第四节 计算机生物信号采集分析系统

计算机生物信号采集分析系统是根据医学实训的特点，将传统仪器的优点与计算机的强大处理功能相结合而设计的系统；可实现集多通道实时数据采集、信号放大、作图显示、数据存储、数据分析处理及输出打印等功能于一体；可取代传统生物实验中使用的示波器、记录仪、放大器和刺激器等的仪器设备，是新一代的生物信号记录采集处理仪器设备。

一、PowerLab生物信号采集与处理系统

（一）PowerLab教学套件的结构和用途

PowerLab教学套件是澳大利亚ADInstruments公司生产的高性能生物信号处理设备，适用于同时记录、分析和研究多项生命信号指标（图1-2-2）。PowerLab教学套件的主机包括两个通用型输入端口，可以和任何附件产品相接完成各种生物信号的采集；一个双通道生物电信号输入接口，可以直接记录心电图、脑电图等生物电信号；一个±10V的电刺激输出，可以对组织进行实时电刺激。PowerLab教学套件如果配合各种用途的换能器和放大器使用，还可以用来进行血压、肺通气、心音图、心室内压、尿液计滴、气流速度的测定等实训项目。

（二）PowerLab教学套件的特点

PowerLab系统在功能学实训中具有以下特点：

（1）400 000点每秒，16位精度的持续采样功能；

（2）所有的输入都具有1～5 000倍的放大功能；

（3）适用于人体和动物功能学实训项目的开展；

（4）内置电刺激输出装置；

（5）所有参数设置均由软件完成；

（6）抗失真滤波并有软件滤波功能；

（7）通用USB接口，在Windows环境下即插即用；

（8）标准Din接口，与换能器、放大器及其他附件的通用性强。

（三）PowerLab教学套件的使用方法

（1）首先确认PowerLab已经连接到计算机后，打开电源开关和电脑的电源开关。电脑自动进入视窗桌面系统。

（2）当PowerLab前面板的状态灯为绿色表示电源已经打开，橙色表示正在工作。如果状态灯为红色，请立即关闭PowerLab，并及时与老师联系。

（3）在计算机桌面上找到Chart设置文件图标（图1-2-3），并用鼠标左键双击图标打开Chart软件，进入Chart窗口（界面）。演示的界面如图1-2-4所示，4个通道分别为：①通道一：通用通道(记录脉搏)；②通道二：桥式通道(记录血压)；③通道三：生物电通道(记录心电)；④通道四：呼吸通道(记录呼吸)。当然，我们可以根据实训的不同需求，在各个通道连接不同的换能器放大器，即可以记录相应的生物信号，把每个通道设置成不同的数据记录名称。

（4）实训的设置文件选择：选择“文件”菜单中的“打开”命令。这样就可以看到如图1-2-5所示的对话框。根据教师的要求定位并打开对应实训的设置文件。

（5）连接换能器：按具体的实训操作要求，连接呼吸、血压、脉搏的换能器，连接心电图3个记录电极导线。分别与动物或人体相应部位连接。

（6）实训记录开始/停止：Chart窗口（界面）右下方的“开始/停止”切换按钮显示为“开始”；如单击该按钮，可切换显示为“停止”，此时Chart处于记录状态，通道窗口中即时显示记录下的数据曲线，如果再单击该按钮则停止记录。因此，实训时单击Chart界面右下方的“开始”按钮，开始记录；当完成实训时，点击“停止”按钮即可。如果只想显示实训数据，而不打算记录，可单击“记录/显示”切换按钮（图1-2-6），使该按钮上有一红色“×”，此时只显示数据而不输入计算机内存，数据不能保存。如再单击该按钮，使该按钮呈反黑显示，则系统又回到记录状态。

（7）实训注释或贴标签：在实训过程中，如果进行放血、给药、急救等操作时，可以在数据文件中加注释。当记录时，软件界面上方的注释栏中可以输入字符，根据具体使用的药物类型和剂量输入适当的内容，直接按“回车”键就会在数据上添加一个注释或单击添加按钮（图1-2-7）。

