[临床医学]1_医学信号分析与处理绪论

医学信号分析(fēnxī)与处理邱天爽大连理工大学电子(diànzǐ)与信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院2012年3月大连理工大学生物医学工程(gōngchéng)专业本科生必修课第一页，共55页。第1章绪论第二页，共55页。引子(yǐnzi)—从电池说起医学信号的分类与特点医学电信号及其产生机制医学信号的采集医学信号分析与处理的作用第三页，共55页。§1.0引子(yǐnzi)—从电池说起电池的概念（Beteray,Cell）一对导电体(如金属)同离子导体(如电解质溶液)连接构成的系统。将辐射能或化学能直接转变(zhuǎnbiàn)成电能的直流电压源。电池的基本原理在化学电池中，化学能直接转变(zhuǎnbiàn)为电能是靠电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果，这种反应分别在两个电极上进行。第四页，共55页。电池发明之前的电荷收集从静电机上通过摩擦收集电荷；从莱顿瓶中收集电荷（相当于电容器）莱顿瓶是一个玻璃瓶，瓶里瓶外分别贴有锡箔，瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端(shànɡduān)是一个金属球。由于它是在莱顿城发明的，所以叫做莱顿瓶，这就是最初的电容器。第五页，共55页。电池的分类(fēnlèi)干电池蓄电池燃料电池太阳能电池温差电池核电池纳米电池第六页，共55页。最早的电池是谁发明(fāmíng)的？安培？伏特？麦克斯韦？库伦？焦耳？瓦特？……？第七页，共55页。最早的电池(diànchí)是伏特发明的电池(diànchí)电压的单位为伏特；简写为“伏”或“V”；“伏”也作为通用的电压单位，不局限于描述电池(diànchí)的电压；<36V为人体的安全电压；市电为220V（美国为110V）交流电；第八页，共55页。生物电（池）的发现早于伏特电池的发明(fāmíng)1786年Galvani的实验：伽伐尼，贾凡尼，伽尔伐尼将青蛙标本中的一根坐骨神经放置在一肌肉的切口上时，观察到了肌肉的颤搐：认为是发现了生物电。解释：肌肉通过金属构成的回路而放电。肌肉收缩是放电电流刺激的结果。疑问：Volta（伏特）认为是不同金属导体产生的电流，不是生物电。Galvani再进行实验排除金属的影响，把神经肌肉标本搭在损伤肌肉上，也可以引起标本肌肉的收缩，证明了生物电的存在。第九页，共55页。生物电发现的意义证明生物体可以带电荷；生物体有电流(diànliú)和电压，有电阻和电容；可以通过生物电信息的获取与分析来推断生物体的某些生理状态的疾病；诱发了电池技术的诞生，为现代科学技术的发展提供了有力的支持。第十页，共55页。§1.1医学信号(xìnhào)的分类与特点第十一页，共55页。第十二页，共55页。常用医学信号 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 给出了常用医学信号及特性；不同的医学信号具有不同的产生机制，反映人体的不同侧面(cèmiàn)；不同类型医学信号的采集需要不同的传感器（或电极）；不同类型的的医学信号具有不同的特性。第十三页，共55页。生物医学信号的分类（按产生方式(fāngshì)分）内源信号（internalsourcesignal）；指被探测的信号是由人体发出的；例如心电、脑电、心音、语音、血压等；检测对象是有源的，检测系统是无源的。外源信号（Externalsourcesignal）;人体是无源的，检测系统是有源的；例如超声图像、X射线图像等。