生物醫(yī)學信號處理

1、1 1生物醫(yī)學工程原理生物醫(yī)學工程原理I主講：唐主講：唐 洪洪聯(lián)系方式：聯(lián)系方式： 電信學部創(chuàng)新園大廈電信學部創(chuàng)新園大廈A1213 電話：電話：84706009-3013 電子郵件：電子郵件： 2 2什么是信號？什么是信息？什么是信號？什么是信息？n在日常生活中，信息是指在日常生活中，信息是指“消息消息”，“情況情況”，“知知識識”，“情報情報”等等。等等。q比如：人們收到一封電報，接到一個電話。得到了比如：人們收到一封電報，接到一個電話。得到了“信息信息”。q在日常生活中，在日常生活中，“信息信息”是模糊的，沒有定量。是模糊的，沒有定量。n例：告訴我的消息是早已知道的。消息對我沒有意義，沒有

2、帶例：告訴我的消息是早已知道的。消息對我沒有意義，沒有帶來信息。盡管收到了信號，但信息量是零。來信息。盡管收到了信號，但信息量是零。n相反，如果傳來的消息是我不知道的，出乎我的意外。那么，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。給我的信息量很大。q在科學上，在科學上，“信息信息”有一定的數(shù)學模式，能定量地描述。是有一定的數(shù)學模式，能定量地描述。是“信息論信息論” 的研究內(nèi)容。的研究內(nèi)容。Iiips12log單位：bit3 3“信號”、“信息”的區(qū)別與聯(lián)系n信號是信息的載體信號是信息的載體q例：古時候烽火報信例：古時候烽火報信?！胺操\入境，馬步兵五十人以上，不滿五

3、百人，放凡賊入境，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。若余寇賊三千騎以上，亦放烽三炬。若番賊千人以上不千騎，放烽三炬。若余寇賊三千騎以上，亦放烽三炬。若番賊千人以上不知頭數(shù)，放烽四炬。知頭數(shù)，放烽四炬?！?q烽火是信號，是載體；烽火的表示含義是消息（信烽火是信號，是載體；烽火的表示含義是消息（信息）。息）。q例：檢查人體的體溫。記錄體溫的觀察數(shù)據(jù)是信號，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）。大于數(shù)據(jù)反映出的結(jié)果是消息

4、（信息）。大于37度，發(fā)度，發(fā)燒。燒。n信號處理：對信號進行處理以獲得信息信號處理：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：n生物電信號生物電信號n心電、腦電、肌電、眼電、胃電、神經(jīng)電心電、腦電、肌電、眼電、胃電、神經(jīng)電n還有其它生物信號不是電信號，但是可以通過還有其它生物信號不是電信號，但是可以通過傳感器傳感器轉(zhuǎn)換為電轉(zhuǎn)換為電信號信號.q語音、心音、吞咽音、腸鳴音、牙齒叩擊音語音、心音、吞咽音、腸鳴音、牙齒叩擊音q血壓、血流、脈搏、呼吸、體溫血壓、血流、脈搏、呼吸、體溫q指紋、掌紋、虹膜、還有步態(tài)指紋、掌紋、虹膜、還有步態(tài)n生物磁信號生物磁信號n心磁、腦磁等生物磁場心磁、腦磁等

5、生物磁場n生物化學信號生物化學信號n各種體液中含有的電解質(zhì)和微量元素各種體液中含有的電解質(zhì)和微量元素n血液、尿液、唾液、各種組織液血液、尿液、唾液、各種組織液5 5生物醫(yī)學信號測量的特點（1）n基本屬于弱信號測量（尤其是生物電信號）基本屬于弱信號測量（尤其是生物電信號）q反映生理變化和生化變化的信號和參量大多是微弱反映生理變化和生化變化的信號和參量大多是微弱的的q要求測量系統(tǒng)的靈敏度高、分辨力強、抗干擾能力要求測量系統(tǒng)的靈敏度高、分辨力強、抗干擾能力強強n常見生物電信號的幅度范圍常見生物電信號的幅度范圍q心電（皮膚電極）心電（皮膚電極） 50V5mVq腦電（頭皮電極）腦電（頭皮電極） 10 3

