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1、1,1,生物医学工程原理I,主讲：唐 洪,联系方式：电信学部创新园大厦A1213 电话：84706009-3013 电子邮件：,2,2,什么是信号？什么是信息？,在日常生活中，信息是指“消息”，“情况”，“知识”，“情报”等等。比如：人们收到一封电报，接到一个电话。得到了“信息”。在日常生活中，“信息”是模糊的，没有定量。例：告诉我的消息是早已知道的。消息对我没有意义，没有带来信息。尽管收到了信号，但信息量是零。相反，如果传来的消息是我不知道的，出乎我的意外。那么，给我的信息量很大。在科学上，“信息”有一定的数学模式，能定量地描述。是“信息论”的研究内容。,单位：bit,3,3,“信号”、“信
2、息”的区别与联系,信号是信息的载体例：古时候烽火报信。“凡贼入境，马步兵五十人以上，不满五百人，放烽一炬。若余寇贼五百人以上不满三千人放两炬。番贼五百骑以上，不满千骑，放烽三炬。若余寇贼三千骑以上，亦放烽三炬。若番贼千人以上不知头数，放烽四炬。”烽火是信号，是载体；烽火的表示含义是消息（信息）。例：检查人体的体温。记录体温的观察数据是信号，数据反映出的结果是消息（信息）。大于37度，发烧。信号处理：对信号进行处理以获得信息,4,4,按照生物信号的性质分类：,生物电信号心电、脑电、肌电、眼电、胃电、神经电还有其它生物信号不是电信号，但是可以通过传感器转换为电信号.语音、心音、吞咽音、肠鸣音、牙齿
3、叩击音血压、血流、脉搏、呼吸、体温指纹、掌纹、虹膜、还有步态生物磁信号心磁、脑磁等生物磁场生物化学信号各种体液中含有的电解质和微量元素血液、尿液、唾液、各种组织液,5,5,生物医学信号测量的特点（1）,基本属于弱信号测量（尤其是生物电信号）反映生理变化和生化变化的信号和参量大多是微弱的要求测量系统的灵敏度高、分辨力强、抗干扰能力强常见生物电信号的幅度范围心电（皮肤电极）50V5mV脑电（头皮电极）10 30 V肌电 20 V10mV,6,6,生物医学信号测量的特点（2）,生物体内的噪声对测量有重要影响测量某一种生理信号时，常常另一种生理信号也被记录。第一种信号为有用信号，第二种信号就是噪声。例
4、在测量心电时，肌电也被记录测量诱发脑电时，自发脑电为噪声测量胎儿心电时，母体心电为噪声测量心音时，呼吸音为噪声所以，在生物医学测量中常常要采取有效办法来提取有用信号。硬件的方法 通过电路来实现、前处理软件的方法 通过后期算法来实现、后处理,区分信号、噪声，关键看测量者对谁感兴趣。,7,7,生物医学信号测量的特点（3）,外界环境容易引入干扰外界电场、磁场的干扰50Hz工频干扰外界声音干扰心音外界刺激引入干扰做诱发脑电实验时噪声与干扰的区别干扰一般来自外界，噪声一般来自仪器本身或传感器,8,例：50Hz工频干扰,9,9,生物医学信号采集、处理系统的基本组成,信息获取部分（电极、传感器）,信息加工部
5、分（放大、数字化、存储、处理）,信息记录与显示部分（示波器、记录器）,10,10,生物医学传感器,物理传感器利用物理性质或物理效应研制的传感器角度、压力、振动、流量、温度电压、电流化学传感器把人体内的某些化学成分、浓度转化成对应关系的电学量生物传感器利用生物活性物质有选择性地识别待测物质酶、抗体、抗原、激素,11,照片（多导生理信号采集仪）,12,心电信号采集,心电导联,共12个导联,13,心电信号,一例正常心电信号,14,异常心电信号,心电信号处理：（1）R波检测；（2）心率变异；（3）作为生物特征进行身份识别；（4）作为参考信号，协助其他医学信号研究，如脉搏波的研究、呼吸与血流动力研究、心
6、音信号研究,15,脑电信号采集,自发脑电、诱发脑电,16,一例脑电信号,脑电信号：（1）诱发电位研究；（2）脑机接口研究；（3）癫痫预测与识别；,17,科技新闻：人际脑电波通讯实验首获成功,图左为发送信息的志愿者，图右为接收信息的志愿者,一位位于印度特里凡德琅的志愿者借助脑电图记录设备将“你好（hola）”和“再见（ciao）”这两个单词，发给了远在法国斯特拉斯堡的实验人员。这两句问候语首先被转换成为二进制进行发送，法国方面的计算机在收到这些信号后，先对其进行解码，然后再用电刺激将其输入到接收者的意识当中。,18,肌电信号采集,应用,多自由度假肢,肌电信号：（1）肢体动作识别；（2）电刺激与康
7、复,19,神经电信号采集,正中神经,20,胃肌电信号采集,将四对胃起搏线圈，从胃上部到幽门沿胃体大弯侧放置在胃浆膜表面,每对电极的距离是1cm,相邻电极对的间隔是2cm 5cm,最上面那对电极大致位于胃体大弯侧上1/3 处的胃电起搏区,最下端的那对电极距幽门2cm 4cm。通过部分埋入胃浆膜肌内的线圈,这些电极紧紧贴在胃浆膜上,线圈通过腹壁引出之后固定在体表的腹部。最上面那对线圈不但可以记录胃起搏区的胃电信号,也可以用来进行胃起搏的刺激,其余各对线圈用来记录胃电活动,还有体表胃电，用电极在体表采集,21,心音信号采集,心音与血流动力关系研究（体循环、肺循环、心脏瓣膜）基于心音指导运动员训练心音
