生物机能学实验主编：刘良国 李淑红湖南文理学院基础生物学实验中心实验1 计算机生物信号采集处理系统的认识及使用计算机是一种现代化、高科技的自动信息分析、处理设备。随着电子计算机技术在生物、医学领域的广泛应用，使原先不易进行的某些生物信息的检测，变得简易可行。利用计算机采集、处理生物信息，让计算机进入机能学实验室已成为必然趋势。计算机生物信号采集处理系统就是以计算机为核心，结合可扩展的软件技术，集成生物放大器与电刺激器，并且具备图形显示、数据存储、数据处理与分析等功能的电生理学实验设备。对生物信号采集系统的了解和熟练使用，是今后对完成生理学实验的数据和图形采集、储存和处理所必须具备的基本技能之一。 图11 Pclab生物医学信号采集处理系统一、实验目的1、熟悉计算机生物信号采集处理系统的基本原理及组成；2、熟悉并掌握计算机生物信号采集处理系统的基本操作与使用方法。二、实验内容1、 学习计算机生物信号采集处理系统的组成及原理；2、 计算机生物信号采集处理系统的基本操作与使用。三、实验原理 现代生物机能实验系统的基本原理是：首先将原始的生物机能信号，包括生物电信号和通过传感器引入的生物非电信号进行放大（有些生物电信号非常微弱，比如减压神经放电，其信号为微伏级信号，如果不进行信号的前置放大，根本无法观察）、滤波（由于在生物信号中夹杂有众多声、光、电等干扰信号，这些干扰信号的幅度往往比生物电信号本身的强度还要大，如果不将这些干扰信号滤除掉，那么可能会因为过大的干扰信号致使有用的生物机能信号本身无法观察）等处理，然后对处理的信号通过模数转换进行数字化并将数字化后的生物机能信号传输到计算机内部，计算机则通过专用的生物机能实验系统软件接收从生物信号放大、采集硬件传入的数字信号，然后对这些收到的信号进行实时处理，一方面进行生物机能波形的显示，另一方面进行生物机能信号的实时存贮，另外，它还可根据操作者的命令对数据进行指定的处理和分析，比如平滑滤波，微积分、频谱分析等。对于存贮在计算机内部的实验数据，生物机能实验系统软件可以随时将其调出进行观察和分析，还可以将重要的实验波形和分析数据进行打印。图12 Pclab系统工作原理模式图计算机生物信号采集处理系统由硬件和软件两大部分组成。硬件主要完成对各种生物电信号（如心电、肌电、脑电）与非生物电信号（如血压、张力、呼吸）的采集。并对采集到的信号进行调整、放大，进而对信号进行模/数（A/D）转换，使之进入计算机。软件主要用来对已经数字化了的生物信号进行显示、记录、存储、处理及打印输出，同时对系统各部分进行控制，与操作者进行对话。计算机生物信号采集处理系统在功能上基本可替代原来的刺激器、放大器、记录仪、示波器等。此外，引进模拟实验系统软件还可以演示简单重复的印证性实验，在动手前预习实验，甚至代替部分实验。微机生理系统已成为生理实验教学与研究的一个发展方向。1、 传感器和放大器生物所产生的信息，其形式多种多样，除生物电信号可直接检取外，其他形式的生物信号必须先转换成电信号，对微弱的电信号还需经过放大，才能作进一步的处理。生物信号采集处理系统中的刺激和放大器都是由计算机程控的，其工作原理和一般的刺激器、放大器完全一样。主要的区别在于一般仪器是机械触点式切换，而生物信号采集处理系统是电子模拟开关，由电压高低的变化控制，是程序化管理，提高了仪器的可靠性，延长了仪器的寿命。2、生物信号的采集计算机在采集生物信号时，通常按照一定的时间间隔对生物信号取样，并将其转换成数字信号后放入内存，这个进程称为采样。(1)/D转换器生物信号通常是一种连续的时间函数，必需转换为离散函数，再将这个离散的函数按照计算机的“标准尺度”数字化，以二进制表达，才能被计算机所接受。