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第二章 生物医学信号处理Chapter2 Biomedical Signal Processing 本章主要内容： 医学信号处理系统的组成和功能 采样定理 信号的时域处理 信号的频域处理 “我的书每增加一个公式，读者就减少一半 ——霍金教授 什么是生物医学信号处理 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。 信号的基本概念 什么是信息？ 社会和日常生活中，人们借助语言、文字、图象和数据等媒体表达的感觉、思想、意见等统称为信息。显然，同一信息可用不同媒体来表达。 什么是信号？ 为了有效地传播和利用信息，常需要将信息转换成便于传输和处理的信号。信号是信息的载体，是信息的表现形式，一般表现为随时间变化的某种物理、化学和生物量。在各种信号中，电信号是一种最便于传输、控制和处理的信号。由于医学中的许多非电信号通过前面讲的传感器几乎都能转化成电信号。因此在信号处理领域，一般所说的信号就是指电信号。 信号怎样描述？ 在数学上，可以描述为一个或多个独立变量的函数。如体温随时间变化(时间的函数)，平面图像可描述为像素的灰度变化随坐标(x,y)变化的函数。信号还可以用图形、测量数据或统计数据进行描述。 信号的基本概念 信号的分类 (1)确定性信号与随机信号 确定性信号:任一由确定时间函数描述的信号，对于这种信号，给定某一时刻后，就能确定一个相应的信号值。 随机信号：信号是时间的随机函数，事先无法预知它的变化规律。 (2)连续信号和数字信号 连续信号：在某个时间区间内除有限个间断点外都有定义，称该信号在此区间为连续信号。 数字信号：仅在离散时刻上有定义，而且信号幅值只能取某些规定值的信号。 (3)周期信号和非周期信号 信号的基本特征 时间特性：信号持续时间的长短、变化速度的快慢、信号幅值的大小以及随时间改变呈现出来的变化规律等。(时域分析) 频率特性：信号的频带宽度、各正旋分量振幅、相位随频率的分布情况。 (频域分析) 第1讲 医学信号处理系统的组成和功能(The architecture and function of MSPS) 一、医学信号的特点 (1)微弱：mV或μV级； (2)超低频：如呼吸信号0.3Hz左右，胃电主频0.05Hz左右，心电主要成份 50赫兹, 头皮记录的脑电波在10Hz左右； (3)信噪比低，对放大器要求严格； (4)工频干扰强且在有效频带内，故滤除工频干扰的技术要求高也比较难。 表1 一些医学信号的特点 医学信号的性质 对医学信号而言，有的主要属于确定性信号（在有限的时间内），如心电、心音、阻抗等，有的似乎含随机成分多，如脑电、肌电、胃电（平滑肌电）等。 因此，对医学信号的处理涉及对确定性信号的处理及对随机信号的处理。除此之外，近来还开展了信号混沌性的分析。 第1讲 医学信号处理系统的组成和功能(The architecture and function of MSPS) 二、医学系统的特点 (1)人体系统: 严格说来，人体系统是非线性移变系统，一般不能用工程中测量输入输出信号以确定线性系统的特性的办法来确定人体系统特性或状态。 (2)医学信号处理的根本任务: 在于有效地分析来自系统的信号，正确地提取信号特征，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)，以便作出医学决策。因此医学信号处理的重点不在于实时传输，而在于时、频域特征提取，以便作辨识(正常、大致正常、异常、严重异常等)。 三、医学信号处理系统的组成 处理医学信号的装置叫医学信号处理系统（DSPSM: Digital Signal Processing Systems for Medicine）。完整的医学处理系统可分为硬件及软件两个方面。在硬件方面，又可分为模拟部分和数字部分。 医学信号，有的是电信号，但多数是非电信号，故医学信号处理系统应包括将非电量转换成电量的信号换能部分或叫信号变换器(signal transformer)。由于医学信号的微弱、低频及高噪的特点，医学信号处理系统还包括有抗干扰性能强的模拟放大器(analog amplifier)。最后是将模拟量变换成数字量或数字量变换成模拟量的模数∕数模转换器( ADC∕DAC： analog-digital converter∕digital-analog converter)