生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理

1、1,1,生物醫(yī)學(xué)工程原理I,主講：唐 洪,聯(lián)系方式： 電信學(xué)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(hào)？什么是信息？,在日常生活中，信息是指“消息”，“情況”，“知識(shí)”，“情報(bào)”等等。比如：人們收到一封電報(bào)，接到一個(gè)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(duì)我沒有意義，沒有帶來信息。盡管收到了信號(hào)，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(xué)上，“信息”有一定的數(shù)學(xué)模式，能定量地描述。是“信息論” 的研究?jī)?nèi)容。,單位：bit,3,3,“信號(hào)”、“信息”的區(qū)別與聯(lián)系,信號(hào)是信息的載體例：古時(shí)候烽火報(bào)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(hào)，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(hào)，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(hào)處理：對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理以獲得信息,4,4,按照生物信號(hào)的性質(zhì)分類：,生物電信號(hào)心電、腦電、肌電、眼電、胃電、神經(jīng)電還有其它生物信號(hào)不是電信號(hào)，但是可以通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào).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(hào)心磁、腦磁等生物磁場(chǎng)生物化學(xué)信號(hào)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(xué)信號(hào)測(cè)量的特點(diǎn)（1）,基本屬于弱信號(hào)測(cè)量（尤其是生物電信號(hào)）反映生理變化和生化變化的信號(hào)和參量大多是微弱的要求測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度高、分辨力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)常見生物電信號(hào)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(xué)信號(hào)測(cè)量的特點(diǎn)（2）,生物體內(nèi)的噪聲對(duì)測(cè)量有重要影響測(cè)量某一種生理信號(hào)時(shí)，常常另一種生理信號(hào)也被記錄。第一種信號(hào)為有用信號(hào)，第二種信號(hào)就是噪聲。例在測(cè)量心電時(shí)，肌電也被記錄測(cè)量誘發(fā)腦電時(shí)，自發(fā)腦電為噪聲測(cè)量胎兒心電時(shí)，母體心電為噪聲測(cè)量心音時(shí)，呼吸音為噪聲所以，在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中常常要采取有效辦法來提取有用信號(hào)。硬件的方法 通

6、過電路來實(shí)現(xiàn)、前處理軟件的方法 通過后期算法來實(shí)現(xiàn)、后處理,區(qū)分信號(hào)、噪聲，關(guān)鍵看測(cè)量者對(duì)誰感興趣。,7,7,生物醫(yī)學(xué)信號(hào)測(cè)量的特點(diǎn)（3）,外界環(huán)境容易引入干擾外界電場(chǎng)、磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(xué)信號(hào)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(chǔ)、處理）,信息記錄與顯示部分（示波器、記錄器）,,,10,10,生物醫(yī)學(xué)傳感器,物理傳感器利用物理性質(zhì)或物理效應(yīng)研制的傳感器角度、壓力、振動(dòng)、流量、溫度電壓、電流化學(xué)傳感器把人體內(nèi)的某些化學(xué)成分、濃度轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)關(guān)系的電學(xué)量生物傳感器利用生物活性物質(zhì)有選擇性地識(shí)別待測(cè)物質(zhì)酶、抗體、抗原、激素,11,照片（多導(dǎo)生理信號(hào)采集儀）,12,心電信號(hào)采集,心電導(dǎo)聯(lián),共12個(gè)導(dǎo)聯(lián),13,心電信號(hào),一例正常心

8、電信號(hào),14,異常心電信號(hào),心電信號(hào)處理：（1）R波檢測(cè)；（2）心率變異；（3）作為生物特征進(jìn)行身份識(shí)別；（4）作為參考信號(hào)，協(xié)助其他醫(yī)學(xué)信號(hào)研究，如脈搏波的研究、呼吸與血流動(dòng)力研究、心音信號(hào)研究,15,腦電信號(hào)采集,自發(fā)腦電、誘發(fā)腦電,16,一例腦電信號(hào),腦電信號(hào)：（1）誘發(fā)電位研究；（2）腦機(jī)接口研究；（3）癲癇預(yù)測(cè)與識(shí)別；,17,科技新聞：人際腦電波通訊實(shí)驗(yàn)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(gè)單詞，發(fā)給了遠(yuǎn)在法國(guó)斯特拉斯堡的實(shí)驗(yàn)人員。這兩句問候語首先被轉(zhuǎn)換成為二進(jìn)制進(jìn)行發(fā)送，法國(guó)方面的計(jì)算機(jī)在收到這些信號(hào)后，先對(duì)其進(jìn)行解碼，然后再用電刺激將其輸入到接收者的意識(shí)當(dāng)中。,18,肌電信號(hào)采集,應(yīng)用,,,多自由度假肢,肌電信號(hào)：（1）肢體動(dòng)作識(shí)別；（2）電刺激與康復(fù),19,神經(jīng)電信號(hào)采集,正中神經(jīng),20,胃肌電信號(hào)采集,將四對(duì)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(duì)電極的距離是1cm, 相鄰電極對(duì)的間隔是2cm~ 5cm, 最上面那對(duì)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(duì)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(duì)線圈不但可以記錄胃起搏區(qū)的胃電信號(hào), 也可以用來進(jìn)行胃起搏的刺激, 其余各對(duì)線圈用來記錄胃電活動(dòng),還有體表胃電，用電極在體表采集,21,心

