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 上课地点改为廖凯原楼 2-102 室 参考资料 生物医学信号处理 ( 国家生命科学与技术人才培养基地系列教材 ) 刘海龙 Biomedical Signal Processing: PRINCIPLES and TECHNIQUES D C REDDY Tata Mcgraw-Hill 生物医学信号数字处理技术及应用 聂能, 尧德中, 谢正祥, 李凌等 科学出版社 MATLAB 在数字信号处理中的应用 薛年喜主编清华大学出版社 离散时间信号处理 A.V. 奥本海姆. 西安交大出版社,1999. 中国国家标准汇编 120. 1992. GB9706.1 88 医用电器设备第一部分 : 安全通用要求. 北京 : 中国标准出版社. 现代医学仪器设计原理. 邓亲恺, 科学出版社. 课程内容 1 概论 2 随机信号分析 3 随机信号通过线性时不变系 4 信号检测 5 信号的参数估计 6 功率谱估计的经典方法 7 功率谱估计的现代方法 7 功率谱估计的现代方法 8 确定性信号的提取 9 第一次大作业发表 10 维纳滤波卡尔曼滤波 11 自适应滤波 12 高阶谱分析 13 心电信号的 QRS 复波检测 14 自发脑电信号的处理 15 第二次大作业发表 16 期末考试 1
课程内容 1 概论 2 随机信号分析 3 随机信号通过线性时不变系 4 信号检测 5 信号的参数估计 6 功率谱估计的经典方法 7 功率谱估计的现代方法 8 确定性信号的提取 9 第一次大作业发表 10 维纳滤波卡尔曼滤波 11 自适应滤波 12 高阶谱分析 13 心电信号的 QRS 复波检测 14 自发脑电信号的处理 15 第二次大作业发表 16 期末考试 考勤 30% 大作业 40% 期终考试 30% 课程考核标准 8 开这门课的目的 1. 对作为信号发生源及其所发出的信号特征有一个起码的了解 没有一个起码的了解, 一切信号处理方法的应用都可能是盲目的 对生物体的信号发生和处理功能的模仿形成了一门称为 仿生学 的学科 直到现在还有很多生物体的功能的原理未弄清楚 蝙蝠的声纳系统, 人类的语言发生和处理 思维信息的处理 遗传信息的处理都具有高超的信息处理能力 没有人类对电磁波中可见光的特异的感觉, 就没有光学可言, 可能就只有电磁波谱学 五光十色的斑斓世界, 将可能什么颜色也没有 颜色就是人体对特定电磁波的感觉的描写 没有视觉就没有光学, 没有听觉就没有声学 人们为了生存, 对外界信号 ( 刺激 ) 的处理, 一般都是非线性的, 如进行对数压缩 就是说, 作为信号处理系统而言, 人体是一个非线性系统 开这门课的目的 2. 了解对生物医学信号的最基本的处理方法和理论 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, 从而帮助我们了解生命及疾病机理, 并促进生物医学信号处理技术在临床的应用 信号 一. 信号 信号是携带客观物体 ( 如人体 ) 的状态或特性 (status or features) 的载体 (carrier) 这种说法叫信号的概念模型(conceptual model) 信号的数学模型 (mathematical model) 是一些函数, 包括模拟的 ( 即连续的 :continuous) 和数字的函数或方程 信号的物理模型 (physical model) 是包括力 声 热 电 光等各种形式的有色有声的客观存在 : 物质或能量 (matter or energy) 生物医学信号是携带生物体(organism) 的状态或特性的载体 当前, 信号处理的对象主要是各种各样的物理信号, 包括力学的 ( mechanic ) 声学的( sonic ) 热学的( thermal ) 电磁学的 (electromagnetic) 光学的(optical) 信号, 这些信号还可分为一维的 (one-dimensional) 二维的(bidimensional) 三维的(tridimensional) 信号 以计算机为工具的信号数字处理技术处理的信号只能是数字化了的电信号 因此人体发出的各种信号除了电信号以外, 都必须经过两次转换 :(1) 非电信号转为电信号,(2) 电信号的数字化 担任第一项任务的器件 (device) 叫换能器 (transducer ) 如果待处理的信号已经是电信号, 则获得此信号的器件叫传感器 (sensor ) 完成第二项任务的器件叫模数转换器 ( ADC: analog-digital converter ) 2
