第六讲 遗传病和人类基因组计划.ppt

Session4BiosignalProcessing 1 Introduction2 PhysiologicalOriginsofBiosignals3 CharacteristicsofBiosignals4 SignalAcquisition5 FrequencyDomainRepresentationofBiosignals 1 Introduction Biosignalarespace time orspace timerecordsofabiologicaleventsuchasabeatingheartoracontractingmuscle Theelectrical chemical andmechanicalactivitythatoccursduringthisbiologicaleventoftenproducessignalsthatcanbemeasuredandanalyzed Biosignals therefore containinformationthatcanbeusedtoexplaintheunderlyingphysiologicalmechanismsofaspecificbiologicaleventorsystem Biosignalsmustbeanalyzedtoretrievethemostrelevantinformationfromthem Thebasicmethodsofsignalanalysis e g amplification filtering digitization processing andstorage canbeappliedtomanybiosignals Othersignalprocessingmethodsincludesignalaveraging waveletanalysis andartificialintelligencetechniques 2 PhysiologicalOriginsofBiosignals 1 BioelectricSignals Nerveandmusclecellsgeneratebioelectricsignalsthataretheresultofelectrochemicalchangeswithinandbetweencells Ifanerveormusclecellisstimulatedbyastimulusthatisstrongenoughtoreachanecessarythreshold thecellwillgenerateanactionpotential Theactionpotentialrepresentstheflowofionsacrossthecellmembraneandcanbetransmittedfromonecelltoadjacentcells Whenmanycellsbecomeexcited anelectricfieldisgeneratedandpropagatesthroughthebiologicalmedium Changesinextracellularpotentialcanbemeasuredonthesurfaceoftheorganbyusingsurfaceelectrodes ECG EEG EMG 2 BiomagneticSignals Differentorgans includingtheheart brain andlungs generatemagneticfieldsthatareweakcomparedtoothereventsaselectricalchangesoccurinthem Biomagnetismisthemeasurementofthemagneticsignalsthatareassociatedwithspecificphysiologicalactivity Biomagneticsignalsthereforecanprovidevaluableadditionalinformationthatisnotusuallycontainedinbioelectricsignals Furthermore theycanbeusedtoobtainadditionalinformationaboutintracellularactivity 心磁图仪 1 概述心磁图 Magnetocardiogram MCG 是低温超导与计算机技术相结合 以超导量子介入装置为探头 对心动周期中心脏电活动引起的微小磁场进行测定的一项新型心脏无创伤性检查 与ECG相比 MCG具备以下特点 信号高度保真 心脏与体表心电图电极间的电场需通过几个不同的介质边界 它们每一个都有不同的传导性和其他的电特性 由于心脏产生电场的边界歪曲 心电电极记录的电场特点与心脏产生的电场是不同的 界面对磁场不产生太大歪曲 MCG资料因此可提供更准确的心脏活动信息 对局部心肌电流高度敏感 MCG有更高的空间分辨率 与ECG相比 MCG对局部电流有更高的空间敏感性 这些局部电流微弱 来自心肌边界 有不同的电生理特点 即每个都有不同的动作电位间期 在磁场中 这些电流比在电场中反映得更清晰 2 心磁图测量原理 1 测量原理生物磁信号与生物电信号相比更为微弱 例如心脏周围的磁场约为5 10 11特斯拉 T 心磁图 MCG 的最大幅值为10 10特斯拉 T 比地球磁场小一百万倍 地球磁场为10 4T量级 比城市的环境磁噪声 10 7T量级 小一万倍左右 脑磁图 MEG 的信号更为微弱 在10 12T量级 因此要采用磁通门来测量生物磁 尤其是心磁图及脑磁图等微弱信号是不可能的 在强的背景磁场 地磁场及环境磁场 测量微弱的生物磁信号 采用超导量子干涉仪 SuperconductingQUantumInterferenceDevice SQUID 来完成 SQUID的灵敏度高达10 14 10 15T的量级 是磁通计 磁通门难以比拟的 超导量子干涉仪有高的生物磁场检测灵敏度 是一种非接触无创测量方法 不受被测对象表面状况的影响 