6、0 Vq肌電肌電 20 V10mV6 6生物醫(yī)學信號測量的特點（2）n生物體內(nèi)的噪聲對測量有重要影響生物體內(nèi)的噪聲對測量有重要影響q測量某一種生理信號時，常常另一種生理信號也被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，第二種信號就是噪記錄。第一種信號為有用信號，第二種信號就是噪聲。聲。q例例n在測量心電時，肌電也被記錄在測量心電時，肌電也被記錄n測量誘發(fā)腦電時，自發(fā)腦電為噪聲測量誘發(fā)腦電時，自發(fā)腦電為噪聲n測量胎兒心電時，母體心電為噪聲測量胎兒心電時，母體心電為噪聲n測量心音時，呼吸音為噪聲測量心音時，呼吸音為噪聲q所以，在生物醫(yī)學測量中常常要采取有效辦法來提所以

7、，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。取有用信號。n硬件的方法硬件的方法 通過電路來實現(xiàn)、前處理通過電路來實現(xiàn)、前處理n軟件的方法軟件的方法 通過后期算法來實現(xiàn)、后處理通過后期算法來實現(xiàn)、后處理區(qū)分信號、噪聲，關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）n外界環(huán)境容易引入干擾外界環(huán)境容易引入干擾q外界電場、磁場的干擾外界電場、磁場的干擾n50Hz工頻干擾工頻干擾q外界聲音干擾外界聲音干擾n心音心音q外界刺激引入干擾外界刺激引入干擾n做誘發(fā)腦電實驗時做誘發(fā)腦電實驗時q噪聲與干擾的區(qū)別噪聲與干擾的區(qū)別n干擾一般來自外界，噪聲一般來自儀器本身或傳感器干擾一般來自外界，噪聲

8、一般來自儀器本身或傳感器8例：例：50Hz工頻干擾工頻干擾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信息獲取部分（電極、傳感器）（電極、傳感器）信息加工部分信息加工部分（放大、數(shù)字化、（放大、數(shù)字化、存儲、處理）存儲、處理）信息記錄與顯示部分信息記錄與顯示部分（示波器、記錄器）（示波器、記錄器）1010生物醫(yī)學傳感器n物理傳感器物理傳感器q利用物理性質(zhì)或物理效應研制的傳感器利用物理性質(zhì)或物理效應研制的傳感器q角度、壓力、振動、流量、溫度角度、壓力、振動、流量、溫度q電壓、電流電壓、電流n化學傳感器化學傳感器q把人體內(nèi)的某些化學成分、濃度轉(zhuǎn)化成對應

9、關系的把人體內(nèi)的某些化學成分、濃度轉(zhuǎn)化成對應關系的電學量電學量n生物傳感器生物傳感器q利用生物活性物質(zhì)有選擇性地識別待測物質(zhì)利用生物活性物質(zhì)有選擇性地識別待測物質(zhì)q酶、抗體、抗原、激素酶、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n心電導聯(lián)心電導聯(lián)共共1212個導聯(lián)個導聯(lián)13心電信號一例正常心電信號一例正常心電信號14異常心電信號心電信號處理心電信號處理：（：（1）R波檢測；（波檢測；（2）心率變異；（）心率變異；（3）作為生物特征進行身份）作為生物特征進行身份識別；（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）作為參考信號，協(xié)助其他醫(yī)學信號研究

10、，如脈搏波的研究、呼吸與血流動力研究、心音信號研究血流動力研究、心音信號研究15腦電信號采集自發(fā)腦電、誘發(fā)腦電16一例腦電信號一例腦電信號腦電信號腦電信號：（：（1 1）誘發(fā)電位研究；（）誘發(fā)電位研究；（2 2）腦機接口研究；（）腦機接口研究；（3 3）癲癇預測與識別；）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凡德瑯的志愿者借助腦電圖記錄設備將“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

11、解碼，然后再用電刺激將其輸入到接收者的意識當中。18肌電信號采集應用應用 多自由度假肢多自由度假肢肌電信號肌電信號：（：（1 1）肢體動作識別；（）肢體動作識別；（2 2）電刺激與康復）電刺激與康復19神經(jīng)電信號采集正中神經(jīng)正中神經(jīng)20胃肌電信號采集將四對胃起搏線圈，從胃上部到幽門沿胃體大彎側(cè)放置在胃漿膜表面將四對胃起搏線圈，從胃上部到幽門沿胃體大彎側(cè)放置在胃漿膜表面, 每對電極的每對電極的距離是距離是1cm, 相鄰電極對的間隔是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最上面那對電極大致位于胃體大彎側(cè)上側(cè)上1/3 處的胃電起搏區(qū)處的胃電起搏區(qū), 最下端的那對電極距幽門

