物醫學檢測技術與儀器重51、山氣日夕佳，飛鳥相與還。52、木欣欣以向榮，泉涓涓而始流。53、富貴非吾愿，帝鄉不可期。54、雄發指危冠，猛氣沖長纓。55、土地平曠，屋舍儼然，有良田美池桑竹之屬，阡陌交通，雞犬相聞。物醫學檢測技術與儀器重物醫學檢測技術與儀器重51、山氣日夕佳，飛鳥相與還。52、木欣欣以向榮，泉涓涓而始流。53、富貴非吾愿，帝鄉不可期。54、雄發指危冠，猛氣沖長纓。55、土地平曠，屋舍儼然，有良田美池桑竹之屬，阡陌交通，雞犬相聞。天津大學精密儀器與光電子工程學院天津市生物醫學檢測技術與儀器重點實驗室2008.9李剛與過采樣技術軟件定義儀器有人告訴您：有一臺儀器是真正萬能的，可以測量心電、腦電、肌電、血壓、血氧……他還告訴您：即使您不懂任何儀器的設計和原理，但您可以像打開電視選臺遙控器一樣把手中的儀器變為任何您想要的儀器……序言？！？！物醫學檢測技術與儀器重51、山氣日夕佳，飛鳥相與還。物醫學檢1物醫學檢測技術與儀器重課件2物醫學檢測技術與儀器重課件3物醫學檢測技術與儀器重課件4物醫學檢測技術與儀器重課件5電子診斷儀器的基本原理以心電圖為例換一個思路：如果我們采用24位的ADC，其輸入范圍仍然是5V，且不加任何放大器，信號的分辨率＝5V/224＝0.3V推理：只要ADC的精度足夠高，可以不要“放大器”，依然可以測量到所需的信號。帶來不可比擬的優點：電路簡單！成本低！免調試！抗干擾能力強！功耗低！……電子診斷儀器的基本原理以心電圖為例換一個思路：如果我們采用26電子診斷儀器的基本原理量變到質變！！只要ADC的精度足夠高，可以測量任何信號！只需更換傳感器。只要ADC的精度足夠高，可以采用數字信號處理來替代模擬信號處理。只要有足夠大的程序存儲器，可以在儀器中駐留任何可能用到的程序－－用戶只要選擇所需的程序（儀器功能）即可電子診斷儀器的基本原理量變到質變！！只要ADC的精度足夠高，7百變金剛的電子診斷儀器用戶選擇所需的儀器功能－－軟件定義儀器？！肯定有人會問：ADC有這么高的分辨率嗎？現在ADI、TI、Silicon等公司有很多款高分辨率（24位）的型ADC？！也肯定有人會問：高分辨率的型ADC的速度夠嗎？－－這是下面我們要回答的問題百變金剛的電子診斷儀器用戶選擇所需的儀器功能－－軟件定義儀器8軟件定義儀器前面我們介紹了實現軟件定義儀器的兩個基本條件：（1）用ADC的分辨率換取放大器的放大倍數（2）大容量的存儲器為回答ADC的速度問題，下面向大家匯報在“過采樣”方面的研究進展軟件定義儀器前面我們介紹了實現軟件定義儀器的兩個基本條件：（9過采樣

型ADC過采樣有很多成熟的產品，價格便宜，速度較低N

型ADC利用普通的中等分辨率、中、高速度ADC實現過采樣型ADC過采樣有很多成熟的產品，N型ADC10過采樣：N

型ADC中等分辨率ADC的速度從幾百kHz～幾百MHz而一般的生理信號多在數百Hz以下－－存在利用“過采樣技術”提高分辨率（精度）的可能性！

過采樣：N型ADC中等分辨率ADC的速度從幾百kHz11過采樣：N

型ADC我們把信號分成幾種理想的情況：單頻交流信號純凈直流信號直流＋合適幅值的白噪聲過采樣：N型ADC我們把信號分成幾種理想的情況：單頻12過采樣：N

型ADC單頻交流信號總量化噪聲功率σ2=(LSBvalue)/12PSDnoise

=[(LSBvalue)2/12](1/fs)=(LSBvalue)2/12fs

功率頻譜密度

過采樣：N型ADC單頻交流信號總量化噪聲功率PSDn13過采樣：N

型ADC單頻交流信號N位ADC的信噪比為：SNRQ=6.02N+4.77+20log10(LF)（dB） 輸入的滿量程單音正弦波時：SNRQ-max=6.02N+4.77－3=6.02N+1.77（dB） 過采樣：N型ADC單頻交流信號N位ADC的信噪比為：14過采樣：N

