生物醫(yī)學信號處理

1、生物醫(yī)學信號處理生物醫(yī)學信號簡介 生物醫(yī)學信號處理是生物醫(yī)學工程學的一個重要研究領域，也是近年來迅速開展的數(shù)字信號處理技術的一個重要的應用方面 數(shù)字信號處理技術和生物醫(yī)學工程的嚴密結合，使我們在生物醫(yī)學信號特征的檢測、提取及臨床應用上有了新的手段，因而也幫助我們加深了對人體自身的認識。生物醫(yī)學信號簡介 人體中每時每刻都存在著大量的生命信息。由于我們的身體整個生命過程中都在不斷地實現(xiàn)著物理的、化學的及生物的變化，因此所產(chǎn)生的信息是極其復雜的。 我們可以把生命信號概括分為二大類：化學信息 物理信息生物醫(yī)學信號的簡介 化學信息：指組成人體的有機物在發(fā)生變化時所給出的信息，它屬于生物化學所研究的范疇。

2、 物理信息：指人體各器官運動時所產(chǎn)生的信息。物理信息所表現(xiàn)出來的信號又可分為電信號和非電信號兩大類。生物醫(yī)學信號簡介 人體電信號： 體表心電信號、腦電、肌電、眼電、胃電等在臨床上取得了不同程度的應用。 人體磁場信號檢測近年來也引起了國內外研究者和臨床的高度重視，我們把磁場信號也可歸為人體電信號。生物醫(yī)學信號簡介 人體非電信號： 如體溫、血壓、心音、心輸出量及肺潮氣量等，通過相應的傳感器，即可轉變成電信號。 電信號是最便于檢測、提取和處理的信號。 上述信號是由人體自發(fā)生產(chǎn)的，稱為 “主動性信號。生物醫(yī)學信號簡介 “被動性信號：人體在外界施加某種刺激或某種物質時所產(chǎn)生的信號。 如誘發(fā)響應信號，即是

3、在刺激下所產(chǎn)生的電信號，在超聲涉及X 射線作用下所產(chǎn)生的人體各部位的超聲圖象、X 射線圖象等也是一種被動信號。這些信號是我們進展臨床診斷的重要工具。 生物醫(yī)學信號簡介 我們所研究的生物醫(yī)學信號即是上述的包括： 主動的 被動的 電的和非電的人體物理信息。 生物醫(yī)學信號的特點 1信號弱 2噪聲強 3頻率范圍一般較低 4隨機性強 生物醫(yī)學信號的特點 信號弱：直接從人體中檢測到的生理電信號其幅值一般比較小。 如從母體腹部取到的胎兒心電信號僅為1050V， 腦干聽覺誘發(fā)響應信號小于1V， 自發(fā)腦電信號約5150V， 體表心電信號相對較大，最大可達5。 因此，在處理各種生理信號之前要配置各種高性能的放大器

4、。 生物醫(yī)學信號的特點 噪聲強:噪聲指其它信號對所研究對象信號的干擾。 如電生理信號總是伴隨著由于肢體動作、精神緊張等帶來的干擾，而且?；煊休^強的工頻干擾； 誘發(fā)腦電信號中總伴隨較強的自發(fā)腦電； 從母腹取到的胎兒心電信號常被較強的母親心電所淹沒。這給信號的檢測與處理帶來了困難。 因此要求采用一系列有效去除噪聲的算法。 生物醫(yī)學信號的特點 頻率范圍一般較低：經(jīng)頻譜分析可知，除聲音信號如心音頻譜成分較高外，其它電生理信號的頻譜一般較低。如心電的頻譜為0.0135，腦電的頻譜分布在l30之間。 因此在信號的獲取、放大、處理時要充分考慮對信號的頻率響應特性。局部生物醫(yī)學信號參數(shù) 生物醫(yī)學信號的特點 隨

