第1章生物醫(yī)學(xué)信號概述課件

生物醫(yī)學(xué)信號處理

BiomedicalDigitalSignalProcessing生物醫(yī)學(xué)信號處理

BiomedicalDigit《生物醫(yī)學(xué)信號處理》課程第一章生物醫(yī)學(xué)信號概論《生物醫(yī)學(xué)信號處理》課程第一章生物醫(yī)學(xué)信號概論第一章生物醫(yī)學(xué)信號概論1.1課程背景課程相關(guān)的科學(xué)生物醫(yī)學(xué)處理課程定位與學(xué)習(xí)目的課程的特點課程內(nèi)容與學(xué)時安排課程學(xué)習(xí)方法考核辦法1.2信號及其類型1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介第一章生物醫(yī)學(xué)信號概論1.1課程背景1.1課程背景–相關(guān)學(xué)科

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科

是應(yīng)用工程技術(shù)的理論和方法，研究解決生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的問題，是一個涉及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、理工等多個領(lǐng)域的交叉性學(xué)科，它對生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展起到了極大的推動作用。

工程科學(xué)與技術(shù)生命科學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程1.1課程背景–相關(guān)學(xué)科工程科學(xué)與技術(shù)生命科學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展歷程1895年:X射線之父－倫琴倫琴夫人的手指倫琴的實驗室生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展歷程1895年:X射線之父－倫琴倫琴夫人的生物醫(yī)學(xué)工程歷程BME創(chuàng)始人－黃家駟院士國內(nèi)：1977年:協(xié)和醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)成立1980年:中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會正式成立1978年:生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)科組成立生物醫(yī)學(xué)工程興起于20世紀50年代美國1958年在美國成立了國際醫(yī)學(xué)電子學(xué)聯(lián)合會1965年該組織改稱國際醫(yī)學(xué)和生物工程聯(lián)合會，后來成為國際生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會。生物醫(yī)學(xué)工程歷程BME創(chuàng)始人－黃家駟院士國內(nèi)：1980年:中1.1課程背景–相關(guān)學(xué)科

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科方向交叉性學(xué)科，其學(xué)科方向很多，包括：生物醫(yī)學(xué)信號處理醫(yī)學(xué)圖像處理醫(yī)療儀器醫(yī)療信息系統(tǒng)神經(jīng)工程（含腦機接口）醫(yī)學(xué)成像生物信息學(xué)生物材料……1.1課程背景–相關(guān)學(xué)科1.1課程背景–學(xué)科方向

例如：腦電信號轉(zhuǎn)換成腦音樂消除心電信號的強干擾

生物醫(yī)學(xué)信號處理方向—1.1課程背景–學(xué)科方向生物醫(yī)學(xué)信號處理方向—1.1課程背景–學(xué)科方向視網(wǎng)膜血管提取基于胃鏡圖像分割疾病區(qū)與正常區(qū)醫(yī)學(xué)圖像處理方向—1.1課程背景–學(xué)科方向視網(wǎng)膜血管提取醫(yī)學(xué)圖像處理方向1.1課程背景–學(xué)科方向醫(yī)療儀器方向—1.1課程背景–學(xué)科方向醫(yī)療儀器方向—南極膝關(guān)節(jié)手術(shù)美國馬薩諸塞總醫(yī)院雙向聲像連接醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)方向—1.1課程背景–學(xué)科方向南極膝關(guān)節(jié)手術(shù)美國馬薩諸塞總醫(yī)院雙向聲像連接醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)方向1.1課程背景–學(xué)科方向

面對海量的生物數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的生物學(xué)研究方法已經(jīng)完全不能適應(yīng)，因此，生物信息學(xué)應(yīng)運而生。生物信息學(xué)建立在分子生物學(xué)基礎(chǔ)上，一是對海量數(shù)據(jù)的收集、整理與服務(wù)，也就是管好這些數(shù)據(jù)；另一個是從中發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，例如，認識疾病發(fā)生機制。

