課程名稱 生物醫(yī)學(xué)信號的采集和分析

第二章:生物醫(yī)學(xué)信號的采集

(Acquisitionofbiomedicalsignals)生物醫(yī)學(xué)信號及儀器信號的量化采集數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型采集系統(tǒng)介紹NankaiUniversity,CYLI,9/12/20231Biomedicalsignalprocessing生物醫(yī)學(xué)信號生物醫(yī)學(xué)信號涉及生物體各層次的生理、生化和生物信號，這些信息以物理量、化學(xué)量或生物量變化的形式表現(xiàn)出來，如心電、腦電、肌電、眼電、等生物電信號；血壓、體溫、呼吸、血流、脈搏等非電生理信號；血液、尿液、血?dú)獾壬锘瘜W(xué)量信號；酶、蛋白、抗體、抗原等生物量信號。利用生物醫(yī)學(xué)傳感器將生物信息轉(zhuǎn)換成易于測量和處理的信號，一般為電信號，以便進(jìn)一步處理，以了解生命活動的規(guī)律和本質(zhì)，為醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷服務(wù)。NankaiUniversity,CYLI,9/12/20232Biomedicalsignalprocessing生物醫(yī)學(xué)信號的特點(diǎn)生物醫(yī)學(xué)信號的特點(diǎn)低幅(mV,μV)、低頻、高噪聲、隨機(jī)性強(qiáng)(多為非平穩(wěn)信號)；有效地檢測生物醫(yī)學(xué)信號傳感器具有靈敏度高、噪聲小、抗干擾能力強(qiáng)、分辨力強(qiáng)、動態(tài)特性好。有效信號提取和分析的手段，高性能的信號調(diào)理系統(tǒng)。NankaiUniversity,CYLI,9/12/20233Biomedicalsignalprocessing生物醫(yī)學(xué)儀器分類:診斷儀器和治療儀器.診斷儀器,尋找對診斷有意義的具有某種特征的信號或信號的某種特征量,治療儀器，需要確定特征信號的存在或用信號特征量的大小去控制治療部分。提取特征信息:信號并不能直接提供這些信息，需要用信號處理方法去提取特征信息。如

EEG,ECG的一些特征參量。NankaiUniversity,CYLI,9/12/20234Biomedicalsignalprocessing提取信號特征手段:信號處理用DSP方法,預(yù)處理、譜分析、波形分析、建立模型等多種,其中對信號的預(yù)處理是關(guān)鍵。預(yù)處理:對生物醫(yī)學(xué)信號的消噪和信號增強(qiáng)。常用到各種濾波技術(shù)，例如，維納濾波、卡爾曼濾波、自適應(yīng)方法等技術(shù)。NankaiUniversity,CYLI,9/12/20235Biomedicalsignalprocessing數(shù)字信號處理技術(shù)由于計(jì)算機(jī)的普及與發(fā)展以及DSP的通用性和靈活性，已成為了信號處理技術(shù)的主流。DSP的前提是，對模擬信號數(shù)字化,即模數(shù)轉(zhuǎn)換（analogtodigital,A/D），并傳入計(jì)算機(jī)，如何保證模擬信號的數(shù)字化不失真？采樣定理，NankaiUniversity,CYLI,9/12/20236Biomedicalsignalprocessing時域采樣的頻譜混疊在采樣頻率fs=40Hz時，f2=50Hz的取樣信號混疊到f1=10Hz的取樣信號上，稱50Hz為10Hz的混疊頻率。NankaiUniversity,CYLI,9/12/20237Biomedicalsignalprocessing時域采樣的混疊頻率以采樣間隔Ts對一連續(xù)時間的正弦信號進(jìn)行均勻采樣，原信號頻率的混疊頻率NankaiUniversity,CYLI,9/12/20238Biomedicalsignalprocessing采樣定理(1)連續(xù)信號x(t),

