生物医学工程概论 第七章 生物医学信号.pdf

第七章 生物医学信号生物医学信号的特征生物医学信号的提取与分析心电信号脑电信号一、生物医学信号的特征信号信号信号：是运载消 息（状态、特性 等）的工具，在 数学上可以表示 为独立变量的函 数，变量可以是 生物特征、时间 、空间位置等化学上：反应物的浓度以及反应过程等化学上：反应物的浓度以及反应过程等信号的分类模拟与数字信号模拟信号：各种客观存在的信号 数字信号：数字化后的信号，可通过计算机进行处理，时间 和幅度均不连续，精度依赖于计算机连续信号与离散信号确定性信号与随机信号(平稳与非平稳信号)生物信号分类内源信号：由人体（源）自身发出（心电）外源信号：外部信号（探测源）与人体作 用以后产生的信号（超声探测仪、阻抗）；感生信号：由外源信号（如各种物理或化 学刺激）感生的内源信号（诱发电位、核 磁共振）生物医学信号的复杂性时变(随机)、非线性、目标确定性复杂载体（各向异性）弱、低频、干扰强、多信号共存二、生物医学信号处理放大放大 滤波滤波 采样采样A/D 变换器变换器数字信号数字信号 处理器处理器D/A 变换器变换器模拟模拟 滤波器滤波器模模 拟拟xa(t)模模 拟拟ya(t)x(n)y(n)信号提取与处理系统1 信号提取与数字化采样放大器与输入阻抗模数转化采样采样器一般由电子开关组成，开关每隔 Ｔ秒短暂地闭合τ秒，将连续信号接通，实 现一次采样。

)()()(tptxtxap=连续时间信号的采样采样器P(t)T奈奎斯特采样定理：要使实信号采样后能 够不失真地还原，采样频率应大于信号最高频 率的两倍：fs≥2fmax（考虑到噪声，为避免频谱 混淆，采样频率一般取为：fs>(3~5)fmax） 为了避免高于最大频率的噪声信号进入采 样器造成频谱混淆，采样器前常常加一个保护 性的前置低通滤波器，阻止高于fS/2频率分量进 入放大器与输入阻抗生物信号源为高内阻 弱信号源、强干扰高内阻、低幅值信号 源放大：Rs=Ri变化的高内阻、低幅 值信号源放大： Ri>>Rs共模抑制比差动放大器对差模信 号与共模信号放大倍 数的比值1AUsii CMZZZU+=2ii CMBZZZUUs+=模数转化(A/D)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实现方法采用计算机实现优点：可适用于各种数字信号处理的应用场 合，很灵活 用单片机实现优点：可根据不同环境配不同单片机，其能 达实时控制，但数据运算量不能太大利用通用DSP芯片DSP芯片较之单片机有着更为突出优点如内部带有乘法器，累加器，采用流水线 工作方式及并行结构，多总线速度快。

配 有适于信号处理的指令(如FFT指令)等有适合不同用途的专用DSP2 数字信号处理如何获得真实的信号如何研究信号特征如何研究信号之间的关系信号与滤波滤波器是一种能使有 用信号频率通过，同 时抑制无用频率成份 的过程模拟滤波器与数字滤 波器低通、高通、带通、 带阻滤波器频率、相位与幅值特 性H=1/[1+(Ω/Ω0)n]噪声噪声的干扰源、耦合方式、敏感元件仪器噪声与信号噪声加性噪声、乘性噪声白噪声采样信号的局限性存在噪声结果受测量设备与待测物体影响存在信息丢失信号及特征时域（动力学过程） Y=f(t)=Asin(ωt+φ)频谱特性与Fourier变换离散信号（一维、二维 x1,x2,…,xn,… (x1,y1),(x2,y2),…(xn,yn),…时间序列分析X1: x1(0),x1(1),…,x1(n),… X2: x2(0),x2(1),…,x2(n),… … … … Xk: xk(0),xk(2),…,xk(n),…时间序列的特性统计特征（平均值、平稳性、时间序列的频域特征时间序列的参数模型时间序列的非线性分析方法时间序列的频域特征幅频特性(能量分布)快速傅立叶变换:[]21100( )( )( )( )NNjnknkN N nnX kDFS x nx n ex n Wπ−−−=====∑∑00.511.52-1-0.500.51信 号 x(t)的 时 域 波 形时 间 t/s幅度A0102030405000.10.20.30.40.5信 号 x(t)的 时 时 时 时频 率 f /Hz|Y(f)|时频分析时间序列的参数模型参数模型自回归移动平均模型（ARMA）01( )()()qplk lkx nbw nla x nk===−−−∑∑121( )()0 , 0(0)(), 0pxxkxx kpxxkxx kRma RmkmRa Rkmσ==+−=> +−==∑∑时间序列的非线性分析方法相空间及其动力学特性相空间的结构相关维、近似熵、复杂度xckxxm −−=)2exp(200222 xnxvarctgnCxnvxvωωω+=++222 0n−=ωωmcn2=mk=2ω信号之间的关系相关性线性相关2222)()(∑∑∑∑∑ ∑∑ −−−= yynxxnyxxynr静息状态心算冷加压收缩压0.34±0.18 0.07±0.13**0.01±0.12**舒张压0.18±0.25 0.07±0.150.01±0.13**平均压0.26±0.260.09±0.14**0.07±0.14**血压与心输出量的相关分析藕合关系心肺耦合05101520-.3-.2-.10.0.1.2.305101520-10123mv050100150200250300Ψ (t)0.0.2.4.6.81.0t/sABCmv因果关系分析Granger 假定x(n)和y(n)表示当前序列的信息， x(n-1),…,x(1) 和y(n-1),…,y(1) 表示过 去的信息，对y序列未来的信息进行预测， 如果利用了序列x当前和过去的信息所得到 的结果与不利用x序列得到的结果不一样,我 们就说序列x对序列y具有Granger因果性。

