数据质量要点:在生理信号采集和分析中如何获取最优质量的数据

信号噪音让你头疼? 正在寻找提高数据质量的方法?
ADInstruments 中国技术支持经理田辉宇分享了最佳实践,技术考量并提供专家建议,以避免数字数据采集和分析中的常见错误,从而获取更高质量的研究成果。
 
 

 

数据采集基础

优化数据采集(DAQ)设置以符合您想要的信号是您可以采取的首要措施之一。下图给出了 DAQ 过程的简化说明。首先必须通过 PowerLab 数据采集系统将原始的生物信号从连续模拟信号转换为数字信号。为了实现这一转变,PowerLab 必须完成以下三点:放大,滤波和采样。
 
 
放大,也称为量程或分辨率,是取出传感器中存在的小信号并使其变大的动作,以便 DAQ 系统更容易记录它们。
 
采样,是指每次从连续信号中抽取样本,以生成具有代表性的数字信号。为特定生物信号选择合适的采样速率非常重要。如果采速率过低,您将丢失数据信息,并且导致信号波形失真。或者,如果采样速率过高,则存在信号获取中过多噪声和伪影的风险。
 
原始真实的模拟信号 采样速率过低 采样速率过高

 

滤波,从想要的信号中去除任何不需要的信号。这可以在放大步骤之前或之后进行。大多数滤波器分为几类:低通或高通滤波,或是两者的各种组合。下面我们有一个信号(红色)的例子,它包括低频信号(慢幅和大幅)和高频信号(快幅和小幅)。

 

原始波形

 

使用低通滤波器将允许低频波形通过(蓝色),而高通滤波器将允许高频波形通过(绿色)。

 

低通滤波 高通滤波

 

更多信息:优化量程,采样和过滤设置

 


 

噪音处理

客户提出的一个常见问题是如何在DAQ期间减少噪音的影响。噪音“污染”可以来自任何地方 - 无论是您准备中使用的设备还是在隔壁房间进行实验的朋友。识别噪声源可能需要一些检测技能,但是花时间寻找和消除潜在的噪声源非常重要,因为它们可能对您的数据极为不利。以下是处理噪音的重要提示:

 

减少线缆/杂物
减少噪音的最简单方法之一是清理你准备工作周围的区域。通过减少紧邻区域的杂物和电源线数量,确保周围干净整洁。
 
Messy Cabling. Credit: Andy MeltonCC BY-SA 2.0.
 

法拉第笼

法拉第笼通常用于电生理学应用,以减少仪器周围的噪音。通过将网状金属笼接地,可以保护其免受周围电磁干扰。

 

将仪器接地(但要避免产生回路)

与法拉第笼类似,接地柱或接地棒可用于仪器接地并降低噪音。高效或明智地使用接地线非常重要,以避免产生任何接地回路 - 因为这些会像一个大天线,给您带来相反的效果!

 

PowerLab 上的接地口

 

专用探头进行前置放大

增加一个探头可以让您放大信号,使其更接近您的准备工作,减少在放大信号之前必须将噪声引入信号的时间或距离。

 

屏蔽线缆/绝缘线缆

通过保护内部电线免受任何干扰,屏蔽就像法拉第笼一样。 另一种选择是使用网状套管隔离电缆,以减少准备工作中的噪音。

 

Shielded cable. Credit:Tkgd2007. CC BY 3.0.

 

滤波器

添加硬件或数字过滤波器也可以是缓解持久性噪声的有效方法。 需要注意的一点是,在开始记录数据之前必须正确设置硬件滤波器,因为它们在DAQ之后无法删除。

另一方面,数字滤波器是可编辑的,可以随时启用,但效果可能较差。 有关硬件和数字滤波器的更多信息,请参阅我们的数据采集基础指南

 

平滑

平滑具有与滤波类似的作用,当很难通过频率分辨出信号和噪声之间的区别时,或有断断续续的“伪迹”时,使用平滑最合适。

 


 

数据规范、排除伪迹、重复和自动化分析

 

在本节中,我们将介绍如何为数据规范、排除伪迹、重复和自动化分析做好准备。大部分提示和标记都归结为准备和创建一套规则/指南,以确保您的实验一致且可重复。

 

使用注释和计算进行排除伪迹和数据规范

我们的数据分析软件 LabChart 允许您在 DAQ 期间和之后为数据添加注释。对您的注释和注释进行自由处理可以是一种有效的方法来限定数据,并确定应保留哪些数据以及应拒绝哪些数据。在实验过程中添加注释将使您可以轻松地导航数据,并在任何时间地方精确了解发生的情况。

田辉宇使用了一个例子,通过使用收缩压,平均动脉压和心率变化来在 LabChart 内创建健康检查,以测量手术后动物的健康状况。这提供了一种可靠的方法来确定动物是否足够健康以继续进行实验。在研究中,您的数据必须是可重复的,以便您从中得出结论。通过在规则建立期间的关键步骤创建检查点,您可以密切关注实验的进展情况以及结果是“真实的”还是有效的。

 

LabChart 允许您为特定数据添加注释和计算

 

识别并删除信号中的伪影可能会让任何研究人员感到头疼。幸运的是,LabChart 可以为您提供一些低级或高级软件工具来自动化伪影抑制。请务必查看上面视频中的田辉宇演示,了解一些简单但有效的方法来从数据中删除伪影。有关伪影排除的更详细示例,请查看我们的 LabChart Mastery 视频,了解如何从 EMG 数据中删除 ECG 伪影。

 


 

重要信息

 

回到基础 - 确保您的基本数据采集设置(如量程,采样速率和您可能正在使用的任何滤波器)针对您想要的信号进行了优化。

 

根据您自己的规则进行实验 - 在进行实验之前制定一套规则,这样您就可以对数据的有效性有信心,并且可以为您在轨道上进行的任何其他实验提供框架。

 

一致性是关键 - 在所有实验中应用这些规则/指南,这样您就可以准确,自信地比较多个实验中的数据!

 

 

 

 

更多信息,请访问:Essentials of Data Quality: Maximizing Data Quality in Life Science Data Acquisition and Analysis​​​​​​​


Looking for a platform to integrate all your recording devices? Get a LabChart 8 demo today!

LabChart data analysis software creates a platform for all of your recording devices to work together, allowing you to acquire biological signals from multiple sources simultaneously and apply advanced calculations and plots as your experiment unfolds. With a wide range of features and extensions and specialized research modules, LabChart 8 is trusted by scientists worldwide.
More about LabChart 8 »
Try the latest LabChart iteration - LabChart Lightning! »