其頻譜X(f),以采樣周期T采的離散信號x(nT),

當(dāng)信號滿足兩個條件:如果信號x(t)的功率譜是限帶的，其最高頻率成分的頻率為fmax,

當(dāng)采樣間隔T<1/(2fmax)時，即采樣頻(速)率fs>2fmax時，離散時間信號可以準(zhǔn)確的恢復(fù)原信號。NankaiUniversity,CYLI,9/12/20239Biomedicalsignalprocessing采樣定理(2)恢復(fù)的連續(xù)信號:NankaiUniversity,CYLI,9/12/202310Biomedicalsignalprocessing采樣定理（3）Niquistfrequency(奈奎斯特頻率)，2fmax稱為最低的采樣速率或奈奎斯特頻率。Ts=1/（2fmax）稱為最大允許的取樣間隔。NankaiUniversity,CYLI,9/12/202311Biomedicalsignalprocessing采樣定理中兩個條件的物理意義連續(xù)信號x(t)頻譜范圍是有限的,即信號的頻率f在0<=f<=fmax之間;采樣周期T不能大于信號最大周期(1/fmax)的一半,T<1/(2fmax)采樣定理不適用的情況;fs=2fmax如當(dāng)T=1/(2fmax),phi=0,x(nT)=0,采樣信號為0,原模擬信號無法恢復(fù),NankaiUniversity,CYLI,9/12/202312Biomedicalsignalprocessing頻率混淆的舉例當(dāng)采樣周期T過大時,會使得x(t)中的高頻成分|f|>1/(2T)被疊加到低頻成分|f|<1/(2T)上去,即頻率混淆,舉例：當(dāng)fs=500Hz,f0=100Hz,fA可能為:400Hz,600Hz,900Hz等,當(dāng)信號含有這些成分時,會與100Hz低頻成分產(chǎn)生混淆,Nextslide:bottom,f=100Hz,middle:f=400Hz,top:f=900HzNankaiUniversity,CYLI,9/12/202313Biomedicalsignalprocessing頻率混淆NankaiUniversity,CYLI,9/12/202314Biomedicalsignalprocessing消除混頻的措施頻域衰減較快的信號,提高采樣頻率,但當(dāng)T過小時,會增加計(jì)算機(jī)內(nèi)存占用量和計(jì)算量,并使得頻率分辨率降低,頻域衰減較慢的信號,用消除頻混濾波器(有良好截止特性的低通濾波器),截至頻率為fmax,將x(t)不需要的高頻成分濾掉,二者的聯(lián)合:先經(jīng)消除頻混濾波器濾波后,然后提高采樣頻率,NankaiUniversity,CYLI,9/12/202315Biomedicalsignalprocessing采樣技術(shù)常規(guī)采樣f=Kfmax,數(shù)據(jù)存儲容量:S=t/T=Kfmaxt間歇采樣間歇和采樣時間比為a,S=1/(1+a)*Kfmaxt變頻采樣根據(jù)信號的變化情況，隨時改變采樣頻率NankaiUniversity,CYLI,9/12/202316Biomedicalsignalprocessing典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器(transducer)信號調(diào)理（what’sthepurpose?）模數(shù)轉(zhuǎn)換(parameters?)時間邏輯控制單元(timelogiccontrollingunit)計(jì)算機(jī)接口(computerinterface)計(jì)算機(jī)NankaiUniversity,CYLI,9/12/202317BiomedicalsignalprocessingAmulti-channelsystemtransducersanalogchannelamplifiers(signalconditioning);;analogmultiplexersanddigitaldemulplexers;A/Dconverter(s);timinglogiccontroller;computerandI/Ointerface;powersupplyunit,NankaiUniversity,CYLI,9/12/202318BiomedicalsignalprocessingBlockdiagramAmpS/HMulDemulControllingUnitComputerTransducersA/DNankaiUniversity,CYLI,9/12/202319Biomedicalsignalprocessing傳感器（transducer）根據(jù)信號的物理特性,力熱光電，選用合適的換能器,把信號轉(zhuǎn)換稱為電信號。特殊性,就生物醫(yī)學(xué)信號而言,應(yīng)考慮其特殊性,例如,安全性,適應(yīng)性等.NankaiUniversity,CYLI,9/12/202320Biomedicalsignalprocessing傳感器（transducer）Force&displacementBloodpressureNon-invasiveBPPulsetransducerElectrode(biopotential)TemperatureNankaiUniversity,CYLI,9/12/202321BiomedicalsignalprocessingForcetransducerNankaiUniversity,CYLI,9/12/202322BiomedicalsignalprocessingPulsetransducerBloodpressureNankaiUniversity,CYLI,9/12/202323BiomedicalsignalprocessingElectrodesNankaiUniversity,CYLI,9/12/202324Biomedicalsignalprocessing信號調(diào)節(jié)(SignalConditioning)放大和多路選通,把經(jīng)過換能器輸出的電信號經(jīng)過放大(amplify)、濾波(filtering)、采樣/保持(sample/hold)等處理，對于多信號系統(tǒng)（多通道），還包括多路選擇以及多通道的同時采樣(S/H,sampleandhold).對各種功能參數(shù)的調(diào)節(jié)可以用計(jì)算機(jī)程控(Programmable),NankaiUniversity,CYLI,9/12/202325Biomedicalsignalprocessing量化部分連續(xù)時間信號-->離散時間信號離散時間信號-->A/D-->數(shù)字信號(digitalsignals)NankaiUniversity,CYLI,9/12/202326Biomedicalsignalprocessing采集(sampling)均勻采集:采樣間隔為T,x(t)-->x(nT),n=1,2,…,不需存儲時間信息,非均勻采樣:當(dāng)信號是由速變段和靜息段構(gòu)成時,速變段-->減小T,靜息段-->增加T,要存儲時間信息,NankaiUniversity,CYLI,9/12/202327Biomedicalsignalprocessing