5、機性強：生物醫(yī)學信號是隨機信號，一般不能用確定的數(shù)學函數(shù)來描述 它的規(guī)律主要從大量統(tǒng)計結果中呈現(xiàn)出來，必須借助統(tǒng)計處理技術來檢測、辨識隨機信號和估計它的特征。 而且它往往是非平穩(wěn)的，即信號的統(tǒng)計特征如均值、方差等隨時間變化而改變。 這給生物醫(yī)學信號的處理帶來了困難。生物醫(yī)學信號處理的主要任務 研究不同生物醫(yī)學信號檢測和提取的方法； 研究突出信號本身、抑制或除去噪聲的各種算法； 研究對不同信號的特征的提取算法； 研究信號特征在臨床上的應用。生物醫(yī)學信號的檢測處理方法概述 生物醫(yī)學信號檢測方法 生物醫(yī)學信號處理方法 數(shù)字信號處理的特點生物醫(yī)學信號檢測 對生物體中包含的生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質和成分等信

6、息進展檢測和量化的技術。 涉及到人機接口技術、低噪聲和抗干擾技術、信號拾取、分析與處理技術等工程領域，也依賴于生命科學如細胞生理、神經(jīng)生理等研究的進展。信號檢測一般需要通過以下步驟： 生物醫(yī)學信號通過電極拾取或通過傳感器轉換成電信號，經(jīng)放大器及預處理器進展信號放大和預處理，然后經(jīng)轉換器進展采樣，將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，輸入計算機，然后通過各種數(shù)字信號處理算法進展信號分析處理，得到有意義的結果。 心電電極、心音傳感器、導聯(lián)線心電電極、心音傳感器、導聯(lián)線心電、心音信號放大器心電、心音信號放大器數(shù)據(jù)采集卡轉換卡數(shù)據(jù)采集卡轉換卡生物醫(yī)學信號檢測系統(tǒng)生物醫(yī)學傳感器 獲取生物醫(yī)學信息并將其轉換成易于測量

7、和處理的信號的關鍵器件 應用電極可檢測心電、腦電、肌電、眼電和神經(jīng)電等各種生物電信號； 物理傳感器已用于血壓、血流、體溫，心音、脈搏、呼吸等各種生理量的測量；生物醫(yī)學傳感器 應用化學傳感器可檢測血、尿等體液中多種離子濃度； 用于檢測酶、抗原、抗體、神經(jīng)遞質、激素、受體、和 等生物活性物質的生物傳感器亦在研究及迅速開展之中； 心磁、腦磁等生物磁信號的檢測方法的研究正在受到重視。生物醫(yī)學信號處理方法生物醫(yī)學信號處理方法時域方法方法 方法原是通信研究中用于提高信噪比的一種疊加平均法,在醫(yī)學研究中也叫平均誘發(fā)反響法,簡稱( )方法。 所謂誘發(fā)反響就是肌體對某個外加刺激所產(chǎn)生的反響方法常用來檢測那些微弱

8、的生物醫(yī)學信號,如希氏束電圖、腦電圖、耳蝸電圖等。希氏束電圖的信號幅度僅110V,它們在用方法檢測之前,幾乎或完全淹沒在很強的噪聲中,這些噪聲包括自發(fā)反響、外界干擾、儀器噪聲。方法要求噪聲是隨機的,并且其協(xié)方差為零,信號是周期或重復產(chǎn)生的,這樣經(jīng)過N平方次疊加,信噪比可提高N倍,使用方法的關鍵是尋找疊加的時間基準點。頻域濾波方法 頻域濾波是數(shù)字濾波中常用的一種方法,是消除生物醫(yī)學信號中噪聲的另一種有效方法。當信號頻譜與噪聲頻譜很小時,可用頻域濾波的方法來消除干擾,頻域濾波器可分為兩類濾波器, 濾波器的設計方法主要有:窗函數(shù)法,頻率采樣法; 濾波器, 濾波器的主要設計方法有:沖激響應不變法,雙線

