临床医学]1_医学信号分析与处理绪论.ppt

医学信号分析与处理,邱天爽 大连理工大学电子与信息工程学院 2012年3月,大连理工大学 生物医学工程专业本科生必修课,2019/4/3,大连理工大学,2,第1章 绪 论,2019/4/3,大连理工大学,3,引子从电池说起 医学信号的分类与特点 医学电信号及其产生机制 医学信号的采集 医学信号分析与处理的作用,2019/4/3,大连理工大学,4,1.0 引子从电池说起,电池的概念（Beteray, Cell） 一对导电体(如金属)同离子导体(如电解质溶液)连接构成的系统。 将辐射能或化学能直接转变成电能的直流电压源。 电池的基本原理 在化学电池中，化学能直接转变为电能是靠电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果，这种反应分别在两个电极上进行。,2019/4/3,大连理工大学,5,电池发明之前的电荷收集 从静电机上通过摩擦收集电荷； 从莱顿瓶中收集电荷（相当于电容器） 莱顿瓶是一个玻璃瓶，瓶 里瓶外分别贴有锡箔，瓶里 的锡箔通过金属链跟金属棒 连接，棒的上端是一个金属 球。由于它是在莱顿城发明 的，所以叫做莱顿瓶，这就 是最初的电容器。,2019/4/3,大连理工大学,6,电池的分类 干电池 蓄电池 燃料电池 太阳能电池 温差电池 核电池 纳米电池,2019/4/3,大连理工大学,7,最早的电池是谁发明的？ 安培？ 伏特？ 麦克斯韦？ 库伦？ 焦耳？ 瓦特？ ？,2019/4/3,大连理工大学,8,最早的电池是伏特发明的 电池电压的单位为伏特； 简写为“伏”或“V”； “伏”也作为通用的电压单位，不局限于描述电池的电压； 36V为人体的安全电压； 市电为220V（美国为110V）交流电；,2019/4/3,大连理工大学,9,生物电（池）的发现早于伏特电池的发明 1786年Galvani的实验：伽伐尼，贾凡尼，伽尔伐尼 将青蛙标本中的一根坐骨神经放置在一肌肉的切口上时，观察到了肌肉的颤搐：认为是发现了生物电。 解释：肌肉通过金属构成的回路而放电。肌肉收缩是放电电流刺激的结果。 疑问：Volta（伏特）认为是不同金属导体产生的电流，不是生物电。 Galvani再进行实验 排除金属的影响，把神经肌肉标本搭在损伤肌肉上，也可以引起标本肌肉的收缩，证明了生物电的存在。,2019/4/3,大连理工大学,10,生物电发现的意义 证明生物体可以带电荷； 生物体有电流和电压，有电阻和电容； 可以通过生物电信息的获取与分析来推断生物体的某些生理状态的疾病； 诱发了电池技术的诞生，为现代科学技术的发展提供了有力的支持。,2019/4/3,大连理工大学,11,1.1 医学信号的分类与特点,2019/4/3,大连理工大学,12,2019/4/3,大连理工大学,13,常用医学信号 表1.1给出了常用医学信号及特性； 不同的医学信号具有不同的产生机制，反映人体的不同侧面； 不同类型医学信号的采集需要不同的传感器（或电极）； 不同类型的的医学信号具有不同的特性。,2019/4/3,大连理工大学,14,生物医学信号的分类（按产生方式分） 内源信号（internal source signal）； 指被探测的信号是由人体发出的； 例如心电、脑电、心音、语音、血压等； 检测对象是有源的，检测系统是无源的。 外源信号（External source signal）; 人体是无源的，检测系统是有源的； 例如超声图像、X射线图像等。 感生信号（Induced signal） 被测的信号是由外源信号感生的内源信号； 施感信号（Inducing signal）与感生信号性质不同； 例如诱发电位，磁共振信号等。