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1、 专论 关于人体信号和医学超声信号 王威琪 周国辉 汪源源 他得安 余建国 作者单位: 200433上海,复旦大学电子工程系 一、 引言 疾病的危险程度可以分为高、 中、 低三等。目前 临床检查手段又可分为侵入及损伤、 微侵入及微损 伤、 非侵入及无损伤,显然非侵入及无损伤的检查手 段受到各种患者和健康检查者的欢迎。见表1。 表1 疾病的危险程度与患者对不同检查手段的态度 危险程度非侵入微侵入侵入 低接受不确定不接受 中接受接受不确定 高接受接受接受 各种检查手段都需要对人体信号进行研究,特 别是非侵入及无损伤的检查手段,往往显得信噪比 较低,此时更需对人体信号有深入的研究。 人体信号分为两类
2、:主动信号和被动信号,前者 可看成由人体发出的信号,例如心电、 脑电等电信 号,心磁、 脑磁等磁信号,此时人体被视为一个有源 网络(信号发生器)。后者可被看成外源激励人体 后产生的响应,此时人体被视为无源网络,激励人体 的外源为X线、 激光、 超声等。 二、 人体信号的特点 影响人体信号的因素很多,它们所遵循的规律 尚未被人类认识清楚。一般不可能用确定的显函数 来描述,它的规律从大量统计结果中呈现出来。人 体信号是复杂信号,其主要特点在于随机性强、 背景 噪声强。 1.随机性强:如图1所示,信号可分为确定性信 号和随机性信号。人体信号因人而异,即使同一个 人,也因时而异,有意义的信息往往在变异
3、性之中。 人体信号的统计特性随时间而变,是随机性信号中 的非平稳信号。人体具有适应能力,心率、 血压随运 动甚至随精神状态而变。 非平稳信号至今尚无统一处理方法,一般采用 自适应处理技术,使被处理的参数自动地随信号的 非平稳性而变。当信号非平稳变化不太快时,可以 把它作为分段平稳的准平稳信号来处理,例如血流 准平稳时间段取812 ms。人体信号可以看成是 一个准平稳信号,既具有短时间的平稳特性,又具备 长时间的非平稳性质。 平稳信号分两类:如果所有样本在固定时刻的 统计特性和单一样本在全时间上的统计特征一致, 称各态历经。反之,称非各态历经。信号是否平稳 且各态历经,往往不容易预先判断。习惯上
4、总是找 出准平稳段,且假设各态历经,这样可取单个样本来 分析它的统计特性。由处理结果再与实际情况对照 来判断假设的正确性。人体信号往往就是这样进行 处理。 此外,许多人体主动(自发)信号,例如心电,都 有周期重复的节律性,可以作为周期重复信号来处 理。这只是为了处理方法的简便,而将人体信号视 为图1所示左下角的周期性信号。严格地说,人体 信号是右下角的非各态历经信号,所以理论上处理 的结果必须要与实践中的结果进行对照,以决定是 否要进一步修改理论上的假设。 图1 信号的分类 顺便指出,从事超声诊断的医生,特别是心脏超 声诊断医生,往往喜欢使用血流能量图。其实只要 生命不止,人体信号在时间上就会
5、无限延续,其能量 也就无穷,因此只能关注其一个心动周期的平均能 量,即功率。人体信号属于功率信号。只有生命的 最后一刻,人体信号成为非周期性信号,才成为持续 时间有限,能量有限。目前我国超声诊断界习惯称 呼的能量图,应正名为功率图。当初第一位国人医 生将Power误译成能量,后人就跟着叫,也就习惯成 自然了。 383现代临床医学生物工程学杂志2006年第12卷第5期 J Mod ClinMed Bioeng, October 2006, Vol12 No. 5 2.背景噪声强:举一个例子:母体血流信号,组 织回波要比胎儿血流信号强得多,在检测胎儿血流 时,前者视为后者(信号)的噪声。 噪声与信