（8）信号范围或振幅调节：在实训过程中，如果某个通道的数据未能完全显示，或显示的图形过大，可以点击每个通道左面的按钮调节数据图形的大小，以使数据图形合适显示。

（9）实训数据的浏览：拖动时间轴工具条（图1-2-8）的滚动块或单击滚动条中的方向按钮可以方便地显示任何时间段的实训数据；单击时间轴缩放按钮可以选取合适的时间轴缩放比例（1∶1 ～ 2k∶1）；Chart默认的显示方式是即时滚动显示（记录数据时滚动块不能使用，不能查看已记录的实训数据），如单击滚动/回顾显示按钮，该按钮反黑显示，此时在记录的同时可以利用滚动块查看已记录的实训数据。

（10）数据分析与打印：数据全部记录完成后，首先选择“文件”菜单中的“保存”命令保存数据文件，防止操作中发生意外丢失数据。

1）如果需要将数据图形粘贴到Word等编辑文档中，首先选择需要的数据图形，然后点击“工具栏”中的按钮，将数据显示在放大窗口中。选择“编辑”菜单中的“复制Zoom窗口”命令，这样放大窗口的数据图形就可以以图像形式粘贴到Word等编辑文档中。

2）分析数据时，首先关闭放大窗口，然后选取需要分析的数据段，之后点击“命令”菜单中的“加到数据板”。选择“工具栏”中的按钮打开数据板，这样就可以看到具体的数值。如果希望将数据板中的数值粘贴到Word等编辑文档中，可以在数据板中选定需要粘贴的数据，直接选择“编辑”菜单中的“复制”命令，然后粘贴到Word等编辑文档中。

3）实训数据的打印：打印前先进行页面设置，单击菜单栏的File选项，选取Page Setup，弹出页面设置对话框（图1-2-9）。在对话框中选择纸张大小和打印方向，打印方向一般选择横向打印。把需要打印的数据按先后顺序粘贴在时间轴的最后（参见数据的剪切、复制和粘贴），然后选取它们，再单击菜单栏File选项中的“Print Preview”，预览打印内容，确认打印内容准确无误后，再单击菜单栏的File选项中的“Print Selection”，弹出打印机设置对话框（图1-2-9），单击Name框右侧的下拉式按钮▼选择打印机机型；在“Number of Copies”框中输入打印份数；选取“Print Comments”可同时打印注解内容；单击“Properties”按钮可对打印机进一步设置；最后单击“OK”按钮完成打印操作。

二、MedLab生物信号采集处理系统的使用

MedLab生物信号采集处理系统是一套由微机控制的针对“生物信号”的实验仪器。它将传统实验仪器，如生物信号前置放大器、多导记录仪、示波器、刺激器等合并起来。使用时，针对不同的生物信号类型选用合适的设置就可以方便地完成实验。

（一）MedLab硬件介绍

MedLab硬件如图1-2-10所示。

（1）MedLab有8个输入通道，可以同步记录8种不同的生物信号。

（2）电刺激输出口外接电刺激电极对标本进行电刺激。

（二）MedLab软件介绍

MedLab主要有3个方面的功能：①文件操作，数据的编辑整理；②实时调整硬件的各种参数设置；③数据的测量、处理及结果图表的输出。

下面简单介绍一下软件的功能和使用。

1. MedLab界面概述 MedLab界面包括：标题栏、菜单栏、工具栏、标记栏、提示栏和通道采样窗、处理窗、数据窗等多个子窗口。

先打开MedLab主机和相连的计算机电源，在计算机视窗屏上双击MedLab图标，启动MedLab软件。MedLab启动后界面如图1-2-11所示，界面自上而下介绍如下。

