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生物医学电子学 第一章 生物医学信号特点和提取 生物医学信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，是由复杂的生命体发出的不稳定的自 然信号。各种生理参数，如心电、脑电、肌电等生物电信号；体温、血压、呼吸、血流量、脉搏、心音 等的温度、压力、流量、力、位移等非电量信号，从信号本身特征到提取方式，都不同于工业工程 中的情况，而有其特殊性。在学习以人体为研究对象的电子学方法时，很重要的一点是要与工 业工程系统相区别。作为信号源的人体，是工业工程上任何系统都不能相比拟的、极为复杂的 生命系统，它至今尚未被人类完全认识。可以说，人体生物医学信号的提取和处理，是自然科学 领域中难度最大的，而它的临床价值却是不断在提高。 1．1生物医学信号的特点 1．1．1 生物医学测量的特殊性和生理参数范围 信号的特点是由信号源和测量方法共同决定的。电子学方法应用于生物医学工程领域将 受到安全性和强噪声背景的制约。 安全性制约表现在以下三个方面： 一是在测量中施加于人体的各种能量，如通过人体的电流，施加于人体的放射性射线、超 声波、高频能量、加速粒子等，人体的承受能力是有一定限度的，而且不仅取决于生物组织本身 的物理、化学性质，还有受到这些作用而产生的生理学、心理学变化的限制。因此应对能量的种 类、施加部位、强度、作用时间以及诸如频率、波形等做认真研究，并作出明确规定。例如超声波 能使生物体加热、振荡、空化、氧化、还原、调节渗透压等物理和化学作用。大量使用的超声波断 层装置和多普勒装置的输出强度应小于约10mW / cm2 。，超声波能量对生物体产生影响的最小 值，大致定为100mW / cm2 。但是胎儿、脑、眼球等是敏感部位，胚胎和胎儿受超声波的影响和安 全阈值现在仍是受到重视的问题。再如，低频电流对人体的作用呈现出一个阈值，在阈值以下， 对人体组织完全没有影响，而放射性射线则不然，它对人体的作用具有累积效应，并不呈现出 一个确定的阚值。能量对人体的作用与生物体的物理性质密切相关，如生物体的电特性、机械 性质、对光和热等能量的作用等，随着对生物体物理、化学性质的基础研究的进展，对能量与人 体组织作用的认识将不断深化。 二是发生电击(主要是微电击)。人体是一种导电体，通过人体的低频电流(直流到l kHz) 对人体的作用有三个方面：产生焦耳热；刺激神经、肌肉等细胞；使离子、大分子等粒子振动、运 动、取向。宏观地看，当电流达到1mA / cm2 。以上时，神经肌肉感觉器官的细胞出现兴奋现象。 如果在重要器官上形成的局部电流密度达到一定程度，则器官功能丧失。从体外流入电流时 (例如体表安装一个圆板电极，向体内通入电流)，电流在体内扩散，考虑人体相对于电极是很 大的．而且人体具有均匀导电率，则电流密度急剧减小，受到刺激的主要是距电极很近的神经 与肌肉细胞。流过人体的电流，使感受器官或神经细胞兴奋，把刺激感觉传到大脑。如果直接 电刺激有关运动的神经或细胞时，可出现和意识无关的肌肉收缩。在考虑人体的电安全性时， - 1 - 生物医学电子学 心脏的安全具有最重要的意义。我们知道，心脏按一定的节律收缩与舒张，如同一个泵，使血液 在全身循环。心肌兴奋从窦房结开始，使相邻的细胞依次兴奋，把兴奋传递下去，以此和谐地保 持两个心房和两个心室的收缩的时间关系。假如有电流流过心肌，就会破坏这种同步的收缩作 用，心肌细胞将随意收缩，这样血液便射不出去，这种状态称之为颤动。当有器件放入或者靠近 心脏时(如心导管患者)，应特别警惕这种电击方式的发生。由此可以看出，深入到人体的电流 和从人体外流入体内的电流，对心脏的影响有很大区别。电流直接加到患者的心脏上产生的电 流效应称为微电击，而加于体表引起的电流效应称为宏电击。显然发生微电击，是构成不安全 的重要因素。 低频电流对人体作用的数值范围如下： lOOμA电流通过植入体内的电极，能引起心室颤动； 1μA电流从体外流入，有电流刺激感； 10mA电流从体外流入，发生不随意运动；