1、计算机技术在医疗仪器中的应用,主讲 白晶,第三章 生物医学信号处理及技术,1 生物医学信号的特点 2 生物医学信号的检测处理方法概述 3 信号及其描述 4 信号处理的一般方法 5 应用实例,1 生物医学信号的特点,生物医学信号处理是生物医学工程学的一个重要研究领域，也是近年来迅速发展的数字信号处理技术的一个重要的应用方面 数字信号处理技术和生物医学工程的紧密结合，使我们在生物医学信号特征的检测、提取及临床应用上有了新的手段，因而也帮助我们加深了对人体自身的认识。,1 生物医学信号的特点,人体中每时每刻都存在着大量的生命信息。由于我们的身体整个生命过程中都在不断地实现着物理的、化学的及生物的变化
2、，因此所产生的信息是极其复杂的。 我们可以把生命信号概括分为二大类：化学信息 物理信息,1 生物医学信号的特点,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。,1 生物医学信号的特点,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。,1 生物医学信号的特点,人体非电信号： 如体温、血
3、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。,1 生物医学信号的特点,“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。,1 生物医学信号的特点,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。,1 生物医学信号的特点,1信号弱 2噪声强 3频率范围一般较低 4随
4、机性强,1 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1050V， 脑干听觉诱发响应信号小于1V， 自发脑电信号约5150V， 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。,1 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
5、噪声的算法。,1 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0.0135Hz，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。,部分生物医学信号参数,1 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。,生物医学信号
6、处理的主要任务,研究不同生物医学信号检测和提取的方法； 研究突出信号本身、抑制或除去噪声的各种算法； 研究对不同信号的特征的提取算法； 研究信号特征在临床上的应用。,生物医学信号的检测处理方法概述,生物医学信号检测方法 生物医学信号处理方法 数字信号处理的特点,生物医学信号检测,对生物体中包含的生命现象、状态、性质和成分等信息进行检测和量化的技术。 涉及到人机接口技术、低噪声和抗干扰技术、信号拾取、分析与处理技术等工程领域，也依赖于生命科学（如细胞生理、神经生理等）研究的进展。,信号检测一般需要通过以下步骤： 生物医学信号通过电极拾取或通过传感器转换成电信号，经放大器及预处理器进行信号放大和预
7、处理，然后经A/D转换器进行采样，将模拟信号转变为数字信号，输入计算机，然后通过各种数字信号处理算法进行信号分析处理，得到有意义的结果。,心电电极、心音传感器、导联线,心电、心音信号放大器,数据采集卡（A/D转换卡）,生物医学信号检测系统,生物医学传感器,获取生物医学信息并将其转换成易于测量和处理的信号的关键器件 应用电极可检测心电、脑电、肌电、眼电和神经电等各种生物电信号； 物理传感器已用于血压、血流、体温，心音、脉搏、呼吸等各种生理量的测量；,生物医学传感器,应用化学传感器可检测血、尿等体液中多种离子浓度； 用于检测酶、抗原、抗体、神经递质、激素、受体、DNA和 RNA等生物活性物质的生物
