生物医学信号处理全套课件362P.docx
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生物医学信号处理全套课件362P
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10
50μV
脑干听觉诱发响应信号小于1μV
自发脑电信号约5150μV
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
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模拟放大子系统放大微弱的医学信号最高应达106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01Ω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CMRR90dB表示差模信号放大倍数与
共模信号放大倍数之比为1091
_2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低端截止频率赫兹低端
截止频率与时间常数的关系为frc12π1RC12
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MΩ106ΩGΩ109Ω甚至TΩ1012Ω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timeresolution两采样点间的时间间隔Δt
2位数_
____
决定幅度分辨率"___
_
_
_或
精度precision早期的器件为8位现通用12位或16位更
高的有24位
3极性_
_
_配合放大器输出的极性分差动单极性正或
负双极性
4满量程输入范围一般为±5V满量程10V或±10V满量程
20V
5准确度
__或采样误差_
___
___一般为±2
6通道数__
_______
允许输入信号的通道路数一般
为8路或16路但可任意扩展
医学资料32
就两个主要指标时间分辨率和幅度
分辨率再讨论_1时间分辨率由两采样点间所需的时间间隔Interval决定其倒数叫采样率或采样频率fs采样率越高越能反映信号的细节但单位时间
的数据量以字节byte计越大其上限受器件性
能的限制不可能无限大一般医学信号处理目的所用的器件上限为几十
千赫兹到几百千赫兹10-100kHz对应的时间分辨
率Δt为01mS-10μS
医学资料33
就两个主要指标时间分辨率和幅度
分辨率再讨论2幅度分辨率Amplituderesolutionq每量化单位q代表的电压值该参量反映了量化的精度即幅度分辨率q信号值分度值下面我们以10V的满程信号为例计算说明对早期的8位板数字分度值为28256则幅度分辨率10V2840mV4010-3V对12位板幅度分辨率10212244mV24410-3V对16位板幅度分辨率1021601526mV0152610-3V对20位板幅度分辨率102209537μV953710-6V对24位板幅度分辨率102240596μV059610-6V
医学资料34
下面就两个主要指标时间分辨率和
幅度分辨率再讨论因此如果采用24位板可直接检测脑电信号对0596mV约600
μV的信号分度数应为10000596mV0596μV1000相当于
一个10位板2101024如果10位板的满量程为10伏则幅度分辨
率为10mV101024≈10mV如果要达到采用24位板的同样的
幅度分辨率则需配备16779倍的放大器10mV0596μV
≈1677852因此采用位数多的采样板可大大减轻对模拟放大器的要求
理论上讲采用16位板足可对mV级的心电信号进行直接采样
为了减少传输干扰可在电极上配置一个简单的放大器就足够了
对μV级的脑电信号进行简单的放大也可以直接采样这是一
个发展方向当然目前24位AD器件其价格是很昂贵
医学资料35
采样定理_
___
____
_采样定理是数字信号获取过程中十分重要
的定理它关系到时域
__
_
_及频域
_
_的分辨率能否有效
地恢复原始信号是否会产生混迭效应
"_
__
____采样定理又叫赖奎斯特定理_
__
_满足采样定理不产生混迭效应的采样条件
叫赖奎斯特条件_
__
医学资料36
采样定理_
___
____
_几个有关概念
_____采样_
___
____以一定的时间间隔△t对模拟信号xt取值-_
获得数字信号xn的操作叫采样
_____带限信号_
_
__
__
__最高频率
fc又叫截止频率__
__为有限值的信号
_____采样频率_
___
___
__又叫采样率_
___
____单位时间内获取的数据点数是采样时间间隔的倒数即
采样频率fs1△t
____0_赖奎斯特频率fN等于两倍信号截止频率的频率fc即
________________________________________________fN2fc_______________________________________________________________
____1_赖奎斯特条件__fsfN即__fs2fc_________________________________采样定理若模拟信号xt是带限信号且采样频率满足赖奎斯
特条件则可由获得的数字信号xn完全确定原始信号xt
医学资料37
采样定理Samplingtheorem举例
例今有信号xtCOS2πt2COS4πt3COS6πt-试确定fc_-_fN_-_fs
解信号各分量的频率f123-_f223-_f323
_________________________________________故___fc23fN_243-_fs≥43
_采样过程实际是令上式中的tn△t的过程所以
_____xn△tCOS2π×1×n△t2COS2π×2×n△t3COS2π×3×n△t
考虑到△t1fs所以
________________xnCOS[2πf1fsn]2COS[2πf2fsn]3COS[2πf3fsn]COS2πF1n2COS2πF2n3COS2πF3n
_若取fs210Hz则_
______________xnCOS2π×01n2COS2π×02n3COS2π×03n
______比较模拟信号我们称Fffs叫数字频率
__所以数字频率
分别为F101-_F202-_F303如果要用数字频率表示赖奎斯特条件
______________________________________________则Fs≤12FN12若有数字信号xn3sin03n-则由2πF03可知数字频率为F2_56π2_
565077__2ffs该数字频率满足赖奎斯特条件即Fs≤12
