第一章 生物醫(yī)學信號概論

《生物醫(yī)學信號處理》《BiomedicalSignalProcessing》生物醫(yī)學工程教研室1課程教學安排總學時：54學時課堂講授：36學時生物醫(yī)學信號基礎實驗：10學時生物醫(yī)學信號綜合、設計性實驗：8學時

2考試成績結構總分：100分

其中期末考試成績占60％平時成績占10％（作業(yè)、出勤、課堂讀書筆記、小測驗等）實驗單獨按百分制計成績占30％3第一章

生物醫(yī)學信號概論第一節(jié)學習生物醫(yī)學信號處理的理由

第二節(jié)信號及其類型第三節(jié)一些典型的生物醫(yī)學信號簡介第四節(jié)處理生物醫(yī)學信號的目的

4第一節(jié)

學習生物醫(yī)學信號處理的理由生物醫(yī)學工程是一個應用性的研究領域《生物醫(yī)學信號處理》是該專業(yè)的主干課程作為一名生物醫(yī)學工程師應該掌握信號處理的定性描述并具備應用定量分析方法解決生物醫(yī)學問題的技能。5第一節(jié)

學習生物醫(yī)學信號處理的理由生物醫(yī)學信號處理將教給學生兩種主要技能：（1）為了提取原始的生物醫(yī)學信息，獲取和處理生物醫(yī)學信號的技能；（2）解釋處理結果性質的技能。

6第一節(jié)

學習生物醫(yī)學信號處理的理由大多數(shù)信號處理教材強調計算和算法生物醫(yī)學信號處理不是信號處理內容的枯糙重復本課程的宗旨是通過許多具體生物醫(yī)學信號處理實例，將真實世界與理論研究聯(lián)系起來，并指導學生如何應用一項理論去解決一個具體的生物醫(yī)學問題。7第一節(jié)

學習生物醫(yī)學信號處理的理由《生物醫(yī)學信號處理》課程應該包含以下四個重要內容：（1）測量生物醫(yī)學信號，即量化和校正測量儀器對待測信號的影響。（2）操作（即濾波）生物醫(yī)學信號，即識別和分離信號中的有用成份和無用成份。（3）定量描述生物醫(yī)學信號，即揭示產生生物醫(yī)學信號的本質，根據(jù)第二步得出的結果預測信號未來的行為。（4）探測生物醫(yī)學信號源，即描述一個生物醫(yī)學物理系統(tǒng)的輸入與輸出信號之間內在聯(lián)系。8第二節(jié)

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

9第二節(jié)

信號及其類型

四種類型信號的例子

10第二節(jié)

信號及其類型確定性信號是學生最熟悉的一類信號這類信號在真實世界中則較少出現(xiàn)所謂確定性信號是指在已知足夠過去值的條件下，能夠準確預測該信號未來值的一類信號例如，正弦波信號ASint換句話說，只要能夠用數(shù)學封閉表達式來表達的一類信號就是確定的信號。11第二節(jié)

信號及其類型既使信號的全部過去值已知，也不能準確預測其未來值的一類信號稱為隨機信號。例如，測量儀器中電流產生的噪聲就是一類常見的隨機信號大多數(shù)生物醫(yī)學信號包含有隨機信號嚴格地說，實際的物理信號總具有某些隨機因素。

12第二節(jié)

信號及其類型分形信號具有十分有趣的特性，即它們在各種放大倍數(shù)下看上去都很類似，這種特性稱為尺度不變性。

生物醫(yī)學系統(tǒng)中存在分形信號在過去十多年里已經(jīng)取得了廣泛共識。心率信號是分形信號的一個典型例子。13第二節(jié)

信號及其類型分形信號例子14第二節(jié)

信號及其類型定義：混沌信號是一類不能準確預測其未來的確定性信號。混沌信號定義上的矛盾可用其初值敏感性來解釋。混沌信號在視覺上具有隨機信號的一些特征，但是隨機信號不是混沌的，混沌信號也不是隨機的。

15第二節(jié)