9、性變換法。小波分析方法 小波分析是傳統(tǒng)傅里葉變換的繼承和開展。由于小波的多分辨分析( )具有良好的空間域和頻率域局部化特性,對高頻采用逐漸精細的時域或空域取樣步長,可以聚焦到分析對象的任意細節(jié),從這個意義上講,它已被人們譽為數(shù)學顯微鏡。目前,在心電數(shù)據(jù)的壓縮、生物醫(yī)學信號的信噪別離、波的綜合檢測、腦電圖的時頻分析、信號的提取與奇異性檢測等方面有了廣泛的應用。自適應濾波方法 自適應濾波器能夠跟蹤和適應系統(tǒng)或環(huán)境的動態(tài)變化,它不需要事先知道信號或噪聲的特性,通過采用期望值和負反響值進展綜合判斷的方法來改變?yōu)V波器的參數(shù)。自適應濾波器的設計有兩種最優(yōu)準那么,一種準那么是使濾波器的輸出到達最大的信噪比,

10、稱為匹配濾波器;另一種準那么是使濾波器的輸出均方估計誤差為最小,這就是維納(W )濾波器?；煦?)和分形()方法 混沌和分形理論是一種非線性動力學課題,混沌系統(tǒng)的最大特點是初值敏感性和參數(shù)敏感性,即所謂的蝴蝶效應?；煦鐚W研究的是無序中的有序,許多現(xiàn)象即使遵循嚴格確實定性規(guī)那么,但大體上仍是無法預測的,比方大氣中的湍流、人心臟的跳動等?；煦缡录诓煌臅r間標度下表現(xiàn)出相似的變化模式,與分形在空間標度下表現(xiàn)十分相象,但混沌主要討論非線性動力系統(tǒng)的不穩(wěn)、發(fā)散的過程。混沌與分形在腦電信號處理的應用中尤為引人注目。人工神經(jīng)網(wǎng)絡分析方法 人工神經(jīng)網(wǎng)絡是一種模仿生物神經(jīng)元構造和神經(jīng)信息傳遞機理的信號處理方法

11、,是由大量簡單的根本單元(神經(jīng)元)相互廣泛聯(lián)接構成的自適應非線性動態(tài)系統(tǒng),其特點是：1并行計算,因此處理速度快;2分布式存貯,因此容錯能力較好;3自適應學習。生物醫(yī)學工程工作者采用神經(jīng)網(wǎng)絡的方法來解釋許多復雜的生理現(xiàn)象,例如心電和腦電的識別,心電信號的壓縮和醫(yī)學圖像的識別和處理。神經(jīng)網(wǎng)絡在微弱生理電信號的檢測和處理應用主要集中在對自發(fā)腦電的分析和腦干聽覺誘發(fā)電位的提取。數(shù)字信號處理的特點 自1960年以來，隨著計算機技術和現(xiàn)代信息技術的飛速開展，產(chǎn)生了一門新的獨立學科體系：數(shù)字信號處理 , 。 數(shù)字信號處理是利用計算機或專用處理芯片，以數(shù)值計算的方法對信號進展采集、分析、變換、識別等加工處理，從而到達提取信息和便于應用的目的。數(shù)字信號處理的特點 算法靈活 運算準確 抗干擾性強 速度快 此外，數(shù)字系統(tǒng)還具有設備尺寸小，造價低，便于大規(guī)模集成，便于實現(xiàn)多維信號處理等突出優(yōu)點。生物醫(yī)學信號處理應用實例用數(shù)字濾波器同時消除心電信號中工頻干擾和基線漂移心電信號中的干擾噪聲：1工頻干擾2電極接觸噪聲3運動偽跡4呼吸引起的基線漂移心電信號心電信號生物醫(yī)學信號處理應用實例工頻干擾的抑制一平滑濾波要求心電信號滿足滿足以下兩個條件：1、采樣頻率應是工頻干擾的整數(shù)倍2、一個工頻干擾周期T內,工頻干擾采樣點的幅值的代數(shù)和為零2列夫科夫濾波法及其改進濾波方法的原理是從原始心電信號中直