/转换设备能提供多路模/数转化和数/模转换。/转换需要一定时间，这个时间的长短决定着系统的最高采样速度。/转换的结果是以一定精度的数字量表示，精度愈高，（曲线的）幅度的连续性愈好。对一般的生物信号采样精度不应低于12位数字。转换速度和转换精度是衡量/转换器性能的重要指标。(2)采样与采样有关的参数包括通道选择、采样间隔、触发方式和采样长度等方面。通道选择一个实验往往要记录多路信号，如心电、心音、血压等。计算机对多路信号进行同步采样，是通过一个“多选一”的模拟开关完成的。在一个很短暂的时间内，计算机通过模拟开关对各路信号分别选通、采样。这样，尽管对各路信号的采样有先有后，但由于“时间差”极短暂，因此，仍可以认为对各路信号的采样是“同步”的。采样间隔原始信号是连续的，而采样是间断进行的。对某一路信号而言，两个相邻采样之间的时间间隔称为采样间隔。间隔愈短，单位时间内的采样次数愈多。采样间隔的选取与生理信号的频率也有关，采样速率过低，就会使信号的高频成分丢失。但采样速率过高会产生大量不必要的数据，给处理、存储带来麻烦。根据采样定律，采样频率应大于信号最高频率的2倍。实际应用时，常取信号最高频率的35倍来作为采样速率。采样方式采样通常有连续采样和触发采样两种方式。在记录自发生理信号（如心电、血压）时，采用连续采样的方式。而在记录诱发生理信号（如皮层诱发电位）时，常采用触发采样的方式。后者又根据触发信号的来源分为外触发和内触发。采样长度在触发采样方式中，启动采样后，采样持续的时间称为采样长度。它一般应略长于一次生理反应所持续的时间。这样既记录到了有用的波形，又不会采集太多无用的数据造成内存的浪费。3、生物信号的处理计算机生物信号采集处理系统因其强大的计算机功能，可起到滤波器的功能，而且性能远远超过模拟电路，恢复被噪音所淹没的重复性生理信号。人们可以测量信号的大小、数量、变化程度和变化规律，如波形的宽度、幅度、斜率和零交点数等参数。做进一步的分类统计、分析给出各频率分能量（如脑电、肌电及心率变异信号）在信号总能量中所占的比重，从而对信号源进行定位。对实验结果可以用计数或图形方式输出。对来自摄像机或扫描仪的图像信息经转换后，也可输入计算机进行分析。所以计算机生物信号采集处理系统，不仅具备了刺激器、放大器、示波器、记录仪和照相机等仪器的记录功能外，而且还兼有微分仪、积分仪、触发积分仪、频谱分析仪等信号分析器的信息处理功能。为节省存储空间，计算机可对其获得的数据按一定的算法进行压缩。4、动态模拟通过建立一定的数学模型，计算机可以仿真模拟一些生理过程，例如激素或药物在体内的分布过程、心脏的起搏过程、动作电位的产生过程等均可用计算机进行模拟。除过程模拟外，利用计算机动画技术还可在荧光屏上模拟心脏泵血、胃肠蠕动、尿液生成及兴奋的传导等生理过程。四、实验方法（以PclabUE为例介绍）Pclab-UE是集放大器、采集卡、刺激器为一体的外置式USB接口高性能的生物医学信号采集处理系统。1.生物医学信号放大器使用介绍硬件放大器分前后两个面板，前面板用来做常规，后面板主要用来连接线路，其中前面板的各部分功能如下：PCLAB-UE生物医学信号采集处理系统电源开关通道1通道2通道3通道4刺激输出5V10V100V电源开关用来打开或关闭硬件设备，注意在采样的过程当中不要关闭此电源。通道1、通道2、通道3、通道4分别是四个独立的放大器通道，其中通道3是专用的心电通道，不能进行其他的信号采集。刺激输出有两个插口，上方的是05V档输出和010V档输出，选择不同档刺激输出指示灯会随之变化。下方是0100V档输出，红色标记是提醒实验人员注意高压危险！后面板的各部分功能如下：北京微信斯达科技发展有限责任公司USB接口监听输出地线接口电源接口USB接口用来插接USB线的小方端口，USB线的另一端接入计算机的USB接口。