人體存在高度精密而復(fù)雜的生物信號(hào)，每一種信號(hào)都在傳遞著身體的工作狀態(tài)，器官機(jī)能是否正常，呼吸、循環(huán)系統(tǒng)是否健全，人體是否處于一種健康狀態(tài)……隨著信息科技的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，產(chǎn)生了“高端”的醫(yī)生，它們通過接收人體信號(hào)，對(duì)人體信息進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)疾病的診斷和防治。
　　生物醫(yī)學(xué)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(jīng)系統(tǒng)傳遞給大腦進(jìn)行加工處理。傳感器則是一個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)的“電五官”，他感測(cè)到外界的信息，然后送給系統(tǒng)的處理器進(jìn)行加工處理。如果一個(gè)系統(tǒng)沒有傳感器，就相當(dāng)于人沒有五官。
　　生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，也是近年來迅速發(fā)展的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的一個(gè)重要的應(yīng)用方面，正是由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程的緊密結(jié)合，才使得我們?cè)谏镝t(yī)學(xué)信號(hào)特征的檢測(cè)、提取及臨床應(yīng)用上有了新的手段，因而也幫助我們加深了對(duì)人體自身的認(rèn)識(shí)。
生物醫(yī)學(xué)傳感器的認(rèn)識(shí)
　　傳感器是能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應(yīng)于被測(cè)量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件或裝置。
　　生物醫(yī)學(xué)傳感器是一類特殊的電子器件，它能把各種被觀測(cè)的生物醫(yī)學(xué)中的非電量轉(zhuǎn)換為易觀測(cè)的電量，擴(kuò)大人地感官功能，是構(gòu)成各種醫(yī)療分析和診斷儀器與設(shè)備的關(guān)鍵部件。我們將生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)中常用的傳感器按被觀測(cè)的量劃分為以下三類：
　?。?）物理傳感器：用于測(cè)量和監(jiān)護(hù)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(cè)。
　?。?）化學(xué)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(xué)量的檢測(cè)。
　?。?）生物傳感器：用于生物體中組織、細(xì)胞、酶、抗原、抗體、受體、激素、膽酸，乙酰膽堿、五羥色胺等神經(jīng)遞質(zhì)，DNA與RNA以及蛋白質(zhì)等生物量的檢測(cè)。？傳感器按尺寸劃分有：常規(guī)傳感器（毫米級(jí)，可用于組織檢測(cè)），微型傳感器（微米級(jí)，可用于細(xì)胞檢測(cè)）和納米傳感器（納米級(jí)，可用于細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)）。
　　對(duì)傳感器的性能要求
　?。?）有較高的靈敏度和信噪比。靈敏度高時(shí)，輸入較小的信號(hào)即可產(chǎn)生較大的輸出信號(hào)。傳感器輸出信號(hào)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(hào)就越大，信噪比越小，信號(hào)與噪聲越難分辨，嚴(yán)重時(shí)將出現(xiàn)信號(hào)被噪聲淹沒的現(xiàn)象，無法獲得有用的信號(hào)，測(cè)量無效。
　　（2）有良好的線性和較高的響應(yīng)速度？
　　線性好是指傳感器的輸出信號(hào)在規(guī)定的工作范圍內(nèi)與輸出信號(hào)成比例關(guān)系，而不產(chǎn)生信號(hào)非線性失真。響應(yīng)速度快表明輸出和輸入的延遲時(shí)間短、實(shí)時(shí)性好。
　?。?）重復(fù)性、一致性和選擇性好？
　　重復(fù)性好是指傳感器反復(fù)使用，其性能不變。一致性好是指傳感器的互換性強(qiáng)，在生產(chǎn)與修理中尤為重要。選擇性好是指傳感器只對(duì)確定目標(biāo)的變量有響應(yīng)，不受其他變量的影響。
　?。?）化學(xué)、物理性能好？
　　傳感器必須與人體的化學(xué)成分相容，既不會(huì)腐蝕也不會(huì)給人體帶來毒性。傳感器的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)應(yīng)與待測(cè)部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響要小，使用時(shí)應(yīng)不損傷組織。
　?。?）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(yīng)在安全之下。
　?。?）操作性好。傳感器應(yīng)操作簡單、維護(hù)方便、便于消毒。
　　生物醫(yī)學(xué)傳感器的意義
　　隨著生物傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，生物傳感器必將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域掀起一股熱潮。
　?。?）生物傳感器采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價(jià)值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。因此，這一技成本低，在連續(xù)使用時(shí)，每例測(cè)定僅需要幾分錢人民幣，術(shù)在很大程度上減輕病患醫(yī)療費(fèi)用上的負(fù)擔(dān)。
