生理訊號降噪優化

FEB 26 ,2021

前言

研究學者們都知道高品質數據的重要性。它是您要消除的第一個變因，讓您可以專注於解釋實驗結果，而不必擔心有雜訊的干擾。儘管研究實驗的最佳配置似乎有些麻煩，但卻值得您這麼做!!!了解實驗時訊號是否需要做調節，比起試著從一堆雜訊中分離有效訊號來的方便許多。在這裡，我們將討論如何優化採樣率、放大倍率、濾波和平滑設置以獲得波形訊號的最佳數據品質。

我們將重點介紹通過數據紀錄主機（DAQ）記錄的生物訊號。在這種情況下，您將使用換能器來收集類比訊號，該類比訊號再由DAQ單元轉換為數位訊號。

分析軟體會定期對所得的數位訊號進行採樣（或記錄），然後在電腦上存儲和顯示數據。

採樣率

軟體按照固定規則“詢問” DAQ主機訊號電壓的時間間隔就是採樣率。例如，如果採樣率為10 Hz，則您的軟體將每秒記錄10次數據值。每個採樣點都由您的分析軟體記錄，並有助於生成曲線。如您所見，點與點之間的距離會影響曲線在連接時的表示方式。

如果採樣率太低：

訊息將丟失。
原始訊號將無法正確顯示。

如果採樣率太高：

訊號可能包含過多的雜訊或偽影。
例如，如果測量EGG，則正常頻率為3 Hz，但如果以10000 Hz採樣，則會被例如腹部肌肉活動之類的訊號污染。
過多的數據會增加電腦處理時間或佔據儲存空間。

兩個規則幫助您設定採樣率

1.奈奎斯特頻率

數位採樣可以準確記錄類比訊號的最小速率稱為奈奎斯特頻率，是最高預期訊號頻率的兩倍。

奈奎斯特頻率= 2 x最高預期頻率

例如，您正在紀錄人類ECG，其最高預期頻率可以高達50 Hz，因此最小採樣率應為100 Hz。若要增加所記錄的細節或曲線的平滑度，可以提高到200甚至400 Hz。

2.魔術數20

通常，採樣可為您的波形訊號的峰值提供約20個數據點，這將為您提供具有足夠細節的平滑曲線。線上會議將向您展示如何將波形轉化為一系列單獨的點以便檢查

放大倍率

放大倍率也稱為範圍，您的紀錄主機將在其間尋找訊號並直接影響解析度的選擇。換而言之，當您減小範圍採集訊號時，您將獲得更好的訊號解析度。但是，如果您將範圍縮小得太多，則會截斷峰值和谷值，並丟失輸入訊號的重要細節。

什麼是解析度？記錄訊號的解析度是指y軸數據點的數量，或用於創建該訊號的數位數據點的密度。從實際角度考慮解析度通常會更容易。在此案例中，我們使用16位解析度來顯示放大倍率如何影響曲線的最終解析率。

在任何放大倍率設置下16位解析度將y軸均分為2乘以16個段的冪（約64,000）。放大倍率設置為10 V時，總範圍為20 V（從+10到-10）。這使您的解析度為20/64000 = 312.5 uV。這意味著y軸的每個段高312.5 uV。如果訊號非常小（例如1mV）並且範圍設太廣，這可能造成問題，從而使曲線看起來像是塊狀和像素化的。如果將範圍縮小到1 V，則分辨率變為31.25 uV。隨著片段的變小，數據點可以更靠近在一起，並且可以蒐集到更多細節。

濾波器

最後，我們將討論濾波器在獲取高品質數據中的功能。濾波器主要分為兩個類別。類比或硬體濾波器會在數位化之前過濾連續的傳入訊號。在將數據轉換為數位訊號並以原始格式存儲之後，數位或軟體濾波器才會過濾數據。

硬體濾波器：

如果您已經知道需要從訊號中去除已知的頻率噪音，則可能會很有用。使用類比濾波器，您可以在生物放大器放大雜訊之前消除雜訊，因此最終可獲得更好的訊噪比。
會更改原始數據，在紀錄完成後無法更改它們。由於無法從數據中刪除濾波器，因此如果濾波器設置不正確，則需要再次記錄數據。

軟體濾波器：

應用於原始數據，而不更改它。它們可以即時使用，也可以在記錄完成後使用，並且可以在任何階段進行操作，而無需再次記錄數據。
不受類比濾波器的實際限制。

您在分析軟體中看到的最常見的濾波器是低通和高通濾波器。

低通濾波器能在記錄低頻訊號的同時消除高頻訊號。如果您的訊號有雜訊並且想要使其平滑，很有用。

高通濾波器僅允許高頻訊號通過，而消除了低頻。如果您的訊號基線有漂移，並且您只需要關注較高的頻率，很有用。

硬體濾波器

一些DAQ主機帶有電源濾波器，可以將採樣數據與已知的電源雜訊模板進行比較，例如，來自實驗室周圍設備的干擾，例如冰箱或日光燈。然後，濾波器從記錄的數據中減去電線雜訊，使您的數據完整無損，並且不受干擾頻率的影響。

軟體濾波器

陷波濾波器可以設置為從數據中刪除一個特定的頻率。例如，如果您的離心機會產生80 Hz的噪音，則可以將濾波器設置為去除該頻帶。

帶通濾波器會刪除您選擇的頻段以外的所有頻率。例如，如果要從EEG中的β波中分離出Alpha活性，可以將帶通濾波器設置為8-12 Hz。

帶阻濾波器與帶通濾波器相反，它會刪除選定的頻率範圍。

結論

如此處所示，要優化數據品質需要考慮的四個主要因素是採樣率，範圍和濾波。可以應用每種方法來使您的數據更清晰，通過適當使用它們可以提供良好的解析度，減少訊號中的噪音並讓您有信心專注於數據分析。有關更多訊息，您可以觀看整個線上會議，並在LabChart分析軟體中查看有關建立和更改採樣率，範圍和濾波器設訂的詳細說明。