DISP-2003: Advanced Digital Signal Processing

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沿纭白
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1 生物医学信号处理林艳飞北京理工大学信息与电子学院 Phone: Room: 4#315 数字信号处理 Beijing Institute of Technology

参考书教材 : 聂能尧德中谢正祥主编, 生物医学信号数字处理技术与应用, 科学出版社,2005.8 参考书 : [ 美 ]Willis J.

2 参考书教材 : 聂能尧德中谢正祥主编, 生物医学信号数字处理技术与应用, 科学出版社, 参考书 : [ 美 ]Willis J.Tompkins 著, 林家瑞徐邦荃等译, 生物医学数字信号处理, 华中科技大学出版社, 刘海龙编著, 生物医学信号处理, 化学工业出版社, 杨玉星编著, 生物医学传感器与检测技术, 化学工业出版社,

3 考核与成绩评定总学时 :32;1-11 周考核 : 考试成绩评定 : 考勤占 10% 平时大作业占 40% 期末考试占 50% 成绩以百分制衡量,60 分 ( 含 ) 以上及格

4 教学内容纲要第一章第二章第三章第四章生物医学信号生物医学信号时域处理方法生物医学信号频域处理方法生物医学信号处理的实际应用生物医学信号分类生物医学信号特点信号检测基础信号的描述方法数字相关与卷积时域数字滤波傅里叶变换时频域分析功率谱估计现代信号处理技术脑电信号处理皮肤电导信号处理肌电信号处理呼吸信号处理心电信号处理声音信号处理课堂讲授集体学习知识讲解连续血压信号处理课程作业自我学习课堂讨论

5 文献调研课程作业要求每人一个题目 : 某一生理信号的信号处理方法围绕题目, 查阅最新顶级期刊 (Nature, Science, IEEE trans on BME, JNE 等 ) 的英文文献 5 篇, 细读其中一篇, 课堂做报告讲解, 仿真演示更佳报告内容 : 待解决问题, 研究方法, 处理结果, 讨论培养自主学习能力报告时间 :20-25 分钟报告要求 : 内容切题 10 内容丰富 15 讲解透彻 15 仿真演示 10 忌原文照搬忌内容科普严控时间鼓励仿真

6 信号处理实验课程作业要求生理信号 : 脑电心电肌电皮肤电导等特征提取生理参数计算信号分类撰写实验报告 PPT 讲解 :10 分钟

7 第一章生物医学信号数字信号处理 Beijing Institute of Technology

8 第一章生物医学信号生物医学信号与人类生活密不可分医院监护 8 / 30

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10 社区或家庭监护 10 / 30

11 生理信号或生理参数有哪些? 心电脑电肌电皮肤电导血压呼吸脉搏波眼电体温血糖血脂胃电心音肺活量血氧饱和度脑干诱发电位耳蜗电位最大耗氧量及氧债能力搏出量与最大心脏输出血液成分变化的测量量等没有对生物体系统及其所发出的信号特征有起码的了解, 一切信号处理方法的应用都是盲目的! 11 / 30

12 生物医学工程学

13 生物医学工程学 (Biomedical Engineering, BME) 生物医学工程学是运用现代自然科学和工程技术的原理与方法, 从工程学的角度, 在多种层次上研究生物体, 特别是人体的结构功能和其他生命现象 ; 研究用于防病治病人体功能辅助及卫生保健的人工材料制品装置和系统的工程原理的学科本课程重点关注 : 生物医学信号处理方法

14 信号信号 ( 概念模型 ): 携带客观物体 ( 如人体 ) 的状态或特性的载体信号 ( 数学模型 ): 是一些函数, 包括模拟的 ( 连续的 ) 和数字的函数或方程信号 ( 物理模型 ): 包括力声热电光等各种形式的有色有声的客观存在 : 物质和能量生物医学信号 : 携带生物体的状态或特性的载体

15 傅里叶观点 : 信号的基本特征任何信号都是由一系列正弦余弦成分 (component) 组成的信号按份量的基本特征是 : 幅度频率和初相 + x( t) = Asin(2 π ft+ θ ) i i i i= 15 / 30

16 信号的分类 16 / 30

17 按被探测信号的产生方式分类 : 内源信号被探测的信号由人体发出 ; 如心电脑电心音语言血压体温等 ; 大量生物医学信号大都是内源信号探测对象是有源的 ( 信号源 ); 探测系统是无源的外源信号系统探测的是与人体相互作用后的外源信号 ( 通过人体透射反射折射或散射的外源信号 ); 如超声 X 射线近红外光等 ; 探测系统是有源的, 人体是无源的

