浅谈实验动物生理信号的采集与处理

2014-02-01王姝

中国科技信息 2014年9期

王姝

中国农业大学，北京

随着科学技术水平的不断发展与进步，许多发达国家已经将研究重点放在了医药、生物领域，而要想在这方面取得进展就需要实验动物作为研究对象，这样才能为人类健康与生命科学的进步作出重大贡献。

实验动物是医药学研究的先锋。人类在发展中通过了解自我、认识自我、理解疾病机理、战胜病状、改善环境等方式来提高健康水平，这种方式是以实践为基础，以实验动物为指导的研究工作。可以这么说，实验动物可谓是人类疾病的首先承受者，是药物的试验者，是生命科学研究工作开展的主要目标，是人类生活质量提升的阶梯。在实际生活中，人们经常会得病，可是要想使病情得到正确的诊断与及时的治疗就需要先进的医学水平。可是导致人生病的因素有很多，每个病人的情况也存在众多差异，这时就需要动物进行实验，并从中找到最有效的治疗方法。且在生物医学发展的过程中也需要不断地创新，新技术与新药物的引进是必须的，所以要依靠实验动物进行研究，通过生物信号的采集与分析来了解各种副作用与不良反应。

1 实验动物生理信号的采集与检测原理

实验动物生理信号主要包括血压检测信号、温度测量信号以及心电信号搜集，由于每种信号都存在不同的特点，所以在采集的过程中也存在一定差异，具体内容为：

1.1 血压检测信号采集与检测原理

血液是维持生命体征的基础，一旦出现异常就会严重影响到身体健康，所以血压检测信号的采集是非常重要的。只有血压正常才能保证血液的正常循环，无论是过高或过低都会产生严重后果，一旦消失也就意味着生命的终结。在进行医学研究的过程中，为了能够找到调节血压的各种因素，就会采集实验动物的生理信号进行分析。

检测原理表现为血压传感器在应用中主要是以硅压敏电阻传感器为主，这种传感器是压力传感器中常见形态，采用了无毒塑料作为设备外壳，这样一旦溶液中产生气泡，我们可以迅速的观察到其中的发生的变化，通过将血液从导管端部冲掉的方式来减少血凝的出现，从而达到提高检验质量的目的。在检验之中，需要从安全隔离需求入手，将硅片和溶液严格控制，避免两者接触，通过采用弹性硅片来和溶液接触，这样避免了两者接触所产生的异变。

1.2 温度测量采集及其原理

体温是人体新陈代谢状况的重要反应现象，一旦出现异常则代表人体机能不能正常进行功能活动，所以说在实验动物生理信号中，温度测量至关重要，同时还需要确保采样工作的合理性。身体内部温度的测量与采集是非常重要的，其工作又被称为体核温度，主要反应的是头部或者是躯干的情况，在对动物进行试验时一般要从直肠开始进行测量。

检测原理主要是在检测中采用热敏电阻作为传感器，通过电阻大小来断定传感器工作效率。在工作中，通常都传感器直翻在导管的顶部，然后测量器官温度，并且探索导管尺寸和温度之间的关系，这种检测工作是一种动态工作，是根据实验动物自身特点来选择适宜的温度，从而保证检测质量。

1.3 心电信号采集检测与其原理

心脏是人体最重要的器官之一，一旦停止跳动也就意味着生命的结束，而心电则是用来反映心脏跳动情况的，通过对心电参数的分析不仅可以清晰地了解到心脏的健康状况，还可以观察到药物以及治疗方法对心脏所造成的影响，是重要的临床诊断方法。

临床ECG的测量有三种基本的方法：标准临床ECG（12导联）、VCG（3向量导联）和监护ECG（1或2导联）。本文采用12导联法。根据电极在实验动物体表面放置位置的不同，可组成各种导联，各种导联的心电图波形各有特点。目前均采用国际上通用的导联，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ标准导联、加压单极肢体导联和单极胸导联。

2 ECG信号采集的处理

在对ECG信号进行采集的过程中经常会遇到各种噪声的干扰，导致心电信号模糊不清，无法进行准确的分析与处理。而常见的干扰信号有基线漂移、肌电、工频等，这就需要采取相应措施进行处理，从而保证ECG信号采集工作的顺利进行，具体内容为：

2.1 解决基线漂移造成的干扰

心电信号的采集很容易受到外界因素的影响，基线漂移是干扰信号中最常见的一种，主要是由于呼吸和电极不稳定原因造成的，其频率较低，一般在0.5Hz以下，属于低频干扰。而要想解决基线漂移给心电信号采集所造成的影响，就要运用科学、合理的方法找到出现这种状况的原因，并针对原因采取相应措施。

2.2 去除肌电干扰

低通滤波器虽然能够对混杂在ECG信号中的高频干扰信号起到有效抑制作用，但却不能去除，仍然会有残留信号影响到动物生理信号的采集结果，具体表现在以下两方面：第一、幅频特性很差，不仅存在众多旁瓣，而且主瓣的峰值比第一峰瓣高13dB左右，所以不能对高频干扰起到良好的抑制作用；第二、虽然滤波器的相频特性在通带内保持线性，但进入阻带后有幅度为π的跳变，有可能造成心电信号的高频相位失真。

2.3 抑制工频干扰

交流电源造成的工频干扰大概是50Hz，这种噪声对信号的影响是非常大的，严重降低了分析结果的准确性。所以，要想提高结果的准确性就要运用科学、有效的方法抑制工频所造成的干扰，经过多年的研究认为数字滤波器是一种非常有效的抑制工频干扰方法，而滤波器的设计则是决定心电信号是否清晰、准确的关键。其中自适应滤波法则是非常有用的一种抑制工频干扰方法，经常被运用于生物医学信号处理中，也就造成了自适应滤波器的出现，其特点主要有：自适应滤波器可以自动地调节其自身的参数，而在设计时，只需要很少的、或根本不需要任何关于信号和噪声的先验知识。