12、最下端的那對電極距幽門2cm 4cm。通過部分埋入胃。通過部分埋入胃漿膜肌內(nèi)的線圈漿膜肌內(nèi)的線圈, 這些電極緊緊貼在胃漿膜上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也可以用來進行胃起搏的刺激搏的刺激, 其余各對線圈用來記錄胃電活動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心音信號采集500060007000800090001000011000-3-2-10121. 心音與血流動力關系研究（體心音與血流動力

13、關系研究（體循環(huán)、肺循環(huán)、心臟瓣膜）循環(huán)、肺循環(huán)、心臟瓣膜）2. 基于心音指導運動員訓練基于心音指導運動員訓練3. 心音指導麻醉用量心音指導麻醉用量4. 心音評價圍產(chǎn)期孕婦的心功能心音評價圍產(chǎn)期孕婦的心功能5. 心音作為生物特征識別身份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間接測量血壓柯氏音測壓測壓原理柯氏音測壓測壓原理23血壓信號采集（續(xù)）直接測量血壓直接測量血壓24給予腎上腺素后，左心室血壓的變化趨勢050100150200250300350-50050100150200250300350Time(s)Blood Pressre(mmHg)25脈搏信號采集00.511.522

14、.5-20020406080100time in secondamplitude壓電脈搏傳感器壓電脈搏傳感器光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胸廓呼吸運動呼吸流量呼吸流量024681012-3-2-10123Time in secondsRespiratory phasePhaseRESPExpirationInspriation200040006000800010000120001400016000-80-60-40-20020406027指紋采集28常見傳感器（觀察）我在實驗中常用的傳感器我在實驗中常用的傳感器1.血壓傳感器血壓傳感器2.呼吸流量傳感器呼吸流量傳感器3

15、.呼吸運動傳感器（測量胸廓起伏）呼吸運動傳感器（測量胸廓起伏）4.心音傳感器心音傳感器1.麥克風麥克風2.加速度加速度3.壓電壓電5.脈搏傳感器脈搏傳感器1.壓電光電脈搏傳感器壓電光電脈搏傳感器6.胃腸運動傳感器胃腸運動傳感器7.心電電極心電電極8.肌肉張力傳感器肌肉張力傳感器9.指紋采集儀指紋采集儀29“頻率”的概念n簡單地說，簡單地說，“頻率頻率”是信號在單位時間內(nèi)的振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。蕩次數(shù)，是描述振蕩快慢的物理量。2900.511.522.533.544.5500.511.522.53時間(秒)幅度(毫伏)請指出該信號的頻率是多少？30哪個信號頻率高

16、？哪個信號頻率高？下圖是脈搏波的信號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，生脈搏波不是單頻信號。一般來說，生物醫(yī)學信號都不是單頻信號。物醫(yī)學信號都不是單頻信號。3131脈搏波脈搏波心電心電肌電肌電腦電腦電通過肉眼觀察，以上信號的頻率高低如何？通過肉眼觀察，以上信號的頻率高低如何？3232常見生理信號的頻率范圍常見生理信號的頻率范圍n 生理信號生理信號 頻率范圍（頻率范圍（HzHz）n 心電心電 0.01 2500.01 250n 腦電腦電 0 1500 150n 肌電肌電 0 100000 10000n 胃電胃電 0.0

17、5 200.05 20n 動脈血壓動脈血壓 0 1000 100n 脈搏波脈搏波 0.1 500.1 50n 心音心音 2 6002 600n 呼吸率呼吸率 0.1 10 0.1 10 了解各信號頻率范圍的意義是什么？了解各信號頻率范圍的意義是什么？采集信號的時候，設置采樣率采集信號的時候，設置采樣率瞬時頻率n在時間t時刻附近， 若單位時間趨向于無窮小，那么此時的頻率是瞬時頻率33)()(21)(tttptf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*，此時的瞬時頻率是？可見，瞬時頻率就是，瞬時相位的變化率3400.511.52