8、传感器亦在研究及迅速发展之中； 心磁、脑磁等生物磁信号的检测方法的研究正在受到重视。,生物医学信号检测的发展趋向,发展微型化、多参数生物医学传感器，特别是加强化学传感器和生物传感器的实用化研究； 发展以生物电和生物磁为代表的无创检测技术； 发展植入式、动态监测式技术和生物遥测技术； 发展细胞和分子水平的检测技术。,生物医学信号处理方法,生物医学信号处理是研究从被干扰和噪声淹没的信号中提取有用的生物医学信息的特征并作模式分类的方法。 由于生物医学信号具有随机性强和噪声背景强的特点，采用了诸多数字处理技术进行分析,生物医学信号处理方法,对信号时域分析的相干平均算法及相关技术； 对信号频域分析的快速
9、傅立叶变换算法、各种数字滤波算法； 对平稳随机信号分析的功率谱估计算法、参数模型方法；,生物医学信号处理方法,对非平稳随机信号分析的短时傅立叶变换、时频分布(维格纳分布)、小波变换算法； 对信号的非线性处理方法如混沌与分形、人工神经网络算法等。,生物医学信号处理方法,采用相干平均技术已成功提取诱发脑电、希氏束电和心室晚电位等微弱信号； 在心电和脑电体表标测中采用计算机进行多道信号同步处理并推求原始信号源的活动（逆问题）；,生物医学信号处理方法,在心电、脑电、心音、肺音等信号的自动识别分析中应用了多种信号处理方法进行特征提取与自动分类； 在生理信号数据压缩和模式分类中引入了人工神经网络方法；,生
10、物医学信号处理方法,在脑电、心电、神经电活动、图像分割处理、三维图像表面特征提取及建模等方面引入混沌与分形理论等，已取得了许多重要的研究成果并得到了广泛的临床应用。,数字信号处理的特点,自1960年以来，随着计算机技术和现代信息技术的飞速发展，产生了一门新的独立学科体系：数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）。 数字信号处理是利用计算机或专用处理芯片，以数值计算的方法对信号进行采集、分析、变换、识别等加工处理，从而达到提取信息和便于应用的目的。,数字信号处理的特点,算法灵活 运算精确 抗干扰性强 速度快 此外，数字系统还具有设备尺寸小，造价低，便于大规模集
11、成，便于实现多维信号处理等突出优点。,3 信号及其描述,3.1 信号 3.2 系统 3.3 采样 3.4 数字信号处理发展的动力,3.1 信号（signals）,自然界中信息的一种物理体现，是信息的载体 在信号处理领域，信号被定义为一个随时间变化的物理量。例如心电监护仪描记的病人的心电、呼吸等信号。 信号一般可以表示为一个数学函数式，以x(t)表示，自变量t为时间，x(t)表示信号随时间t的变化情况。如正弦波信号：,3.1 信号（signals）,一个实际信号除了用函数式表示外，还常常用曲线来表示。,3.1 信号（signals）,信号分类 (types of signals) 确定信号与随机
12、信号Deterministic vs. stochastic 连续时间信号与离散时间信号Continuous-time signal, discrete-time signal 模拟信号与数字信号等,3.1 信号（signals）,按信号取值的确定性与否 ，分为： 确定信号: x(t)可确切表示成时间的函数 周期信号：x(t)=x(nT+t) T为周期，n是任意整数 非周期信号 随机信号:不能确定在某一给定时间的确切取值 平稳随机信号非平稳随机信号,信号,确定性,随机性,非周期性,周期性,各态遍历,非平稳,平稳,非各态遍历,3.1 信号（signals）,按信号的时间取值特点，分为： 连续时间
13、信号： 在某个时间区间，除有限间断点外所有瞬时均有确定值。 离散时间信号（序列）： 时间上不连续，幅度连续,3.1 信号（signals）,如果t是定义在时间轴上的连续变化的量，称x(t)为连续时间信号（连续信号），或模拟信号。 即连续信号是随时间连续变化的，在一个时间区间内的任何瞬间都有确定的值。,3.1 信号（signals）,如果t仅在时间轴上的离散点上取值，称x(t)为离散时间信号（离散信号）。即离散信号只在离散的时间点有确定的值。一般离散时间信号记为x(n)，n取整数，这样x(n)表示为仅是整数n的函数，因此x(n)又称为离散时间序列（序列）。 如果x(n)在幅度上也取离散值，即在时
