生物医学信号处理

1、1 1生物医学工程原理生物医学工程原理I主讲：唐主讲：唐 洪洪联系方式：联系方式： 电信学部创新园大厦电信学部创新园大厦A1213 电话：电话：84706009-3013 电子邮件：电子邮件： 2 2什么是信号？什么是信息？什么是信号？什么是信息？n在日常生活中，信息是指在日常生活中，信息是指“消息消息”，“情况情况”，“知知识识”，“情报情报”等等。等等。q比如：人们收到一封电报，接到一个电话。得到了比如：人们收到一封电报，接到一个电话。得到了“信息信息”。q在日常生活中，在日常生活中，“信息信息”是模糊的，没有定量。是模糊的，没有定量。n例：告诉我的消息是早已知道的。消息对我没有意义，没有

2、带例：告诉我的消息是早已知道的。消息对我没有意义，没有带来信息。尽管收到了信号，但信息量是零。来信息。尽管收到了信号，但信息量是零。n相反，如果传来的消息是我不知道的，出乎我的意外。那么，相反，如果传来的消息是我不知道的，出乎我的意外。那么，给我的信息量很大。给我的信息量很大。q在科学上，在科学上，“信息信息”有一定的数学模式，能定量地描述。是有一定的数学模式，能定量地描述。是“信息论信息论” 的研究内容。的研究内容。Iiips12log单位：bit3 3“信号”、“信息”的区别与联系n信号是信息的载体信号是信息的载体q例：古时候烽火报信例：古时候烽火报信。“凡贼入境，马步兵五十人以上，不满五

3、百人，放凡贼入境，马步兵五十人以上，不满五百人，放烽一炬。若余寇贼五百人以上不满三千人放两炬。番贼五百骑以上，不满烽一炬。若余寇贼五百人以上不满三千人放两炬。番贼五百骑以上，不满千骑，放烽三炬。若余寇贼三千骑以上，亦放烽三炬。若番贼千人以上不千骑，放烽三炬。若余寇贼三千骑以上，亦放烽三炬。若番贼千人以上不知头数，放烽四炬。知头数，放烽四炬。” q烽火是信号，是载体；烽火的表示含义是消息（信烽火是信号，是载体；烽火的表示含义是消息（信息）。息）。q例：检查人体的体温。记录体温的观察数据是信号，例：检查人体的体温。记录体温的观察数据是信号，数据反映出的结果是消息（信息）。大于数据反映出的结果是消息

4、（信息）。大于37度，发度，发烧。烧。n信号处理：对信号进行处理以获得信息信号处理：对信号进行处理以获得信息4 4按照生物信号的性质分类：n生物电信号生物电信号n心电、脑电、肌电、眼电、胃电、神经电心电、脑电、肌电、眼电、胃电、神经电n还有其它生物信号不是电信号，但是可以通过还有其它生物信号不是电信号，但是可以通过传感器传感器转换为电转换为电信号信号.q语音、心音、吞咽音、肠鸣音、牙齿叩击音语音、心音、吞咽音、肠鸣音、牙齿叩击音q血压、血流、脉搏、呼吸、体温血压、血流、脉搏、呼吸、体温q指纹、掌纹、虹膜、还有步态指纹、掌纹、虹膜、还有步态n生物磁信号生物磁信号n心磁、脑磁等生物磁场心磁、脑磁等

5、生物磁场n生物化学信号生物化学信号n各种体液中含有的电解质和微量元素各种体液中含有的电解质和微量元素n血液、尿液、唾液、各种组织液血液、尿液、唾液、各种组织液5 5生物医学信号测量的特点（1）n基本属于弱信号测量（尤其是生物电信号）基本属于弱信号测量（尤其是生物电信号）q反映生理变化和生化变化的信号和参量大多是微弱反映生理变化和生化变化的信号和参量大多是微弱的的q要求测量系统的灵敏度高、分辨力强、抗干扰能力要求测量系统的灵敏度高、分辨力强、抗干扰能力强强n常见生物电信号的幅度范围常见生物电信号的幅度范围q心电（皮肤电极）心电（皮肤电极） 50V5mVq脑电（头皮电极）脑电（头皮电极） 10 3

6、0 Vq肌电肌电 20 V10mV6 6生物医学信号测量的特点（2）n生物体内的噪声对测量有重要影响生物体内的噪声对测量有重要影响q测量某一种生理信号时，常常另一种生理信号也被测量某一种生理信号时，常常另一种生理信号也被记录。第一种信号为有用信号，第二种信号就是噪记录。第一种信号为有用信号，第二种信号就是噪声。声。q例例n在测量心电时，肌电也被记录在测量心电时，肌电也被记录n测量诱发脑电时，自发脑电为噪声测量诱发脑电时，自发脑电为噪声n测量胎儿心电时，母体心电为噪声测量胎儿心电时，母体心电为噪声n测量心音时，呼吸音为噪声测量心音时，呼吸音为噪声q所以，在生物医学测量中常常要采取有效办法来提所以