18 感生信号被探测的信号是外源信号感生的内源信号如脑干诱发电位, 磁共振信号等人体和探测系统皆是有源的, 施感信号可以是物理化学的刺激 ; 探测的是神经系统的电响应信号按信号能量分类有限能量信号非周期性信号或称平方可积信号 ; 信号的平方对自变量 ( 时间 ) 的积分是收敛有界的如单个脉冲信号, 指数衰减信号, 动作电位信号, 诱发电位信号等

19 有限功率信号在时间或空间上无限延续, 对自变量的积分不收敛 ( 趋于无穷 ) 的一类信号但在一定时间范围内平均能量是有限的, 即平均功率是有限的, 称为有限功率信号脑电心电心音等生物医学信号皆有有限功率特性周期信号 : 有重复性的有限功率信号按信号的表现形式分类模拟信号随自变量 ( 时间或空间 ) 连续变化的信号离散信号自变量是离散的, 信号值是连续的

20 数字信号数字化的离散信号 ; 对信号值进行数字化按信号的性质分类确定性信号用数学语言描述, 可用数学方程 ( 代数微分积分差分 ) 准确描述的信号分为线性的 ( 满足叠加原理 ) 和非线性的信号 ; 非线性在一定条件下可导致混沌, 只具有短期可预测性人体产生的信号多数是非线性确定性信号, 可用非线性数学方程描述 20 / 30

21 不确定性信号分为随机信号和模糊信号 (fuzzy signal) 随机信号指信号的特征参数 ( 幅度频率或相位 ) 是随机变化的模糊信号指当信号的距离和速度均存在差异时两个目标的分辨特性, 由时间和频率两个变量决定 21 / 30

22 产生生物医学信号的系统有生命的生物体, 特别是人体生物体是一个开放的时变的非线性的确定性特征的系统其产生的生物医学信号也是时变的非线性的确定性的如心率血压体温身高体重等如何处理时变的非线性的生物医学信号? 经典的信号处理技术处理的是线性的时不变问题, 需要采用一些近似技术 ( 如微分思想 ), 用于处理时变非线性特征的生物医学信号在相当短的时间内, 生物医学信号是非时变的或换个角度看, 生命系统的时变过程是非奇异的 (non-singular) 确定性的相对缓慢的在相当短的时空内, 生物医学信号是线性的

23 例心电信号具有非线性无限循环不完全重复的特征这种变异性是由信号的非线性本质决定的, 而非随机干扰造成的非线性变换求模信号相乘 ( 调制 ) 取对数( 解调 ) 信号的非一次幂取绝对值 ( 全波整流 ) 非线性变换结果会改变频率分布特性非线性分析技术时频分析高阶谱分析技术信号混沌特征提取技术

24 生物医学信号的特点生物医学信号产生的基础是 : 细胞受兴奋性刺激产生兴奋, 引起细胞的去极化, 从而产生动作电位生物医学信号的特点 : 信号特别弱, 最强的心电信号也只有毫伏级 (mv), 特 12 别弱的离子通道电流信号也只有皮安级 (pa, 10 A) 3 12 模拟放大器的线性放大倍数应在 10 10( 60 ~ 240dB) 频率特别低

25 25 / 30

26 干扰特别强一种周围环境干扰 ; 一种其它信号的干扰 ; 如核磁信号有心电信号干扰信号与目标信号频带重叠 50Hz 工频干扰多数生物医学信号互相重叠 ; 如心电与呼吸信号 ; 背景脑电与脑电诱发信号可采用自适应干扰对消技术生物医学信号处理的目的和任务有效地分析来自系统的信号, 正确提取信号特征, 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 ), 以达到作出准确的医学决策的目的 26 / 30

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Microsoft PowerPoint - 0 概论.ppt [兼容模式] 课程时间生物医学信号处理谢天宇工学院生物医学工程系 Tianyu_xie@pku.edu.cn 2010 年 9 月 10 日 -2010 年 1 月 7 日总共有多少次课? 9 月 10,17,24 10 月 15,22,29 11 月 5,12,19,26 12 日 3,10,17,24,31 1 月 7 时间地点变更上课时间改为每周五的第二三四节课 9:10-12 点第一讲概要