生物醫(yī)學信號處理

1、1,1,生物醫(yī)學工程原理I,主講：唐 洪,聯(lián)系方式： 電信學部創(chuàng)新園大廈A1213 電話：84706009-3013 電子郵件：tanghong@dlut.edu.cn,2,2,什么是信號？什么是信息？,在日常生活中，信息是指“消息”，“情況”，“知識”，“情報”等等。比如：人們收到一封電報，接到一個電話。得到了“信息”。在日常生活中，“信息”是模糊的，沒有定量。例：告訴我的消息是早已知道的。消息

2、對我沒有意義，沒有帶來信息。盡管收到了信號，但信息量是零。相反，如果傳來的消息是我不知道的，出乎我的意外。那么，給我的信息量很大。在科學上，“信息”有一定的數(shù)學模式，能定量地描述。是“信息論” 的研究內(nèi)容。,單位：bit,3,3,“信號”、“信息”的區(qū)別與聯(lián)系,信號是信息的載體例：古時候烽火報信?！胺操\入境，馬步兵五十人以上，不滿五百人，放烽一炬。若余寇賊五百人以上不滿三千人放兩炬。番賊五百騎以上，不滿千騎，放烽三炬。若余寇賊三千

3、騎以上，亦放烽三炬。若番賊千人以上不知頭數(shù)，放烽四炬?！?烽火是信號，是載體；烽火的表示含義是消息（信息）。例：檢查人體的體溫。記錄體溫的觀察數(shù)據(jù)是信號，數(shù)據(jù)反映出的結(jié)果是消息（信息）。大于37度，發(fā)燒。信號處理：對信號進行處理以獲得信息,4,4,按照生物信號的性質(zhì)分類：,生物電信號心電、腦電、肌電、眼電、胃電、神經(jīng)電還有其它生物信號不是電信號，但是可以通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號.語音、心音、吞咽音、腸鳴音、牙齒叩擊音血壓、血

4、流、脈搏、呼吸、體溫指紋、掌紋、虹膜、還有步態(tài)生物磁信號心磁、腦磁等生物磁場生物化學信號各種體液中含有的電解質(zhì)和微量元素血液、尿液、唾液、各種組織液,5,5,生物醫(yī)學信號測量的特點（1）,基本屬于弱信號測量（尤其是生物電信號）反映生理變化和生化變化的信號和參量大多是微弱的要求測量系統(tǒng)的靈敏度高、分辨力強、抗干擾能力強常見生物電信號的幅度范圍心電（皮膚電極） 50μV~5mV腦電（頭皮電極） 10 ~ 30 μV

5、肌電 20 μV~10mV,6,6,生物醫(yī)學信號測量的特點（2）,生物體內(nèi)的噪聲對測量有重要影響測量某一種生理信號時，常常另一種生理信號也被記錄。第一種信號為有用信號，第二種信號就是噪聲。例在測量心電時，肌電也被記錄測量誘發(fā)腦電時，自發(fā)腦電為噪聲測量胎兒心電時，母體心電為噪聲測量心音時，呼吸音為噪聲所以，在生物醫(yī)學測量中常常要采取有效辦法來提取有用信號。硬件的方法 通

6、過電路來實現(xiàn)、前處理軟件的方法 通過后期算法來實現(xiàn)、后處理,區(qū)分信號、噪聲，關(guān)鍵看測量者對誰感興趣。,7,7,生物醫(yī)學信號測量的特點（3）,外界環(huán)境容易引入干擾外界電場、磁場的干擾50Hz工頻干擾外界聲音干擾心音外界刺激引入干擾做誘發(fā)腦電實驗時噪聲與干擾的區(qū)別干擾一般來自外界，噪聲一般來自儀器本身或傳感器,8,例：50Hz工頻干擾,9,9,生物醫(yī)學信號采集、處理系統(tǒng)的基本組成,信息獲取部分（電極、傳感器）,信息加工

7、部分（放大、數(shù)字化、存儲、處理）,信息記錄與顯示部分（示波器、記錄器）,,,10,10,生物醫(yī)學傳感器,物理傳感器利用物理性質(zhì)或物理效應研制的傳感器角度、壓力、振動、流量、溫度電壓、電流化學傳感器把人體內(nèi)的某些化學成分、濃度轉(zhuǎn)化成對應關(guān)系的電學量生物傳感器利用生物活性物質(zhì)有選擇性地識別待測物質(zhì)酶、抗體、抗原、激素,11,照片（多導生理信號采集儀）,12,心電信號采集,心電導聯(lián),共12個導聯(lián),13,心電信號,一例正常心