6、号的结合方式有3种:加法性,乘法 性,卷积性。 加法性: x ( t)= s( t) + n ( t) 乘法性: x ( t)= s( t) n ( t) 卷积性: x ( t)= s( t) 3 n ( t) 如何去噪声,是人体信号研究中的一个重要内 容。不过,不论是乘法性噪声还是卷积性噪声,去噪 声问题都可最后归纳为对加法性噪声的处理。这是 因为: 将乘法性噪声取对数,成为对数域上的加法 性噪声 log x ( t) = log s( t)n ( t) = log s( t) +logn ( t) 将卷积性噪声先变换后取对数,成为变换域 中对数域上的加法性噪声 F x ( t) = F s
7、( t)3n ( t) = Fs( t) Fn ( t) logFs( t) F n ( t) = logFs( t) + logFn ( t) 三、 检测和估计方法 统计判断的两项基本任务是检测和估计。 1.检测问题:当确定性信号淹没在噪声中时,如 果该信号的波形已知,就不需要估计信号的波形,主 要任务是判断所观察(接收)到的结果中是否存在 该已知波形。例如向人体发射波形已知的探测信号 (超声脉冲 ) , 再检测接收波形中有无此信号从组织 界面反射的回波。 从噪声背景下检测已知信号的主要工具是匹配 滤波器和相关检测。 (1)匹配滤波器:匹配滤波器是一种检测手段, 其框图见图2。其着眼点在于提
8、高输出的信噪比, 而不是保持信号不失真,这与常规频域滤波的作用 不同。可以说匹配滤波器起着把输入信号的能量集 中起来的作用。 匹配滤波器的冲激响应h ( t)应该是该信号波 形Si( t)的反折并延迟T0,即 h ( t) =Si ( T 0- t) 。数 字式匹配滤波器在计算机上极易实现,只要把已知 波形Si( t)首尾倒置,并延迟T0,存入计算机中,这 就是所要的冲激响应。 图2 匹配滤波器 (2)相关检测:相关检测是从似然检测角度引 入的匹配滤波器概念,因此相关检测本质上也是匹 配滤波。但是匹配滤波的处理算法是卷积运算,相 关检测的处理算法是相关运算。前者不必考虑起点 的对准,后者在进行
9、乘法运算时,信号和参考波形的 起点必须对准。 应用举例:编码发射的声成像和血流测量原理 见图3。 接收信号 r( t) =AM ( t ) , M ( t)为发射 信号。 进行相关检测: AM ( t- )M ( t- ) dt 。 当= 时 , ( 自)相关函数出现极值,即输出将呈 观察值。此原理既可用于成像,又可用于血流检测。 图3 相关检测 2.波形估计问题:当确定信号淹没在噪声中时, 如果该信号的波形未知,就需要把该波形提取出来。 例如,诱发电位是叠加在自发脑电上的确定信号,它 比自发脑电小得多;再例如,母体腹部取出的胎儿心 电叠加在母体心电中,它比母体心电小得多。 (1)相干平均:从
10、噪声背景下提取未知确定性 信号的常用方法 相干平均。 Xi( t)=Si( t)+ni( t) X ( t)=(1/N )Xi( t) = S ( t) +(1 /N ) n ( t) 假设噪声为白噪声,则后一项 0, X ( t) S ( t) 。 应用举例:用母腹电极检测胎儿心率步骤:第1 步,先选择一个较大幅度阈值,以使超过阈值的输出 中有胎儿心电;第2步,相干平均,将均值作为胎儿 心电QRS波群的模板;第3步,设计匹配滤波器;第 4步,随着检测过程不断更新模板。 第M +1次模板= (第M次模板) + (1 -) (新检测出的波形 ) , 其中0 1。 483现代临床医学生物工程学杂志
11、2006年第12卷第5期 J Mod ClinMed Bioeng, October 2006, Vol12 No. 5 (2)维纳滤波,卡尔曼滤波,自适应处理 随 机信号的线性估计 维纳滤波,卡尔曼滤波,它们都是在最小均方误 差意义下从噪声中检测或提取随机信号的线性最优 方法。但它们必须以信号的一、 二阶统计特性已知 为前提。 自适应处理是在没有待测信号先验知识的条件 下,直接利用观测数据,根据某种判据在观察(测 量)过程中不断地递归更新被处理信号的参数,逐 步逼近某一最优处理结果。人体信号受环境诱发因 素、 生理自发因素(兴奋、 疲劳等)的影响,其非平稳 性较为突出。而且其统计特性事先未知