Matlab美国Mathworks公司1984年正式推出，是一 种操作简单，自带强大的功能处理模块；是Matrix laboratory的缩写；其工具箱具有强大的科学运算、数字信号 处理、仿真功能三、心电信号正常心电图心率变异性的研究心电图的记录与预处理RR间期的提取心率变异性的时域与频域方法基线校直在不同波形上选择属于基线的点（P-R段、 U-P段）；拟合二次三项式；做减法运算，消去趋势R波峰点的检测斜率变号与双边阈值检测法：取一个固定 的阈值Ra, t1,t2分别为R波上升和下降通 过这个阈值的时刻，则R基准点的位置 t=(t1+t2)/2dx/dt>0dx/dt<0R Rat2t1t=(t1+t2)/2R010002000300040005000600070008000900010000-10000100020003000010002000300040005000600070008000900010000-100102030010002000300040005000600070008000900010000-100001000200030000500100015002000250030003.253.33.353.43.453.53.55x 104ecg0501001502002503003504004506006507007508008509009501000RR Interval(ms)心率变异性 (HRV) HRV是指心率的波动，或者心动周期之间的差异性， 反映心脏自主神经系统的功能状态。

这种心搏间 的微小差异可以通过时域和频域指标计算出来 正常人的心率有相当于平均值10%的波动，这种波 动程度的降低是心脏异常的表现  常用的测量方法有两种：静息短时测量法（5分钟） 采用频域分析指标动态长程测量法（24小时）采用时域分析指标HRV的常用分析方法 时域分析：对连续记录的正常窦性心搏，按时间或心搏顺 序排列的RR间期的数值，进行数理统计学分析的方法 （RR间期的标准差为100-140ms, 小于50ms为异常）； 频域分析：对RR间期进行功率谱的分析，亦称心率能谱分 析，主要是LF(0.04-0.15Hz)和HF(0.15-0.4Hz)功率谱比 较； 混沌分析：对RR间期的变化进行非线性分析，主要采用 Poincare散点图（Loren’s散点图）进行定性和定量分析， 正常人96%呈彗星状RR间期的均匀重采样RR间期时间序列是一个非均匀抽样序列，如果 直接对该序列进行谱分析，将可能导致许多问题：不同人在不同生理条件下的采样率差别较大，不 利于信号的对比和分析要求信号的采样单位和 采样频率是一致的信号的含义不确切，该序列的横轴将不是时间s， 而是心跳beat1Hz等间隔插值法心率能谱分析（周期图）经典谱估计 19世纪末，Schuster提出用傅里叶系数 的幅平方，作为函数x (t)的功率测量，这是 经典谱估计的最早提法，至今仍被沿用， 只不过现在采用FFT来代替离散傅里叶变换。

计算式为：心率能谱分析（现代谱估计）应用得较为普遍的是参数模型 法 ，自回归(AR)模型法的基本思路 是: 假定所研究的随机过程x (n)是 由输入序列u (n)激励一个线性 系统H (z)所产生的输出；由已知的x (n)，或由其自相关 函数rx(m)来估计H (z)的参数；由H (z)的参数来估计x (n)的功 率谱周期图与AR谱分析图00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.500.511.522.533.54x 104Frequency (Hz)Power/Hz心率变异检测的临床意义在频域分析指标中，HF主要反映迷走神经张力变 化；LF主要反映交感神经张力变化；LF/HF则可以 评估心脏交感神经和迷走神经活动均衡性HRV降低为交感神经张力增高，可降低室颤阈，属 不利因素,易发生猝死；HRV升高为副交感神经张 力增高，提高室颤阈，属保护因素SDNN、SDANN、SDNN等时域指标小于50ms为HRV显 著减低，病死率大大增高检测生理年龄伴随着年龄的增长，交感、迷走神经的 压力感受器在血流动力系统调节中的作用随 之发生变化，频谱中的LF随年龄的增加而降 低，说明交感神经的张力降低；而老年人的 HF的降低更显著，说明迷走神经张力下降更 大。

其他的 HRV指标，老年人较之年轻人也 明显降低关于RR间期生命的基本节律之一通过相关分析研究心血管系统发展其它研究心脏调控功能的指标四、脑电信号脑波与 EEG1929德国精神科医生Hans Berger；脑波的強度范围：0-300μV；频率范围由数秒1次到每秒50次以上；对觉醒、睡眠和昏迷，脑波有明显的变化；正常人分为的α、β、θ、δ波脑电图（脑电图（ElectroencephalogramElectroencephalogram））国际10-20系统电极有各自的名称：位于左侧 的是奇数，右侧的是偶数按近中线的用较小的数字，较 外侧的用较大的数字电极名称包括电极所在头部分 区的第一个字母诸点电极的间隔均以10%和 20％来测量两耳垂连在一起，同时与地线 相连，而将无关电极放在头顶 中部或鼻根部，或第七颈椎处单极导联法的优缺点优点:能记录活动电极下脑电位变化的绝对 值，其波幅较高且较稳定，异常波常较局 限，这有利于病灶的定位缺点：参考电极(无关电极)不能保持0电位， 易混进其他生物电干扰例如当振幅大的 异常波出现于颞部时，耳垂电极由于靠近 颞部而受其电场的影响，这样有可能记录 到与颞部电位数值相近的异常电位。

双极导联法双极导联法不使用无关电极，只使用头皮上的两 个活动电极；优点：记录下来的是两个电极部位脑电变化的差 值，可以减小干扰，排除无关电极引起的误差；缺点：如果双极导联的两个活动电极间距离在3cm 以内，来自较大范围(距离大于3cm)的脑电位。