生物信号采集与处理系统

生物信号可反映生物体的生命活动状态，因此，生物信号的采集与处理是生物科学研究的重要手段之一。 <o:p></o:p>

生物信号的表现形式具有多样性，如：既有物理的声、光、电、力等类的变化；又有化学的浓度、气体分压、pH等的变化，其特点是信号微弱、非线性、高内阻、干扰因素多等等。这些特征对于生物信号的采集与处理的研究及运用十分重要。<o:p></o:p>

传统的生物信号采集与处理系统是由功能不同的电子仪器及手工测量工具组合而成，如：由前置放大器、示波器、记录仪、分割规、尺、计算器等构成。

由于近年计算机工业的飞速发展，特别是微型计算机的广泛应用，以及计算机生物信号采集和处理软件的开发，使得经过放大的生物电信号输入计算机进行观察、测量、处理和储存成为可能，而且更为方便、精确。

因此，生物信号采集与处理系统逐渐变为以计算机和相应软件为采集处理核心的数字化系统。<o:p></o:p>

数字化生物信号采集与处理系统与传统的生物信号采集系统相比，生物信号的记录和分析的准确性、实时性、可靠性有了很大的提高。而且更多的参数可以灵活设置，并随时方便地改变，使采集的数据能够共享和进行复杂的多维处理，从而大大提高了系统的性能和实验质量，简化了实验过程。<o:p></o:p>

一个完整的生物信号采集与处理系统一般包括：生物信号的引导、生物信号的放大、生物信号的采集、生物信号的记录与处理四部分。

生物电信号通过电极、非电生物信号通过传感器的引导，输入到前置放大器，放大的生物信号通过A / D转换采集至计算机，通过计算机的处理、显示、分析、记录并存贮所获得生物信号。<o:p></o:p>

本节主要介绍国内应用较为广泛的BL-420生物机能实验系统和PowerLab生理信号采集与处理系统的一般操作。详细操作可在使用过程中，随时打开主界面中菜单条的帮助菜单，其中，对各种操作有详细的描述。<o:p></o:p>

一、BL-420生物机能实验系统 <o:p></o:p>

BL-420生物机能实验系统是具有多路生物信号采集、显示、记录与处理功能的机能实验系统。该系统由计算机、BL-420系统硬件和BL-NewCentury系统软件三部分组成。具有血压、呼吸、张力、生物电（心电，肌电，脑电等）等多种生物信号的采集、显示、记录、处理等能力。除此之外，该系统还具有电子刺激器的多种功能，是机能实验教学的主要仪器设备。<o:p></o:p>

1. 系统安装　分为硬件安装与软件安装两部分，系统安装一般是由供应商的工程技术人员或实验室的专业技术人员完成的。<o:p></o:p>

2. 系统操作　打开计算机进入Windows操作系统桌面，双击BL-420系统快捷启动图标，即进入BL-NewCentury系统软件主界面。<o:p></o:p>

（1）系统主界面功能简介：BL-420生物机能实验系统主界面。

主界面从上到下依次是：标题条、菜单条、波形显示窗口、数据滚动条及反演滚动条、状态条六部分；从左到右主要分为标尺调节区、波形显示窗口和分时复用区三个部分。在标尺区的上方是刺激调节区，其下方是Mark标记区。

分时复用区包括：控制参数调节区、显示参数调节区、通用信息显示区和专用信息显示区，它们分时占用屏幕右边相同的一块显示区，可以通过分时复用区顶端的四个切换按钮在这四个不同用途的区域进行切换。分时复用区下方是特殊实验标记选择区。各部分功能如下。<o:p></o:p>