12、,用自适应 处理较为适宜。因为自适应处理通过递归更新来自 动跟踪信号统计性质的变化,更符合非平稳信号的 实际情况。自适应处理的应用范围很广,如噪声抵 消、 谱线增强、 系统辨识等。 应该指出,实际工作中,检测和估计这两项任务 往往不能截然分开,它们互有联系,互相补充。例 如,即使发射波形已知,回波波形也未必能完全已 知,因此既要利用先验知识来判断观察结果中有无 信号存在,又需要利用检测结果反过来去改进原先 的先验知识,使之更准确。 四、 医学超声及其信号 1.概述:医学超声是研究超声在离体或活体生 物组织中的现象、 效应、 作用、 机制和应用。这是一 门边缘学科,其原理涉及物理学、 生物学、
13、医学、 化 学、 数学等学科,在技术上还涉及电子、 计算机、 机 械、 材料等工程科学。各个频段超声在不同方面的 应用如图4所示,它们均取得了十分显著的应用成 效。医学超声信号是人体信号中一种被动信号。 超声在医学上的应用,开始于20世纪2030年 代,原苏联Sokolov应用超声进行热疗。至于超声诊 断的研究,最早开始于1947 - 1949年, George Lidwig 研究建立超声在胆石传输中的物理-生理标准。 1949年John Julian W ild用15 MHz A型超声仪检测 离体脏器厚度。1951年W ild和Keid研制成手动接 触式B型扫描仪观察离体组织中肿瘤和活体中的
14、脏 器。1954年Hertz和Edler研制成M型超声心动仪, 以心脏瓣膜运动曲线来诊断心脏疾病。1972年Bom 研制成电子线性扫描B型成像仪,开始了超声图像诊 断的阶段。随着电子技术和计算机技术的高度发展, 医学超声不断被推向一个一个新的高度。 医学超声的内容较为广泛,就目前开展的工作而 言,可归纳为以下几个方面。 (1)基础研究:它的内容着重于生物组织的超声性 质研究,包括超声在生物组织中传播性质和规律,超声 与生物媒质的相互作用机制和效应,超声剂量和临床 诊断的安全性。 (2)超声诊断:它是以声学原理为依据的一种物理 诊断方法,借助向人体发射超声,以接收超声回波而获 得体内信息,由此对
15、患者进行诊断。控制声波发射强 度在安全阈值以下,这是一种非损伤性的诊断方法,深 受患者欢迎。目前,就生物医学超声应用的深度、 广度 和效果而言,以超声诊断最为突出。超声诊断在临床 上的应用范围为心脏、 肝脏、 胆囊、 肾脏、 胰腺、 乳腺、 妇 产科、 颅脑等方面。各种疾病进行超声诊断的符合率 高低不一致,其价值可分为3类:一类为确诊依据,二 类为重要参考,三类为一般意义。 图4 各个频段超声的应用情况 583现代临床医学生物工程学杂志2006年第12卷第5期 J Mod ClinMed Bioeng, October 2006, Vol12 No. 5 图5 超声诊断系统的信号流程 (3)超
16、声治疗:它是应用超声在人体中产生热、 机械、 空化、 生化等效应进行疾病的治疗,其内容大 致包括超声理疗康复、 超声加热治癌、 超声手术刀、 超声针刺等。 (4)医学超声工程:它是指将生物声学原理与 工程技术相结合,从事医学超声中的方法、 仪器、 设 备、 系统的设计和研制。其中以超声诊断仪器所占 的比重最大。 对医学超声信号的研究,就其广度、 深度而言, 以超声诊断系统为最。其信号的流程框图见图5。 2.检测系统:医学超声信号的检测系统由换能 器和整机组成,图5所示虚线右面各环节组成检测 整机。整机担负由超声换能器声电信号以外的一切 电信号通道,包括发射、 接收、 显示、 存储、 通讯等。 超声换能器(又称传感器或感知器,俗称探头)由主 体、 壳体、 导线组成。主体部分又由压电材料、 声阻 抗匹配层(面材)、 声吸收层(背材)组成。先进的超 声换能器研发引进微电子工艺和技术。医学超声信