避免电测量中安置电极的麻烦 安全可靠 易实现空间扫描 甚至可建立二维图像 SQUID分为直流超导量子干涉仪 DC SQUID 和交流超导量子干涉仪 RF SQUID 它们利用约瑟夫逊 Joseffson 结超导环 DC SQUID多为双节超导环 而RF SQUID为单结超导环 DC SQUID的灵敏度比RF SQUID高 但RF SQUID的制造工艺 电路与器件的耦合比较容易 因此实用中常采用RF SQUID系统来实现弱磁信号的检测 RF SQUID的系统 图1 11 1 的关键是探头 探头内含磁通变换器 约瑟夫逊结超导环及共振回路 它们处在超低温状态 5K左右 利用超低温超导状态下的量子干扰现象来检测体内弱磁场 并将测得的磁信号经过变换 放大 滤波后进行记录 通过对心电图ECG进行比较 分析生理和病理信息 图1 11 1RF SQUID的系统框图 2 心磁图的记录方法和测定部位在接受心磁图测定前 被检者脱去外衣及卸去身上的金属制品 平卧于检查床 SQUID磁强计检测部分 杜瓦 的前端放在被检者胸前壁 但不接触身体 并与胸前壁保持垂直 一般多采用在胸前壁作多点栅极系统式描记法 国际上普遍应用心电图的Einthoven氏命名法对MCG进行命名 即P波 QRS波 T波和ST段 3 临床应用MCG除了能够检查大多数心脏疾病 如心梗后的心衰预测 室颤的危险评估 心肌缺血和成活率检测 ECG无变化的冠心病检测 左心室肥大的检测等外 还可用于胎儿心脏病学研究 fetalMCG fMCG 药理学测试 肝脏铁储量检查 恶性肿瘤检查等 脑磁图仪 1 概述脑磁图 Magnetoencephalogram MEG 对脑神经电流产生的微弱生物磁场的测量 对自发的或受到外界刺激而产生的脑活动进行功能性成像 MEG没有侵害性和危险性 具有毫秒级的时间分辨率 对电活动源的定位可达到2mm的精度 MEG对脑生理活动研究具有较好空间灵敏度和时间灵敏度 操作简单 易于掌握 高温超导脑磁图测量系统和高温超导冷却屏蔽罩 七个信道的高温超导脑磁图测量系统 2 脑磁图仪的组成原理MEG系统的核心是由许多处于不同空间位置的信号探测线圈 PickupCoil 和超导量子干涉器件 SQUID 两部分组成每一个探测器是由磁场梯度仪和把磁场信号转化成电压信号的SQUID通过电磁感应而耦合在一起的 上世纪八十年代MEG由单信道发展成37信道传感器装置 用于癫痫诊断和其它脑功能方面的研究 九十年代初已研制出全头型的多信道MEG测量系统 探测位置数量已达到275个 现在 信号探测传感器可同时快速地收集和处理整个大脑的数据 并通过抗外磁场干扰系统和计算机信息处理技术 将信号转换成脑磁曲线图 等磁线图等 还可与MRI或CT等解剖影像信息融合 形成脑功能解剖学定位 准确地反映出脑功能瞬时变化状态 3 MEG临床应用癫痫病的早期检测定位脑外科手术前得到病人脑功能严重损伤区域的空间位置对严重头部损伤昏迷的病人醒后进行其脑神经功能评价对受到轻微脑损伤的病人进行功能性检测以确定是否出现并发症许多受轻微脑损伤的病人都会有各种各样的并发症出现 然而他们却有正常的MRI CT和EEG检测结果 只有在经过MEG检测后 才能发现这些病人的异常脑神经功能 3 BiochemicalSignals Biochemicalsignalscontaininformationaboutthelevelsandchangesinvariouschemicalinthebody Forexample theconcentrationofvariousions suchascalciumandpotassium incellscanbemeasuredandrecordedascanthechangesinthepartialpressuresofoxygen pO2 andcarbondioxide pCO2 intherespiratorysystemorblood Alltheseconstitutebiochemicalsignals Thesebiochemicalsignalscanbeusedforavarietyofpurposes suchasdetermininglevelsofglucose 葡萄糖 lactate 乳酸盐 andmetabolites 代谢物 andprovidinginformationaboutthefunctionofvariousphysiologicalsystems 4 BiomechanicalSignals Mechanicalfunctionsofbiologicalsystems whichincludemotion displacement tension force pressure andflow alsoproducebiosignals Bloodpressure forexample isameasurementoftheforcethatbloodexertsagainstthewallsofbloodvessels Changesinbloodpressurecanberecordedasawaveform Theupstrokesinthewaveformrepresentthecontractionoftheventriclesoftheheartasbloodisejectedfromtheheartintothebodyandbloodpressureincreasestothesystolic 心脏收缩的 pressure Thedownwardportionofthewaveformdepictsventricularrelaxationasthebloodpressuredropstotheminimumvaluethatiscalledthediastolic 心脏舒张的 pressure 5 BioacousticSignals Bioacousticsignalsareaspecialsubsetofbiomechanicalsignalsthatinvolvevibration motion Manybiologicaleventsproduceacousticnoise