7、，在生物医学测量中常常要采取有效办法来提取有用信号。取有用信号。n硬件的方法硬件的方法 通过电路来实现、前处理通过电路来实现、前处理n软件的方法软件的方法 通过后期算法来实现、后处理通过后期算法来实现、后处理区分信号、噪声，关键看测量者对谁感兴趣。7 7生物医学信号测量的特点（3）n外界环境容易引入干扰外界环境容易引入干扰q外界电场、磁场的干扰外界电场、磁场的干扰n50Hz工频干扰工频干扰q外界声音干扰外界声音干扰n心音心音q外界刺激引入干扰外界刺激引入干扰n做诱发脑电实验时做诱发脑电实验时q噪声与干扰的区别噪声与干扰的区别n干扰一般来自外界，噪声一般来自仪器本身或传感器干扰一般来自外界，噪声

8、一般来自仪器本身或传感器8例：例：50Hz工频干扰工频干扰9 9生物医学信号采集、处理系统的基本组成生物医学信号采集、处理系统的基本组成信息获取部分信息获取部分（电极、传感器）（电极、传感器）信息加工部分信息加工部分（放大、数字化、（放大、数字化、存储、处理）存储、处理）信息记录与显示部分信息记录与显示部分（示波器、记录器）（示波器、记录器）1010生物医学传感器n物理传感器物理传感器q利用物理性质或物理效应研制的传感器利用物理性质或物理效应研制的传感器q角度、压力、振动、流量、温度角度、压力、振动、流量、温度q电压、电流电压、电流n化学传感器化学传感器q把人体内的某些化学成分、浓度转化成对应

9、关系的把人体内的某些化学成分、浓度转化成对应关系的电学量电学量n生物传感器生物传感器q利用生物活性物质有选择性地识别待测物质利用生物活性物质有选择性地识别待测物质q酶、抗体、抗原、激素酶、抗体、抗原、激素11照片（多导生理信号采集仪）12心电信号采集n心电导联心电导联共共1212个导联个导联13心电信号一例正常心电信号一例正常心电信号14异常心电信号心电信号处理心电信号处理：（：（1）R波检测；（波检测；（2）心率变异；（）心率变异；（3）作为生物特征进行身份）作为生物特征进行身份识别；（识别；（4）作为参考信号，协助其他医学信号研究，如脉搏波的研究、呼吸与）作为参考信号，协助其他医学信号研究

10、，如脉搏波的研究、呼吸与血流动力研究、心音信号研究血流动力研究、心音信号研究15脑电信号采集自发脑电、诱发脑电16一例脑电信号一例脑电信号脑电信号脑电信号：（：（1 1）诱发电位研究；（）诱发电位研究；（2 2）脑机接口研究；（）脑机接口研究；（3 3）癫痫预测与识别；）癫痫预测与识别；17科技新闻：人际脑电波通讯实验首获成功图左为发送信息的志愿者，图右为接收信息的志愿者一位位于印度特里凡德琅的志愿者借助脑电图记录设备将“你好（hola）”和“再见（ciao）”这两个单词，发给了远在法国斯特拉斯堡的实验人员。这两句问候语首先被转换成为二进制进行发送，法国方面的计算机在收到这些信号后，先对其进行

11、解码，然后再用电刺激将其输入到接收者的意识当中。18肌电信号采集应用应用 多自由度假肢多自由度假肢肌电信号肌电信号：（：（1 1）肢体动作识别；（）肢体动作识别；（2 2）电刺激与康复）电刺激与康复19神经电信号采集正中神经正中神经20胃肌电信号采集将四对胃起搏线圈，从胃上部到幽门沿胃体大弯侧放置在胃浆膜表面将四对胃起搏线圈，从胃上部到幽门沿胃体大弯侧放置在胃浆膜表面, 每对电极的每对电极的距离是距离是1cm, 相邻电极对的间隔是相邻电极对的间隔是2cm 5cm, 最上面那对电极大致位于胃体大弯最上面那对电极大致位于胃体大弯侧上侧上1/3 处的胃电起搏区处的胃电起搏区, 最下端的那对电极距幽门