預(yù)測基因及功能篩選復(fù)雜疾病的生物標(biāo)記物挖掘疾病的生物特征推斷基因調(diào)控機制預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

……

生物信息學(xué)方向—1.1課程背景–學(xué)科方向1.1課程背景–學(xué)科方向例如，基于傅里葉變換技術(shù)預(yù)測蛋白編碼區(qū)

生物信息學(xué)方向—1.1課程背景–學(xué)科方向例如，基于傅里葉變換技術(shù)預(yù)測1.1課程背景–學(xué)科方向相關(guān)研究工作包括：

挖掘生物信息的方法（算法）和工具的發(fā)展預(yù)測、分析和解釋生物規(guī)律生物信息學(xué)方向—1.1課程背景–學(xué)科方向相關(guān)研究工作包括：生物信息學(xué)1.1課程背景–學(xué)科方向與醫(yī)學(xué)圖像處理、醫(yī)療儀器、醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)、生物信息學(xué)等方向密切相關(guān)、相互滲透生物信號處理是生物醫(yī)學(xué)工程重要的學(xué)科方向之一生物信號處理方向與其他方向的關(guān)系1.1課程背景–學(xué)科方向與醫(yī)學(xué)圖像處理、醫(yī)療儀器、醫(yī)學(xué)1.1課程背景–課程定位生物醫(yī)學(xué)信號處理課程定位：

生物醫(yī)學(xué)工程一級學(xué)科專業(yè)課程體系中的一門專業(yè)核心基礎(chǔ)課程課程主要面向生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)類本科生

課程在生命科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)診斷以及臨床治療等方面均起著重要的作用1.1課程背景–課程定位1.1課程背景–前后關(guān)系生物醫(yī)學(xué)信號處理課程：

先修課程：微積分、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等。作用：“承上啟下”1.1課程背景–前后關(guān)系1.1課程背景–學(xué)習(xí)目的

培養(yǎng)學(xué)生用定量分析方法解決生物醫(yī)學(xué)問題的能力，在生物醫(yī)學(xué)和信號處理之間構(gòu)建一座橋梁。主要培養(yǎng)學(xué)生的下列技能：（1）處理（即濾波）生物醫(yī)學(xué)信號，如分離信號中的有用成份和無用成份。（2）定量描述生物醫(yī)學(xué)信號，即揭示產(chǎn)生生物醫(yī)學(xué)信號的本質(zhì)，根據(jù)得出的結(jié)果預(yù)測信號未來的行為。（3）探測產(chǎn)生生物醫(yī)學(xué)信號的源，描述一個生物醫(yī)學(xué)物理系

統(tǒng)的輸入與輸出信號之間的內(nèi)在聯(lián)系，如腦電反演問題。1.1課程背景–學(xué)習(xí)目的

培養(yǎng)學(xué)生用定量分析方法解決生1.1課程背景

課程的特點交叉性強內(nèi)容廣既注重理論，又強調(diào)應(yīng)用知識點涉及多個學(xué)科，如人體結(jié)構(gòu)、電生理信號、組織器官、基因、蛋白質(zhì)、自適應(yīng)濾波

等。1.1課程背景課程的特點交叉性強1.1課程背景

課程內(nèi)容與學(xué)時安排課程內(nèi)容選擇：1.1課程背景課程內(nèi)容與學(xué)時安排課程內(nèi)容選擇：1.1課程背景

課程內(nèi)容與學(xué)時安排總學(xué)時：48學(xué)時其中，理論講授：40學(xué)時

課外實驗：8學(xué)時1.1課程背景課程內(nèi)容與學(xué)時安排1.1課程背景-

課程內(nèi)容與學(xué)時安排教學(xué)內(nèi)容安排順序與對應(yīng)學(xué)時如下：1.1課程背景-課程內(nèi)容與學(xué)時安排教學(xué)內(nèi)容安排順序與對1.1課程背景