（1）标题栏：提示实验名称、存盘文件路径、文件名及包含“缩小”、“扩大”、“关闭”按钮。

（2）菜单栏：用于按操作功能不同，分类选择操作。包含如下主菜单名称。

1）文件：包括所有的文件操作，如打开、存盘、打印、退出等。

2）编辑：包括所有对信号图像的编辑功能，如剪切、拷贝、粘贴等。

3）视图：对界面上主要可视部分显示与否进行切换。

4）设置：对系统运行有关的设置功能进行选择。

5）实验：对已完成定制实验配置的具体教学与科研实验项目进行选择。

6）处理：包括所有对信号图形的采样后处理功能，如FFT运算、数字滤波等。

7）窗口：提供一些有关窗口操作的功能。

8）帮助：包括在线帮助，版权消息与公司网址链接。

（3）快捷工具栏：提供最常用的快捷工具按钮，只要鼠标箭头指向该按钮，单击鼠标左键，即可进入操作。

（4）标记栏：用于添加、编辑实验标记，并可用于实验数据的定位。

（5）通道采样窗：每个通道采样窗分3个部分。第一部分为采样窗最左侧的“通道控制区”，显示通道号，实时控制放大器硬件。第二部分为采样窗中部的“波形显示区”，采样时动态显示信号波形，处理时静态显示波形曲线，并可人为选定一部分波形作进一步分析处理。MedLab 6.0采用先进的多视窗共享数据的方法，可同时进行多视窗的动态、静态观察或测量。第三部分为采样窗最右侧的“结果显示控制区”，用来显示Y轴刻度，采样通道内容、单位，控制基线调节，Y轴方向波形压缩、扩展，定标操作等。

（6）X轴显示控制区：用来动态显示采样时间（X轴），波形曲线的X轴拖动控制，X轴方向波形压缩、扩展控制。

（7） 采样控制：位于“X轴显示控制区”的右侧用于开始采样，停止采样及采样存盘控制。

（8）刺激器控制区：位于“X轴显示控制区”的左侧，用于选择刺激器发出刺激的模式，刺激启动开关及刺激参数的实时调整。

（9）提示栏：位于最下部，提示相关的操作信息、MedLa状态和当前硬盘的可用空间。

2. 实训中的主要软件操作步骤

（1）单击菜单栏的“实验”进入“实验”选择：

1）实验配置向导:用户只需按计算机的逐步提示，即可方便完成实验参数的配置。

2）8类实验子菜单:在这8类实验子菜单下分别有多种具体实验项目，实验人员按实验分类及项目选中后，将适合该实验的MedLab配置调出，即可开始实验。所有子菜单下的实验项目，都可以重新命名，重新配置，以适应不同类学科的不同实验。

（2） 采样：由菜单控制采样的入口。按F5功能键或右下方采样“开始/停止”按钮效果相同。

（3）存盘：由菜单控制存盘的入口。按F6功能键或右下方“观察/存盘”按钮效果相同。

（4） 开刺激器：由菜单控制刺激的入口。按F7功能键或左下方“观察/存盘”按钮效果相同。

（5）添加标记（F8）：由菜单控制添加刺激标记的入口。按F8功能键或右上方“标记”按钮效果相同。

（6）打印输出：为将两个波形曲线一次打印输出，可将鼠标移至时间显示区，拖动鼠标，选中要计算打印波形曲线，再点击“处理窗”及打印快捷键，完成计算打印工作。

（三）Med Lab软件实例演练

下面以实训项目“动物动脉血压、心电图及呼吸波的记录”为例说明MedLab软件的使用。本实验信号种类多，既有非电生物信号的血压与呼吸，又有生物电信号的心电，是一个很典型的生物信号采集处理实验。

1. 选采样方式 本实验是慢信号，适合用“记录仪”方式。点击快捷工具栏上新建按钮旁的下拉箭头，在菜单中选“记录仪”。直接在“设置”菜单中用“标准配置”或按快捷键F4均可。

2. 设置窗口 点击快捷工具栏上的“通道设置”快捷按钮打开“通道设置”窗口，通道数用“UP/DOWN”按钮调成3，内定为1、2、3放大器通道。按确定钮返回。本步骤也可不做，将标准配置中的4个通道中不需要观察的通道窗口用鼠标拉的较小以至于看不出也可。

3. 设置通道名称 鼠标移至通道1 右上的“通用”提示处，单击左键。在弹出菜单中选“处理名称”为“血压”。打开“高级”按钮，将对应的处理方法也设置为“血压”，按确定钮返回。鼠标移至通道2右上的“通用”提示处，单击左键。在弹出菜单中选“处理名称”为“心电图”，打开“高级”按钮，将对应的处理方法也设置为“心电图”，按确定钮返回。鼠标移至通道3右上的“通用”提示处，单击左键。在弹出菜单中选“处理名称”为“呼吸”，打开“高级”按钮，将对应的处理方法也设置为“呼吸”，按确定钮返回。依此类推，通道2设置为心电图，通道3设置为呼吸。

