淺析生物醫學信號及傳感器

人體存在高度精密而復雜的生物信號，每一種信號都在傳遞著身體的工作狀態，器官機能是否正常，呼吸、循環系統是否健全，人體是否處于一種健康狀態……隨著信息科技的發展，在醫學研究領域，產生了“高端”的醫生，它們通過接收人體信號，對人體信息進行檢測，實現疾病的診斷和防治。
　　生物醫學傳感器好比人的五官，人通過五官，即眼（視覺）、耳（聽覺）、鼻（嗅覺）、舌（味覺）和四肢（觸覺）感知和接受外界信息，然后通過神經系統傳遞給大腦進行加工處理。傳感器則是一個測量控制系統的“電五官”，他感測到外界的信息，然后送給系統的處理器進行加工處理。如果一個系統沒有傳感器，就相當于人沒有五官。
　　生物醫學信號處理是生物醫學工程學的一個重要研究領域，也是近年來迅速發展的數字信號處理技術的一個重要的應用方面，正是由于數字信號處理技術和生物醫學工程的緊密結合，才使得我們在生物醫學信號特征的檢測、提取及臨床應用上有了新的手段，因而也幫助我們加深了對人體自身的認識。
生物醫學傳感器的認識
　　傳感器是能感受（或響應）規定的被測量并按照一定規律轉換成可用信號輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應于被測量的敏感元件和產生可用信號輸出的轉換元件以及相應的電子線路組成。也可把傳感器狹義地定義為：能把外界非電信號轉換成電信號輸出的器件或裝置。
　　生物醫學傳感器是一類特殊的電子器件，它能把各種被觀測的生物醫學中的非電量轉換為易觀測的電量，擴大人地感官功能，是構成各種醫療分析和診斷儀器與設備的關鍵部件。我們將生物醫學傳感技術中常用的傳感器按被觀測的量劃分為以下三類：
　　（1）物理傳感器：用于測量和監護生物體的血壓、呼吸、脈搏、體溫、心音、心電、血液的粘度、流速和流量等物理量的檢測。
　　（2）化學傳感器：用于生物體中氣味分子，體液（血液、汗液、尿液等）中的PH值，氧和二氧化碳含量（pO2、pCO2），Na+、K+、Ca2+、Cl-以及重金屬離子等化學量的檢測。
　　（3）生物傳感器：用于生物體中組織、細胞、酶、抗原、抗體、受體、激素、膽酸，乙酰膽堿、五羥色胺等神經遞質，DNA與RNA以及蛋白質等生物量的檢測。？傳感器按尺寸劃分有：常規傳感器（毫米級，可用于組織檢測），微型傳感器（微米級，可用于細胞檢測）和納米傳感器（納米級，可用于細胞內檢測）。
　　對傳感器的性能要求
　　（1）有較高的靈敏度和信噪比。靈敏度高時，輸入較小的信號即可產生較大的輸出信號。傳感器輸出信號電壓與噪聲電壓之比稱為信噪比。信噪比越高，說明獲得的有用的輸出信號就越大，信噪比越小，信號與噪聲越難分辨，嚴重時將出現信號被噪聲淹沒的現象，無法獲得有用的信號，測量無效。
　　（2）有良好的線性和較高的響應速度？
　　線性好是指傳感器的輸出信號在規定的工作范圍內與輸出信號成比例關系，而不產生信號非線性失真。響應速度快表明輸出和輸入的延遲時間短、實時性好。
　　（3）重復性、一致性和選擇性好？
　　重復性好是指傳感器反復使用，其性能不變。一致性好是指傳感器的互換性強，在生產與修理中尤為重要。選擇性好是指傳感器只對確定目標的變量有響應，不受其他變量的影響。
　　（4）化學、物理性能好？
　　傳感器必須與人體的化學成分相容，既不會腐蝕也不會給人體帶來毒性。傳感器的形狀、尺寸和結構應與待測部位的解剖結構相適應，對被測對象的影響要小，使用時應不損傷組織。
　　（5）電氣安全性好。傳感器要與人體有足夠的電絕緣，即使在傳感器損傷的情況下，人體收到的電擊也應在安全之下。
　　（6）操作性好。傳感器應操作簡單、維護方便、便于消毒。
