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1、 医学资料 1什么是生物医学信号处理根据生物医学信号特点应用信息科学的基本理论和方法研究如何从被干扰和噪声淹没的观察记录中提取各种生物医学信号中所携带的信息并对它们进步分析解释和分类医学资料 2信号的基本概念什么是信息 社会和日常生活中人们借助语言文字图象和数据等媒体表达的感觉思想意见等统称为信息显然同一信息可用不同媒体来表达什么是信号 为了有效地传播和利用信息常需要将信息转换成便于传输和处理的信号信号是信息的载体是信息的表现形式一般表现为随时间变化的某种物理化学和生物量在各种信号中电信号是一种最便于传输控制和处理的信号由于医学中的许多非电信号通过前面讲的传感器几乎都能转化成电信号因此在信号处
2、理领域一般所说的信号就是指电信号信号怎样描述 在数学上可以描述为一个或多个独立变量的函数如体温随时间变化时间的函数平面图像可描述为像素的灰度变化随坐标xy变化的函数信号还可以用图形测量数据或统计数据进行描述医学资料 3信号的基本概念信号的分类1确定性信号与随机信号 确定性信号任一由确定时间函数描述的信号对于这种信号给定某一时刻后就能确定一个相应的信号值 随机信号信号是时间的随机函数事先无法预知它的变化规律2连续信号和数字信号 连续信号在某个时间区间内除有限个间断点外都有定义称该信号在此区间为连续信号 数字信号仅在离散时刻上有定义而且信号幅值只能取某些规定值的信号3周期信号和非周期信号信号的基本
3、特征 时间特性信号持续时间的长短变化速度的快慢信号幅值的大小以及随时间改变呈现出来的变化规律等时域分析 频率特性信号的频带宽度各正旋分量振幅相位随频率的分布情况 频域分析医学资料 4生物医学信号的特点信号弱直接从人体中检测到的生理电信号其幅值一般比较小如从母体腹部取到的胎儿心电信号仅为1050V脑干听觉诱发响应信号小于1V自发脑电信号约5150V体表心电信号相对较大最大可达5mV因此在处理各种生理信号之前要配置各种高性能的放大器医学资料 5生物医学信号的特点噪声强噪声指其它信号对所研究对象信号的干扰如电生理信号总是伴随着由于肢体动作精神紧张等带来的干扰而且常混有较强的工频干扰诱发脑电信号中总伴
4、随较强的自发脑电从母腹取到的胎儿心电信号常被较强的母亲心电所淹没这给信号的检测与处理带来了困难因此要求采用一系列有效去除噪声的算法医学资料 6生物医学信号的特点频率范围一般较低经频谱分析可知除声音信号如心音频谱成分较高外其它电生理信号的频谱一般较低如心电的频谱为00135Hz脑电的频谱分布在l30Hz之间因此在信号的获取放大处理时要充分考虑对信号的频率响应特性医学资料 7生物医学信号的特点随机性强生物医学信号是随机信号一般不能用确定的数学函数来描述它的规律主要从大量统计结果中呈现出来必须借助统计处理技术来检测辨识随机信号和估计它的特征而且它往往是非平稳的即信号的统计特征如均值方差等随时间变化而
5、改变这给生物医学信号的处理带来了困难医学资料 8表1 一些医学信号的特点医学资料 9医学资料 10医学资料 11人体心脏磁信号 医学资料 12听神经动作电位 医学资料 13正常人心电信号医学资料 14生物医学信号分类化学信息指组成人体的有机物在发生变化时所给出的信息它属于生物化学所研究的范畴物理信息指人体各器官运动时所产生的信息物理信息所表现出来的信号又可分为电信号和非电信号两大类医学资料 15人体电信号 体表心电ECG信号脑电EEG肌电EMG眼电EOG胃电EGG等在临床上取得了不同程度的应用 人体磁场信号检测近年来也引起了国内外研究者和临床的高度重视我们把磁场信号也可归为人体电信号医学资料
6、16人体非电信号 如体温血压心音心输出量及肺潮气量等通过相应的传感器即可转变成电信号电信号是最便于检测提取和处理的信号上述信号是由人体自发生产的称为 主动性信号医学资料 17被动性信号人体在外界施加某种刺激或某种物质时所产生的信号如诱发响应信号即是在刺激下所产生的电信号在超声波及X 射线作用下所产生的人体各部位的超声图象X 射线图象等也是一种被动信号这些信号是我们进行临床诊断的重要工具 医学资料 18我们所研究的生物医学信号即是上述的包括 主动的 被动的 电的和非电的人体物理信息医学资料 19医学信号的性质对医学信号而言有的主要属于确定性信号在有限的时间内如心电心音阻抗等有的似乎含随机成分多如