4. 调节放大参数 第一通道：放大倍数100倍左右，上限频率用直流。第二通道：放大倍数1 000倍左右，上限频率100Hz左右，下限频率用0.8Hz。第三通道：放大倍数500倍左右，上限频率10Hz左右，下限频率用直流。

5. 连接外置设备 将血压传感器插入第一通道，心电连线插入第二通道，呼吸传感器插入第三通道。

6. 定标

（1）连接好血压传感器与水银检压计。

（2）转动三通开关，使血压换能器与大气相通，Med La开始采样并将第一通道基线调至与零线相重合。然后接上注射器，向管路内注射液体，使水银检压计逐渐升至某一固定压力值（如100mm Hg),保持采样一小段时间后，停止采样。

（3）移动鼠标至第一显示道“显示调节区”内“血压”处，单击鼠标，选“定标”打开定标窗口。用鼠标点击波形曲线上升至平稳段的一点，在新值处填上水银检压计示出的压力值（如100mm Hg)，确定后退出定标窗，完成定标。

（4）转动三通开关，接入动脉血管，即可准备开始采集动脉血压信号。

7. 开始采样 按下“开始”按钮。适当调整放大倍数、X/Y轴压缩比，观察记录的曲线。正常情况下应如图1-2-11所示。

8. 采样结束 按“停止”键。

9. 打标记 在需要打标记时，可随时在标记编辑框中输入标记内容，点击添加标记按钮，为实验逐一添加标记。

10. 打印输出 要使两个波形曲线一次打印输出，可将鼠标移至时间显示区，拖动鼠标，选中要计算打印的波形曲线，再点击“处理窗”，及打印快捷键，完成计算打印工作。

三、BL-420F生物信号采集与分析系统的使用

BL-420F生物信号采集与分析系统是成都泰盟软件有限公司推出的生物信号采集与分析系统（图1-2-12）。

该系统主要用于观察生物体内或离体器官中探测到的生物电信号及张力、压力、呼吸等生物非电信号的波形，从而对生物机体在不同的生理或药理实验条件下所发生的功能变化加以记录与分析。它可用于大、中专医学院校，科研单位进行的动物生理、药理和病生等实验，并可完成实验数据的分析及打印工作。

1. 界面的认识 BL-420F和BL-420S系统使用相同的信号采集和分析软件TM-WAVE，该软件是用户与生物功能实验系统交互的唯一手段。通过这个软件，用户可以从事信号采集、显示、分析等一系列工作。

由于TM-WAVE软件具有很多功能，下面对其最基本的功能进行介绍（图1-2-13）。

（1）顶部窗口：位于工具条的下方，波形显示窗口的上面。顶部窗口由4个部分组成，分别是：当前选择通道的光标测量数据显示、启动刺激按钮、特殊实验标记编辑及采样率选择按钮等（图1-2-14）。

测量数据显示区显示当前测量通道的实时测量最新数据点或光标测量点处的测量结果，包括信号值和时间。启动刺激按钮及设置采样率按钮在实时实验的状态下可用，主要用于启动刺激器和设置系统的采用率。

实验标记编辑区包括实验标记编辑组合框（图1-2-15）和打开实验标记编辑对话框两个项目。

单击打开实验标记编辑对话框按钮，将弹出“实验标记编辑对话框”（图1-2-16）。可以在这个对话框中对实验标记进行预编辑。

在实验数据中添加特殊实验标记的方法很简单，先在实验标记编辑组合框中选择一个特殊实验标记，或者直接输入一个新的实验标记并按下“Enter”键；然后在需要添加特殊实验标记的波形位置单击鼠标左键，实验标记就添加完成了（图1-2-17）。