-課程學(xué)習(xí)方法預(yù)習(xí)并補充課程涉及的生物學(xué)和醫(yī)學(xué)知識；重視課堂教學(xué)環(huán)節(jié)；建立正確的概念；只有在概念清楚的基礎(chǔ)上，才能對擬解決的生物醫(yī)學(xué)問題做出正確的、定性的分析，并利用簡化的方法做定量估算。認真做實驗；按時完成并上交作業(yè)；關(guān)注生物醫(yī)學(xué)信號處理學(xué)科發(fā)展動態(tài)。1.1課程背景-課程學(xué)習(xí)方法預(yù)習(xí)并補充課程涉及的生物學(xué)過程性考核終結(jié)性考核期末考試鼓勵學(xué)生重視平時學(xué)習(xí)平時成績(作業(yè)、出勤等）期中考試科研小論文

占20%占總成績的40%為激勵學(xué)生追求更好成績，作業(yè)和上機實驗成績實施動態(tài)評價。上機實驗占20%占總成績的60%1.1課程背景

考核辦法過程性考核終結(jié)性考核期末考試平時成績(作業(yè)、出勤等）期中考試參考教材饒妮妮，李凌.生物醫(yī)學(xué)信號處理.成都:電子科技大學(xué)出版社.楊福生，高上凱.生物醫(yī)學(xué)信號處理.北京:高等教育出版社.謝正祥，陳良遲，張世強等.醫(yī)學(xué)信號數(shù)字處理技術(shù)及應(yīng)用.北京:科學(xué)出版社.張賢達.現(xiàn)代信號處理.北京:清華大學(xué)出版社.ReddyD.C.,BiomedicalSignalProcessingPrinciplesandTechniques,McGraw–HillPublishingCompanyLimited,2005

參考教材饒妮妮，李凌.生物醫(yī)學(xué)信號處理.成都:電子科技1.2信號及其類型什么是信號？

傳統(tǒng)定義：傳感器測量的結(jié)果，稱為信號。例如：電路中的電流、大氣壓儀每小時的讀數(shù)、蚊子

嗡嗡的叫聲，

例外，DNA序列信號：

atcgattggccatcgcgcgtata

它是生物與生俱來的一種信號。1.2信號及其類型什么是信號？1.2信號及其類型來自于真實世界的信號各不相同，但大致可分為四種類型：（1）確定性信號（2）隨機信號（3）分形信號（4）混沌信號1.2信號及其類型來自于真實世界的信號各不相同，但大致可分1.2信號及其類型（1）確定信號：有確定的函數(shù)關(guān)系，能準(zhǔn)確預(yù)測未來；或者，已知其過去值，就能準(zhǔn)確預(yù)測其未來值，如正弦波。1.2信號及其類型（1）確定信號：1.2信號及其類型（2）隨機信號即使知道它過去的全部信息，也不能預(yù)測其未來值的一類信號，稱之。注意：隨機信號與噪聲的差別1.2信號及其類型（2）隨機信號1.2信號及其類型（2）隨機信號例如：實驗室用的信號發(fā)生器，會產(chǎn)生一定的噪聲；

自發(fā)腦電信號但有些目前認為是隨機性的事物，往往是因為現(xiàn)在還沒有掌握影響該事物的所有因素所遵循的規(guī)律，這在生物醫(yī)學(xué)信號中很普遍。1.2信號及其類型（2）隨機信號1.2信號及其類型（3）分形信號這類信號在各種尺度下看上去都很類似，具有所謂的“尺度不變性”。1.2信號及其類型（3）分形信號1.2信號及其類型（3）分形信號例如，心率信號和血管分支中的血流信號是分形信號的兩個典型例子。此外，在自然界中也廣泛存在分形特征：

1.2信號及其類型（3）分形信號1.2信號及其類型（3）分形信號一棵植物的枝杈表現(xiàn)出來的分形特征1.2信號及其類型（3）分形信號一棵植物的枝杈表現(xiàn)出來的分1.2信號及其類型（4）混沌信號

不能準(zhǔn)確預(yù)測其未來值的確定性信號。生物中存在大量混沌現(xiàn)象和混沌信號例如，一些免疫和生物化學(xué)的調(diào)控腦電活動呼吸

