第七章h 生物医学信号处理.

1、生物医学信号的分类生物医学信号的分类n（1）由生理过程自发产生的主动信号，例如心电）由生理过程自发产生的主动信号，例如心电（ECG）、脑电（）、脑电（EEG）、肌电（）、肌电（EMG）、眼）、眼电（电（EOG）、胃电（）、胃电（EGG）等电生理信号和体温、）等电生理信号和体温、血、脉博、呼吸等非电生信号。它们是对人体进血、脉博、呼吸等非电生信号。它们是对人体进行诊断、监护和治疗的重要依据。行诊断、监护和治疗的重要依据。n（2）外界施加于人体、把人体作为通道、用以进）外界施加于人体、把人体作为通道、用以进行探查的被动信号，如超声波、同位素、行探查的被动信号，如超声波、同位素、X 射线射线等。关于

2、生理、病理状况的信息将通过被动信号等。关于生理、病理状况的信息将通过被动信号的某些参数来携带。的某些参数来携带。n（1）去除不需要的信号成份，因为它们污染了感）去除不需要的信号成份，因为它们污染了感兴趣的信号；兴趣的信号；n（2）用更明显或更有用的形式表达提取的信息；）用更明显或更有用的形式表达提取的信息；n（3）为了预期信号源的行为，预测信号的未来值。）为了预期信号源的行为，预测信号的未来值。 处理的目的是要区分正常信号与异常信号，处理的目的是要区分正常信号与异常信号，在此基础上诊断疾病的存在。这种处理过程就像在此基础上诊断疾病的存在。这种处理过程就像医生用听诊器来检查异常心声或肺声一样。生

3、物医生用听诊器来检查异常心声或肺声一样。生物医学工程师常将信号分解为基本信号类型的和，医学工程师常将信号分解为基本信号类型的和，以检查异常信号并发现疾病。这些方法中有许多以检查异常信号并发现疾病。这些方法中有许多需要利用付里叶变换中的特性。需要利用付里叶变换中的特性。确定性信号确定性信号 在教材中常作为例子给出，是最熟悉的在教材中常作为例子给出，是最熟悉的一类信号，但这类信号在真实世界中则较少一类信号，但这类信号在真实世界中则较少出现。所谓确定性信号是指在已知足够过去出现。所谓确定性信号是指在已知足够过去值的条件下，能够准确预测该信号未来值的值的条件下，能够准确预测该信号未来值的一类信号。例如

4、，正弦波信号一类信号。例如，正弦波信号ASin（t）。 只要能够用数学封闭表达式来表达的一只要能够用数学封闭表达式来表达的一类信号就是确定的信号。类信号就是确定的信号。n既使信号的全部过去值已知，也不能准确预测其既使信号的全部过去值已知，也不能准确预测其未来值的一类信号称为随机信号。随机信号在真未来值的一类信号称为随机信号。随机信号在真实世界中大量存在。严格地说，实际的物理信号实世界中大量存在。严格地说，实际的物理信号总具有某些随机因素。例如，测量仪器中电流产总具有某些随机因素。例如，测量仪器中电流产生的噪声就是一类常见的随机信号，大多数生物生的噪声就是一类常见的随机信号，大多数生物医学信号包

5、含有随机信号。医学信号包含有随机信号。n未认识清楚的因素被归入未认识清楚的因素被归入“噪声噪声”。n随机信号也包含有一些规律的因素。这种规律性随机信号也包含有一些规律的因素。这种规律性是从大量样本统计分析后呈现出来的。是从大量样本统计分析后呈现出来的。 分形信号具有十分有趣的特性，即它们分形信号具有十分有趣的特性，即它们在各种放大倍数下看上去都很类似，这种在各种放大倍数下看上去都很类似，这种特性称为尺度不变性。特性称为尺度不变性。 典型的分形信号：心率信号、血管分支典型的分形信号：心率信号、血管分支 仅仅采用常规的测量工具是不能区别仅仅采用常规的测量工具是不能区别新信号和原信号的。新信号和原信