18、2.533.544.5500.511.522.53時間(秒)幅度(毫伏)請指出該信號在紅點處的瞬時頻率是多少？01234567891000.511.522.53時間(秒)幅度(毫伏)請指出紅點處的瞬時頻率與紫色點的瞬時頻率，誰大誰??？35假設一脈搏波信號，如圖所示，請求任一時刻的瞬時頻率？00.511.522.533.544.55-505101520TimeAmplitude脈 搏 波步驟：1）求瞬時相位，2)求瞬時相位變化率)()(21)(tttptf3600.511.522.533.544.55-505101520TimeAmplitude00.511.522.533.544.550510

19、15TimeFrequency)()(21)(tttptf循環(huán)頻率n單位時間內(nèi)，重復出現(xiàn)的次數(shù) q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2Hz37012345678910-2-1.5-1-0.500.511.52時間(秒)幅度(毫伏)請問，該信號的循環(huán)頻率是多少？q具有循環(huán)頻率特征的生物醫(yī)學信號q心電q脈搏q心音q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“能量能量”的概念的概念n信號的信號的“能量能量”指信號幅度平方的積分指信號幅度平方的積分39dttxE2)(0

20、0.511.522.533.544.550510時間(秒)幅度(毫伏)00.511.522.533.544.550510時間(秒)幅度(毫伏)哪個信號的能量大？“功率功率”的概念的概念40n信號的信號的“功率功率”指信號在單位時間內(nèi)的能量指信號在單位時間內(nèi)的能量TdttxPT02)(00.511.522.533.544.550510時間(秒)幅度(毫伏)00.511.522.533.544.550510時間(秒)幅度(毫伏)哪個信號的功率大？41脈搏波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

21、率。他為次要頻率。信號在時域和頻域之間的轉(zhuǎn)換n一個信號既可以表示在時域中，也可以表示在頻率中42012345-2-1.5-1-0.500.511.52時間(秒)幅度(毫伏)01234500.511.52頻率(Hz)幅度(毫伏)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012345-2-1.5-1-0.500.511.52時間(秒)幅度(毫伏)01234500.511.52頻率(Hz)幅度(毫伏)（說明，三個參數(shù)可完全描述這個信號，壓縮）43012345-2-1012時間(秒)幅度(毫伏)012345-2-1012時間(秒)幅度(毫伏)01234500.511

22、.52頻率(Hz)幅度(毫伏)該信號有兩個分量（紅色、藍色）之和構(gòu)成012345-2-1012時間(秒)幅度(毫伏)012345-2-1012時間(秒)幅度(毫伏)01234500.511.52頻率(Hz)幅度(毫伏)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44-3-2-10123-2-1012TimeAmplitude-3-2-10123-2-1012TimeAmplitude0510152000.511.52頻率(Hz)幅度(毫伏)時域表示頻域表示方波-3-2-10123-2-1012TimeAmplitude-3-2-10123-2-1012TimeA

23、mplitude0510152000.511.52頻率(Hz)幅度(毫伏)-3-2-10123-2-1012TimeAmplitude-3-2-10123-2-1012TimeAmplitude0510152000.511.52頻率(Hz)幅度(毫伏)分解051015-505101520TimeAmplitude脈 搏 波0510152000.10.20.30.40.50.60.70.80.91頻率(Hz)幅度(毫伏)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）051015-505101520TimeAmplitude脈

24、搏 波0510152000.10.20.30.40.50.60.70.80.91頻率(Hz)幅度(毫伏)從分析中可知：信號中各分量的大小，找出主要分量47“功率譜功率譜”的概念的概念n簡單地說，簡單地說，“功率譜功率譜”是信號功率隨頻率的分是信號功率隨頻率的分布。布。47“功率譜功率譜”也稱為也稱為“功率譜密度功率譜密度”。00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-2-1012時 間 （ 秒 ）幅度050100150200250300350400450500-100-80-60-40-200頻 率 （ 赫 茲 ）功率譜4848n如果信號的功率譜不隨時間變化，則稱信號是平穩(wěn)的。如果信號的功率譜不隨時間變化，則稱信號是平穩(wěn)的。00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-2-1012時 間 （ 秒 ）幅度050100150200250300350400450500-100-80-60-40-200頻 率 （ 赫 茲 ）功率譜功率譜的估計方法很多，在數(shù)字信號處理中專門學習。功率譜的估計方法很多，在數(shù)字信號處理中專