感生信号（Inducedsignal）被测的信号是由外源信号感生的内源信号；施感信号（Inducingsignal）与感生信号性质不同；例如诱发电位，磁共振信号等。第十四页，共55页。信号的分类（按能量分）有限能量信号（Finiteenergysignal）;有限功率信号（Finitepowersignal）信号的分类（按信号的形式(xíngshì)分）模拟信号；离散时间信号；数字信号；信号的分类（按信号的性质分）确定性信号；非确定性信号随机信号（randomsignal）第十五页，共55页。生物医学信号(xìnhào)的特点信号特别弱最强的心电信号为mV量级；脑干诱发电位<1uV；特别弱的离子通道电流信号pA量级；要求模拟(mónǐ)放大器有很高的增益；第十六页，共55页。噪声干扰强信噪比的概念：噪声干扰的来源：肢体动作；精神紧张；工频(ɡōnɡpín)干扰；自发脑电对诱发电位的干扰；母体对胎儿心电的干扰……频率特别低心电：0.01—35Hz；脑电：1—30Hz。第十七页，共55页。随机性强一般(yībān)不能用数学函数来描述；采用统计信号分析处理方法；具有非平稳性、非高斯性等特性。干扰与信号的频带重叠例如EP与EEG；工频干扰50Hz，大部分医学信号也覆盖此范围；不能用常规的滤波技术来处理。第十八页，共55页。非线性特性显著人体具有显著的非线性特性；脑电、心电、胃电等具有某种自相似性（是非线性的一种特性）；与心血管系统有关的信号，还常具有无限循环但不完全(wánquán)重复的特性（混沌特性）第十九页，共55页。医学信号分析处理的目的(mùdì)和任务有效地分析来自人体系统的信号；正确提取(tíqǔ)信号的特征；寻求信号特征与人体系统的关系；确定人体系统的状态；为临床诊断治疗提供参考。第二十页，共55页。医学(yīxué)电信号及其产生机制细胞生物电现象在人体各个部位采集的电信号反映了附近器官的行为；采集的电信号所具有的特征决定于单个细胞产生电信号的特征及其在时间和空间上对整体信号的贡献；单个细胞电学方面的活动主要表现在细胞膜两侧电位差（即跨膜电位）的变化和通过细胞膜的电流（即跨膜电流）的变化，这也是体表能够采集到电信号的根源所在(suǒzài)。细胞跨膜电位的主要活动形式有静息电位、动作电位和动作电位的传导。第二十一页，共55页。静息膜电位概念：细胞(xìbāo)在静息状态（未受刺激的状态）下存在于细胞(xìbāo)半透膜内外两侧之间的电位差，称为跨膜静息电位，又称为静息电位（Restpotential）。膜内带负电，膜外带正电，这种状态称为极化状态。静息电位一般为一种稳定的直流电位。若设膜外电位为0，则膜内电位在-10---100mV之间。哺乳动物神经和肌肉细胞(xìbāo)的静息电位值为-70---90mV。极化(jíhuà)状态第二十二页，共55页。动作膜电位兴奋的概念：活细胞或组织对刺激发生的反应；其中神经细胞、肌肉细胞和腺体对刺激反映明显。动作电位：细胞膜在原有静息(jìnɡxī)电位基础上发生一次迅速而短暂的电位波动，称为动作电位。动作电位是细胞兴奋所具有的特征现象。当细胞所受到的刺激较强时，可能出现膜电位极性倒置（+20--+40mV）。这种现象是暂时的，很快恢复到极化状态（即静息(jìnɡxī)状态）。去极化（除极）：膜内外电位差从静息(jìnɡxī)值：负0。反极化：膜电位倒置：0正。复极化：膜电位差：正负。第二十三页，共55页。动作电位的重要特性细胞动作电位的产生是需要输入的刺激量达到一定阈值的，这种现象被称为动作电位的“全或无”特性；细胞产生动作电位具有一定的不应期（refractoryperiod），在不应期内，尽管存在一定的输入刺激，但细胞不能或是(huòshì)很难产生动作电位；细胞动作电位可以沿着细胞膜进行传导，直至整个细胞膜都发生过动作电位。