6、号的。原信号原信号四点平均四点平均后的信号后的信号n混沌信号是一类不能准确预测其未来的确定性信号。混沌信号是一类不能准确预测其未来的确定性信号。n对于一些确定性的信号，它们在未来的轨迹对其过对于一些确定性的信号，它们在未来的轨迹对其过去值很敏感，因此，无法用足够的精度来预测未来去值很敏感，因此，无法用足够的精度来预测未来值。理论上这些信号是确定的，但未来值的预测误值。理论上这些信号是确定的，但未来值的预测误差很大。差很大。n混沌信号在视觉上具有随机信号的一些特征，但是混沌信号在视觉上具有随机信号的一些特征，但是随机信号不是混沌的，混沌信号也不是随机的。随机信号不是混沌的，混沌信号也不是随机的。

7、n生物化学的调控过程、脑电活动、呼吸、从多细胞生物化学的调控过程、脑电活动、呼吸、从多细胞振荡器到单个神经元等神经生理系统也已经报道展振荡器到单个神经元等神经生理系统也已经报道展现出混沌现象。现出混沌现象。2iiicnbnam2cnbnampppuauf)(Pp, 2 , 1 , 0!/ )0()(pfappp 22)()()(uxuauxufEpppMu, 1, 0rrppuuxua)()(Pr, 2 , 1 , 0rruuxF)(rprpuSrpprSaF)(nx12 Mq0a0rp0rpS0rp51111100uS2rp104101422uS4rp34161011644uS0r22002

8、211000SaSaSaSaSaF1r213221101SaSaSaSaF2r42204231202SaSaSaSaSaF35/ )517(70/ )1034()/()(2020224022040FFFFSSSFSFSa0r)2() 1 ()0() 1()2()(0 xxxxxuxF2r)2(4) 1 () 1()2(4)(22xxxxuuxF35/)2(3) 1 (12)0(17) 1(12)2(3(0 xxxxxa60/)4()3(4)2(6) 1 (41)0(69(0 xxxxxa60/)3(2)2(8) 1 (12)0(27) 1(2(0 xxxxxa)(nx)(nb)()()(nbn

9、xnew)()(2)()()()()(22222nbnxnbnxnbnxnewww)()(2)()()(2222nbnxEnbEnxEneEww)()()/2()()(2nbnxNnbnxEww)()(nbnxw)(ne010002000300040005000600070008000-0.8-0.6-0.4-0.60.81050010001500200025003000350040004500-1-0.500.511.50200040006000800010000120001400016000-1-0.500.511.5dtttfttfkjFkjkj)()()(),(),

10、(*,Hz12500Hz02500Hz22500Hz12500Hz42500Hz32500Hz102500噪声心电信号的小波噪声心电信号的小波(bior6.8)十阶分解平滑信号十阶分解平滑信号(a)模拟噪模拟噪声心电信声心电信号号(b) 实测实测噪声心电噪声心电信号信号WXS ( )( )log( )(log( )H xp xp x dxEp x n互信息是各分量独立程度的最直接的量度互信息是各分量独立程度的最直接的量度( ) ( ), ( )( )log( )pKL pqpdqxxxxxx ( ), ( )0KL p x q x=1( ) ( ),( )0NiiIKL pp xxx1/2TS

11、U1)(12NRRRRNii2)(1121NRRRRNiiiw(n)x(n)(zHW(z)X(z)(nh)()()(1nwknxanxpkk2121)(pkkjkxeaPP1kknknnxawx2世界的本质是非线性的，人体的生命活动过世界的本质是非线性的，人体的生命活动过程也是非线性的。程也是非线性的。复杂的确定性非线性系统。复杂的确定性非线性系统。确定性确定性洛仑兹方程解的相空间轨迹图洛仑兹方程解的相空间轨迹图74.24,10,38bbzxyzyxxzyyxx取蝴蝶效应蝴蝶效应: :差之毫厘差之毫厘, ,谬以千里谬以千里.(.(混混沌运动对初始条件极端敏感沌运动对初始条件极端敏感) ) ECG ECG信号的相空间重构（应用举例）信号