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

12、實(shí)驗(yàn)中常用的傳感器血壓傳感器呼吸流量傳感器呼吸運(yùn)動(dòng)傳感器（測(cè)量胸廓起伏）心音傳感器麥克風(fēng)加速度壓電脈搏傳感器壓電光電脈搏傳感器胃腸運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單地說，“頻率”是信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)的振蕩次數(shù)，是描述振蕩快慢的物理量。,29,請(qǐng)指出該信號(hào)的頻率是多少？,30,哪個(gè)信號(hào)頻率高？,下圖是脈搏波的信號(hào),脈搏波有主要頻率，還有次要頻率。脈搏波不是單頻信號(hào)。一般來說，生物

13、醫(yī)學(xué)信號(hào)都不是單頻信號(hào)。,31,31,脈搏波,心電,肌電,腦電,通過肉眼觀察，以上信號(hào)的頻率高低如何？,32,32,常見生理信號(hào)的頻率范圍,生理信號(hào) 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(dòng)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(hào)頻率范圍的意義是什么？,采集信號(hào)的時(shí)候，設(shè)置采樣率,瞬時(shí)頻率,在時(shí)間t時(shí)

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

16、時(shí)相位變化率,36,循環(huán)頻率,單位時(shí)間內(nèi)，重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù) 例： 一個(gè)信號(hào)在1秒鐘內(nèi)，重復(fù)出現(xiàn)了2次，那么它的循環(huán)頻率是2Hz,37,請(qǐng)問，該信號(hào)的循環(huán)頻率是多少？,具有循環(huán)頻率特征的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)心電脈搏心音心臟血流動(dòng)力,38,問題：一個(gè)信號(hào)中有兩個(gè)分量，一個(gè)分量的循環(huán)頻率是1Hz，另一個(gè)分量的循環(huán)頻率是2Hz，請(qǐng)問有什么辦法把這兩個(gè)分量從信號(hào)中分離出來？,39,“能量”的概念,信號(hào)的“能量”指信號(hào)幅度平方的積分,39,哪個(gè)信號(hào)

17、的能量大？,“功率”的概念,40,信號(hào)的“功率”指信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)的能量,哪個(gè)信號(hào)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(qiáng)的頻率稱為主要頻率，其他為次要頻率。,信號(hào)在時(shí)域和頻域之間的轉(zhuǎn)換,一個(gè)信號(hào)既可以表示在時(shí)域中，也可以表示在頻率中,42,時(shí)域表示,頻域表示,余弦信號(hào)，頻率1，幅度1，相位0,兩種表達(dá)方式等價(jià)，可以互相轉(zhuǎn)換,（說明，三個(gè)參數(shù)可完全描述這個(gè)信號(hào)，壓縮）,43,該信號(hào)有兩個(gè)分量（紅色、藍(lán)色）之和

18、構(gòu)成,時(shí)域表示,頻域表示,信號(hào)的分解和合成,信號(hào)被分解成立2個(gè)分量，2個(gè)信號(hào)合成了原信號(hào),44,時(shí)域表示,頻域表示,方波,分解,時(shí)域表示,頻域表示,45,傅里葉變換：信號(hào)在時(shí)域、頻域之間轉(zhuǎn)換,46,傅里葉變換：把信號(hào)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(hào)中各分量的大小，找出主要分量,47,“功率譜”的概念,簡(jiǎn)單地說，“功率譜”是信號(hào)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(hào)的功率

19、譜不隨時(shí)間變化，則稱信號(hào)是平穩(wěn)的。,功率譜的估計(jì)方法很多，在數(shù)字信號(hào)處理中專門學(xué)習(xí)。,“帶寬”的概念,49,簡(jiǎn)單地說，“帶寬”是信號(hào)的主要頻率分量所占有的寬度。通過功率譜分析得到信號(hào)的帶寬,50,50,常見生理信號(hào)的頻率范圍（帶寬）,生理信號(hào) 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(dòng)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(hào)的帶寬,51,51,如果功率譜是隨時(shí)間變化的，稱為“時(shí)變功率譜”。,生物醫(yī)學(xué)信號(hào)一般都具有時(shí)變功率譜。,信號(hào)處理中的幾個(gè)“域”(domain),時(shí)間域頻率域空間域碼域循環(huán)頻率域聯(lián)合域（多個(gè)域組合，joint domains）時(shí)間-頻率域時(shí)間-頻率-空間域時(shí)間-頻率-循環(huán)頻率域。。。。,52,時(shí)間域-頻率域,53,時(shí)間-頻率域,時(shí)間域,頻率-循環(huán)頻率域,頻率5，循環(huán)頻率1，幅度1,54