8、指导麻醉用量心音评价围产期孕妇的心功能心音作为生物特征识别身份,22,血压信号采集,间接测量血压,柯氏音测压测压原理,23,血压信号采集（续）,直接测量血压,24,给予肾上腺素后，左心室血压的变化趋势,25,脉搏信号采集,压电脉搏传感器,光电脉搏传感器,26,呼吸信号采集,胸廓呼吸运动,呼吸流量,27,指纹采集,28,常见传感器（观察）,我在实验中常用的传感器血压传感器呼吸流量传感器呼吸运动传感器（测量胸廓起伏）心音传感器麦克风加速度压电脉搏传感器压电光电脉搏传感器胃肠运动传感器心电电极肌肉张力传感器指纹采集仪,29,“频率”的概念,简单地说，“频率”是信号在单位时间内的振荡次数，是描述振荡快
9、慢的物理量。,29,请指出该信号的频率是多少？,30,哪个信号频率高？,下图是脉搏波的信号,脉搏波有主要频率，还有次要频率。脉搏波不是单频信号。一般来说，生物医学信号都不是单频信号。,31,31,脉搏波,心电,肌电,脑电,通过肉眼观察，以上信号的频率高低如何？,32,32,常见生理信号的频率范围,生理信号 频率范围（Hz）心电 0.01 250 脑电 0 150 肌电 0 10000 胃电 0.05 20 动脉血压 0 100 脉搏波 0.1 50 心音 2 600 呼吸率 0.1 10,了解各信号频率范围的意义是什么？,采集信号的时候，设置采样率,33,瞬时频率,在时间t时刻附近，若单位时间
10、趋向于无穷小，那么此时的频率是瞬时频率,非平稳信号处理中，时频分析方法主要用于研究信号的瞬时频率,举例:在t时刻附近的0.01秒内，相位变化了5*2*，此时的瞬时频率是？,可见，瞬时频率就是，瞬时相位的变化率,34,请指出该信号在红点处的瞬时频率是多少？,请指出红点处的瞬时频率与紫色点的瞬时频率，谁大谁小？,35,假设一脉搏波信号，如图所示，请求任一时刻的瞬时频率？,步骤：1）求瞬时相位，2)求瞬时相位变化率,36,37,循环频率,单位时间内，重复出现的次数 例：一个信号在1秒钟内，重复出现了2次，那么它的循环频率是2Hz,请问，该信号的循环频率是多少？,38,具有循环频率特征的生物医学信号心
11、电脉搏心音心脏血流动力,问题：一个信号中有两个分量，一个分量的循环频率是1Hz，另一个分量的循环频率是2Hz，请问有什么办法把这两个分量从信号中分离出来？,39,“能量”的概念,信号的“能量”指信号幅度平方的积分,39,哪个信号的能量大？,40,“功率”的概念,信号的“功率”指信号在单位时间内的能量,哪个信号的功率大？,41,脉搏波,脉搏波在不同频率处的功率是不同的。功率最强的频率称为主要频率，其他为次要频率。,42,信号在时域和频域之间的转换,一个信号既可以表示在时域中，也可以表示在频率中,时域表示,频域表示,余弦信号，频率1，幅度1，相位0,两种表达方式等价，可以互相转换,（说明，三个参数
12、可完全描述这个信号，压缩）,43,该信号有两个分量（红色、蓝色）之和构成,时域表示,频域表示,信号的分解和合成,信号被分解成立2个分量，2个信号合成了原信号,44,时域表示,频域表示,方波,分解,45,时域表示,频域表示,傅里叶变换：信号在时域、频域之间转换,46,傅里叶变换：把信号转换到频域，称为傅里叶分析（或谱分析）,从分析中可知：信号中各分量的大小，找出主要分量,47,“功率谱”的概念,简单地说，“功率谱”是信号功率随频率的分布。,47,“功率谱”也称为“功率谱密度”。,48,48,如果信号的功率谱不随时间变化，则称信号是平稳的。,功率谱的估计方法很多，在数字信号处理中专门学习。,49,
13、“带宽”的概念,简单地说，“带宽”是信号的主要频率分量所占有的宽度。通过功率谱分析得到信号的带宽,50,50,常见生理信号的频率范围（带宽）,生理信号 频率范围（Hz）心电 0.01 250 脑电 0 150 肌电 0 10000 胃电 0.05 20 动脉血压 0 100 脉搏波 0.1 50 心音 2 600 呼吸率 0.1 10,通过功率谱分析得到信号的带宽,51,51,如果功率谱是随时间变化的，称为“时变功率谱”。,生物医学信号一般都具有时变功率谱。,52,信号处理中的几个“域”(domain),时间域频率域空间域码域循环频率域联合域（多个域组合，joint domains）时间-频率域时间-频率-空间域时间-频率-循环频率域。,53,时间域-频率域,时间-频率域,时间域,54,频率-循环频率域,频率5，循环频率1，幅度1,时间域,联合域（频率-循环频率域）,