,2019/4/3,大连理工大学,15,信号的分类（按能量分） 有限能量信号（Finite energy signal）; 有限功率信号（Finite power signal） 信号的分类（按信号的形式分） 模拟信号； 离散时间信号； 数字信号； 信号的分类（按信号的性质分） 确定性信号； 非确定性信号 随机信号（random signal）,2019/4/3,大连理工大学,16,生物医学信号的特点,信号特别弱 最强的心电信号为mV量级； 脑干诱发电位1uV； 特别弱的离子通道电流信号pA量级； 要求模拟放大器有很高的增益；,2019/4/3,大连理工大学,17,噪声干扰强 信噪比的概念： 噪声干扰的来源： 肢体动作；精神紧张；工频干扰； 自发脑电对诱发电位的干扰；母体对胎儿心电的干扰 频率特别低 心电：0.0135Hz； 脑电：130Hz。,2019/4/3,大连理工大学,18,随机性强 一般不能用数学函数来描述； 采用统计信号分析处理方法； 具有非平稳性、非高斯性等特性。 干扰与信号的频带重叠 例如EP与EEG； 工频干扰50Hz，大部分医学信号也覆盖此范围； 不能用常规的滤波技术来处理。,2019/4/3,大连理工大学,19,非线性特性显著 人体具有显著的非线性特性； 脑电、心电、胃电等具有某种自相似性（是非线性的一种特性）； 与心血管系统有关的信号，还常具有无限循环但不完全重复的特性（混沌特性）,2019/4/3,大连理工大学,20,医学信号分析处理的目的和任务,有效地分析来自人体系统的信号； 正确提取信号的特征； 寻求信号特征与人体系统的关系； 确定人体系统的状态； 为临床诊断治疗提供参考。,2019/4/3,大连理工大学,21,1.2 医学电信号及其产生机制,细胞生物电现象 在人体各个部位采集的电信号反映了附近器官的行为； 采集的电信号所具有的特征决定于单个细胞产生电信号的特征及其在时间和空间上对整体信号的贡献； 单个细胞电学方面的活动主要表现在细胞膜两侧电位差（即跨膜电位）的变化和通过细胞膜的电流（即跨膜电流）的变化，这也是体表能够采集到电信号的根源所在。 细胞跨膜电位的主要活动形式有静息电位、动作电位和动作电位的传导。,2019/4/3,大连理工大学,22,静息膜电位 概念：细胞在静息状态（未受刺激的状态）下存在于细胞半透膜内外两侧之间的电位差，称为跨膜静息电位，又称为静息电位（Rest potential）。 膜内带负电，膜外带正电，这种状态称为极化状态。 静息电位一般为一种稳定的直流电位。若设膜外电位为0，则膜内电位在-10- -100mV之间。 哺乳动物神经和肌肉 细胞的静息电位值为 -70- -90mV。,极化状态,2019/4/3,大连理工大学,23,动作膜电位 兴奋的概念：活细胞或组织对刺激发生的反应；其中神经细胞、肌肉细胞和腺体对刺激反映明显。 动作电位：细胞膜在原有静息电位基础上发生一次迅速而短暂的电位波动，称为动作电位。 动作电位是细胞兴奋所具有的特征现象。 当细胞所受到的刺激较强时，可能出现膜电位极性倒置（+20-+40mV）。这种现象是暂时的，很快恢复到极化状态（即静息状态）。 去极化（除极）：膜内外电位差从静息值：负0。 反极化：膜电位倒置：0正。 复极化：膜电位差：正负。,2019/4/3,大连理工大学,24,动作电位的重要特性 细胞动作电位的产生是需要输入的刺激量达到一定阈值的，这种现象被称为动作电位的“全或无”特性； 细胞产生动作电位具有一定的不应期（refractory period），在不应期内，尽管存在一定的输入刺激，但细胞不能或是很难产生动作电位； 细胞动作电位可以沿着细胞膜进行传导，直至整个细胞膜都发生过动作电位。