生物医学测量仪器的指标

仪器的指标是衡量仪器性能的基本标准，是使用者选择仪器的主要依据。由于仪器所测量的人体参数本质上属于物理量或化学量，故生物医学测量仪器的指标与普通测量仪器的指标含义相同。但是，生物医学测量的对象是人，而不是物，因此，仪器指标的数据范围及各种指标在评价仪器性能上的意义，又往往有显著特点。较重要和常见的生物医学测量仪器指标有精密度、准确度、灵敏度、非线性度、滞环误差、稳定性、频率特性、分辨力及输入输出阻抗等。
精密度 简称精度，用相同条件下重复测量结果间的最大偏差与仪器满量程之比表示×100%，其中Ai、Aj分别为任意两次测量的结果，H为仪器最大测量范围（满量程）。精密度可以反映仪器随机误差的大小和测量的重复性的好坏，其数值越小，精密度越高。为保证测量的重复性，往往对仪器的精密度要求较高。
准确度 它用实测值同真值（即理想值）间最大偏差与仪器满量程之比表示，即：

其中△Amax为实测值与真值间的最大偏差。准确度反映仪器系统误差的大小和测量结果与实际被测量接近的程度，其数值愈小，准确度愈高。在生物医学测量中，由于被测生物量的正常值范围一般较大，故对仪器的准确度要求较低。
非线性度 用实测值同相应输入量成正比例关系的理
想值间最大偏差与满量程之比表示，×100%，其中△ALma_x为全量程内的实测值与相应理想值间最大偏差，如图1所示。

图1 仪器非线性度示意图

非线性度反映仪器的输出量与输入量的实际关系偏离线性比例的程度，其数值愈小，线性愈好。在实际测量中，为数据计算的方便，总希望仪器的输出量与输入量间成线性比例关系，即选用非线性度小的仪器。
为计算仪器的非线性度和对实测值进行校准，须先确定仪器输出量与输入量间的理想直线关系。一般是在对应输出满量程范围内，适当实测若干点，按一定规则由这些实测点计算或画出输出量与输入量间的理想直线。
仪器的非线性度常与测量范围有关。满足一定非线性度要求的测量范围称为仪器的线性范围。使用仪器时，应注意输入信号幅度及其直流成分大小，保证被测量处于仪器线性范围内。在使用方法正确和满足仪器线性范围要求下，若测量结果的非线性误差超过规定值则说明仪器发生故障或存在隐患。
滞环误差 表示仪器在输入量由小到大和由大到小变化的两种过程中，输出特性不一致的程度。对应两种过程的输入-输出特性曲线，分别称为“加载曲线”和“卸载曲线”，二者往往不重合，而形成滞环，如图2所示。滞环误差可表示为 其中△A_hmax为加载曲线和卸载曲线上对应同一输入量的输出量偏差最大值。滞环误差在机械式传感器和记录器系统较为显著。在实际测量中，应选用滞环误差小的仪器，并且在整个测量过程中保持输入量的大小单方向变化，以避免滞环误差的影响。
灵敏度 是指仪器在稳态下输出量变化与输入量变化