第二十四页，共55页。沿着神经(shénjīng)轴突传导的细胞跨膜动作电位导致了移动的细胞膜外负电位：第二十五页，共55页。细胞生物电信号的产生机制细胞膜两侧的离子浓度(nóngdù)差细胞内外液中的主要无机离子有K+，Na+，Ca2+，Cl-等，细胞内液中还存在具有负电荷的蛋白质和核苷酸等有机离子；阴离子的扩散同时伴随着阳离子的扩散；细胞内侧的钾离子的浓度(nóngdù)远远高于细胞外侧的钾离子浓度(nóngdù)，大约为30倍左右；而细胞内侧的钠离子浓度(nóngdù)远远低于细胞外侧的钠离子浓度(nóngdù)，大约为1:10左右；第二十六页，共55页。平衡电位离子浓度差会造成的离子扩散的趋势；电场(diànchǎng)梯度会引起的抑制扩散的趋势；二者达到动态平衡；平衡电位的计算：第二十七页，共55页。静息电位静息电位是多种离子跨膜化学扩散运动的整体化学驱动力所产生(chǎnshēng)的平衡电位；各种离子对静息电位的贡献正比于其产生(chǎnshēng)的化学驱动力，即其扩散运动的能力；各种离子对应的跨膜通透性P；最终的细胞膜静息电位可以通过各种离子的平衡电位计算得到：第二十八页，共55页。偶极子发生去极化的细胞膜外侧相对于邻近处的细胞外液（即体液）由于大量钠离子的内流而呈现出较负的电位，从而形成偶极子，具有一定的指向。产生的大量偶极子在体表形成一个能够被测量(cèliáng)到的电位信号，这就是人体体表能够采集到医学电信号的原因。第二十九页，共55页。生物电产生(chǎnshēng)的进一步说明电偶学说心肌细胞除极与复极过程在临床心电图上通常用电偶学说来说明。由两个电量相等，距离很近的正负电荷所组成的一个总体，称为电偶。正电荷称为电偶的电源，负电荷称为电偶的电穴，其连线称为电偶轴，电偶轴的方向是由电穴指向电源，两极间连线的中点(zhōnɡdiǎn)称为电偶中心。第三十页，共55页。除极过程：当一个心肌细胞的甲端受刺激而首先除极，由于Na+的内流使此处膜内变为正电位，膜外变为负电位；乙端仍保持膜外为正电位、膜内负电位的极化状态(zhuàngtài)，使同一个细胞膜外的甲乙两端出现了电位的差别；甲端为负电荷（电穴），乙端为正电荷（电源），二者形成电偶，产生电流；电流的方向由电源流向电穴。若在乙端（面对电源）置一探查电极，即可描记出向上的波，反之，在甲端则描记出向下的波。第三十一页，共55页。除极完成随着除极波的扩展，整个心肌细胞全部除极，细胞膜内外分别(fēnbié)均匀地聚集正、负电荷，细胞膜外的电位差消失，无电流存在，则记录为一平线。第三十二页，共55页。复极过程心肌细胞复极时，先除极的甲端首先复极，恢复到极化水平，其膜外聚集正电荷；未复极的乙端膜外仍聚集负电荷；复极端为电极(diànjí)，恢复到极化水平，其膜外聚集正电荷，未复极的乙端膜外仍聚集负电荷，复极端为电源，未复极端为电穴，二者再次形成电偶，产生电流；电流方向仍为电源流向电穴，与除极时方向相反，甲端电极(diànjí)描记为正波，乙端描记为负波。第三十三页，共55页。复极完成整个心肌细胞恢复极化状态后，电偶消失(xiāoshī)，无电流产生，再次描记为一平线。第三十四页，共55页。人体(réntǐ)的兴奋源自动节律人体内的自动组织（如心脏和肠）无需外部刺激便能刺激自身；这种自动节律是由具有“不密闭”膜的可兴奋细胞所产生的；这样，其静息电位不再恒定，而随时间变化；原因：某些离子持续地从半透膜上泄漏所形成的持续去极化所致；这一节律受中央神经系统或内分泌行为(xíngwéi)调制；从被隔离的心脏可以看到这种自动节律的存在。