　?。?）生物傳感器專一性強(qiáng)，只對(duì)特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響，準(zhǔn)確度高，一般相對(duì)誤差可以達(dá)到1％；分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果。因此，這一技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上不僅提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，更是縮短了整個(gè)過程所需的時(shí)間，進(jìn)一步提供了救治病人的先機(jī)。
　?。?）操作系統(tǒng)比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析。在臨床中，許多操作對(duì)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(diǎn)，我相信將為他們減少很多的痛苦。
　　當(dāng)前各種利用生物傳感技術(shù)開發(fā)的儀器也已問世，但是在應(yīng)用上還有許多技術(shù)需要深入研究。診斷各種疾病的醫(yī)用傳感器，還有待于引深研發(fā)，例如谷氨酸傳感器是一種穩(wěn)定的脫氫酶、轉(zhuǎn)氨酶、血氨的指示性傳感器，它在臨床急癥室等許多場(chǎng)合可取代光度法測(cè)定，有潛在應(yīng)用前景；測(cè)定胸外科病人乳酸指標(biāo)的生物傳感器也已開始應(yīng)用，與腎透析聯(lián)用的幾種生物傳感器也有產(chǎn)業(yè)化開發(fā)價(jià)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(yī)學(xué)信號(hào)
　　生物醫(yī)學(xué)信號(hào)有一維、二維之分一般而言，將一維信號(hào)稱為信號(hào)，二維信號(hào)稱為圖像自然界廣泛存在的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是連續(xù)的，由于計(jì)算機(jī)巨大的計(jì)算能力，一般先用轉(zhuǎn)換器將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后在計(jì)算機(jī)內(nèi)用各種方法編制成的軟件進(jìn)行分析處理限于篇幅，這里只論一維生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理方法。
　　信號(hào)處理的領(lǐng)域是相當(dāng)廣泛而又深人的，已在不同程度上滲透到幾乎所有的醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域從預(yù)防醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)到臨床醫(yī)學(xué)，從醫(yī)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(wǎng)膜電圖分析，光片處理，圖像重建，健康普查的醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)，疾病的自動(dòng)診斷，細(xì)胞、染色體顯微圖像處理，血流速度測(cè)定，生物信號(hào)的混沌測(cè)量等等。
　　生物醫(yī)學(xué)信號(hào)特點(diǎn)
　　（1）信號(hào)弱：直接從人體中檢測(cè)到的生理電信號(hào)其幅值一般比較小。如從母體腹部取到的胎兒心電信號(hào)僅為10～50μV，腦干聽覺誘發(fā)響應(yīng)信號(hào)小于1μV，自發(fā)腦電信號(hào)約5～150μV，體表心電信號(hào)相對(duì)較大，最大可達(dá)5mV。因此，在處理各種生理信號(hào)之前要配置各種高性能的放大器。
　　（2）噪聲強(qiáng)：噪聲是指其它信號(hào)對(duì)所研究對(duì)象信號(hào)的干擾。如電生理信號(hào)總是伴隨著由于肢體動(dòng)作、精神緊張等帶來的干擾，而且常混有較強(qiáng)的工頻干擾；誘發(fā)腦電信號(hào)中總是伴隨著較強(qiáng)的自發(fā)腦電；從母腹取到的胎兒心電信號(hào)常被較強(qiáng)的母親心電所淹沒。這給信號(hào)的檢測(cè)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。
　?。?）頻率范圍一般較低：經(jīng)頻譜分析可知，除聲音信號(hào)（如心音）頻譜成分較高外，其它電生理信號(hào)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(hào)的獲取、放大、處理時(shí)要充分考慮對(duì)信號(hào)的頻率響應(yīng)特性。
　　（4）隨機(jī)性強(qiáng)：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是隨機(jī)信號(hào)，一般不能用確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述，它的規(guī)律主要從大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果中呈現(xiàn)出來，必須借助統(tǒng)計(jì)處理技術(shù)來檢測(cè)、辨識(shí)隨機(jī)信號(hào)和估計(jì)它的特征。而且它往往是非平穩(wěn)的，即信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征（如均值、方差等）隨時(shí)間的變化而改變。這給生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理帶來了困難。
　　因此在信號(hào)處理時(shí)往往進(jìn)行相應(yīng)的理想化和簡化。當(dāng)信號(hào)非平穩(wěn)性變化不太快時(shí)，可以把它作為分段平穩(wěn)的準(zhǔn)平穩(wěn)信號(hào)來處理；如果信號(hào)具有周期重復(fù)的節(jié)律性，只是周期和各周期的波形有一定程度的隨機(jī)變異，則可以作為周期平穩(wěn)的重復(fù)性信號(hào)來處理。更一般性的方法是采用自適應(yīng)處理技術(shù)，使處理的參數(shù)自動(dòng)跟隨信號(hào)的非平穩(wěn)性而改變。