8、電信號,14,異常心電信號,心電信號處理：（1）R波檢測；（2）心率變異；（3）作為生物特征進行身份識別；（4）作為參考信號，協(xié)助其他醫(yī)學信號研究，如脈搏波的研究、呼吸與血流動力研究、心音信號研究,15,腦電信號采集,自發(fā)腦電、誘發(fā)腦電,16,一例腦電信號,腦電信號：（1）誘發(fā)電位研究；（2）腦機接口研究；（3）癲癇預測與識別；,17,科技新聞：人際腦電波通訊實驗首獲成功,圖左為發(fā)送信息的志愿者，圖右為接收信息的志愿者,一位位于印度特里

9、凡德瑯的志愿者借助腦電圖記錄設(shè)備將“你好（hola）”和“再見（ciao）”這兩個單詞，發(fā)給了遠在法國斯特拉斯堡的實驗人員。這兩句問候語首先被轉(zhuǎn)換成為二進制進行發(fā)送，法國方面的計算機在收到這些信號后，先對其進行解碼，然后再用電刺激將其輸入到接收者的意識當中。,18,肌電信號采集,應用,,,多自由度假肢,肌電信號：（1）肢體動作識別；（2）電刺激與康復,19,神經(jīng)電信號采集,正中神經(jīng),20,胃肌電信號采集,將四對胃起搏線圈，從胃上部到幽門

10、沿胃體大彎側(cè)放置在胃漿膜表面, 每對電極的距離是1cm, 相鄰電極對的間隔是2cm~ 5cm, 最上面那對電極大致位于胃體大彎側(cè)上1/3 處的胃電起搏區(qū), 最下端的那對電極距幽門2cm~ 4cm。通過部分埋入胃漿膜肌內(nèi)的線圈, 這些電極緊緊貼在胃漿膜上,線圈通過腹壁引出之后固定在體表的腹部。最上面那對線圈不但可以記錄胃起搏區(qū)的胃電信號, 也可以用來進行胃起搏的刺激, 其余各對線圈用來記錄胃電活動,還有體表胃電，用電極在體表采集,21,心

11、音信號采集,心音與血流動力關(guān)系研究（體循環(huán)、肺循環(huán)、心臟瓣膜）基于心音指導運動員訓練心音指導麻醉用量心音評價圍產(chǎn)期孕婦的心功能心音作為生物特征識別身份,22,血壓信號采集,間接測量血壓,柯氏音測壓測壓原理,23,血壓信號采集（續(xù)）,直接測量血壓,24,給予腎上腺素后，左心室血壓的變化趨勢,25,脈搏信號采集,壓電脈搏傳感器,光電脈搏傳感器,26,呼吸信號采集,胸廓呼吸運動,呼吸流量,27,指紋采集,28,常見傳感器（觀察）,我在

12、實驗中常用的傳感器血壓傳感器呼吸流量傳感器呼吸運動傳感器（測量胸廓起伏）心音傳感器麥克風加速度壓電脈搏傳感器壓電光電脈搏傳感器胃腸運動傳感器心電電極肌肉張力傳感器指紋采集儀,29,“頻率”的概念,簡單地說，“頻率”是信號在單位時間內(nèi)的振蕩次數(shù)，是描述振蕩快慢的物理量。,29,請指出該信號的頻率是多少？,30,哪個信號頻率高？,下圖是脈搏波的信號,脈搏波有主要頻率，還有次要頻率。脈搏波不是單頻信號。一般來說，生物

13、醫(yī)學信號都不是單頻信號。,31,31,脈搏波,心電,肌電,腦電,通過肉眼觀察，以上信號的頻率高低如何？,32,32,常見生理信號的頻率范圍,生理信號 頻率范圍（Hz） 心電 0.01 ~ 250 腦電 0 ~ 150 肌電 0 ~ 10000