第三十五页，共55页。内部动力兴奋的触发源自人体内部为内部刺激。例如肢体(zhītǐ)随意运动；这种随意运动是由大脑产生的神经命令传到骨骼肌所致；在大脑的某一处（可能是大脑皮质区），首先产生运动的决定，随后将命令信号送到运动皮层来控制骨骼肌的动作。第三十六页，共55页。外部刺激来自(láizì)人体感受器所受到的刺激，例如眼睛和耳朵；当光进入眼睛时，在视网膜上记录到诱发电位（视网电图，ERG）；短暂的声音刺激耳朵时，在脑干可记录到诱发电位（脑干听觉诱发电位，BAEP）。第三十七页，共55页。感官刺激所导致的不随意神经系统反应许多刺激所产生的反应并不像肌肉(jīròu)的收缩那样明显；却可以通过一些方法检测到这些与肌肉(jīròu)收缩无关的变化；例如一些深层电位变化：肌电图（EMG），心电图（ECG），脑电图（EEG）等第三十八页，共55页。医学(yīxué)信号的采集医学信号采集系统(xìtǒng)的组成第三十九页，共55页。系统各部分简要介绍传感器：把非电量转换为电量，或用电极直接检测生物电信号；放大器：放大和缓冲输入信号，从uVmVV；滤波器：消除耦合或器件产生的噪声和干扰(gānrǎo)（例如工频干扰(gānrǎo)）；多路开关：分时选通来自多个输入通道的信号；可只用一套A/D转换和电压放大；A/D转换：把模拟信号转换为数字信号，包括采样/保持（PAM，discrete-timesignal），A/D转换（PCM，digitalsignal）；计算机：控制系统的动作；对采集的数据进行分析处理。第四十页，共55页。医学信号检测系统的主要性能指标系统分辨率：指系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通常用最低有效位（LSB）占满度信号的百分比表示。系统精度：指当系统工作在额定采集速率下，每个离散样本的转换精度。采集频率：即系统通过速率，吞吐率等。是指在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间(shíjiān)内所完成的采集次数。动态范围：指某个物理量的变化范围。非线性失真：即谐波失真。例如输入系统的频率为f，而输出有多个其他频率分量，称为非线性失真。第四十一页，共55页。医学信号采集中的噪声(zàoshēng)和干扰生物医学测量中的噪声噪声：系统内部由器件、材料、部件的物理因素产生的随机扰动，称为噪声。噪声不能用屏蔽、接地(jiēdì)等方法消除。采用适当的 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，可以降低噪声的影响。主要包括：热噪声（thermalnoise）散粒噪声（shotnoise）过量噪声（excessnoise）第四十二页，共55页。热噪声是由导体中电荷载体(zàitǐ)（如导线中的电子和电解质中的带电离子）的随机运动（即布朗运动）产生的。功率计算：T为绝对温度，W为系统带宽；热噪声的幅度服从高斯分布，具有平坦功率谱。第四十三页，共55页。散粒噪声(zàoshēng)是由自由运动的带电粒子穿过障碍物时产生的。电子设备中电子穿越PN结等会产生散粒噪声(zàoshēng)，而在生物体中，带电离子穿越细胞膜也会产生散粒噪声(zàoshēng)。噪声(zàoshēng)幅度计算：I为电流强度，W为带宽。散粒噪声(zàoshēng)的幅度符合高斯分布，功率谱具有平坦的性质。第四十四页，共55页。过量噪声大多来自电子管和半导体；其功率谱与频率成反比，在低频信号中影响比较显著，因而不能称为白噪声；由于(yóuyú)医学信号大多是低频信号，因此过量噪声是影响医学信号采集的主要噪声成分之一。