混沌信號特征：對初始條件十分敏感（初值敏感性）。

1.2信號及其類型（4）混沌信號1.2信號及其類型混沌現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)者：美國麻省理工學(xué)院氣象學(xué)家羅倫茲（Lorenz），混沌理論之父，蝴蝶效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者。他在1963年的一次試驗中，為了更細致地觀察結(jié)果，他把一個中間解0.506取出，提高精度到0.506127再送回。當(dāng)他到咖啡館喝完咖啡回來再看時，竟大吃一驚。本來很小的差異，結(jié)果卻偏離了十萬八千里！再次驗算發(fā)現(xiàn)計算機并沒有毛病，他于是認定這為：“對初始值的極端不穩(wěn)定性”，即：“混沌”，又稱“蝴蝶效應(yīng)”。1.2信號及其類型混沌現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)者：1.2信號及其類型（4）混沌信號

目前，證明信號的混沌性還是一個難題，常用的辦法是利用Lyapunov指數(shù)。注意區(qū)分混沌信號與隨機信號的差別。1.2信號及其類型（4）混沌信號1.2信號及其類型（4）混沌信號A.隨機信號不是混沌的，而混沌信號不是隨機的；B.理論上，混沌信號是確定的，有下列特征：

非漸近周期性無Lyapunov指數(shù)消失最大Lyapunov指數(shù)為正相同的初始值產(chǎn)生相同的軌跡1.2信號及其類型（4）混沌信號1.2信號及其類型（4）混沌信號

隨機信號是非確定的

即使初始狀態(tài)相同，一個隨機過程也會產(chǎn)生不同的信號。目前隨機信號的lyapunov指數(shù)沒有得到定義。

1.2信號及其類型（4）混沌信號1.2信號及其類型（5）噪聲信號中不需要(unwantedorundesired)的成分例如，母親心電和胎兒心電信號自發(fā)腦電和腦誘發(fā)電位

1.2信號及其類型（5）噪聲1.2信號及其類型生物醫(yī)學(xué)信號及其類型

大多數(shù)生物醫(yī)學(xué)信號具有隨機性，難以準(zhǔn)確劃分其類型。

一些表現(xiàn)出周期性，如心電信號、呼吸信號。一些具有隨機性，如腦電信號。采集的生物醫(yī)學(xué)信號伴隨復(fù)雜的干擾和噪聲，淹沒有用信號。

生物醫(yī)學(xué)信號中攜帶大量有用的生物或臨床醫(yī)學(xué)信息，需要通過處理提取有用信息。

1.2信號及其類型生物醫(yī)學(xué)信號及其類型信號處理信號與系統(tǒng)處理：濾波、放大、變換、相關(guān)、

信號處理信號與系統(tǒng)處理生物醫(yī)學(xué)信號

的目的：

去除干擾，例如工頻干擾。提取特征，例如在大量的腦電數(shù)據(jù)中找到感興趣的生理醫(yī)學(xué)解釋。預(yù)測醫(yī)學(xué)信號的未來，例如用采集的電生理信號數(shù)據(jù)預(yù)測可能的病變，實現(xiàn)疾病的早期檢測?！幚砩镝t(yī)學(xué)信號

的目的：

本講總結(jié)第1章生物醫(yī)學(xué)信號概述課件課后作業(yè):

學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)信號處理的目的是什么？列舉4種不同類型的生物醫(yī)學(xué)信號。課后作業(yè):學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)信號處理的目的是什么？1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

來自人體的醫(yī)學(xué)信號分類：A.由生理過程自發(fā)產(chǎn)生的主動信號例如,心電（ECG)、腦電（EEG)、肌電（EMG)、眼電（EOG)、胃電（EGG)等電生理信號，體溫、血壓、脈搏、呼吸等非電生理信號。1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

來自人體的醫(yī)學(xué)信號分類1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介人體作為通道，用外界信號作用于人體后產(chǎn)生的被動信號例如，超聲波、同位素、X射線、CT圖像等1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介（1）ECG–