,2019/4/3,大连理工大学,25,沿着神经轴突传导的细胞跨膜动作电位导致了移动的细胞膜外负电位：,2019/4/3,大连理工大学,26,细胞生物电信号的产生机制 细胞膜两侧的离子浓度差 细胞内外液中的主要无机离子有K+，Na+，Ca2+，Cl-等，细胞内液中还存在具有负电荷的蛋白质和核苷酸等有机离子； 阴离子的扩散同时伴随着阳离子的扩散； 细胞内侧的钾离子的浓度远远高于细胞外侧的钾离子浓度，大约为30倍左右； 而细胞内侧的钠离子浓度远远低于细胞外侧的钠离子浓度，大约为1:10左右；,2019/4/3,大连理工大学,27,平衡电位 离子浓度差会造成的离子扩散的趋势； 电场梯度会引起的抑制扩散的趋势； 二者达到动态平衡； 平衡电位的计算：,2019/4/3,大连理工大学,28,静息电位 静息电位是多种离子跨膜化学扩散运动的整体化学驱动力所产生的平衡电位； 各种离子对静息电位的贡献正比于其产生的化学驱动力，即其扩散运动的能力； 各种离子对应的跨膜通透性P ； 最终的细胞膜静息电位可以通过各种离子的平衡电位计算得到 ：,2019/4/3,大连理工大学,29,偶极子 发生去极化的细胞膜外侧相对于邻近处的细胞外液（即体液）由于大量钠离子的内流而呈现出较负的电位，从而形成偶极子，具有一定的指向。 产生的大量偶极子在体表形成一个能够被测量到的电位信号，这就是人体体表能够采集到医学电信号的原因。,2019/4/3,大连理工大学,30,生物电产生的进一步说明,电偶学说 心肌细胞除极与复极过程在临床心电图上通常用电偶学说来说明。由两个电量相等，距离很近的正负电荷所组成的一个总体，称为电偶。正电荷称为电偶的电源，负电荷称为电偶的电穴，其连线称为电偶轴，电偶轴的方向是由电穴指向电源，两极间连线的中点称为电偶中心。,2019/4/3,大连理工大学,31,除极过程： 当一个心肌细胞的甲端受刺激而首先除极，由于Na+的内流使此处膜内变为正电位，膜外变为负电位； 乙端仍保持膜外为正电位、膜内负电位的极化状态，使同一个细胞膜外的甲乙两端出现了电位的差别； 甲端为负电荷（电穴），乙端为正电荷（电源），二者形成电偶，产生电流； 电流的方向由电源流向电穴。若在乙端（面对电源）置一探查电极，即可描记出向上的波，反之，在甲端则描记出向下的波。,2019/4/3,大连理工大学,32,除极完成 随着除极波的扩展，整个心肌细胞全部除极，细胞膜内外分别均匀地聚集正、负电荷，细胞膜外的电位差消失，无电流存在，则记录为一平线。,2019/4/3,大连理工大学,33,复极过程 心肌细胞复极时，先除极的甲端首先复极，恢复到极化水平，其膜外聚集正电荷；未复极的乙端膜外仍聚集负电荷； 复极端为电极，恢复到极化水平，其膜外聚集正电荷，未复极的乙端膜外仍聚集负电荷，复极端为电源，未复极端为电穴，二者再次形成电偶，产生电流； 电流方向仍为电源流向电穴，与除极时方向相反，甲端电极描记为正波，乙端描记为负波。,2019/4/3,大连理工大学,34,复极完成 整个心肌细胞恢复极化状态后，电偶消失，无电流产生，再次描记为一平线。,2019/4/3,大连理工大学,35,人体的兴奋源,自动节律 人体内的自动组织（如心脏和肠）无需外部刺激便能刺激自身； 这种自动节律是由具有“不密闭”膜的可兴奋细胞所产生的； 这样，其静息电位不再恒定，而随时间变化； 原因：某些离子持续地从半透膜上泄漏所形成的持续去极化所致； 这一节律受中央神经系统或内分泌行为调制； 从被隔离的心脏可以看到这种自动节律的存在。,2019/4/3,大连理工大学,36,内部动力 兴奋的触发源自人体内部为内部刺激。例如肢体随意运动；这种随意运动是由大脑产生的神经命令传到骨骼肌所致； 在大脑的某一处（可能是大脑皮质区），首先产生运动的决定，随后将命令信号送到运动皮层来控制骨骼肌的动作。,2019/4/3,大连理工大学,37,外部刺激 来自人体感受器所受到的刺激，例如眼睛和耳朵； 当光进入眼睛时，在视网膜上记录到诱发电位（视网电图，ERG）； 短暂的声音刺激耳朵时，在脑干可记录到诱发电位（脑干听觉诱发电位，BAEP）。