Forinstance theflowofbloodthroughthevalves 瓣膜 inthehearthasadistinctivesound Measurementsofthebioacousticsignalofaheartvalvecanbeusedtohelpdeterminewhetherornotitisoperatingproperly Therespiratorysystem joints andmusclesalsogeneratebioacousticsignalsthatpropagatethroughthebiologicalmediumandcanoftenbemeasuredattheskinsurfacebyusingacoustictransducerssuchasmicrophonesandaccelerometers 加速度计 6 BioopticalSignals Bioopticalsignalsaregeneratedbytheopticalattributesofbiologicalsystems Bioopticalsignalsmayoccurnaturallyor insomecases thesignalsmaybeinducedusingabiomedicaltechnique Forexample informationaboutthehealthofafetusmaybeobtainedbymeasuringthefluorescencecharacteristicsoftheamnioticfluid 羊水 Estimationofcardiacoutputcanbemadebyusingthedyedilutionmethodthatinvolvesmonitoringtheconcentrationofadyeasitrecirculatesthroughthebloodstream 3 CharacteristicsofBiosignals continuoussignaldiscretesignal deterministicsignalrandomsignal stationarysignalnonstationarysignal Realbiosignalsalmostalwayshavesomeunpredictablenoiseorchangeinparametersand therefore arenotdeterministic TheECGofanormalheartrateatrestisanexampleofasignalthatappearstobealmostperiodic ThebasicwaveshapeconsistsofthePwave QRScomplex andTwave However thepreciseshapesofthePwaves QRScomplexes andTwavesvaryovertime ThelengthoftimebetweenQRScomplexes whichisknownastheR Rintervals alsochangesovertimeasaresultofheartratevariability HRV HRVisusedasadiagnostictooltopredictthehealthofaheartthathasexperiencedaheartattack PatientswithlowHRVisgenerallyworsethanitisforpatientswithhighHRV Mathematicalfunctionscannotbeusedtopreciselydescriberandomsignals Randomsignalsoftenshowdistributionprobabilitiesandcanbeexpressedintermsofstatisticalproperties TheEMGwhichisusedforthediagnosisofneuromusculardisorders isarandomsignal Stationaryrandomsignalsaresignalsforwhichthestatisticsorfrequencyspectraremainthesameovertime Conversely nonstationaryrandomsignalshavestatisticalpropertiesorfrequencyspectrathatvarywithtime Theidentificationofstationarysegmentsofrandomsignalsisimportantforsignalprocessingandpatternanalysis Biosignalsareoftenverysmall containunwantednoise andcanevenbemaskedbyotherbiosignals Throughoutthedataacquisitionprocedure itiscriticalthattheinformationintheoriginalbiosignalbepreserved Sincethesesignalsareoftenusedtoaidthediagnosisofpathological 病理的 disorders theproceduresofamplification analogfilteringandanalog to digital A D conversionshouldnotcausemisleadingorimperceptibledistortionsinthebiosignal Distortionsinthebiosignalcouldleadtoanimproperdiagnosis 4 SignalAcquisition Samplingananalogsignalmustbeaccomplishedsotha