　　生物醫學傳感器的意義
　　隨著生物傳感技術的不斷發展，生物傳感器必將在醫學領域掀起一股熱潮。
　　（1）生物傳感器采用固定化生物活性物質作催化劑，價值昂貴的試劑可以重復多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學分析繁瑣復雜的缺點。因此，這一技成本低，在連續使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣，術在很大程度上減輕病患醫療費用上的負擔。
　　（2）生物傳感器專一性強，只對特定的底物起反應，而且不受顏色、濁度的影響，準確度高，一般相對誤差可以達到1％；分析速度快，可以在一分鐘得到結果。因此，這一技術應用于醫學上不僅提高了檢測結果的準確性，更是縮短了整個過程所需的時間，進一步提供了救治病人的先機。
　　（3）操作系統比較簡單，容易實現自動分析。在臨床中，許多操作對于病患來說是痛苦的，若能很好的利用生物傳感器的這一特點，我相信將為他們減少很多的痛苦。
　　當前各種利用生物傳感技術開發的儀器也已問世，但是在應用上還有許多技術需要深入研究。診斷各種疾病的醫用傳感器，還有待于引深研發，例如谷氨酸傳感器是一種穩定的脫氫酶、轉氨酶、血氨的指示性傳感器，它在臨床急癥室等許多場合可取代光度法測定，有潛在應用前景；測定胸外科病人乳酸指標的生物傳感器也已開始應用，與腎透析聯用的幾種生物傳感器也有產業化開發價值。今后這些生物傳感器將逐漸得到普及，給廣大病患帶來更多的福音。
生物醫學信號
　　生物醫學信號有一維、二維之分一般而言，將一維信號稱為信號，二維信號稱為圖像自然界廣泛存在的生物醫學信號是連續的，由于計算機巨大的計算能力，一般先用轉換器將連續信號轉換成數字信號，然后在計算機內用各種方法編制成的軟件進行分析處理限于篇幅，這里只論一維生物醫學信號的處理方法。
　　信號處理的領域是相當廣泛而又深人的，已在不同程度上滲透到幾乎所有的醫療衛生領域從預防醫學、基礎醫學到臨床醫學，從醫療、科研到健康普查，都已有許多成功的例子如心電圖分析，腦電圖分析，視網膜電圖分析，光片處理，圖像重建，健康普查的醫學統計，疾病的自動診斷，細胞、染色體顯微圖像處理，血流速度測定，生物信號的混沌測量等等。
　　生物醫學信號特點
　　（1）信號弱：直接從人體中檢測到的生理電信號其幅值一般比較小。如從母體腹部取到的胎兒心電信號僅為10～50μV，腦干聽覺誘發響應信號小于1μV，自發腦電信號約5～150μV，體表心電信號相對較大，最大可達5mV。因此，在處理各種生理信號之前要配置各種高性能的放大器。
　　（2）噪聲強：噪聲是指其它信號對所研究對象信號的干擾。如電生理信號總是伴隨著由于肢體動作、精神緊張等帶來的干擾，而且常混有較強的工頻干擾；誘發腦電信號中總是伴隨著較強的自發腦電；從母腹取到的胎兒心電信號常被較強的母親心電所淹沒。這給信號的檢測與處理帶來了困難。因此要求采用一系列的有效的去除噪聲的算法。
　　（3）頻率范圍一般較低：經頻譜分析可知，除聲音信號（如心音）頻譜成分較高外，其它電生理信號的頻譜一般較低。如心電的頻譜為0.01～35Hz，腦電的頻譜分布在l～30Hz之間。因此在信號的獲取、放大、處理時要充分考慮對信號的頻率響應特性。
　　（4）隨機性強：生物醫學信號是隨機信號，一般不能用確定的數學函數來描述，它的規律主要從大量統計結果中呈現出來，必須借助統計處理技術來檢測、辨識隨機信號和估計它的特征。而且它往往是非平穩的，即信號的統計特征（如均值、方差等）隨時間的變化而改變。這給生物醫學信號的處理帶來了困難。