( 一 ) 信号的基本特征 这里按经典的傅立叶 (Fourier) 观点描述信号的基本特征 关于信号的傅立叶观点是 : 任何信号都是由一系列正 余弦成分 ( 或称为分量 : component ) 组成的 因此信号按分量的最基本特征是 : 幅度 (amplitude) 频率 (frequency) 和初相 (initial phase) 如正弦信号: x(t) = ASIN( 2πft + θ ) (0-1) 式中 x(t) 为任意时刻的信号值 A 为信号的幅度,f 为信号的频率,θ 为信号的初相 : 决定信号的初始状态的物理量 ( 二 ) 信号分类 根据不同的着眼点, 可将信号划分为不同的类型, 正如可按年龄 性别 民族 身高 体重 职业等将人进行分类一样 1. 按被探测信号的产生方式分类 (1) 内源信号 (internal source signal ) 被探测的信号是由人体内发出的内源信号, 如心电 脑电 心音 语音, 血压等都属内源信号 探测对象是有源 ( 信号源 ) 的, 探测系统是无源的 生物医学信号处理所涉及的大量的是内源信号 (2) 外源信号 (external source signal ) 探测系统是有源的, 人体是无源的 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 ), 如超声诊断仪 x 射线仪等所处理的信号即为外源信号 (3) 感生信号 (induced signal or evoked signal) 被探测的信号是外源信号感生的内源信号 施感信号 (inducing signal ) 与感生信号 (induced signal ) 的性质是不同的 人体和探测系统皆是有源的 如诱发电位信号, 施感信号可以是各种物理 化学的刺激, 探测的是一种神经系统的电响应 诱发出的电信号 ; 磁共振信号, 包括电子顺磁共振 ( EPR: electron paramagnetic resonance) 和核磁共振 (NMR: nuclear magnetic resonance ) 信号, 等等 2. 从能量的观点对信号进行分类 (1) 有限能量信号 (finite energy signal or signal with finite energy) 这是一种非周期性信号, 或称为平方可积信号, 信号的平方对自变量 ( 如时间 ) 的积分是收敛的, 即是一个有界量 如单个脉冲信号 指数衰减信号 动作电位 (AP: action potential) 信号 诱发电位 (EP:evoked potential) 信号等皆是有限能量信号的例子 这是一类具有时空局域局限性的信号 (2) 有限功率信号 (finite power signal ) 这是在时间或空间上是无限延续的, 即对自变量的积分不收敛 ( 趋于无穷 ) 的一类信号 但在一定的时间范围内的平均能量是有限的, 即平均功率是有限的, 因而叫有限功率信号 有重复性的有限功率信号叫周期信号 脑电信号 心电信号 心音信号等皆是具有有限功率特性的生物医学信号的例子 3. 从信号的表现形式进行分类 (1) 模拟信号 (analog signal) 又称为连续信号 (continuous signal), 是随自变量 ( 时间或空间 ) 连续移变的信号 ( continuous shift-variant signal ) (2) 离散信号 (discrete signa ) 这是自变量是离散的, 而信号 ( 值 ) 本身是连续的一类信号类信号 如一个个的人, 在空间上是离散的, 而其高度却是连续 ( 未数字化 ) 的 (3) 数字信号 (digital signal ) 数字化了的离散信号 因此对模拟信号的数字化得分为两步 : 第一步是离散化, 第二步是数字化 数字化是拿一个已知的标准量度单位与之比较后得出一定的数值 ( 量度值 ) 如用有厘米分度的尺去量人的身高, 得出的是精确到 0.1 厘米的身高值 4. 按信号的性质进行分类 (1) 确定性信号 (determinate signal) 确定性信号又可分为线性的 ( 满足迭加原理的 ) 信号 (linear determinate signal ) 和非线性的信号 (nonlinear deterministic signals) 人体产生的信号多属非线性信号 用数学语言讲, 可用数学方程 ( 代数 微分 积分 差分 ) 准确描述的信号叫确定性信号 能用线确信性方程描述的信号叫线性确定信号 用非线性数学方程描述的信号叫非线性确定信号 非线性在一定的条件下可导致混沌 (chaos), 即只具有短期可预测性 (2) 非确定性信号 (indeterminate signal) 非确定性信号又可分为随机信号 (random signal) 和模糊信号 (fuzzy signal) 就傅立叶观点而论, 所谓随机信号就是信号的特征参数 ( 如振幅, 频率或初相 ) 是随机变化的, 理论上可在 ± 间取值 Transducer 和 Sensor 有什么区别? 3