14、间和幅度上都取离散值的信号称为数字信号。,3.1 信号（signals）,一般来说，离散信号的产生有两种形式： 一种是信号源本身产生的就是离散信号 而更多的情况下，离散信号是通过对连续信号的采样得到的 例如在对病人监护时每隔半小时测一次体温，虽然病人的体温是连续变化的，但采样输出的是离散信号，在一天内得到48个采样值，构成了一个离散的体温信号。,3.1 信号（signals）,图 模拟信号与数字信号的关系,信号的最基本的参数,幅度和频率 (amplitude & frequency) 在时间域内研究信号幅度随时间的变化，即波形分析，x(t), 在频域内研究信号的频域成分, 提供了时域无法提供的
15、信号频谱特性, F()。,3-30kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航)甚低频 30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇通信)低频 3003000kHz:Medium frequency(调幅广播)中频 3-30MHz:High frequency(HF)(无线电爱好者，国际广播，军事通信 无绳电话，电报，传真)高频 30-300MHz:Very High frequency(VHF)(调频FM，甚高频电视),0.33GHz:Ultra high frequency (UHF)(UHF电视，蜂窝电话，雷达，微波，个人通信)超高频 频率低20Hz范
16、围，称为次声波，它不能被听到，当强度足够大，能被感觉到。(处于VLF Very low frequency)甚低频 频率20Hz20KHz称为声波，Low frequency (处于LF)低频 频率20KHz称为超声波 ，具有方向性，可以成束(处于LF),3. 2 系统,系统（System）是指由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有某种特定功能的整体。 在信号处理领域，我们把系统定义为物理器件的集合，它在受到输入信号的激励时，会产生输出信号。输入信号又称为激励，输出信号又称为响应。,3. 2 系统,对数字信号处理，系统可以抽象成一种变换，或一种运算，将输入序列x(n)变换成输出序列y(n
17、)。,3. 2 系统,对系统T，输入x(t)时输出是y(t)，我们称y(t)是系统T对x(t)的响应(Response)。 当输入是单位冲激信号 时，系统的输出称为系统的单位冲激响应，用h(t)表示。h(t)反映了系统T的固有的本质，若系统T是线性时不变系统，只要知道了h(t)，那么对于任意的输入x(t)，都可以通过公式求出其输出：,例如，体表心电信号是心脏的电活动通过人体传到体表，通过电极拾取后得到的心电图信号。 心脏是心电图的信号源，即x(t)，人体可以看作是一个容积导体，该导体可看作是系统T，x(t)经过系统T后的输出y(t)即是体表心电信号y(t)。 然而由于人体这一容积导体对心电传输
18、来说是非线性的，目前还无法得出该系统的单位冲激响应h(t)。 人们也正在研究如何通过体表电位标测由反卷积来求解心电信号源的特征。,3.3 采样,采样是完成由连续时间信号转换为离散时间信号的工具，采样一般由A/D转换器完成。 A/D转换器就如同一个电子开关，如果设定采样频率F，则开关每隔T=1/F秒短暂闭合一次，将连续信号接通，得到一个离散点的采样值。,3.3 采样,假设开关每次闭合的时间为秒（T），则采样器的输出是一串周期为T，宽度为，幅度为在这段时间内原始信号的幅度的脉冲，将该输出脉冲进行幅度量化编码后即得到采样的数字信号。 作为理想化的考虑，令0，采样输出脉冲的幅度就精确地代表输入信号在该
19、离散时间点上的瞬时值，此时的采样称为理想采样。,采样过程 (a)电子开关 (b)实际采样 (c)理想采样,3.3 采样,在对模拟信号进行采样之前，应了解模拟信号的特征即幅度特征和频率特征。在知道某一信号的特征后，就可以确定采样频率、采样精度。 采样频率即单位时间内的采样次数，单位为次/秒，简记为Hz。 采样精度对模拟信号采用多少位的数字来表达，常用的有8位，10位，12位，16位等。位数越多，精度越高。,A/D 分辨率（采样精度）,Code width = smallest detectable change in voltage,=,AD的输入范围,2,n,n = # of ADC bits