型ADC單頻交流信號通過過采樣得到改進的信號與量化噪聲比為（以dB為單位）SNRQ-gain=10log10(fs,new/fs,old)令M=fs,new/fs,old=4K當K＝1時，SNRQ-gain=6.02（dB）對比N位ADC的信噪比為：SNRQ=6.02N+1.77（dB）說明每過4倍的采樣率，可以得到1位的分辨率（精度）。過采樣：N型ADC單頻交流信號通過過采樣得到改進的信15過采樣：N

型ADC單頻交流信號考慮過采樣得到的“精度增益”后N位ADC的分別率：SNRQ=6.02N+1.77+10log10M

（dB）=6.02N+4.77＋6.02K（dB） 過采樣：N型ADC單頻交流信號考慮過采樣得到的“精度16過采樣：N

型ADC我們用12位，200kSPS的ADC采樣心電信號，并利用過采樣技術，相當于17位、200SPS的ADC采樣。這時只需要放大器的增益為20倍。過采樣：N型ADC我們用12位，200kSPS的17過采樣：N

型ADC直流信號＋白噪聲對直流信號疊加合適幅值白噪聲，4K次疊加的均方差為：

因此，信噪比提高了

SNR=20log10(2k)=6.02k與前面單頻正弦波得到了類似的效果

過采樣：N型ADC直流信號＋白噪聲對直流信號疊加合適18過采樣：N

型ADC“純凈”的直流信號信噪比的提高＝精度的提高＝有效分辨率的提高

？有一個純凈的直流信號，假定它為相當于2.4LSB的電平，請問：“過采樣”如何能夠提高分別率？如何能夠提高精度？

這時：“過采樣”如何能夠提高分別率？！如何能夠提高精度？！也即如何用ADC得到準確2.4LSB的“數字”？！過采樣：N型ADC“純凈”的直流信號信噪比的提高＝精19過采樣：N

型ADC“純凈”的直流信號此時，我們可以先回答先前一個隱含的問題：有益的噪聲是什么？為什么有益？

在過采樣中：有益的噪聲是白噪聲，一定幅值的它是實現過采樣效益的條件。

平時避之莫及卻又回避無門的白噪聲（熱噪聲）這時成了趨之若鶩的寶貝！

因而，在過采樣中“有人”加入“高頻擾動”－－偽隨機噪聲。

過采樣：N型ADC“純凈”的直流信號此時，我們可以先20過采樣：N

型ADC成型信號且慢！ADC前端必定有什么電路？

抗混疊濾波器和采樣保持電路

有“抗混疊濾波器和采樣保持電路”，高頻擾動如何能夠加入到ADC中？

過采樣：N型ADC成型信號且慢！ADC前端必定有什么21過采樣：N

型ADC成型信號成型信號成為一個載波信號或運載工具：將ADC不能“分辯”的直流變成可以分辨的信號，然后再從ADC的變換結果中除去成型信號。

過采樣：N型ADC成型信號成型信號成為一個載波信號或22過采樣：N

型ADC成型信號成型信號帶來的“附加值”：

降低ADC的微分非線性

過采樣：N型ADC成型信號成型信號帶來的“附加值”：23過采樣：N

型ADC已發表論文林凌，張麗君，李剛，軟件定義儀器，電子產品世界，2007年11月，54-60.李剛，張麗君，林凌，一種新型數字鎖相放大器的設計及其優化算法，天津大學學報，2008年4月，Vol.41（4）：429-432。（EI：082111272966）李剛，張麗君，林凌，何峰，結合過采樣技術和鋸齒波成形函數的微弱信號檢測，電子學報，2008年4月，Vol.36（4）：756-759。（EI：082411312847）李剛，張麗君，林凌，何峰，基于過采樣技術的生物電信號檢測，電子學報，2008年7月，Vol.36（）：1465-1467。（EI檢索源）