（2）底部窗口：位于界面的最下方，由4个部分组成，分别是：Mark标记区、状态条、数据滚动条及反演按钮区、分时复用区切换按钮（图1-2-18）。

Mark标记是用于光标测量的一个标记，它将测量Mark标记和测量光标之间的波形幅度差值和时间差值（测量的结果前加一个Δ标记，表示显示的数值是一个差值），测量的结果显示在通用信息显示区的当前值和时间栏中。使用时将鼠标移动到Mark标记区，按下左键，鼠标光标将从箭头变为箭头上方加一个字母“M”。然后，按住鼠标左键不放拖动Mark标记，将Mark标记拖放到任何一个有波形显示的通道显示窗口中的波形测量点上方，松开鼠标左键。这时，字母“M”将自动落到对应于这点X坐标的波形曲线上。若将“M”标记拖到无波形曲线的地方释放，它将自动回到Mark标记区。不用时，只需用鼠标将其拖回到Mark标记区即可，拖回方法与拖放方法相同。

状态条用于显示提示信息、键盘状态及系统时间等，从左到右分为3个部分，分别是：提示信息显示区、键盘状态显示区和系统时间显示区。提示信息的内容将根据系统当前具体操作的不同而不同。键盘状态显示大、小写字母切换按钮状态和小键盘数字按钮状态。系统时间显示区显示当前系统时间。

数据滚动条用于实时实验和反演时快速数据查找和定位，通过对滚动条的拖动，来选择实验数据中不同时间段的波形进行观察。该功能不仅适用于反演时对数据的快速查找和定位，也适用于实时实验中，将已经推出窗口外的实验波形重新拖回到窗口中进行观察、对比（仅适用于左视的滚动条）。反演按钮位于屏幕的右下方，分别是：波形横向（时间轴）压缩和波形横向扩展两个功能按钮和一个数据查找菜单按钮。平时处于灰色的非激活状态，当进行数据反演时，反演按钮被激活，通过调节这些按钮来调节波形以便于观察。

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、专用信息显示区和刺激参数调节区5个分区，它们分时占用屏幕右边相同的一块显示区域，通过分时复用区底部的5个切换按钮可对这几个区进行切换。

（3）标尺调节区：显示通道的最左边为标尺调节区（图1-2-19）。每一个通道均有一个标尺调节区，用于实现调节标尺零点的位置及选择标尺单位等功能。

将鼠标光标移动到标尺单位显示区，然后按下鼠标右键，将会弹出一个信号单位选择快捷菜单（图1-2-20）。

标尺单位选择快捷菜单分为上、中、下3个部分，最上面的16个命令用于选择标尺类型；中间的“标尺设置”命令用于设置单位刻度的标尺大小；下面的3个命令用于光标测量时选择光标在波形上的位置。

（4）波形显示区：生物信号波形显示区是主界面中最重要的组成部分，实验人员观察到的所有生物信号波形及处理后的结果波形均显示在波形显示窗口中。实验时可以根据自己的需要在屏幕上显示1～16个波形显示窗口，也可以通过波形显示窗口之间的分隔条调节各个波形显示窗口的高度，但由于4/8个波形显示通道的面积之和始终相等，故当把其中一个显示窗口的高度调宽时，必然会导致其他显示窗口的高度变窄。当需还原时可在任一显示窗口上双击鼠标左健即可将所有通道的显示窗口恢复到初始大小。一个通道的波形显示窗口，包含有标尺基线、波形显示和背景标尺格线等3个部分，如图1-2-21所示。

在通道显示窗口中还有一个快捷功能菜单可供选择。在信号窗口上单击鼠标右键时， TM-WAVE软件将会完成两项功能：①结束所有正在进行的选择功能和测量功能，包括两点测量、区间测量、细胞放电数测量及心肌细胞动作电位测量等；②将弹出一个快捷功能菜单（图1-2-22）。在这个快捷功能菜单中包含的命令大部分与通道相关，若需要对某个通道进行操作，就直接在该通道的显示窗口上单击鼠标右键，选择快捷菜单上的相应操作项即可。例如，对某个通道的波形进行信号反向或平滑滤波等操作。

（5）硬件参数调节区：在软件的右端，属于分时复用区的第一个界面（分时复用区包含5个可选择的界面，由其下方的按钮进行选择），您可以根据需要调节硬件参数（图1-2-23）获取最佳实验效果。