图2 仪器滞环误差示意图

之比，即S=△A0/△Ai。对于线性仪器，灵敏度S为常数，并可用满量程的输出量与相应的输入量之比计算。灵敏度是将仪器的输出量校准为输入量的依据，也是仪器测量微小信号能力的反应。生物医学测量的信号多较微弱，一般要求仪器的灵敏度较高。在实际测量中，应根据被测信号的幅度范围选择合适的灵敏度，以满足处理、显示和记录系统对输入量幅度的要求。仪器灵敏度的选择，还应与仪器的抗干扰能力综合考虑。仪器灵敏度愈高，愈有利于小信号的测量；但对干扰信号也愈敏感，仪器稳定性也愈差。
漂移 是指仪器的输出量随时间或外部环境变化而变化的程度，主要包括零点漂移、温度漂移和灵敏度温漂等指标。
(1)零点漂移：用无输入信号时和恒定环境条件下，仪器输出量在一定时间内的最大变化与满量程之比表示，其中△Azmax为指定时间内，在输入量为零情况下的输出量最大变化值。零点漂移反映仪器在无信号输入和环境温度等条件恒定时产生的随时间变化的测量误差，该误差会迭加在总的测量误差内。在仪器具有放大能力的情况下，零点漂移往往通过除以灵敏度而折算到输入端，以便在计算和评价仪器零点漂移指标时，排除系统灵敏度的因素。单方向变化的零点漂移有一定规律，往往可在测量中校正；无定向的零点漂移难于校正，在测量弱信号时，应尽量避免。
(2) 温度漂移： 用无输入信号条件下仪器输出量随环境温度的变化与满量程之比表示，即：%，其中△AT为环境温度变化△T时引起的仪器输出量的变化。温度漂移反映环境温度变化对仪器零点的影响。
(3)灵敏度温漂： 用一定环境温度变化范围内仪器灵敏度的最大相对变化量表示，即：式中△S_max为一定温度变化范围内仪器灵敏度的最大变化。灵敏度温漂反映环境温度变化对测量的影响，在一些传感器中是很重要的指标，并往往采用适当的温度补偿电路来减小温度漂移。实际测量中，应保持环境温度在灵敏度温漂的允许范围内。
频率特性 是指仪器输出量的幅度和相位与输入正弦信号频率的关系。反映在输入信号幅度恒定条件下输出幅度与输入正弦信号频率关系的曲线，称为幅频特性曲线； 反映输出量和输入正弦信号间的相角与输入信号频率关系的曲线，称为相频特性曲线，如图3所示。使仪器输出幅度随频率的变化不超过规定值(如3dB)的输入信号频率范围，称为响应频率，又称通频带，对应于幅频特性曲线的平坦段，如写作△f=0～1000Hz。
任何一复杂的生理信号波形，都可用数学方法或用频谱仪分解成一系列不同频率的正弦波成分(参见“

图3 频率特性
(a)幅频特性曲线 (b)相频特性曲线

频谱分析">信号的

图3 频率特性
(a)幅频特性曲线 (b)相频特性曲线

频谱分析”条)，其中对应于有效测量成分的频率区间常称为信号频率范围。实际测量时，应首先判定被测量信号的频率范围，依此选择仪器，使之处在仪器响应频率之内，以保证各种频率成分的输出增益相同，不产生输出幅度失真。同时，应保证在相应信号频率范围内的仪器相频特性曲线呈良好线性关系，否则会因相频特性的限制产生输出相位失真。两种失真的结果，均能造成输出波形与输入波形的差异。各种生理量的频率范围，已有一些公认数据可供设计或选择仪器频率特性时参考。
分辨力 是指仪器分辨出最小输入信息变化的能力。按被测信息性质和仪器的用途不同，仪器分辨力可分为幅度分辨力、频率分辨力、空间分辨力和时间分辨力等指标。幅度分辨力一般用仪器最小可读出其区别的输出信号幅值与满量程输出量之比表示，即R=A_min/H，其中A_min为最小可分辨的输出信号值。R数值越小，分辨力越高。频率、时间和空间分辨力往往分别用可分辨的最小的频率差、时间和距离等量表示。对于图像的测量，空间分辨力是一个重要的指标；对于一般模拟信号的测量，往往需考虑仪器的幅度分辨力和时间分辨力； 对于能谱测量，常要求一定的频率分辨力。在以特征鉴别为目的的生物医学测量中，分辨力是很重要的指标。
输入和输出阻抗 从一个测量系统或线路环节的输入端测得的系统自身的阻抗，称为输入阻抗，即Z_i＝V_i/I_i,其中V_i和I_i分别为从系统输入端测得的输入电压和输入电流。输出阻抗反映一系统对前级系统的功率要求，输入阻抗愈高，从前级系统吸收的电流愈小，愈容易与前级系统联接。从一个测量系统或线路环节的输出端测得系统自身的阻抗，称为输出阻抗，其中V₀和VH分别为系统输出端开路和接入负载阻抗ZH时的输出电压。输出阻抗反映系统输出端向后级系统提供电流的能力，输出阻抗愈低，向后级系统提供电流的能力愈强，愈容易与后级系统联接。
仪器的输入和输出阻抗直接影响测量系统的组合，进而影响测量的精密度和元件的选择。对于一般由电子线路构成的环节，通常要求其输入阻抗高些，而输出阻抗低些，以便于环节之间的联接；对于信号源的输出阻抗（即内阻）或负载阻抗变化的场合，往往要求后级最低输入阻抗高于前级最高输出阻抗的几十倍以上，以免造成测量不准。在测量仪器同电极或传感器联接及测量仪器同终端记录显示仪器联接时，尤应注意各部分间的阻抗配合。