生物醫(yī)學(xué)信號是從被干擾和噪聲淹沒的信號中提取有用的生物醫(yī)學(xué)信息特征

1、.生物醫(yī)學(xué)信號是從被干擾和噪聲淹沒的信號中提取有用的生物醫(yī)學(xué)信息特征，它涉及生物體各層次的生理，生化和生物信號，受到人體諸多因素的影響，因而有著一般信號所沒有的特點(diǎn)：1）信號弱, 例如從母體腹部取到的胎兒心電信號（ FECG) 僅1050 微伏。腦干聽覺誘發(fā)響應(yīng)信號小于1 微伏。2)噪聲強(qiáng), 由于人體自身信號弱,加之人體又是一個復(fù)雜的整體, 因此信號易受噪聲的干擾。3)頻率范圍一般較低, 除心音信號頻譜成份稍高外, 其他電生理信號頻譜一般較低。4)隨機(jī)性強(qiáng), 生物醫(yī)學(xué)信號不但是隨機(jī)的, 

2、;而且是非平穩(wěn)的。因此若要把摻雜在噪聲和干擾信號中的有用的生物醫(yī)學(xué)信號檢測出來, 除要求用于檢測的傳感器系統(tǒng)具有靈敏度高, 噪聲小，抗干擾能力強(qiáng), 分辨力強(qiáng), 動態(tài)特性好之外, 對信號提取和分析的手段亦有較高的要求。 生物醫(yī)學(xué)信號處理就是研究從被干擾和噪聲淹沒的信號中提取有用的生物醫(yī)學(xué)信息的特征并作模式分類的方法。生物醫(yī)學(xué)信號處理的目的是要區(qū)分正常信號與異常信號,在此基礎(chǔ)上診斷疾病的存在。近年來隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展,對生物醫(yī)學(xué)信號的處理廣泛地采用了數(shù)字信號分析處理方法：如對信號時域分析的相干平均算法；對信號頻域分析的快速傅立葉

3、變換算法和各種數(shù)字濾波算法;對平穩(wěn)隨機(jī)信號分析的功率譜估計(jì)算法和參數(shù)模型方法;對非平穩(wěn)隨機(jī)信號分析的短時傅立葉變換、時頻分布(維格納分布)、小波變換、時變參數(shù)模型和自適應(yīng)處理等算法;對信號的非線性處理方法如混沌與分形、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等絕大部分生物醫(yī)學(xué)信號都是信噪比很低的微弱信號，且一般都是伴隨著噪聲和干擾的信號，而對于此類信號必須采用抑制噪聲的處理技術(shù)，對于生物醫(yī)學(xué)信號檢測來說，經(jīng)常需要考慮的噪聲有：工頻干擾、電極接觸噪聲、運(yùn)動軌跡、呼吸引起的基線漂移和不同信號之間的相互干擾，由于生物系統(tǒng)十分復(fù)雜，生物體內(nèi)的信息豐富，生物信號檢測技術(shù)十分重要。頻域?yàn)V波是數(shù)字濾波中常用的一種方法,是消除生物醫(yī)

4、學(xué)信號中噪聲的另一種有效方法。當(dāng)信號頻譜與噪聲頻譜很小時,可用頻域?yàn)V波的方法來消除干擾,頻域?yàn)V波器可分為兩類:FIR(FiniteImpulseResponse)濾波器, FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有:窗函數(shù)法,頻率采樣法; IIR( Infinite ImpulseResponse)濾波器, IIR濾波器的主要設(shè)計(jì)方法有:沖激響應(yīng)不變法,雙線性變換法。2.雙線性變換法的變換原理和步驟（1）保證s平面壓縮到s1平面的寬為2/T 的橫帶內(nèi)（2）保證低頻部分基本對應(yīng)根據(jù)要求，確定數(shù)字濾波器指標(biāo)。如是模擬頻率臨界點(diǎn)，則要先轉(zhuǎn)變成數(shù)字頻率，以便預(yù)畸變處

5、理。將數(shù)字指標(biāo)轉(zhuǎn)換成與Ha(s)對應(yīng)的模擬性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)Ha(s) 。將映射關(guān)系代入Ha(s)中得數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)H(z) 。由于數(shù)字濾波器傳輸函數(shù)只與頻域的相對值有關(guān)，故在設(shè)計(jì)時可先將濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。設(shè)采樣頻率為Fs，歸一化頻率的計(jì)算公式是： 從性能上來說，IIR濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)可位于單位圓內(nèi)的任何地方，因此可用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，所用的存貯單元少，所以經(jīng)濟(jì)而效率高，但是這個高效率是以相應(yīng)的非線性為代價的。選擇性越好，則相位非線性越嚴(yán)重。相反，F(xiàn)IR濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位，然而由于FIR濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)固定在原點(diǎn)，所以只能用較高的階數(shù)

6、獲得高的選擇性；對于同樣的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)，F(xiàn)IR濾波器所要求的階數(shù)可以比IIR濾波器高510倍，結(jié)果，成本較高，信號延時也較大；如果按相同的選擇性和相同的線性要求來說，則IIR濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位校正，同樣要大增濾波器的階數(shù)和復(fù)雜性。整體來看，IIR濾波器達(dá)到同樣效果，階數(shù)較少，延遲小，但是有穩(wěn)定性問題，非線性相位；FIR濾波器沒有穩(wěn)定性問題，線性相位，但階數(shù)多，延遲大。在本文中主要采用IIR濾波器。利用典型設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的步驟： (1) 將設(shè)計(jì)指標(biāo)歸一化處理。如果采用雙線性變換法，還需進(jìn)行預(yù)畸變。  (2)根據(jù)歸一化頻率，確定最小階數(shù)N和頻率參數(shù)Wn。可供