医学资料38
采样定理Samplingtheorem在实际应用中常常要求同时医学文献多叫
同步采集多导信号如同时16导脑电信号
同时12导心电信号等但在实际的医疗设备的
执行中数字化大都是单导进行的每导间都
有时间差如500Hz采样每导间差2mS为了
满足同时性的要求大都采用8采样保持技术9
这是一种锁时技术然而有的设备包括
一些进口设备虽然宣称具有同时性但实际
上并未采取同时性的技术措施除了8采样保持技术9外也还可以采用一些其
他技术措施可以相当精确地满足同时性要求
医学资料39
采样_
___
__6_实际采样对实际信号的采样要根据信号特点
通道数带宽采样板的硬件特性初始化编
码频率通道和数据长度设置_端口读写和
对数据的要求数据存储格式__顺序二进制等
编程操作低层_6_仿真采样用数学方法和计算机算法将连续函数
变成离散函数计算机仿真采样可以帮助了解采样
原理
医学资料40
采样_
___
__举例假定原始信号为_
_______________yt32COS4πtπ33SIN8πtπ6___第一项3为直流f00Hz分量的幅度第二项中的系数
2为第二分量的幅度第三项中的系数3为第三分量的幅度π3与π6分别为第二分量和第三分量的初相位第二分量的频率为f12Hz第三分量的频率为f24Hz
显然高端截止频率fcutoff4Hz对应的高端截止周期
为Tcutoff250mS如果选4倍fcutoff为采样频率fs则fs4
fcutoff16Hz采样时间间隔Δt116Hz即Δt625mS一个
周期所采的样点数为NTfsfcutoffTcutoffΔt4点如果对实际信号采样要求采得N1024点数据则需时
间tN×Δt64S仿真采样的前10点的采样值如表1512点
波形如图1
医学资料41
采样_
___
__
表3-1仿真采样数据前10点
图__仿真采样图形1点注a余弦分量b正弦分量c合成信号直流分量余弦分量正弦分量
医学资料42
采样_
___
__
采样频率为40Hz下的图形
图形特点细节更清楚与模拟图形几乎一致
注_
_余弦分量
__________正弦分量
_合成信号直流分量余弦分量正弦分量
医学资料43
信号的时域处理最直接的信号处理即表层的信号分析是时间域
上的信号参数计算和波形分析在时间域上主要分
析信号的最大最小均值波形的相似性时域
滤波等信号时域处理包括的主要内容
参数计算和波形分析相关分析
__
_
___
_卷积_
_
_
_滤波_
_
实质都是一
些数学运算
医学资料44
一参数计算和波形分析__
_
_
_
___
_参数计算__
_
__
_参数计算包括绝对测量相对测量面积计算和时间测量等可由计
算机自动完成也可用人机交互Man-Machineinterfacing的方法完成①绝对测量或叫有量纲的量的测量包括峰值均值均方值方根值
平均幅值等对随机信号假定具有各态遍历及平稳特性用时间平均代替多次测
量平均平均值x1N∑xii012∞平均幅值x1N∑xii012∞峰值xxii012∞均方值xms1N∑xi2i012∞均方根幅值xrms[1N∑xi2]12i012∞方根幅值xr[1N∑xi12]2i012∞对确定性信号如心电图应用多个心动周期的对应测量值求平均
医学资料45
一参数计算和波形分析
parametercomputationandwaveanalysis
②面积测量在医学信号的时域测量中常用面积参量在等间隔采样的
情况下面积测量实际可由求和代替如测量心电信号中P波面积在
由一定的算法找到P波的起点N1与止点N2后可得Sp∑xiN1≤i≤N2③时间测量如心电图测量中要测各种间期的时限若测QRS时限则
在用一定的算法找到QRS波的起点N1止点N2后可得TQRSN2-N1△T式中△T为采样间隔若采样频率为1000Hz则△T1mS
④相对测量包括波形指标峰值指标锐度指标面积比等波形指标K均方根幅值平均幅值xrmsx峰值指标C峰值均方根幅值xPxrms脉冲指标I峰值平均幅值xPx裕度指标L峰值方根幅值xpxr锐度指标SH峰值方根幅值xkpskxkp表k波峰值面积比Rsk波面积i波面积sksi
医学资料46
一参数计算和波形分析
parametercomputationandwaveanalysis波形分析_
_
_
___
_对不同的医学信号有不同的形态分析方法其中以心电
信号最成熟如高大低平增宽切迹顿挫抬高
压低小R大S等脑电信号中的棘波αβθ等波
这些都是模糊概念在具体工作中必须给出一些量化的
特征或确定一个阈值方可建立计算机模型
医学资料47
二相关分析correlationanalysis概念相关是一种数学运算这里的线性相关与医学统计中
有些不同这里是讨论两信号之间的同步性synchronism或
相似性similarity或同相性in-phasity或两信号的变化规律是
否具有线性关系linearrelationship或接近线性关系的程度
这里还要给出相关函数correlationFunction在医学统计里
一般是不给出的和相关系数correlationcoefficient这两个
相联系而又不同的概念作用对于确定性信号相关分析可以作为滤波和分类识别
手段来判断信号的同源性Co-source和波形相似性
similarity的方法对随机信号可用来判断周期成分是否
存在也可用作滤波和分类识别工具这里我们只介绍有关
概念和算法并作些简要解释不作数学推证
医学资料48
二相关分析correlationanalysis
①互相关函数cross-correlationFunction今有数字信号
xn和yn其线性移位互相关函数为rxym∑xnynmn012N-1_____1____解释上式表示的相关运算是两数字序列
__的对应项的相乘再相加的运算计算完一次序
列yn左移一位式中m表示位移量每取一个m得一个rxy值如rxy0rxy1rxyN-1共有N个值m表左移-m表右移共有2N-1个值这2N-1个值就构成了互相关
序列cross-correlationsequence叫互相关函数r值大于0
表示有同相成份存在小于0表示有反相成分存在等于0表
示两序列正交或相互独立相关运算的简洁表示为rxymxnyn2-6式中表示相关算符correlationoperator
医学资料49
二相关分析correlationanalysis举例
例计算有限能量信号xnyn的20的互相关函数
_____________xn_2___101-101________n_25
_____________yn_201101-1________n_25
解
⑴__确定_的取值范围__________≤≤
_________分别利用_的值代入公式计算
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