Electrocardiogram

1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介（1）ECG–Ele1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介（1）ECG在實際應(yīng)用中,進一步分:A.標(biāo)準(zhǔn)臨床ECG,12導(dǎo)聯(lián)采集;B.矢量心電圖VCG,3導(dǎo)聯(lián)采集;

C.監(jiān)護ECG,1or2導(dǎo)聯(lián)采集.1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介（1）ECG1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介ECG信號特征

(1)帶寬:0.05–100Hz

(2)峰值幅度:mV量級處理ECG的主要目的:采用準(zhǔn)確、快速和可靠的信號處理方法估計ECG的重要參數(shù)

QRS復(fù)合波、R–R間期、P波和T波等1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介ECG信號特征1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介（1）ECG–

ElectrocardiogramP波P-R間期QRS波群S-T段T波Q-T間期u波構(gòu)成

1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介（1）ECG–Ele1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介（1）ECG–Electrocardiogram瞬時心率信號：1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介（1）ECG–Ele1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介(2)EEG-Electroencephalogram

EEG是通過電極記錄下來的腦細胞群的自發(fā)性、節(jié)律性電活動。

1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介(2)EEG-El1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

(2)EEG

Caton于1875年首先以電流計從兔子及猴的大腦皮層觀測到了“腦電波”。

自發(fā)腦電

誘發(fā)電位(EP)-施加一個刺激（聲、光或體感刺激）所引起的人腦的微弱電變化。又稱誘發(fā)反應(yīng)、事件相關(guān)電位。

1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

(2)EEG1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

(2)EEG不同狀態(tài)下的EEG1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

(2)EEG1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

(2)EEG信號特征：A.振幅:10-100V;

B.頻率：0.5–40Hz；

波:0.5-3.5Hz，表示睡眠狀態(tài)（有夢或無夢）；(ii)波:3.5–7.5Hz，表示昏昏欲睡狀態(tài)；

(iii)波:7.5–12.5Hz，表示清醒、放松等狀態(tài)；(iv)波:>12.5Hz，表示機警或工作狀態(tài)。1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

(2)EEG信號1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

(3)EMG/肌電信號1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

(3)EMG/肌電信1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

(4)其他醫(yī)學(xué)信號眼電（EOG)、胃電（EGG)血細胞信號：1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

(4)其他醫(yī)學(xué)信號1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

常見人體生理信號的幅值和帶寬1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

常見人體生理信1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介生物醫(yī)學(xué)信號的特點：（1）非常微弱（

V，mV,PA量級）；（2）頻率很低，如：0.05Hz–1Hz(胃電）；（3）干擾與有用信號之間頻帶重復(fù)；（4）復(fù)雜性；（5）隨機、非平穩(wěn)性；（6）噪聲背景強。1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介生物醫(yī)學(xué)信號的特點：1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的特點：（1）生物體，

例如，人體系統(tǒng)(四大系統(tǒng)?)（2）開放性；（3）時變性；（4）非線性；（5）變異性?？偨Y(jié)起來,生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)是十分復(fù)雜的系統(tǒng)。1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的特點：1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介常用信號處理技術(shù)：（1）相關(guān)技術(shù)；（2）傅里葉變換；（3）功率譜估計；（4）維納濾波；（5）卡爾曼濾波；（6）參數(shù)模型法；（7）自適應(yīng)濾波；（8）時頻分析；（9）主成分分析（PCA）、獨立成分分析（ICA）

1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介常用信號處理技術(shù)：ECG處理：心臟中大約200多種疾病可以用ECG來診斷，如房顫（P波消失，代之以f波），心律失常等，因此處理ECG信號在臨床上十分重要。1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

1.3一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號簡介

基本ECG處理：帶通濾波（0.5-40Hz

）滑動平均濾波器去除基線漂移當(dāng)前國內(nèi)外針對房顫信號處理內(nèi)容有：

房顫信號(f波)提取

房顫信號(f波)抑制