1）增益调节旋钮：用于调节通道增益（放大倍数）档位。具体的调节方法是：在增益调节旋钮上单击鼠标左键将增大一档该通道的增益，而单击鼠标右键则减小一档该通道的增益。

2）时间常数调节旋钮：用于调节时间常数的档位。具体的调节方法是：在时间常数调节旋钮上单击鼠标左键将减小一档该通道的时间常数，而单击鼠标右键则增大一档该通道的时间常数。当更改某一通道的时间常数值之后，时间常数调节旋钮下的时间常数显示区将显示时间常数的当前值。时间常数又叫高通滤波，每一个时间常数值对应于一个频率值，计算方法为：

频率= 1/（2π×时间常数）

假设时间常数为3s，那么对应的频率= 1/（2π×3）= 0.053Hz。

3）滤波调节旋钮：用于调节低通滤波的档位。

4）扫描速度调节器：其功能是改变通道显示波形的扫描速度，每个通道均可根据需要独立设置扫描速度。

5）50Hz滤波按钮：用于启动50Hz抑制和关闭50Hz抑制功能。50Hz信号是交流电源中最常见的干扰信号，如果50Hz干扰过大，会造成有效的生物机能信号被50Hz干扰淹没，无法观察到正常的生物信号。此时，需要使用50Hz滤波来削弱电源带来的50Hz干扰信号。

2. 开始、暂停、结束实验 双击桌面上的BL-420系统软件图标可以进入到系统软件中。在BL-420生物信号采集与处理系统软件中包含4种启动生物功能实验的方法，他们分别是：

（1）选择“输入信号”→“通道号”→“信号种类”为相应通道设定相应的信号种类，然后从工具条中选择“开始”命令按钮。

（2）从“实验项目”菜单中选择自己需要的实验项目。

（3）是选择工具条上的“打开上一次实验设置”按钮。

（4）是通过TM_WAVE软件“文件”菜单中的“打开配置”命令启动波形采样。

信号输入和实验项目菜单如图1-2-24所示。

无论使用哪种方法启动BL-420生物功能实验系统工作，软件都将根据选择的信号种类或实验项目为每个实验通道设置相应的初始参数，包括实验通道的采样率、增益、时间常数、滤波、扫描速度等。该初始参数的设置是在基本的生理理论基础及大量的生理实验基础上获得的，基本上能够满足实验者完成相应实验的要求，但实验生物机体本身存在着个体差异。因此，为了让实验者能够获得最佳的实验效果，在实验过程中仍然可以调节各个实验通道的实验参数，体现了该软件的灵活性和方便性。

如果想暂停一下波形观察与记录，如正在配置新药，为了减少记录的无效数据占据磁盘空间，可以暂停实验，只需从工具条上选择“暂停”命令按钮即可。

当完成本次实验后，可以选择工具条上的“停止”按钮。此时，软件将提示为本次实验得到的记录数据文件取一个名字以便于保存和以后使用，然后结束本次实验。此后，可以利用工具条上的“打开”按钮重新打开这个文件进行分析（图1-2-25）。

从“文件”菜单中选择“退出”命令或者单击窗口左上角的“关闭”命令可以退出该软件。

3. 刺激器的使用 首先使用软件右端底部的“分时复用区切换”按钮（图1-2-26）选择刺激参数调节区（图1-2-27），然后按照要求选择刺激参数并发出刺激即可。

刺激参数区由上至下分为3个部分：基本信息、程控信息、波形编辑。选择相应参数对刺激器进行设置，然后按下“启动刺激按钮”发出刺激。

4.数据分析与测量 选择“数据处理”菜单，会弹出数据处理和测量的命令（图1-2-28）。

5. 其他功能 BL-420生物信号采集与处理软件功能强大，还有很多其他功能帮助用户更好地使用系统，如实验报告的打印、即时帮助系统、与其他系统（Excel、Word等）的数据交换、自定义实验模块等。

另外，BL-420F系统的专用数据分析也非常专业。例如，动态心率的准确分析、心功能参数测量、血流动力学分析、血压分析、无创血压分析及PS分析等。图1-2-29示各种专业测量工具。