标题条：显示BL-NewCentury软件的名称以及实验标题等信息。<o:p></o:p>

菜单条：显示所有的顶层菜单项。共有8个顶层菜单项，可以选择其中的某一菜单项以弹出其子菜单。最底层的菜单项代表一条命令。<o:p></o:p>

工具条：共有21个工具条命令，是一些最常用命令的图形表示集合，它们使常用命令的使用变得方便与直观。<o:p></o:p>

刺激器调节区：包括两个按钮。调节刺激器参数及启动、停止刺激。<o:p></o:p>

左、右视分隔条：用于分隔左、右视，也是调节左、右视大小的调节器。左、右视面积之和相等。<o:p></o:p>

时间显示窗口：显示记录数据的时间（数据记录和反演时）。<o:p></o:p>

切换按钮：用于在四个分时复用区中进行切换。<o:p></o:p>

增益、标尺调节区：在实时实验过程中调节硬件增益，在数据反演时调节软件放大倍数，以及选择标尺单位及调节标尺基线位置。<o:p></o:p>

波形显示窗口：显示生物信号的原始波形或数据处理后的波形，每一个显示窗口对应一个实验采样通道。<o:p></o:p>

显示通道之间的分隔条：用于分隔不同的波形显示通道，也是调节波形显示通道高度的调节器。<o:p></o:p>

分时复用区：包含硬件参数调节区、显示参数调节区以及通用信息区和专用信息区四个分时复用区域。这些区域占据屏幕右边相同的区域。<o:p></o:p>

Mark标记区：用于存放Mark标记和选择Mark标记。Mark标记在光标测量时使用。<o:p></o:p>

状态条：显示当前系统命令的执行状态或一些提示信息。<o:p></o:p>

数据滚动条及反演按钮区：用于实时实验和反演时快速数据查找和定位，同时调节四个通道的扫描速度，并在实时实验中显示简单刺激器调节参数。<o:p></o:p>

特殊实验标记选择区：用于编辑特殊实验标记，选择特殊实验标记，然后将选择的特殊实验标记添加到波形曲线旁边。包括特殊标记选择列表和打开特殊标记编辑对话框按钮。<o:p></o:p>

（2）调零、定标：为了消除生物信号放大器正常范围内的直流零点偏移，在实验开始之前需要调零。<o:p></o:p>

定标是为了确定引入传感器的非电生物信号和该信号通过传感器后换能得到的电压信号之间的一个比值。通过该比值，我们就能计算传感器引入的非电生物信号的真实大小、故实验前同样需要定标。<o:p></o:p>

调零、定标工作一般由实验室技术人员完成。其详细操作步骤可参见菜单条中的“帮助”菜单。<o:p></o:p>

（3）实验参数设置：开机进入主界面后，根据实验要求，通过以下方式之一，设置实验参数并进行实验。

①点击菜单条中“文件”菜单下的“打开上次实验配置”命令，计算机自动把实验参数设置成与前次实验完全相同参数；

②点击菜单条中“输入信号”菜单，根据实验要求，选择每一通道的信号类型，系统将根据信号类型自动设定实验参数；

③点击菜单条中“实验项目”菜单，根据实验要求选择下拉菜单的模块，系统将自动设置该实验所需的各参数，并将自动数据采样，直接进入实验状态。<o:p></o:p>

3. 注意事项<o:p></o:p>

（1）使计算机保持良好的接地。良好的接地是消除电源噪声干扰、获得高质量信号波形的有效方法之一。<o:p></o:p>

（2）由于该系统是一实时数据采集与处理系统，因此，在实验过程中，不要使用其他应用软件和上网浏览，以免占用处理器有效时间，使处于数据采集过程的系统出现问题。<o:p></o:p>

（3）在系统进行数据采集和处理时，不要启动其他实时监视程序和屏幕保护程序及高级电源管理程序等。<o:p></o:p>

（4）计算机是数据采集与处理系统中重要的组成部分，因此，未经允许，不得随意改动计算机系统设置。<o:p></o:p>

（5）为防止计算机病毒对计算机的侵害，未经允许严禁自带软盘上机操作，并严禁在开机的状态下，插入或拔出计算机各接口连线。<o:p></o:p>

二、PowerLab生理信号采集与处理系统 <o:p></o:p>

PowerLab生理信号采集与处理系统是由澳大利亚埃德仪器有限公司（ADInstruments）生产，适用于生理学、药理学、病理生理学、生物化学和心理学等多个学科的教学与科研实验。<o:p></o:p>

PowerLab生理信号采集与处理系统由计算机、系统硬件和Chart、Scope两个系统软件三部分组成。除此之外，该系统还有许多如肺通气功能测定、心电分析等专用软件。<o:p></o:p>

PowerLab生理信号采集与处理系统具有实时的信号采集、数字/图形显示、数据处理、存储和回放等功能，并具有精确、快速、强大、方便灵活、易于操作等特点。与不同的前置设备一起可以采集、测量、处理多种压力、各种生物电、流量、温度等许多生物信号。<o:p></o:p>