非均勻采樣自適應(yīng)的非均勻采樣靜息狀態(tài),不采樣,變化快時采樣,非均勻采樣編碼技術(shù)(NSE)每個樣本的編碼信息:本次采樣和前一次采樣之間的時間間隔和它的穿越方向,4bits:3bits-->time,1bit->穿越方向NankaiUniversity,CYLI,9/12/202328BiomedicalsignalprocessingA/D轉(zhuǎn)換對于A/D轉(zhuǎn)換器的選取,取決于信號的特性、采樣速度、A/D轉(zhuǎn)換器的性能等多種因素，對多通道系統(tǒng),有單A/D轉(zhuǎn)換器和多個A/D轉(zhuǎn)換器單A/D轉(zhuǎn)換器:快速轉(zhuǎn)換,無通道間差異,多個A/D轉(zhuǎn)換器,對轉(zhuǎn)換速度要求低,易造成通道間差異,NankaiUniversity,CYLI,9/12/202329BiomedicalsignalprocessingA/Dconverter片選，開始轉(zhuǎn)換信號，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，數(shù)字地，模擬地，模擬輸入，數(shù)字輸出，轉(zhuǎn)換時間，轉(zhuǎn)換速率，輸入、輸出參考，NankaiUniversity,CYLI,9/12/202330Biomedicalsignalprocessing數(shù)據(jù)采集板（DAQ）在一塊印刷電路板上,集成模擬多路開關(guān)程控放大器采樣/保持器A/D和D/A轉(zhuǎn)換器舉例,MS-1241A接口板,一片A/D,兩片D/A,32路多路開關(guān),S/H和程控放大器,并行I/O接口,定時計(jì)數(shù)通道等,功能:選址,設(shè)置增益,模擬和數(shù)字量的輸入輸出,定時計(jì)數(shù)等,工作過程:用BASIC等高級語言、匯編語言加以控制,PCI2000:12位單端32/雙端16通道100KA/D卡，帶DC-DC，自動切換通道，可選0-10V、±5V、±10V輸入，程控增益1、2、4、8或1、10、100、10000，帶開關(guān)量輸入輸出各16路，支持查詢、中斷兩種工作方式。

單價：￥2280元NankaiUniversity,CYLI,9/12/202331Biomedicalsignalprocessing

NankaiUniversity,CYLI,9/12/202332Biomedicalsignalprocessing采樣控制單元(controllingunit)和時間邏輯控制單元采樣控制單元:計(jì)算機(jī)可以通過I/O口來編程控制采集系統(tǒng)的參數(shù)，采樣速率，放大器的參數(shù)等時間邏輯控制單元:Microcontroller或FPGA等一些可變程器件，控制和協(xié)調(diào)整個采樣過程的時間邏輯,NankaiUniversity,CYLI,9/12/202333Biomedicalsignalprocessing控制和采樣軟件用匯編語言、高級語言（C等）編程，使系統(tǒng)按設(shè)計(jì)要求工作，包括：控制采集系統(tǒng)的各種設(shè)置，采樣和信號儲存，數(shù)字信號處理，NankaiUniversity,CYLI,9/12/202334Biomedicalsignalprocessing實(shí)例：256channelsystemActiveTwosystembyBioSemi.256channelAD-boxwithbatteryNankaiUniversity,CYLI,9/12/202335Biomedicalsignalprocessing數(shù)字信號處理離線(offline)處理，現(xiàn)在與有很多DSP的軟件包。實(shí)時(realtime)或在線(online)處理，要求處理速度足夠快，占用的內(nèi)存空間也有一定的限制，有時采用專用DSP處理器。MatLab中的DSP工具箱，Labview也有相應(yīng)的功能。NankaiUniversity,CYLI,9/12/202336Biomedicalsignalprocessing典型系統(tǒng)的介紹,Threesystems

LabVIEW（），虛擬儀器(virtualinstrument)的數(shù)據(jù)采集，生物醫(yī)學(xué)信息采集系統(tǒng):PowerlaborBiopac

PowerLab的公司,ADInstrumentsPtyLtd,總部在澳大利亞,homepage:Biopac，USA，http://NankaiUniversity,CYLI,9/12/202337BiomedicalsignalprocessingLabVIEWNationalInstrumentsisaleadingsupplierofcomputer-basedinstrumentationhardwareandsoftwareproductsforengineersandscientists.Wecreateflexibleapplicationsoftwareandmodular,multifunctionhardwarethatcombineswithindustry-standardpersonalcomputersandworkstationstocreateuser-defined"virtualinstruments."Withvirtualinstr