7、脑电肌电胃电平滑肌电等因此对医学信号的处理涉及对确定性信号的处理及对随机信号的处理除此之外近来还开展了信号混沌性的分析 医学资料 20二医学系统的特点1人体系统 严格说来人体系统是非线性移变系统一般不能用工程中测量输入输出信号以确定线性系统的特性的办法来确定人体系统特性或状态2医学信号处理的根本任务 在于有效地分析来自系统的信号正确地提取信号特征寻求信号特征与系统状态的关系从分析信号的特征确定系统的状态正常病理以便作出医学决策因此医学信号处理的重点不在于实时传输而在于时频域特征提取以便作辨识正常大致正常异常严重异常等医学资料 21三医学信号处理系统的组成处理医学信号的装置叫医学信号处理系统 完
8、整的医学处理系统可分为硬件及软件两个方面在硬件方面又可分为模拟部分和数字部分医学信号有的是电信号但多数是非电信号故医学信号处理系统应包括将非电量转换成电量的信号换能部分或叫信号变换器由于医学信号的微弱低频及高噪的特点医学信号处理系统还包括有抗干扰性能强的模拟放大器最后是将模拟量变换成数字量或数字量变换成模拟量的模数数模转换器 及计算机系统 医学资料 22三医学信号处理系统的组成框图表示图1-1 医学信号处理系统的组成医学资料 23四医学信号处理系统各部分功能1人体子系统产生医学信号信号源2信号感知和变换子系统拾取信号如果是非电信号则将非电学量转变成电学量以便后续处理要求该系统是非时变线性系统3
9、模拟放大子系统放大微弱的医学信号最高应达10 6以上的放大倍数要求高的如大于90dB共模抑制比的非时变线性系统4模数数模转换子系统模拟量转换为数字量现有8位12位16位及更多位转换精度及各种采样速率的器件或系统可选用5计算机子系统 信号的处理分析保存显示等包括主机和外设如打印机绘图仪鼠标器等医学资料 24生物医学信号采集预处理以及采样定理医学信号处理的流程获取信号对信号进行预处理对信号进行数字化计算机信号处理由传感器完成包括信号放大滤波等由放大器滤波器等完成将模拟信号离散化和数量化由ADC完成完成信号分析识别特征提取等以及显示结果模拟部分数字部分模数接口部分医学资料 25信号放大放大器高性能的
10、放大器是获得生物医学信号的关键设备之一对于医学放大器首要的是其安全性保证安全性的关键技术隔离浮置1隔离接入人体的测量回路与其余电路隔离隔离技术有光隔离变压器隔离场隔离采用发射与接收分离的方式2浮置检查床和设备有良好的本地接地接地电阻01与人体测量回路不能共地 医学资料 26放大器的主要性能参数有6个1共模抑制比定义为差模信号放大倍数与共模信号放大倍数之比通常用分贝dB数表示如CMRR 90dB 表示差模信号放大倍数与共模信号放大倍数之比为10912放大倍数输出信号幅度与输入信号幅度之比3时间常数达到最大响应的0707倍所需的时间单位为秒通常用电路的等效电阻和电容的乘积RC来表示类似意义的参数是
11、低端截止频率赫兹低端截止频率与时间常数的关系为frc 121RC12医学资料 274高端截止频率高低端截止频率之间的频率范围称为放大器的通带宽度简称带宽单位为赫兹5线性输出信号的幅度和相位与输入的对应量有线性关系6输入阻抗 放大器的输入电压与输入电流之比医学放大器要求有高的输入阻抗如一般的几M106G109 甚至T1012的量级医学资料 28选用医学信号放大器总体要求1高输入阻抗生物信号源是高内阻的微弱信号源所以需要放大器也是高阻抗以达到阻抗匹配否则会出现低频失真2高共模抑制比目的抑制人体所携带的工频干扰及所测量参数以外的其他生理作用的干扰3低噪声和低漂移目的提高测量的信噪比4设置保护电路保护
12、被测量人体的安全医学资料 29信号数字化模数转换器数据采集的目的是获得有效的能被计算机处理的数据计算机数字信号处理中的数据采集就实时性复杂性目的性自动化及数据量的庞大等各个方面都大大不同于传统的医学统计里的数据采集数据采集功能是将通过放大器放大到足够大的模拟电信号变换成能为计算机识别的数字电信号 医学资料 30模数转换1概念把模拟量转换成数字量的过程叫模数转换其核心器件 是ADC 芯片Chip叫模数转换器现在的多媒体计算机的声卡和显卡数码相机扫描仪以及CT机等都会有这种器件一般将AD芯片及辅助器件作成能插在计算机主机的扩展槽中的一块电路板叫AD板或AD卡 它在计算机的控制下完成对模拟信号的离散化和数量化任务计算机通过软件将数字化的信号读入内存一点一点地读然后完成处理和外存任务2作用模数转换器是医学信号处理系统的模拟部分与数字部分之间的桥梁 医学资料 31模数转换3ADC的主要性能指标 1采样率或采样频率决定信号采集的速度fS点数秒或时间分辨率time resolutio