14、 胃電 0.05 ~ 20 動脈血壓 0 ~ 100 脈搏波 0.1 ~ 50 心音 2 ~ 600 呼吸率 0.1 ~ 10,了解各信號頻率范圍的意義是什么？,采集信號的時候，設(shè)置采樣率,瞬時頻率,在時間t時

15、刻附近， 若單位時間趨向于無窮小，那么此時的頻率是瞬時頻率,33,非平穩(wěn)信號處理中，時頻分析方法主要用于研究信號的瞬時頻率,舉例: 在t時刻附近的0.01秒內(nèi)，相位變化了5*2*π，此時的瞬時頻率是？,可見，瞬時頻率就是，瞬時相位的變化率,34,,,,請指出該信號在紅點處的瞬時頻率是多少？,,,請指出紅點處的瞬時頻率與紫色點的瞬時頻率，誰大誰??？,35,假設(shè)一脈搏波信號，如圖所示，請求任一時刻的瞬時頻率？,步驟：1）求瞬時相位，2)求瞬

16、時相位變化率,36,循環(huán)頻率,單位時間內(nèi)，重復出現(xiàn)的次數(shù) 例： 一個信號在1秒鐘內(nèi)，重復出現(xiàn)了2次，那么它的循環(huán)頻率是2Hz,37,請問，該信號的循環(huán)頻率是多少？,具有循環(huán)頻率特征的生物醫(yī)學信號心電脈搏心音心臟血流動力,38,問題：一個信號中有兩個分量，一個分量的循環(huán)頻率是1Hz，另一個分量的循環(huán)頻率是2Hz，請問有什么辦法把這兩個分量從信號中分離出來？,39,“能量”的概念,信號的“能量”指信號幅度平方的積分,39,哪個信號

17、的能量大？,“功率”的概念,40,信號的“功率”指信號在單位時間內(nèi)的能量,哪個信號的功率大？,41,脈搏波,脈搏波在不同頻率處的功率是不同的。功率最強的頻率稱為主要頻率，其他為次要頻率。,信號在時域和頻域之間的轉(zhuǎn)換,一個信號既可以表示在時域中，也可以表示在頻率中,42,時域表示,頻域表示,余弦信號，頻率1，幅度1，相位0,兩種表達方式等價，可以互相轉(zhuǎn)換,（說明，三個參數(shù)可完全描述這個信號，壓縮）,43,該信號有兩個分量（紅色、藍色）之和

18、構(gòu)成,時域表示,頻域表示,信號的分解和合成,信號被分解成立2個分量，2個信號合成了原信號,44,時域表示,頻域表示,方波,分解,時域表示,頻域表示,45,傅里葉變換：信號在時域、頻域之間轉(zhuǎn)換,46,傅里葉變換：把信號轉(zhuǎn)換到頻域，稱為傅里葉分析（或譜分析）,從分析中可知：信號中各分量的大小，找出主要分量,47,“功率譜”的概念,簡單地說，“功率譜”是信號功率隨頻率的分布。,47,“功率譜”也稱為“功率譜密度”。,48,48,如果信號的功率

19、譜不隨時間變化，則稱信號是平穩(wěn)的。,功率譜的估計方法很多，在數(shù)字信號處理中專門學習。,“帶寬”的概念,49,簡單地說，“帶寬”是信號的主要頻率分量所占有的寬度。通過功率譜分析得到信號的帶寬,50,50,常見生理信號的頻率范圍（帶寬）,生理信號 頻率范圍（Hz） 心電 0.01 ~ 250 腦電 0 ~ 1

20、50 肌電 0 ~ 10000 胃電 0.05 ~ 20 動脈血壓 0 ~ 100 脈搏波 0.1 ~ 50 心音 2 ~ 600 呼吸率 0.

21、1 ~ 10,通過功率譜分析得到信號的帶寬,51,51,如果功率譜是隨時間變化的，稱為“時變功率譜”。,生物醫(yī)學信號一般都具有時變功率譜。,信號處理中的幾個“域”(domain),時間域頻率域空間域碼域循環(huán)頻率域聯(lián)合域（多個域組合，joint domains）時間-頻率域時間-頻率-空間域時間-頻率-循環(huán)頻率域。。。。,52,時間域-頻率域,53,時間-頻率域,時間域,頻率-循環(huán)頻率域,頻率5，循環(huán)頻率1，幅度1,54