7、選用的階數(shù)選擇函數(shù)有：buttord，cheblord，cheb2ord，ellipord等。 (3)運(yùn)用最小階數(shù)N設(shè)計(jì)模擬低通濾波器原型。模擬低通濾波器的創(chuàng)建函數(shù)有：buttap，eheblap，cheb2ap，ellipap和besselap，這些函數(shù)輸出的是零極點(diǎn)增益形式，還要用zp2tf函數(shù)轉(zhuǎn)換成分子分母多項(xiàng)式形式。如果想根據(jù)最小階數(shù)直接設(shè)計(jì)模擬低通濾波器原型，可用butter，chebyl，cheby2，ellip，bcssel等函數(shù)。只是注意要將函數(shù)中的Wn設(shè)為1。 (4)根據(jù)第2步的頻率參數(shù)Wn，將模擬低通濾波器原型轉(zhuǎn)換成模擬低通、高通、帶通、帶阻濾波器，可用函數(shù)分別是

8、：lp21p，lp2hp，lp2bp，lp2bs。(5)運(yùn)用脈沖響應(yīng)不變法或雙線性變換法把模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器。調(diào)用的函數(shù)是impinvar和bilinear。脈沖響應(yīng)不變法適用于采樣頻率大于4倍截止頻率的銳截止低通帶通濾波器，而雙線性變換法適合于相位特性要求不高的各型濾波器。Butterwor濾波器： N,Wn=buttord(Wp,Ws,Rp,Rs) b,a=butter(N,Wn) b,a=butter(N,Wn,ftype) h,q=freqz(b,a,n,Fs)其中：Wp表示通帶截止頻率；Ws表示阻帶截止頻率；Rp表示通帶紋波系數(shù)；Rs表

9、示阻帶紋波系數(shù)；N表示濾波器最小階數(shù)；Wn表示截止頻率，b，a分別表示階次為N+1的數(shù)字濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分子和分母多項(xiàng)式系數(shù)向量；Fs為采樣頻率；n為在區(qū)間0  Fs頻率范圍內(nèi)選取的頻率點(diǎn)數(shù)；f記錄頻率點(diǎn)數(shù)。n取2的冪次方，可以提高運(yùn)算的速度，因?yàn)閒reqz函數(shù)采用基2的FFT算法。ftype=high時，為高通濾波器；ftype=bandpass時，為帶通濾波器；ftype=stop時，為帶阻濾波器。小波變換是將時間信號展開為小波函數(shù)族的線性疊加，小波變換的核函數(shù)是小波函數(shù)，它在時間和頻率域內(nèi)都是局部化的。所以，小波變化可對信號同時在時頻域內(nèi)進(jìn)行聯(lián)合分析。在去噪方面，

10、小波分析由于能同時在時頻域中對信號進(jìn)行分析，具有多分辨分析的功能，所以在不同的分解層上有效的區(qū)分信號的突變部分和噪聲，從而實(shí)現(xiàn)信號的消噪。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常所分析的信號具有非線性，非平穩(wěn),并且奇異點(diǎn)較多的特點(diǎn)。含噪的一維信號模型可表示為：其中，f(t)為真實(shí)信號，s(t)為含噪信號，e(t)為噪聲， 為噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差。有用信號通常表現(xiàn)為低頻信號或是相對比較平穩(wěn)。而噪聲信號通常表現(xiàn)為高頻信號。 利用小波對含噪的原始信號分解后，含噪部分主要集中在高頻小波系數(shù)中，并且，包含有用信號的小波系數(shù)幅值較大，但數(shù)目少；而噪聲對應(yīng)的小波系數(shù)幅值小，數(shù)目較多。 基于上述特點(diǎn)，可以應(yīng)用門限閾值法對小波系數(shù)進(jìn)行處

11、理。（即對較小的小波系數(shù)置為，較大的保留或削弱），然后對信號重構(gòu)即可達(dá)到消噪的目的。小波除噪的具體步驟：(1) 對含噪信號進(jìn)行預(yù)處理,并進(jìn)行小波分解。選擇小波確定分解的層數(shù)N,然后對信號s進(jìn)行N層分解。(2) 小波分解的高頻系數(shù)的閾值量化。對第一層到第N層高頻系數(shù)，選擇軟閾值或硬閾值量化處理。() 一維小波重構(gòu)。根據(jù)小波分解的第N層低頻系數(shù)和第一層到第N層的高頻系數(shù)，進(jìn)行一維重構(gòu)。 在上面的步驟中，最為關(guān)鍵的就是如何選取閾值和如何閾值量化，從某種意義上講，它直接影響信號去噪的質(zhì)量。閾值函數(shù)閾值函數(shù)分為軟閾值和硬閾值兩種。(1) .硬閾值(hard threshol ding) 當(dāng)小波系數(shù)的絕對值大于等于給定閾值時，保持不變，而小于時，令其為。即：小波變換的奇異點(diǎn)對應(yīng)著信號的突變點(diǎn)，當(dāng)以平滑函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)作為小波基函數(shù)對信號進(jìn)行小波變換時，信號的奇異點(diǎn)對應(yīng)于小波變換的一個正模極大值和一個負(fù)模極大值的極值對，信號奇異點(diǎn)的位置對應(yīng)于極值對的過零點(diǎn)。本文中將ECG信號用二次樣條小波進(jìn)行7尺度分解，選擇在極值對最明顯的尺度上進(jìn)行分析。R波的檢測步驟為：（1）在上述對心電信號進(jìn)行去噪處理的基礎(chǔ)上，利用二次樣條小波和Mallat算法對心電信號進(jìn)行7層分解，獲得小波系數(shù)。（2）在尺度5上，采用正閾值和