,2019/4/3,大连理工大学,38,感官刺激所导致的不随意神经系统反应 许多刺激所产生的反应并不像肌肉的收缩那样明显； 却可以通过一些方法检测到这些与肌肉收缩无关的变化； 例如一些深层电位变化： 肌电图（EMG）， 心电图（ECG）， 脑电图（EEG）等,2019/4/3,大连理工大学,39,1.3 医学信号的采集,医学信号采集系统的组成,2019/4/3,大连理工大学,40,系统各部分简要介绍 传感器：把非电量转换为电量，或用电极直接检测生物电信号； 放大器：放大和缓冲输入信号，从uVmVV； 滤波器：消除耦合或器件产生的噪声和干扰（例如工频干扰）； 多路开关：分时选通来自多个输入通道的信号；可只用一套A/D转换和电压放大； A/D转换：把模拟信号转换为数字信号，包括采样/保持（PAM，discrete-time signal），A/D转换（PCM，digital signal）； 计算机：控制系统的动作；对采集的数据进行分析处理。,2019/4/3,大连理工大学,41,医学信号检测系统的主要性能指标 系统分辨率：指系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通常用最低有效位（LSB）占满度信号的百分比表示。 系统精度：指当系统工作在额定采集速率下，每个离散样本的转换精度。 采集频率：即系统通过速率，吞吐率等。是指在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数。 动态范围：指某个物理量的变化范围。 非线性失真：即谐波失真。例如输入系统的频率为f，而输出有多个其他频率分量，称为非线性失真。,2019/4/3,大连理工大学,42,医学信号采集中的噪声和干扰,生物医学测量中的噪声 噪声：系统内部由器件、材料、部件的物理因素产生的随机扰动，称为噪声。 噪声不能用屏蔽、接地等方法消除。 采用适当的措施，可以降低噪声的影响。 主要包括： 热噪声（thermal noise） 散粒噪声（shot noise） 过量噪声（excess noise）,2019/4/3,大连理工大学,43,热噪声 是由导体中电荷载体（如导线中的电子和电解质中的带电离子）的随机运动（即布朗运动）产生的。 功率计算： T为绝对温度，W为系统带宽；热噪声的幅度服从高斯分布，具有平坦功率谱。,2019/4/3,大连理工大学,44,散粒噪声 是由自由运动的带电粒子穿过障碍物时产生的。 电子设备中电子穿越PN结等会产生散粒噪声，而在生物体中，带电离子穿越细胞膜也会产生散粒噪声。 噪声幅度计算： I为电流强度，W为带宽。散粒噪声的幅度符合高斯分布，功率谱具有平坦的性质。,2019/4/3,大连理工大学,45,过量噪声 大多来自电子管和半导体； 其功率谱与频率成反比，在低频信号中影响比较显著，因而不能称为白噪声； 由于医学信号大多是低频信号，因此过量噪声是影响医学信号采集的主要噪声成分之一。,2019/4/3,大连理工大学,46,生物医学测量中的干扰 干扰的概念（广义）：对于欲测量的目标信号来说，非目标信号都是干扰。 广义干扰的分类： 确定性信号，外源干扰； 随机噪声，生物体内的非目标信号。 生物电提取的主要干扰是工频干扰（静电、磁场） 此外，生物医学设备本身也是强电磁干扰源： 干扰自身； 干扰其他测量； 电磁兼容（electromagnitic compatibility, EMC）问题。,2019/4/3,大连理工大学,47,静电干扰 静电干扰是由供电线路发出的电场产生的； 由于供电线路提供的是正弦波，因此它所产生的干扰电场信号也具有正弦波形； 供电线路传送的交流电压都比较高，引起的工频电场干扰也比较大； 因此在电生理实验中要使实验样本尽可能地远离供电线路。,2019/4/3,大连理工大学,48,磁场干扰 磁场工频干扰是由流经供电电缆和仪器电源线等的电流产生的磁场； 这种干扰可能影响整个实验装置； 磁场工频干扰通常表现为尖峰，具有纹波形状； 一些电器设备（如荧光灯之类的气体放电管、仪器电源、电动机、仪器设备）的开启和关闭都会产生纹波样磁场工频干扰； 解决这种干扰的方法就是使实验样本与这些设备保持足够的距离，同时采用合适的接地技术。,2019/4/3,大连理工大学,49,干扰的耦合途径 信号传输导线；近场感应，电磁偶合； 单元电路或测试系统之间的公共阻抗。 干扰的消除 切断耦合，接地，屏蔽，隔离，滤波