第四十五页，共55页。生物医学测量中的干扰干扰的概念（广义）：对于欲测量的目标信号来说，非目标信号都是干扰。广义干扰的分类：确定性信号，外源干扰；随机噪声，生物体内的非目标信号。生物电提取(tíqǔ)的主要干扰是工频干扰（静电、磁场）此外，生物医学设备本身也是强电磁干扰源：干扰自身；干扰其他测量；电磁兼容（electromagniticcompatibility,EMC）问题。第四十六页，共55页。静电干扰静电干扰是由供电线路发出的电场产生的；由于供电线路提供的是正弦波，因此它所产生的干扰电场信号也具有正弦波形；供电线路传送的交流电压都比较高，引起的工频电场干扰也比较大；因此在电生理(shēnglǐ)实验中要使实验样本尽可能地远离供电线路。第四十七页，共55页。磁场干扰磁场工频干扰是由流经供电电缆和仪器电源线等的电流产生的磁场；这种干扰可能影响整个实验装置；磁场工频干扰通常表现为尖峰，具有纹波形状；一些电器设备（如荧光灯之类的气体放电管、仪器电源、电动机、仪器设备）的开启和关闭都会产生纹波样磁场工频干扰；解决这种干扰的方法就是使实验样本(yàngběn)与这些设备保持足够的距离，同时采用合适的接地技术。第四十八页，共55页。干扰的耦合途径信号传输导线；近场感应，电磁偶合；单元电路或测试系统之间的公共阻抗。干扰的消除切断(qiēduàn)耦合，接地，屏蔽，隔离，滤波，……第四十九页，共55页。医学信号采集(cǎijí)中的屏蔽与接地屏蔽的方法：将大面积的金属导体罩住仪器设备和电缆线等整个实验装置，然后将金属罩子接地。将实验样本和实验装置的其它裸露部分放在法拉第屏蔽笼内。接地的方法：若电源地无噪声，则可作为唯一接地点；将信号线接地，断开电源地；电源地接地，且在信号电缆上接一校电阻；采用隔离放大器。第五十页，共55页。医学(yīxué)信号采集与处理中的安全问题考虑三个方面的安全问题：病人安全；医护人员安全；仪器设备安全注意：供电安全接地；加强绝缘；使用有效的隔离：实现病人与供电电路隔离：采用光耦合和无线电耦合是比较可靠的方法。第五十一页，共55页。医学信号(xìnhào)分析处理的作用医学信号分析处理的作用去除噪声改善信噪比，增强医学信号使用的准确性和稳定性。特征提取生理状态(zhuàngtài)和某些疾病相关的特异性特征往往隐藏于所采集的信号中，需要使用特殊的方法才能体现出来供诊断使用。信息整合对大量信息的整合，若依靠人眼和大脑实现很困难。使用信号处理方法能实现信息的自动整合和分析。第五十二页，共55页。习题(xítí)与思考题医学信号的特点(tèdiǎn)有哪些？细胞跨膜电位去极化、复极化和超极化是如何定义的？简述动作电位的形成过程。简述动作电位的特性。试述细胞膜存在跨膜电压的原因。简述细胞静息电位的形成因素。试述医学信号采集系统的组成。试述噪声的类型及其产生原因。试述干扰的类型及其产生原因。如何能够有效地消除医学信号采集过程中遭受到干扰信号?第五十三页，共55页。TheEndofThisChapterThankYou!第五十四页，共55页。内容(nèiróng)总结医学信号分析与处理。大连理工大学。一对导电体(如金属)同离子导体(如电解质溶液)连接构成的系统。简写为“伏”或“V”。具有非平稳性、非高斯性等特性。-70---90mV。人体内的自动组织（如心脏和肠）无需外部(wàibù)刺激便能刺激自身。兴奋的触发源自人体内部为内部刺激。传感器：把非电量转换为电量，或用电极直接检测生物电信号。动态范围：指某个物理量的变化范围。因此在电生理实验中要使实验样本尽可能地远离供电线路第五十五页，共55页。