12、最下端的那对电极距幽门2cm 4cm。通过部分埋入胃。通过部分埋入胃浆膜肌内的线圈浆膜肌内的线圈, 这些电极紧紧贴在胃浆膜上这些电极紧紧贴在胃浆膜上,线圈通过腹壁引出之后固定在体表线圈通过腹壁引出之后固定在体表的腹部。最上面那对线圈不但可以记录胃起搏区的胃电信号的腹部。最上面那对线圈不但可以记录胃起搏区的胃电信号, 也可以用来进行胃起也可以用来进行胃起搏的刺激搏的刺激, 其余各对线圈用来记录胃电活动其余各对线圈用来记录胃电活动还有体表胃电，用电极在体表采集21心音信号采集500060007000800090001000011000-3-2-10121. 心音与血流动力关系研究（体心音与血流动力

13、关系研究（体循环、肺循环、心脏瓣膜）循环、肺循环、心脏瓣膜）2. 基于心音指导运动员训练基于心音指导运动员训练3. 心音指导麻醉用量心音指导麻醉用量4. 心音评价围产期孕妇的心功能心音评价围产期孕妇的心功能5. 心音作为生物特征识别身份心音作为生物特征识别身份22血压信号采集间接测量血压间接测量血压柯氏音测压测压原理柯氏音测压测压原理23血压信号采集（续）直接测量血压直接测量血压24给予肾上腺素后，左心室血压的变化趋势050100150200250300350-50050100150200250300350Time(s)Blood Pressre(mmHg)25脉搏信号采集00.511.522

14、.5-20020406080100time in secondamplitude压电脉搏传感器压电脉搏传感器光电脉搏传感器光电脉搏传感器26呼吸信号采集胸廓呼吸运动胸廓呼吸运动呼吸流量呼吸流量024681012-3-2-10123Time in secondsRespiratory phasePhaseRESPExpirationInspriation200040006000800010000120001400016000-80-60-40-20020406027指纹采集28常见传感器（观察）我在实验中常用的传感器我在实验中常用的传感器1.血压传感器血压传感器2.呼吸流量传感器呼吸流量传感器3

15、.呼吸运动传感器（测量胸廓起伏）呼吸运动传感器（测量胸廓起伏）4.心音传感器心音传感器1.麦克风麦克风2.加速度加速度3.压电压电5.脉搏传感器脉搏传感器1.压电光电脉搏传感器压电光电脉搏传感器6.胃肠运动传感器胃肠运动传感器7.心电电极心电电极8.肌肉张力传感器肌肉张力传感器9.指纹采集仪指纹采集仪29“频率”的概念n简单地说，简单地说，“频率频率”是信号在单位时间内的振是信号在单位时间内的振荡次数，是描述振荡快慢的物理量。荡次数，是描述振荡快慢的物理量。2900.511.522.533.544.5500.511.522.53时间(秒)幅度(毫伏)请指出该信号的频率是多少？30哪个信号频率高

16、？哪个信号频率高？下图是脉搏波的信号下图是脉搏波的信号脉搏波有主要频率，还有次要频率。脉搏波有主要频率，还有次要频率。脉搏波不是单频信号。一般来说，生脉搏波不是单频信号。一般来说，生物医学信号都不是单频信号。物医学信号都不是单频信号。3131脉搏波脉搏波心电心电肌电肌电脑电脑电通过肉眼观察，以上信号的频率高低如何？通过肉眼观察，以上信号的频率高低如何？3232常见生理信号的频率范围常见生理信号的频率范围n 生理信号生理信号 频率范围（频率范围（HzHz）n 心电心电 0.01 2500.01 250n 脑电脑电 0 1500 150n 肌电肌电 0 100000 10000n 胃电胃电 0.0

17、5 200.05 20n 动脉血压动脉血压 0 1000 100n 脉搏波脉搏波 0.1 500.1 50n 心音心音 2 6002 600n 呼吸率呼吸率 0.1 10 0.1 10 了解各信号频率范围的意义是什么？了解各信号频率范围的意义是什么？采集信号的时候，设置采样率采集信号的时候，设置采样率瞬时频率n在时间t时刻附近， 若单位时间趋向于无穷小，那么此时的频率是瞬时频率33)()(21)(tttptf非平稳信号处理中，时频分析方法主要用于研究信号的瞬时频率举例: 在t时刻附近的0.01秒内，相位变化了5*2*，此时的瞬时频率是？可见，瞬时频率就是，瞬时相位的变化率3400.511.52