( 三 ) 生物医学信号的特点 一些生物医学信号举例 见 一些医学信号波形.doc 第一节课在此结束 时变性 非线性 确定的和随机的 产生生物医学信号 (biomedical signal) 的系统是有生命的生物体 (organism), 特别是人体 (human body) 这样的系统产生的信号, 应该是时变的 非线性的, 主要是确定性的 如人类的语言, 是要传递确定性的信息, 而不能传递随机信息, 否则人类社会的秩序将无法维持, 更无诚信可言 医学诊断也需要确定的信息, 才能作出确定的医学决策 医学信号处理提供的信息, 不能是随机的, 而主要应该是确定的 对时变问题的解决方案 - 采用近似的方法 : 经典的信号处理技术处理的是线性的 非时变问题 一般得采用一些近似技术, 近似地认为在相当短的时间内, 生命系统是非时变的 对非线性问题的解决方案采用近似的方法 : 要用经典的信号处理技术处理具有非线性特征的生物医学信号, 也得采用一些近似技术 如也采用经典数学中的微分思想的近似技术, 近似地认为在相当短的时空限度内, 生物医学信号和系统可以近似认为具有线性特征 这种方法在实践中有很多例子, 如认为本来是曲面的海面是平面, 本来是曲线的地平线是直线 生物医学信号中, 非线性是十分明显的, 如心血管信号具有非线性信号的无限循环而不完全重复的明显特征, 特别是心电信号的 P Q R S T 波序列 所谓不完全重复, 指心动周期 (HP:heart period) 或心率 (HR:heart rate) 各波的间期 (interval) 时限 (duration) 幅度 (amplitude) 应当注意, 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 采用非线性变换的方法 : 在生物医学信号处理中, 有时也使用一些非线性变换 如求模或模方的变换 ; 信号的相乘 ( 相当于调制 ) 的变换和取对数 ( 相当于解调制 ) 的变换 ; 取信号的非一次幂的变换 ; 取绝对值 ( 相当于全波整流 ) 的变换 ; 等等 在用非线性变换时, 应该了解, 非线性变换的结果将改变频率分布特性 ( 见第五章说明 ) 具有非线性特征的信号, 有时也可用适当的非线性变换变为具有线性特征的信号的合成, 如乘积信号的对数分解技术 ( 见第七章说明 ) 在现代信号处理中, 也提出了一些非线性分析技术, 如时频分析技术, 高阶谱分析技术 ( 见第十一章 ), 信号的混沌特征提取技术 ( 第四章 ) 等 信号特别微弱生物医学信号特别微弱, 最强的心电信号也只有 mv 级, 特别弱的离子通道 (ion channel) 电流信号只有 pa(10-12a) 级 频率特别低一般生物医学信号的频率都特别低, 见表 0-1 如胃电的中心频率 3cpm, 即 0.05Hz, 范围 DC~1Hz 频率低的特性也给信号放大器的时间稳定性提出了更高的要求, 克服直流漂移成了生物医学信号放大器的关键指标 干扰特别强对生物医学电信号的干扰有两种不同的来源, 一类来自周围环境的干扰, 一类来自同一生物体内的其它信号的干扰 干扰特别强与信噪比 (SNR: signal to noise ratio) 特别低是同义语 所谓干扰特别强, 表现在干扰 信号的幅度 ( 或功率 ) 比目标信号 (target signal or objective signal) 大许多, 淹没了目标信号, 如脑诱发电位 (brain evoked potential) 的干扰就是这样 干扰信号与目标信号频带重叠生物医学信号的另一特点是干扰信号与目标信号频带重叠, 因而不能用一般的滤波技术消除干扰 如 50Hz 的工频干扰与大多数生物医学信号的有效频带重叠 ( 见表 0-1); 大多数生物医学电信号的频带也互相重叠 ; 在诱发电位信号提取中, 背景脑电信号也与目标诱发电位的频带重叠, 因而自适应干扰对消 (adaptive interference cancellation) 技术就成了该领域的很有价值的干扰对消技术 二. 系统 4