本节将主要将Chart和Scope的功能及其在实验教学中的应用作一简单的介绍。详细情况可参考Chart和Scope主界面中的“帮助”菜单。<o:p></o:p>

（一）Chart窗口的内容及其功能<o:p></o:p>

Chart软件类似一个多通道生理信号记录仪，可以采集、记录、分析多种生理信号。<o:p></o:p>

根据Chart窗口的内容及其功能主要将其分为三个区域，从上到下为：操作命令区、信号显示及参数调节区和其他功能区。

1. 操作命令区　位于屏幕上端，其中含有两组操作命令。一组是7个菜单式命令：文件（File）、编辑（Edit）、设置（Setup）、命令（Commands）、窗口（Windows）、宏命令（Macro）、帮助（Help），下拉后可以选择其中的命令工作；另外一组是9个工具条命令，其作用是对屏幕信号进行快捷的各种处理，比如新建文件、打开文件、存盘、打印、放大等。<o:p></o:p>

2. 信号显示及参数调节区　位于屏幕中间部分，为各通道信号显示、处理的区域，由信号显示窗口、左右两侧的信号参数调节区以及信号注释添加区组成。<o:p></o:p>

3. 其他功能区　位于信号显示区的下边，由四个部分组成：左侧为信号标记工具存放处，在进行信号处理时，用鼠标拖拉此标记到所需要的部位即可；中间为时间标尺和信号显示快慢调节选择按钮；右侧为记录监控和开始/停止按钮；最下端还有一显示记录状态用的小条形窗口。<o:p></o:p>

（二）Chart的使用<o:p></o:p>

1. 将硬件4SP与计算机主机相连，打开其电源开关。<o:p></o:p>

2. 将所需要的换能器或者传感器连接到4SP相应的输入接口上，点击Chart图标即可进入Chart窗口。<o:p></o:p>

3. 用Setup菜单命令中的Channel Settings设置所需要的信号通道，调整好各个信号通道的幅度参数、时值参数，即可开始采集实验信号。<o:p></o:p>

4. 采集压力信号或者张力信号前必须先采集其定标信号，进行测量单位的转换后（Units Conversion），才能够进行实验信号的采集与处理。<o:p></o:p>

（三）Scope窗口的内容及其功能<o:p></o:p>

Scope软件类似一个二通道记忆示波器，主要用于神经、细胞电生理实验。<o:p></o:p>

根据Scope窗口的内容和功能主要分为三个区域：操作命令区、信号显示及参数调节区和其他功能区。

1. 操作命令区　位于屏幕上端，含有8个菜单式命令：文件（File）、编辑（Edit）、选择（Preferences）、设置（Setup）、显示（Display）、窗口（Windows）、宏命令（Macro）、帮助（Help），下拉后可选择其中的命令工作。<o:p></o:p>

2. 信号显示及参数调节区　位于屏幕中间部分，有信号显示窗口和右侧的信号参数调节区两部分，后者为通道A、B设定幅值参数、通道功能参数、时基参数等，信号采集开始/停止按钮也在此处。<o:p></o:p>

3. 其他功能区　位于屏幕最下端，有标记工具（Marker）存放处、添加注释按钮、显示方式选择按钮和屏幕分页按钮。<o:p></o:p>

（四）Scope的使用<o:p></o:p>

1. 将硬件4SP与计算机主机相连，打开其电源开关。<o:p></o:p>

2. 将所需要的电极或者传感器连接到4SP相应的输入接口上，点击Scope图标可进入Scope窗口。<o:p></o:p>

3. 用Setup菜单命令设定所需要的信号通道，调整好各个信号通道的幅度参数、时值参数，即可开始采集实验信号。<o:p></o:p>

4. 电生理实验应该在采集实验信号之前先设置好刺激器的参数。<o:p></o:p>

（五）PoweLab系统常用参数的设置<o:p></o:p>

1. Chart窗口压力信号的参数设置<o:p></o:p>

（1）进入Chart窗口。<o:p></o:p>

（2）拉下菜单命令Setup，用通道设置（Channel Settings）命令确定所需要的通道，并且写入相应名称（比如BP、ECG等），点击OK。<o:p></o:p>

（3）拉下第一通道Channel 1，点击Bridge Pod，出现Bridge Pod窗口。<o:p></o:p>

（4）在Bridge Pod窗口里分别选择幅度参数Range为（2～5mV）、10×gain为（√）、offset为（√）、滤波参数为（50～100Hz），然后用Bridge Pod旋扭调整基线为零，用标准血压计对换能器进行定标，即先显示0mmHg时的基线，然后用血压计给血压换能器施加100mmHg的压力，显示出100mmHg时的基线。<o:p></o:p>