18、2.533.544.5500.511.522.53时间(秒)幅度(毫伏)请指出该信号在红点处的瞬时频率是多少？01234567891000.511.522.53时间(秒)幅度(毫伏)请指出红点处的瞬时频率与紫色点的瞬时频率，谁大谁小？35假设一脉搏波信号，如图所示，请求任一时刻的瞬时频率？00.511.522.533.544.55-505101520TimeAmplitude脉 搏 波步骤：1）求瞬时相位，2)求瞬时相位变化率)()(21)(tttptf3600.511.522.533.544.55-505101520TimeAmplitude00.511.522.533.544.550510

19、15TimeFrequency)()(21)(tttptf循环频率n单位时间内，重复出现的次数 q例： 一个信号在1秒钟内，重复出现了2次，那么它的循环频率是2Hz37012345678910-2-1.5-1-0.500.511.52时间(秒)幅度(毫伏)请问，该信号的循环频率是多少？q具有循环频率特征的生物医学信号q心电q脉搏q心音q心脏血流动力38问题：一个信号中有两个分量，一个分量的循环频率是1Hz，另一个分量的循环频率是2Hz，请问有什么办法把这两个分量从信号中分离出来？39“能量能量”的概念的概念n信号的信号的“能量能量”指信号幅度平方的积分指信号幅度平方的积分39dttxE2)(0

20、0.511.522.533.544.550510时间(秒)幅度(毫伏)00.511.522.533.544.550510时间(秒)幅度(毫伏)哪个信号的能量大？“功率功率”的概念的概念40n信号的信号的“功率功率”指信号在单位时间内的能量指信号在单位时间内的能量TdttxPT02)(00.511.522.533.544.550510时间(秒)幅度(毫伏)00.511.522.533.544.550510时间(秒)幅度(毫伏)哪个信号的功率大？41脉搏波脉搏波脉搏波在不同频率处的功率是不同的。功率最强的频率称为主要频率，其脉搏波在不同频率处的功率是不同的。功率最强的频率称为主要频率，其他为次要频

21、率。他为次要频率。信号在时域和频域之间的转换n一个信号既可以表示在时域中，也可以表示在频率中42012345-2-1.5-1-0.500.511.52时间(秒)幅度(毫伏)01234500.511.52频率(Hz)幅度(毫伏)时域表示频域表示余弦信号，频率1，幅度1，相位0两种表达方式等价，可以互相转换012345-2-1.5-1-0.500.511.52时间(秒)幅度(毫伏)01234500.511.52频率(Hz)幅度(毫伏)（说明，三个参数可完全描述这个信号，压缩）43012345-2-1012时间(秒)幅度(毫伏)012345-2-1012时间(秒)幅度(毫伏)01234500.511

22、.52频率(Hz)幅度(毫伏)该信号有两个分量（红色、蓝色）之和构成012345-2-1012时间(秒)幅度(毫伏)012345-2-1012时间(秒)幅度(毫伏)01234500.511.52频率(Hz)幅度(毫伏)时域表示频域表示信号的分解和合成信号被分解成立2个分量，2个信号合成了原信号44-3-2-10123-2-1012TimeAmplitude-3-2-10123-2-1012TimeAmplitude0510152000.511.52频率(Hz)幅度(毫伏)时域表示频域表示方波-3-2-10123-2-1012TimeAmplitude-3-2-10123-2-1012TimeA

23、mplitude0510152000.511.52频率(Hz)幅度(毫伏)-3-2-10123-2-1012TimeAmplitude-3-2-10123-2-1012TimeAmplitude0510152000.511.52频率(Hz)幅度(毫伏)分解051015-505101520TimeAmplitude脉 搏 波0510152000.10.20.30.40.50.60.70.80.91频率(Hz)幅度(毫伏)时域表示频域表示45傅里叶变换：信号在时域、频域之间转换46傅里叶变换：把信号转换到频域，称为傅里叶分析（或谱分析）051015-505101520TimeAmplitude脉

24、搏 波0510152000.10.20.30.40.50.60.70.80.91频率(Hz)幅度(毫伏)从分析中可知：信号中各分量的大小，找出主要分量47“功率谱功率谱”的概念的概念n简单地说，简单地说，“功率谱功率谱”是信号功率随频率的分是信号功率随频率的分布。布。47“功率谱功率谱”也称为也称为“功率谱密度功率谱密度”。00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-2-1012时 间 （ 秒 ）幅度050100150200250300350400450500-100-80-60-40-200频 率 （ 赫 兹 ）功率谱4848n如果信号的功率谱不随时间变化，则称信号是平稳的。如果信号的功率谱不随时间变化，则称信号是平稳的。00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-2-1012时 间 （ 秒 ）幅度050100150200250300350400450500-100-80-60-40-200频 率 （ 赫 兹 ）功率谱功率谱的估计方法很多，在数字信号处理中专门学习。功率谱的估计方法很多，在数字信号处理中专