系统 1 定义: 若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体 例 : 数据采集系统 计算机系统 控制系统 2 相关理论: 系统分析 : 研究系统对于输入激励信号所产生的输出响应 系统综合 : 按某种需要给定激励及响应, 然后根据此要求设计 ( 综合 ) 系统 e(t) r(t) 系统已知系统 e(t), 求 r(t) 即系统分析 已知 e(t) r(t), 求系统结构即系统综合 ( 一 ) 生物医学信号源的特点 是体扩展源生物医学信号源不同于一般工程上的信号源 相对于其存在的空间来说, 是一个体扩展源, 而且有些频带有部分重叠的多个信号源存在, 如心 脑 电信号提取中存在的肌电信号干扰 信号源位置的变化如正常心电活动每次都从窦房结开始, 经过心房 房室结 心室 Purkinje 纤维, 就是说信号源的位置和极性是随时间变化的 如果是进行体表无创 (non-invasive) 检测, 机体本身可视为等效扩展信号源 高输出阻抗这种信号源还具有高内阻特征 在使用玻璃微电极探测单细胞电活动信号时, 等效扩展信号源更具有特高的内阻 信号源的高内阻特征, 要求探测器件具有高的输入阻抗 在对这样的体扩展源产生的信号进行检测时, 还具有近场检测的特点 不管是电信号还是声信号, 探测器的位置都离扩展信号源非常近 在离开生物体微小的距离上, 基本上不能探测到生物医学信号 有的信号, 如胃电信号, 即使在体表探测, 若在离胃的体表投影区稍远的位置放置探测电极, 则都有可能检测不到目标信号 ( 欲检测的信号 ) ( 二 ) 生物医学信号传输介质的特点 多物质性 非均匀性 各向异性在工程信号处理中, 很多信号可以沿物理特性均匀的特定的介质传输, 而生物医学信号的传输介质 -- 生物体, 是由具有不同物理特性的材料组成的 如脂肪和结缔组织, 有较高的电阻率, 体液 ( 血液 淋巴液 细胞内 外液 ) 有较低的电阻率 细胞膜 ( 双脂层 ) 有较高的电阻率, 而细胞内 外液却具有较低的电阻率 这就是说作为传输介质的生物体的空间微分物理特性 ( 如电阻率 ) 也是非均匀的 (inhomogeneous) 这些不同的组织结构相对于信号的传递方向的不同 ( 不同的探测方向 ), 其特性也不同 如在高阻组织与低阻组织串联的方向上, 表现为高阻特征 ; 在高阻组织与低阻组织并联的方向上, 表现为低阻特征 这虽是一种理想的简化说明, 但可用实验验证 虽然组织的等效电路, 最终可简化成 RC( 电阻 - 电容 ) 并联电路, 但在不同的方向上,R C 的值是不同的 这种不同的方向电特性不同的特性称为空间方向上的各向异性 (anisotropy) 附加知识 : 生物医学信号处理中的安全问题 生物医学信号处理的信号取自人体, 因此在获取信号时, 第一位的问题是要保证人体的安全 ( 包括病人的安全和使用者 ) 对于医疗器械的安全问题, 世界各国都规定了严格的标准, 强制执行 总的要求是受检者处于浮地 ( 或浮置 ) 状态, 仪器外壳接本地地线 1. 电源要求应有保持供电电压稳定的措施, 可选用 UPS 供电 必须用三孔电源插座 L(line: 相线或火线 ) N (neutral: 中线 零线 ) G(ground: 地线 ) 必须正确安装, 不得以中线代替地线 2. 本地接地和设备机壳接地要求设备机壳接地首要的目的是为了保证病人 操作者以及可能的第三者的人身安全, 重要的目的是为了抗干扰已保证设备的良好工作状态 要求仪器机壳必须接本地地线 本地地线对 ( 湿 ) 地电阻不得大于 0.1Ohm(Ω) 本地接地线的安装要求是 : 用长 80-100cM, 直径 1.0-1.5 的黄铜棒, 或一块 40 40cM, 厚 2-4mM 的铜板, 埋入实验室墙外的地下至少 2M 深, 用多股粗铜线与之紧密焊接接入室内的接地端子 埋地线处要求土地潮湿, 周围放些吸水的石墨或木炭以及食盐, 以增加导电性能 必须保证室内有统一的接地线 不能用供电电源的接地线代替本地接地 3. 浮置 (float) 病人回路浮置是保证病人安全的重要措施 与病人连接的前置放大部分, 必须浮置 : 独立供电, 有时甚至电池供电 ; 病人的任何部分没有到地的通路 室内应用绝缘性能好的木地板 5
4. 隔离 (isolation) 病人回路与仪器主电路的隔离是保证病人回路浮置的必须措施 浮置电路部分必须与主电路进行电隔离 有以下隔离技术 : (1) 变压器隔离 : 变压器隔离技术是传统的技术, 浮置电路与主电路间的信号传输通过电磁感应完成 优点是可靠性高, 线性好, 缺点是体积大, 重量重, 不利于集成化 (2) 光隔离 : 光隔离技术是现代的隔离技术, 浮置电路与主电路间的信号传输通过光线完成 孤立器件时代, 有非线性和温漂等问题 最大的优点是体积小, 重量轻, 便于集成化 在现代集成器件中, 非线性和温漂等问题都通过补偿得到了解决 (3) 空间电磁场隔离 : 空间电磁场隔离又成为无线方式隔离 浮置电路部分将目标信号 ( 经过调制 ) 以电磁波的方式发送出来, 信号主处理部分含接收和解调装置 5. 环境要求生物医学信号有微弱的特点, 为保证正确地提取和重现目标信号, 对于环境的要求有时有些苛刻 如要求附近无低频的强电磁装置 在要求高的时候, 要求有电磁屏蔽装置, 如双层铁磁材料网中间夹一层铜网, 铁磁材料网必须良好接地 6