　　因此在信號處理時往往進行相應的理想化和簡化。當信號非平穩性變化不太快時，可以把它作為分段平穩的準平穩信號來處理；如果信號具有周期重復的節律性，只是周期和各周期的波形有一定程度的隨機變異，則可以作為周期平穩的重復性信號來處理。更一般性的方法是采用自適應處理技術，使處理的參數自動跟隨信號的非平穩性而改變。
　　生物醫學信號的檢測方法
　　（1）AEV方法
　　AEV方法原是通信研究中用于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，簡稱方法所謂誘發反應是指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一拼，它們在用丫方法檢測出之前，幾乎或完全淹沒在很強的噪聲中，這些噪聲包括自發反應，外界干擾，儀器噪聲方法要求噪聲是隨機的，并且其協方差為零，信號是周期或可重復產生的，這樣經過平方次疊加，信噪比可提高N倍，使用方法的關鍵是尋找疊加的時間基準點。
　　（2）生物醫學信號的混沌測量
　　傳統的測量技術以線性方法為主，強調的是穩定、平衡和均勻性而非線性系統是在不穩定、非平衡的狀態中提取信息、處理信息，從而顯示它特有的優點混沌用于測量閉可以說是一種嘗試，也許人們很難想象一個極不穩定的混沌系統能進行精確的測量，可是生物的感覺器官就是極不穩定的混沌系統，其檢測靈敏度卻遠遠超出目前的科技水平，這是一個全混沌系統的最大特點是初值敏感性和參數敏感性，即所謂蝴蝶效應混沌測量的基本思路就是把蝴蝶效應倒過來應用將敏感元件作為混沌電路的一部分，其敏感參數隨待測量變化而變化，？并使系統的混沌軌道變化，測出餛沌軌道的變化就可得到待測量，這是一種不同于傳統測量的新方法。
　　生物醫學信號的處理方法
　　簡單的信號處理是建立在線性時不變系統理論基礎上的，這種理論只適用于平穩信號的處理，非平穩信號是多種多樣的。其中有一種是均值緩慢變化而方差不變的信號。由于生物體對處界刺激的適應能力，生物體在接受外界刺激的適應過程中產生的生物信號就具有這樣的特點。均值變化的規律稱為趨勢函數，一旦從這類信號中除去趨勢函數，信號就變成了平穩的。因而在分析這種信號時，首先應進行消除趨勢函數處理；另一類非平穩的信號可近似地看成是分段平穩的。腦電信號常具有這個特點，因為腦電信號隨著精神狀態的改變而改變，造成逐段平穩的狀態。在處理這類信號的第一步是把它正確地分段，使它的每一段都可以認為是平穩的，再用平穩信號處理方法處理它們。
　　由于計算機技術的普及與發展，以及數字處理方法的通用性和靈活性，數字信號處理技術己成了信號處理技術的主流。為了進行數字信號處理，必須在正式處理前先把模擬信號時間離散化、量化。在數字信號處理中已經指出，采樣導致信號頻譜的周期延托，周期延拓結果造成頻譜混疊。對一個頻帶寬度有限的信號，只要采樣頻率大于信號最高頻率的兩倍，就可以避免這種頻譜混疊。然而，實際信號的頻譜并不像理想的那樣，在高于某個最高頻率的區域上幅度就截然變為零，而只是比較小而已。因此，采樣定理只能近似地滿足，實際頻譜混疊仍然存在。為了克服這個問題，必須在采樣以前，將信號通過一個高頻抑制能力較理想的低溫濾波器（稱為抗混迭濾波器）進行限帶濾波處理。
　　根據信號處理系統任務要求，有時在取得信號后，不需立即得到處理結果，這時就可以來用離線處理。大多數情況下，要求處理結果在采集同時或采集結束后立即得到，就要用實時的或在線的處理方法。在實時和在線的處理中，處理（運算）速度要足夠快，占用內存空間也有一定限制，均比離線處理要求高，有時為了實現足夠快的處理速度，不得不采用專用的硬件處理器。