监听输出口是与音箱的音频线相连，它是用来监听神经放电的声音。监听输出口旁边的口是与串口线连接，它是用来传输刺激命令的。地线接口用来接地线以减少外界环境对有效信号的干扰。电源接口用来接入电源线，要求使用交流市电220V，50Hz。若是前面板电源灯不亮，通常是保险管烧了。2. Pclab-UE应用软件窗口界面功能介绍Pclab-UE应用软件运行时窗口如下图：界面自上而下为：（1）标题栏：用于提示实验名称、文件存盘路径、文件名称及“最小化”、“还原”、“关闭”按钮。（2）菜单栏：用于按操作功能不同而分类选择的操作。包含如下主菜单名称：A、文件：包含所有文件操作，如打开、存盘、打印等；B、编辑：包含对信号图形的编辑功能，如复制、清除等；C、视图：包含对可视部分的控制及信号反相、锁定等；D、设置：对系统运行有关的设置功能进行选择；E、数据处理：对采集后的数据进行滤波处理、导入Excel、微分、积分等；F、帮助：包括帮助主题、版权信息与公司网址等。（3）工具栏：提供了最常用的快捷工具按钮，依次为：新建、打开、记录存盘、选择存盘、打印预览 、复制、取消、采样、记录、刺激、面板切换、测量、锁定。（4）实时计算工具栏：提供了实时计算数据的结果。（5）采样窗：四个采样窗分别对应放大器的四个物理通道，用于采样时的波形显示、数据处理、标记、测量等功能，是主要的显示区域。（6）状态栏：从左到右依次为命令提示区、状态提示区、标记或帧数提示区、采样时间、硬件状态提示区。（7）控制面板：位于整个界面的最右侧，是各通道的控制中心，针对当前通道进行不同的控制调节，如下图所示。（8）计算结果显示面板；浮于整个窗口的上方，用于对选定的波形进行计算分析并显示结果，如下图所示。3.一般生物医学信号采集的软件设置操作用Pclab-UE生物医学信号采集处理系统做好电生理实验的第一步就是在开始实验之前要做好信号采样的软件设置工作。这就相当于使用传统仪器开始实验前，要将仪器面板上的所有重要开关打开，所有重要按钮设定大体和传统仪器的位置一样。不过，使用Pclab-UE将会使您轻松自如，具体操作如下：第一步，执行“设置”菜单中的“采样条件”菜单项，打开采样条件设置窗口见下图：该窗口中有四个下拉列表框，分别用来设置显示方式、触发方式、采样频率、通道个数。（1）其中采样频率可以根据实验做出选择，通常是变化快的选择采样频率高一些（如：减压神经放电实验可以选择10KHz），变化慢的选采样择频率底一些（如：血压、呼吸、张力等实验可以选择1KHz）。（2）通道个数用来确定实验中使用通道的个数，选择1个通道，则是第一通道；选择2个通道，则是第一和第二通道；选择3个通道，则是第一、二和第三通道；选择4个通道，则是全部的通道。（3）显示方式：有记录仪方式和示波器方式两种，可根据实验的需求来选择显示方式。I、“记录仪”方式：用来记录变化较慢，频率较低的生物信号。如电生理实验中的血压、呼吸、张力、心电等。其扫描线的方向是从右向左，连续滚动，与传统仪器的二导记录仪相一致。它的采样频率从20Hz到50KHZ，11档可选。一般上述典型实验1KHz左右。此时无触发方式选择。、“示波器”方式：用来记录变化快，频率高的生物信号。如电生理实验中的神经干动作电位、AP传导速度、心室肌动作电位等。其扫描方向是从左向右，一屏一屏的记录，与传统的示波器相一致。它的采样频率从1KHz到200KHz。在200KHz采样频率只允许单窗口运行。（4）触发方式：有自动触发和刺激器触发，当使用记录仪方式显示时，此功能自动关闭（变成灰色）；若使用示波器方式，还可以进一步选择是自动触发还是刺激器触发，如果是刺激器触发则