　　生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)方法
　?。?）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(yī)學(xué)研究中也叫平均誘發(fā)反應(yīng)法，簡稱方法所謂誘發(fā)反應(yīng)是指肌體對(duì)某個(gè)外加刺激所產(chǎn)生的反應(yīng)，AEV方法常用來檢測(cè)那些微弱的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)如希氏束電圖、腦電圖、耳蝸電圖等希氏束電圖的信號(hào)幅度僅一拼，它們?cè)谟醚痉椒z測(cè)出之前，幾乎或完全淹沒在很強(qiáng)的噪聲中，這些噪聲包括自發(fā)反應(yīng)，外界干擾，儀器噪聲方法要求噪聲是隨機(jī)的，并且其協(xié)方差為零，信號(hào)是周期或可重復(fù)產(chǎn)生的，這樣經(jīng)過平方次疊加，信噪比可提高N倍，使用方法的關(guān)鍵是尋找疊加的時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)。
　?。?）生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的混沌測(cè)量
　　傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)以線性方法為主，強(qiáng)調(diào)的是穩(wěn)定、平衡和均勻性而非線性系統(tǒng)是在不穩(wěn)定、非平衡的狀態(tài)中提取信息、處理信息，從而顯示它特有的優(yōu)點(diǎn)混沌用于測(cè)量閉可以說是一種嘗試，也許人們很難想象一個(gè)極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng)能進(jìn)行精確的測(cè)量，可是生物的感覺器官就是極不穩(wěn)定的混沌系統(tǒng)，其檢測(cè)靈敏度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前的科技水平，這是一個(gè)全混沌系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是初值敏感性和參數(shù)敏感性，即所謂蝴蝶效應(yīng)混沌測(cè)量的基本思路就是把蝴蝶效應(yīng)倒過來應(yīng)用將敏感元件作為混沌電路的一部分，其敏感參數(shù)隨待測(cè)量變化而變化，？并使系統(tǒng)的混沌軌道變化，測(cè)出餛沌軌道的變化就可得到待測(cè)量，這是一種不同于傳統(tǒng)測(cè)量的新方法。
　　生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理方法
　　簡單的信號(hào)處理是建立在線性時(shí)不變系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上的，這種理論只適用于平穩(wěn)信號(hào)的處理，非平穩(wěn)信號(hào)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(hào)。由于生物體對(duì)處界刺激的適應(yīng)能力，生物體在接受外界刺激的適應(yīng)過程中產(chǎn)生的生物信號(hào)就具有這樣的特點(diǎn)。均值變化的規(guī)律稱為趨勢(shì)函數(shù)，一旦從這類信號(hào)中除去趨勢(shì)函數(shù)，信號(hào)就變成了平穩(wěn)的。因而在分析這種信號(hào)時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行消除趨勢(shì)函數(shù)處理；另一類非平穩(wěn)的信號(hào)可近似地看成是分段平穩(wěn)的。腦電信號(hào)常具有這個(gè)特點(diǎn)，因?yàn)槟X電信號(hào)隨著精神狀態(tài)的改變而改變，造成逐段平穩(wěn)的狀態(tài)。在處理這類信號(hào)的第一步是把它正確地分段，使它的每一段都可以認(rèn)為是平穩(wěn)的，再用平穩(wěn)信號(hào)處理方法處理它們。
　　由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及與發(fā)展，以及數(shù)字處理方法的通用性和靈活性，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)己成了信號(hào)處理技術(shù)的主流。為了進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，必須在正式處理前先把模擬信號(hào)時(shí)間離散化、量化。在數(shù)字信號(hào)處理中已經(jīng)指出，采樣導(dǎo)致信號(hào)頻譜的周期延托，周期延拓結(jié)果造成頻譜混疊。對(duì)一個(gè)頻帶寬度有限的信號(hào)，只要采樣頻率大于信號(hào)最高頻率的兩倍，就可以避免這種頻譜混疊。然而，實(shí)際信號(hào)的頻譜并不像理想的那樣，在高于某個(gè)最高頻率的區(qū)域上幅度就截然變?yōu)榱?，而只是比較小而已。因此，采樣定理只能近似地滿足，實(shí)際頻譜混疊仍然存在。為了克服這個(gè)問題，必須在采樣以前，將信號(hào)通過一個(gè)高頻抑制能力較理想的低溫濾波器（稱為抗混迭濾波器）進(jìn)行限帶濾波處理。
　　根據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)任務(wù)要求，有時(shí)在取得信號(hào)后，不需立即得到處理結(jié)果，這時(shí)就可以來用離線處理。大多數(shù)情況下，要求處理結(jié)果在采集同時(shí)或采集結(jié)束后立即得到，就要用實(shí)時(shí)的或在線的處理方法。在實(shí)時(shí)和在線的處理中，處理（運(yùn)算）速度要足夠快，占用內(nèi)存空間也有一定限制，均比離線處理要求高，有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)足夠快的處理速度，不得不采用專用的硬件處理器。