第三章 訊號處理
3.1 訊號處理簡介
因為細胞的電生理訊號非常微弱，在訊號傳遞的過程中，往往伴隨著很多雜訊在內，
導致訊號無法被偵測出來，因此有必要將訊號做適當地處理，以利於訊號偵測。圖 3.1.1 是描述一般在進行細胞電生理紀錄時，訊號處理的流程圖。當訊號由微電極陣列系統
（MEA）接收之後，會先將訊號放大，再進行濾波的動作；而不是先濾波再放大，這是 因為先濾波的動作，容易將微小的訊號當作雜訊而被濾除，進而造成訊號流失。而放大 的部分，會採取兩階段放大，而不是一次就將訊號放大到所需要的等級，若是採單一階 段放大，那麼因為放大器的放大倍率是由所連接的電阻來決定的，當電阻愈大，能夠放 大的倍率愈大；但必須要注意的是，連接的電阻愈大，產生的 thermal noise 愈嚴重；因 此再放大的這一個步驟，會採兩階段放大，來達到需要的放大的倍率，以避免訊號失真。
圖 3.1.1、一般訊號處理之流程圖
訊號經過放大之後，接著送進濾波器做處理。因為細胞的電生理訊號是由某一特定 頻寬的頻率所組成的，因此會將訊號交由帶通濾波器（Band-pass filter）來處理；首先 將訊號送進高通濾波器（High-pass filter, HPF）將低頻的雜訊濾除，只允許高頻的訊號
（高於此 HPF 截止頻率（cut-off frequency）的訊號）通過；接著訊號流經低通濾波器
（Low-pass filter, LPF），作用恰與 HPF 相反，它只允許低頻的訊號（低於此 LPF 截止 頻率的訊號）通過；如此便可讓特定頻寬的訊號通過，得到細胞的電生理訊號。
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利用上述的概念，將微電極陣列系統（MEA）接收的訊號，利用鎖相放大器（Lock-in amplifier）進行放大和濾波後，在經由 DAQ 擷取訊號並送入 PC 端紀錄；圖 3.1.3 即為 本篇論文中的訊號處理之流程示意圖。使用鎖相放大器的原因和其量測原理，將在後面 的章節一併說明。
圖 3.1.2、訊號處理之流程示意圖
為了檢測圖 3.1.2 的訊號處理方式是否可以正常運作，在本篇論文中利用 LabVIEW 軟體模擬心肌細胞的跨膜電位（如圖 3.1.3）來進行檢測工作；圖 3.1.3 所示為一個典型 的心肌細胞跨膜電位。圖 3.1.4 是利用 LabVIEW 撰寫心肌細胞跨膜電位的程式碼，首先 將跨膜電位的波形輸出寫成 subVI，並建立輸入模擬訊號的路徑，如圖中虛線框部分；
接著利用適當的圖形化語言設定模擬訊號的輸出通道（ao0）與輸出方式（Continuous Samples）即可。
圖 3.1.3、LabVIEW 模擬心肌細胞跨膜電位之輸出波形
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圖 3.1.4、LabVIEW 撰寫心肌細胞跨膜電位之程式碼
將模擬的跨膜電位，通過微電極陣列系統送進鎖相放大器進行訊號處理，並紀錄之。
而根據公式（3.2.2），待測訊號（Vsig） 基本上是不變的，在此假設為定值，而 Vpsd 和
V
L之間有正相關；也就是說，當增加參考訊號（VL）的振幅大小，經由鎖相放大器運算 後，能夠得到比較清晰的訊號。圖 3.1.5（a）-（c）表示給不同參考訊號（VL）時，鎖 相放大器所得到的電壓輸出。當待測訊號（Vsig）固定時，改變參考訊號的大小分別為 1 Vpp、2 Vpp和 3 Vpp，實驗結果分別依序如圖 3.1.5 （a）-（c）；圖中黑色線表示由 DAQ 記錄到的初始波形，將此波形進一步平滑化後，以紅色線示於圖中；當參考訊號逐漸變 大，輸出訊號不但有變大的趨勢，且解析出來的波形和原始的輸入訊號也較接近，訊雜 比（SNR）較佳。23
圖 3.1.5、VL越大，輸出訊號越清晰