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（5）点击单位转换（Units Conversion），出现Units Conversion窗口。点击窗口中0mmHg基线，其电压值可送入Point 1的电压值框内，后边的框内送入0.00；点击窗口中100mmHg基线，其电压值可送入Point 2的电压值框内，后边的框内送入100.00；点击Units，选择mmHg；点击Apply和OK，返回Bridge Pod窗口，点击OK，即可进行压力信号的记录。<o:p></o:p>

（6）打印实验图形：在图形通道Chart中选取一段所需要的图形，拖动鼠标将其拉黑，点击放大键使图形放大，在Edit命令中点击Copy Zoom Window，打开Word文本，粘贴上去，调整大小位置并加上文字说明，再返回Chart选取其他的图形，全部调整好后打印出来，完成实验。<o:p></o:p>

2. Chart窗口张力信号的参数设置<o:p></o:p>

（1）进入Chart窗口。<o:p></o:p>

（2）拉下菜单命令Setup，用通道设置（Channel Settings）命令确定所需要的通道，并且写入相应名称（如Force、ECG等），点击OK。<o:p></o:p>

（3）拉下第一通道Channel 1，点击Bridge Pod，出现Bridge Pod窗口。<o:p></o:p>

（4）在Bridge Pod窗口里分别选择幅度参数Range为（2～5mV）、10xgain为（√）、offset为（√）、滤波参数为（50～100Hz），然后用Bridge Pod旋扭调整基线为零，用一砝码加在张力换能器上进行定标，即先显示未加砝码时的0基线，再显示加砝码后的基线。<o:p></o:p>

（5）点击单位转换（Units Conversion），出现Units Conversion窗口。点击窗口中0基线，其电压值可送入Point 1的电压值框内，后边的框内送入0.00；点击窗口中加砝码后的基线，其电压值可送入Point 2的电压值框内，后边的框内送入砝码的值；点击Units，选择g；点击Apply和OK，返回Bridge Pod窗口，点击OK，即可进行张力信号的记录。<o:p></o:p>

（6）打印实验图形：在图形通道Chart中选取一段所需要的图形，拖动鼠标拉黑，点击放大键使图形放大，在Edit命令中点击Copy Zoom Window，打开Word文本，粘贴上去，调整大小位置并加上文字说明，再返回Chart选取其他的图形，全部调整好后打印出来，完成实验。<o:p></o:p>

3. Scope窗口的参数设置<o:p></o:p>

（1）进入Scope窗口。<o:p></o:p>

（2）拉下菜单命令Setup，进入刺激器（Stimulator）进行参数设置：①去掉隔离刺激器（Isolated Stimulator）选择，选刺激方式为Pulse；②延迟时间为5ms，刺激波宽为0.2ms，刺激幅度为0.3～0.4V，电压范围为1V，点击OK刺激器设置完毕。如果设置不合适，可以在刺激器面板中根据实验要求随时调整。<o:p></o:p>

（3）在Scope窗口的右侧设置输入通道A（Input A）的参数：幅度参数Range为20～100 mv，输入放大器（Input Amplifier）：AC 选（√）、滤波选1kHz、Positive选（√）、Negative选（√），点击OK。时基（Time Base）选100kHz、采样（Samples）选1280，时间（Time）选10ms（说明：这些设置是作为神经干动作电位兴奋传导速度的测定实验参考的）。<o:p></o:p>

（4）拉下菜单命令Display，选Overplay Stimulator到CH-B，刺激显示在B通道上。<o:p></o:p>

（5）打印实验图形：在信号通道选取所需要的图形，拖动鼠标拉黑；按下Shift键，在刺激信号通道选取同样的图形，拖动鼠标拉黑，在Edit菜单中点击Copy，打开Word文本，粘贴上去，调整大小位置并加上文字说明，全部调整好后打印出来，完成实验。<o:p></o:p>

PowerLab多通道生理信号采集与处理系统除了上述在机能学实验教学中的一部分应用外，它的数据板功能、峰参数分析功能、X-Y绘图仪功能、宏命令功能以及特殊的扩展软件等诸多功能.

在生命科学的研究领域中发挥出了更为重要的作用，满足了各种科研课题的专门使用，可以使大量的原始实验图形记录能够迅速转换为实验数据记录，让实验者方便、快捷地的进行数据分析、统计和作图，非常省事、省力，而且精确度高。

（杜克莘　刘　健）