過采樣：N型ADC已發表論文林凌，張麗君，李剛，軟件24限于時間關系，有興趣的同志可以在下面討論下面簡要介紹我們實驗室正在進行的其他研究限于時間關系，有興趣的同志可以在下面討論下面簡要介紹我們實驗25其他研究簡介－－經絡機理的研究經絡是一種具有特殊電特性細胞組成的信號傳導組織（1）經絡能夠傳到信息；（2）經絡具有低阻抗特性；（3）經絡至今沒有發現任何解剖學上的結構由（1）和（2）證明：經絡是客觀存在的。由（3）推論：經絡不是“管道”結構，不能像血管、淋巴那樣通過“管道”傳輸物質從而達到傳遞信息的功能。其他研究簡介－－經絡機理的研究經絡是一種具有特殊電特性細胞組26其他研究簡介－－經絡機理的研究“電”是生物體內信號傳輸的重要方式，也是生命存在的基本特征。“電”信號傳輸又分為三種方式：一種是像神經細胞一樣的信號在單個細胞內傳輸，另一種是像心肌細胞一樣在同種細胞間傳遞，再一種是不同細胞間的信息傳遞。前兩種符合“全或無”的定律，信號在“特定的渠道和方向上”傳遞。而后一種情況雖然也符合“全或無”的定律，但除非信號足夠強而能夠轉變到前兩種方式得以繼續傳播（如感受器接收到其他組織的信號后經神經組織向大腦）外，其他“電”信號均以電場形式在體內傳播并快速衰減。而純化學物質的信息傳遞有長距離作用主要靠經管傳輸、速度慢等特點。而經絡傳遞信息的速度介于純化學物質的信息傳遞與神經電的信息傳遞之間。其他研究簡介－－經絡機理的研究“電”是生物體內信號傳輸的重要27其他研究簡介－－經絡機理的研究由（2）可以推論：“經絡細胞”（我們姑且這樣稱呼經絡上的細胞）一定具有與“非經絡細胞”（我們姑且這樣稱呼經絡周邊的細胞）不同的“電特性”，目前解剖學上沒有能夠發現“經絡細胞”與“非經絡細胞”的區別在于對這兩種細胞在細胞及亞細胞層次上缺乏充分的研究。就如同兩個人的長相可能相似，但在某個方面的能力可能相差甚遠一樣，也可以用化學上的“同分異構”和“同構異分”的原理來說明：“同構”和“同分”是指“經絡細胞”與“非經絡細胞”的外形（目前所能夠觀察到的）和構成元素或基本成份（氫、氧、碳、氮、氨基酸、線粒體……）基本相同，“異分”和“異構”是指“經絡細胞”與“非經絡細胞”內的功能團等的構成和機理是有區別的，內部的微結構與功能，如細胞的興奮性、離子通道可能不同，特別是相鄰細胞之間離子通道的對應關系可能不同。其他研究簡介－－經絡機理的研究由（2）可以推論：“經絡細胞”28其他研究簡介－－經絡機理的研究其他研究簡介－－經絡機理的研究29其他研究簡介－－無創檢測血液成份原理出射光強Imin動脈血液非脈動部分Imax脈動血液靜脈血液其他組織

入射光組織厚度時刻t出射光時刻tImax=IiIminIiIi（Thicknessofthetissues）（Time）（Transmittedlightintensity）（Time）其他研究簡介－－無創檢測血液成份原理出射光強Imin動脈血液30其他研究簡介－－無創檢測血液成份優勢消除了大部分個體差異與測量條件的影響困難需要高速度，喪失了光譜測量中利用長時間積分或多次疊加來提高精度的優勢措施傅立葉變換提取信號－－降低采樣速度、提高測量精度新型高速光譜儀其他研究簡介－－無創檢測血液成份優勢消除了大部分個體差異與測31其他研究簡介－－腦起搏器（DBS）腦深部刺激術是目前臨床上療效最好的治療帕金森病的方法，但世界上僅有美國美敦力公司生產腦深部刺激器（DBS，DeepBrainStimulator），單只價格高達8萬元人民幣，而且電池使用時間短，需頻繁更換等缺點。國內很少患者能夠用得起，我們研發兩種具有完全自主知識產權DBS：可充電式和外置式DBS。可完全改善帕金森病患者的生活質量，大幅度降低使用成本并產生巨大的經濟效益和社會效益。其他研究簡介－－腦起搏器（DBS）32參考網頁中醫的科學探索：

sciencenet//人為峰.htm學術著作與論文：/myspace/blog/?bid=33023）單片機與嵌入式系統：ligang59..163/edit/科學研究與技術開發：

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