20、,16-bit ADC,3-bit ADC,Amplitude,code width,c,Time,0,20,100,120,140,40,60,80,10.00 9.75 7.50 6.25 5.00 3.75 2.50 1.25 0,111 110 100 011 010 001 000,A/D 采样频率,Nyquist 采样定理 采样率 2倍的信号最高频率,Adequately sampled,Aliased due to undersampling,模拟信号的数字化,数字信号,数码,量化电平,模拟信号,采样保持信号,量化电平,数字信号转化成模拟信号,D/A输出,模拟滤波输出,3.4 数
21、字信号处理发展的动力,应用领域 随着数字信号处理理论和技术水平的不断提高，其硬件产品，如TMS320C6000DSP高性能、易使用和低成本的特点使它成为多通道、多功能应用场合的理想选择；,3.4 数字信号处理发展的动力,应用领域 共享modem、无线基站、光传输基站、远程操作服务器(RAS)、DSL系统、Cable modem、多通道电话系统、3D图像虚拟实现、语音识别和处理、智能机器人、雷达、大气模型和成像技术、无线多媒体通信和INTERNET等。,各种数字信息系统,Digital Media Processing,Webpad,Telematics,Wireless Devices: 80
22、2.11, Bluetooth, Others,Enhanced Gaming,Military and Government Cellular, Secure Connectivity,Industry-Specific PDAs,Biometrics,Medical Devices,3.4 数字信号处理发展的动力,在机械制造中，基于 FFT算法的频谱分析仪用于振动分析和机械故障诊断； 医学中使用数字信号处理技术对心电(ECG)和脑电(EEG)等生物电信号作分析和处理； 数字音频广播(DAB)广泛地使用了数字信号处理技术。,语音压缩,在手机中用可将语音压缩至13bsp 在Inmarsat 卫
23、星电话中用将语音压缩至4.3bps后,仍具有良好的清晰度 在语音信箱、留言电话方面也都采用语音压缩技术和。,图像处理,数据压缩： 采用压缩编码，可在保证一定图像（或声音）质量的条件下，以最小的数据率来表达和传送图像（或声音）信息。 图像复原 清晰化与增强：由于单个数字图像以1兆个采样值的量级表示，所以要求高性能的处理机、高密度的数据存储器。即要求高速度硬件。,数字压缩,在一定条件下把原始信号所含信息数据进行压缩,如语音、声音、图像信号中含有许多冗余信息,通过数字信号压缩算法最大限度地去除这些信号中的冗余度,使压缩后信号带宽减小,提高传输效率。作数据存储时可降低所需存储介质的容量。 例如直径为1
24、20的光盘,本来存储的只是一套70分钟的 立体声音乐,现在可将70分钟电视信号和音乐信号都压缩到120的光盘上,即光盘。,会议电视和可视电话,采用完成视频图像信号的压缩,制成可通过公用电话交换网()传输的会议电视或可视电话。,雷达,在军事上，雷达、计算机、射击武器等组成一个自动控制系统。 当目标进入雷达的作用半径以内并被雷达自动跟踪时，雷达就测量出目标的当前位置(距离、方位角和高低角)，并把数据送入计算机，推算出目标的航向，航速，引导导弹或自动火炮去击中目标(爱国者导弹对飞毛腿导弹)。,通信,整个通信领域几乎没有不受数字信号处理技术影响的地方。(占60%） DSP主要应用于通信的热门产品中。如
25、：蜂窝电话（Cellular phone)蓝牙技术(bluetooth)产品数字电话应答机（digital telephone answering device)全球定位系统（global positioning system,GPS ),通信,DSP主要应用于通信的热门产品中。如：卫星电话(satellite phone)电话会议(conference speaker phone) 电视电话会议编译码器(video conferencing code )IP电话(voice over IP)IP传真(fax over IP)智能天线(smart antenna),回声抵消装置,利用通信卫星打