信號及其類型學者們認識到生物醫(yī)學系統(tǒng)能夠產生混沌行為也只是近十來年的事情?，F(xiàn)在要證明一個信號是混沌的仍然很困難，發(fā)展新的證明方法是一項有價值的研究課題。

16第二節(jié)

信號及其類型舉例生物化學的調控過程展現(xiàn)為混沌行為；腦電活動和呼吸也具有混沌特征；從多細胞振蕩器到單個神經(jīng)元等神經(jīng)生理系統(tǒng)也已經(jīng)報道展現(xiàn)出混沌現(xiàn)象。17第三節(jié)

一些典型的生物醫(yī)學信號簡介生物醫(yī)學信號大致有兩類：

(1)由生理過程自發(fā)或者誘發(fā)產生的電生理信號和非電生理信號。電生理信號例子：EGG/胃電、ECG/心電、

EEG/腦電、EMG/肌電、EOG/眼電非電生理信號例子：體溫、血壓、脈搏、呼吸、18第三節(jié)

一些典型的生物醫(yī)學信號簡介（2）外界施加于人體、把人體作為通道、用以進行探查的被動信號如超聲波、同位素、X射線等。關于生理、病理狀況的信息將通過被動信號的某些參數(shù)來攜帶。

19第三節(jié)

一些典型的生物醫(yī)學信號簡介人體生理信號的幅值和帶寬20第三節(jié)

一些典型的生物醫(yī)學信號簡介ECG/心電信號：ECG記錄了胸部電極上的電位（或兩個電極之間的電位差），反映了心肌中的時變電活動，而這些電活動與動作電位的產生和傳播相關。每一次心跳產生一個電波（P、Q、R、S和T波）序列。

21第三節(jié)

一些典型的生物醫(yī)學信號簡介EEG/腦電信號：22EEG信號23第三節(jié)

一些典型的生物醫(yī)學信號簡介EMG/肌電信號：

24第三節(jié)

一些典型的生物醫(yī)學信號簡介血細胞信號：心率信號：25第四節(jié)

處理生物醫(yī)學信號的目的信號處理定義為對一個信號的操作，并達到以下目的：（1）從信號中提取信息；（2）提取有關兩個信號（或更多關系的信息；（3）產生一種信號的表達式。

26第四節(jié)

處理生物醫(yī)學信號的目的處理生物醫(yī)學信號的動機可歸納如下

（1）去除不需要的信號成份，因為它們污染了感興趣的信號；（2）用更明顯或更有用的形式表達提取的信息；（3）為了預期信號源的行為，預測信號的未來值。27第四節(jié)

處理生物醫(yī)學信號的目的第一個動機可通過濾波處理來完成，以后各章幾乎都涉及到從信號中去除躁聲的問題。問題的關鍵在于用戶必須決定什么是有用信號和什么是噪聲。

28第四節(jié)

處理生物醫(yī)學信號的目的ECG信號受工頻干擾，經(jīng)濾波后的實例：29第四節(jié)

處理生物醫(yī)學信號的目的關于第二個動機：

生物醫(yī)學工程師常將信號分解為基本信號類型的和，以檢查異常信號并發(fā)現(xiàn)疾病。

這些方法中有許多需要利用付里葉變換中的特性，例如，心臟阻塞，幾至幾十秒的血壓振蕩等幾種心呼吸疾病的表達就是如此。

另一方面，我們也會發(fā)現(xiàn)許多生物醫(yī)學信號并不服從上述付里葉變換的基本特性（從實際的角度，不是從數(shù)學的角度）：即信號不能夠表達為正弦和。

因此，我們需要發(fā)展新的方法，將信號分解為基本的信號類型，以更好地代表生物醫(yī)學信號的屬性。30第四節(jié)

處理生物醫(yī)學信號的目的在兩種情況下通常需要預測信號的未來值：

第一，控制行為的時候。例如，通過周期性注射胰島素來控制血液葡萄糖的含量。由于任何控制行動都需要一定時間之后才能知道效果，所以如果我們能在短時間內預測到控制行動將產生的效果，則對病人就十分有用。

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