10M。但是它依然能夠起作用，而且低濃度對它們安全地發揮作用也是必須的；B，全身性——即激素隨血流而擴散到全身，但是，只被有它的受體的細胞接納和發揮作用；C，長時效——激素產生後經過漫長的運送過程才起作用；而且血流中微量的激素就足以維持長久的作用。
2，神經系統的神經遞質
在神經系統中，神經細胞與其靶細胞之間形成一個叫突觸的有限結構。突觸是神經細胞胞體的延伸部分，神經細胞產生的神經遞質在突觸的終端釋放出來。突觸後膜上有特殊的受體，突觸前面的細胞也有受體，以調節神經遞質的釋放。可見，這種方式有作用時間短、作用距離短和神經遞質濃度很高等特點。
3，生長因子和細胞因子等的旁分泌系統或者自分泌系統
近年發現有一個介於上述二者之間的中間型方式，即某些細胞產生並分泌出細胞生命活動必需的生理活性物質，這些物質通過細胞外液的介導而作用於其產生細胞的鄰近細胞。當這些物質作用於異種細胞時，叫旁分泌作用；作用於同種細胞時，叫自分泌作用。這樣的信號分子起著局部的化學調節劑作用。

3. 一個完整的生物醫學測量系統可以分為哪些部分

一個完整的生物信號測量系統一般包括以下四個部分:

1、生物信號的引導 (電極和感測器)
2、生物信號的放大 (數字和模擬電路)
3、生物信號的採集和采樣 (A/D轉換器）
4， 生物信號的記錄與處理生物信號的記錄與處理 （信息處理）

4. 生物中的信息分子有哪些

信號（信息）分子是指生物體內的某些化學分子， 既非營養物， 又非能源物質和結構物質，而且也不是酶，它們主要是用來在細胞間和細胞內傳遞信息， 如激素、神經遞質、生長因子等統稱為信號分子，它們的惟一功能是同細胞受體結合， 傳遞細胞信息。
從產生和作用方式來看可分為內分泌激素、神經遞質、局部化學介導因子和氣體分子等四類。
①激素是由內分泌細胞（如腎上腺、睾丸、卵巢、胰腺、甲狀腺、甲狀旁腺和垂體）合成的化學信號分子，一種內分泌細胞基本上只分泌一種激素，參與細胞通訊的激素有三種類型：蛋白與肽類激素、類固醇激素、氨基酸衍生物激素。
②神經遞質是由神經末梢釋放出來的小分子物質，是神經元與靶細胞之間的化學信使。由於神經遞質是神經細胞分泌的，所以這種信號又稱為神經信號。
③局部化學介質又稱為旁分泌信號，指由細胞分泌的信息分子通過擴散而作用於鄰近的靶細胞，調節細胞的生理功能。體內的局部化學介質包括組胺、花生四烯酸（AA）、生長因子等。

5. 關於生物，信號分子有哪些

人體中有幾百種不同的信號分子,按照其分泌腺體或細胞種類,運載體以及作用的靶細胞位置。 種類分泌細胞運載體作用的靶細胞位置激素

旁分泌激素(局部介質)
(如組織胺、生長因子等) 旁分泌細胞細胞間液在眾多相鄰細胞間、非常有限范圍內發生作用 內分泌激素
(如甲狀腺激素、胰島素等)內分泌腺細胞血液遠距離的靶細胞神經激素
(如抗利尿激素、催產素等)下丘腦的神經分泌細胞 血液遠距離的靶細胞神經遞質
(如乙醯膽鹼、C-氨基丁酸等)神經細胞突觸間隙胞間液 直接作用在相鄰的神經元或其他特殊的想鄰細胞(如肌細胞) 「第一信使」和「第二信使」一般將細胞外信號分子稱為「第一信使」，激素、神經遞質等是由細胞合成和釋放的,通過擴散或體液運送,是人體信息傳遞的「第一信使」。「第一信使」與受體作用後在細胞內最早產生的信號物質稱為「第二信使」。目前公認的「第二信使」有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、等,功能是啟動和協助細胞內信號的逐級放大。
親水性和親脂性信號分子
根據信號分子的溶解性可分為親水性和親脂性兩類。親水性信號分子的主要代表是神經遞質、含氮類激素(除甲狀腺激素)、局部介質等，它們不能穿過靶細胞膜，只能通過與細胞表面受體結合，再經信號轉換機制，在細胞內產生「第二信使」(如cAMP)或激活膜受體的激酶活性(如蛋白激酶)，跨膜傳遞信息，以啟動一系列反應而產生特定的生物學效應。
親脂性信號分子要穿過細胞質膜作用於細胞質或細胞核中的受體，與胞內受體結合形成激素-受體復合物，成為轉錄促進因子，作用於特異的基因調控序列，啟動基因的轉錄和表達，主要代表是類固醇激素、甲狀腺激素等 。