26、越洋长途电话时,因静止卫星离地球表面36000,通信延时为0.24,就会在话机中听到自己的讲话,影响正常通话,现在采用了做的回声抵消器,可把回声抑制掉。,调制解调器,调制解调器()。为在电话线上传输计算机数据,采用可做成符合规定的各种调制解调器,尤其是符合.32、.33、.34建议的高速,都可用软件加以实现,扩频通信,与数据压缩相反。 仙农编码定理：在一定条件下，只要码的长度充分大时，一定存在一种编码、译码方法，使错误译码率充分小。 近年来，在国防上实现发射功率隐蔽与抗电子干扰，采用了扩频通信技术，用300千比特/秒的数码率传送64千比特/秒的语音，可以使敌方对此信号难以侦察或干扰。,生物医学
27、信号处理,生物医学信号处理CT / CAT CT：计算机X射线断层摄影装置。其中头颅CT英国EMI公司豪斯菲尔德获诺贝尔奖。 CAT:计算机X射线空间重建装置。出现全身扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体躯干图像重建。,消费类电子产品的应用,唱机。在所有唱机和光盘驱动器中都采用做信号解调和误码校正,保证 声音或优质图像的回放. 组合音响。高级的组合音响现都用完成围绕声、各种环境声场的模拟、混响、均衡等。,消费类电子产品的应用,数字电视/高清晰电视(digital TV/HDTV) 数字助听器(digital hearing aid) 数字相机芯片(digital camera chip)
28、MPEG(Moving Picture Experts Group)编解码芯片(encoder chip) MPEG译码器芯片(decoder chip) MP3播放机芯片(player chip) 机顶盒(set top box)。,4. 数字信号处理的实现,数字信号处理的实现就是把它常用的3种运算形式：加法、乘法和存储（延迟）以一定方式实现，它大致可分为如下方法： 硬件实现 软件实现 片上系统（SOC, System on a Chip）,4. 数字信号处理的实现,硬件方式 采用3种运算器，即加法器、乘法器、延时器及其组合设计适合于各种目的的数字电路系统，以完成序列运算。 在数字信号处理中
29、，硬件电路实时快速处理是一大优点，缺点是设备只能专用。现在结合嵌入式系统理念设计的专用数字电路对处理数字序列可能有很大好处。,4. 数字信号处理的实现,软件方式 一般来说，在通用计算机上或嵌入式系统上，采用高级语言编制各种需要的计算程序，可以达到处理数字信号的目的。但软件方法因为速度慢的原因适合于对实时性要求较底或不要求实时性的场合。,软件实现是用一台通用的数字计算机运行数字信号处理程序。 在许多非实时的应用场合，可以采用软件实现方法。 例如，处理一盘混有噪声的录像(音)带，我们可以将图像(声音)信号转换成数字信号并存入计算机，用较长的时间一帧帧地处理这些数据。处理完毕后，再实时地将处理结果还
30、原成一盘清晰的录像(音)带。通用计算机即可完成上述任务，而不必花费较大的代价去设计一台专用数字计算机。,4. 数字信号处理的实现,数字信号处理器（DSP）方式 （如流行的美国TI公司的TMS320DSP系列），它结合软件和硬件的方式，利用设计特殊的数字信号处理芯片及存储器构成处理硬件电路系统，其中采用高级语言编制的程序来完成运算。 DSP处理方式灵活方便，随着集成电路的发展，已经能达到很高的速度，可进行数字图象处理实时处理。已经被广泛用于包括通信工程在内的领域之中。,此外，随着纳米技术的发展，一个复杂数字信号处理系统已可以集成在一个芯片上，称为片上系统（system on chip,SOC）。 SOC包含有数字和模拟电路、模拟和数字转换电路、微处理器、微控制器以及数字信号处理器等。,4. 数字信号处理的实现,4. 数字信号处理的实现,目前我们所描述的DSP利用的是电信号，光学DSP(ODSPE)也在研究和开发之中。 以色列Lenslet Labs公司正在开发面向光计算机的光学数字信号处理引擎(ODSPE)。目标是用于第三代移动电话和宽带无线接入等领域。,3.1.1 信号与生物医学信号,生物医学信号：表现生物体生命状态和特征的信号，如血压、脉搏等 1786年，,(a) 人体心脏磁信号,(b) 听神经动作电位,(c) 正常人心电信号,
