生物医学工程导论 第七章生物医学信号处理
第七章 生物医学信号处理 生物医学工程导论
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
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
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)
(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)。 医学系统的特点
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(ADCDAC: analog-digital converter/digita-analog converter)及计算机系统
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)及计算机系统
医学信号处理系统各部分功能 (1)人体子系统：产生医学信号（信号源） (2)信号感知和变换子系统：拾取信号，如果是非电信号则将 非电学量转变成电学量，以便后续处理。要求该系统是非时变 线性系统。 (3)模拟放大子系统：放大微弱的医学信号。最高应达106以上 的放大倍数，要求高的（如大于90dB)共模抑制比(CMRR: common mode rejection ratio)的非时变线性系统。 (4)模数/数模转换子系统：模拟量转换为数字量。现有8位、 12位、16位及更多位转换精度及各种采样速率的器件（或系统 可选用 (5)计算机子系统：信号的处理、分析、保存、显示等。包括主 机和外设如打印机、绘图仪、鼠标器等
医学信号处理系统各部分功能 (1)人体子系统：产生医学信号（信号源）。 (2)信号感知和变换子系统：拾取信号，如果是非电信号则将 非电学量转变成电学量，以便后续处理。要求该系统是非时变 线性系统。 (3)模拟放大子系统：放大微弱的医学信号。最高应达10 6以上 的放大倍数，要求高的(如大于90dB)共模抑制比（CMRR: common mode rejection ratio）的非时变线性系统。 (4)模数∕数模转换子系统：模拟量转换为数字量。现有8位、 12位、16位及更多位转换精度及各种采样速率的器件(或系统) 可选用。 (5)计算机子系统: 信号的处理、分析、保存、显示等。包括主 机和外设如打印机、绘图仪、鼠标器等
生物医学信号采集、预处理以及采样定理 医学信号处理的流程 由传感器完成 获取信号 模拟部分 包括信号放大、 对信号进行预处理 滤波等。由放 大器、滤波器 等完成。 模数接口部分 对信号进行数字化 将模拟信号离散化和 数量化。由ADC完成。 数字部分 计算机信号处理 完成信号分析、 识别、特征提取 等以及显示结果
生物医学信号采集、预处理以及采样定理 医学信号处理的流程 获取信号 对信号进行预处理 对信号进行数字化 计算机信号处理 由传感器完成 包括信号放大、 滤波等。由放 大器、滤波器 等完成。 将模拟信号离散化和 数量化。由ADC完成。 完成信号分析、 识别、特征提取 等以及显示结果 模拟部分 数字部分 模数接口部分
信号放大：放大器 (Signal amplification:amplifier) 高性能的放大器是获得生物医学信号的关键设备之一。 对于医学放大器首要的是其安全性。保证安全性的关键技术隔 离、浮置： (1)隔离(isolation): 接入人体的测量回路与其余电路隔离。 隔离技术有光隔离、变压器隔离、场隔离（采用发射与接收 分离的方式) 。 (2)浮置(oatation):检查床和设备有良好的本地接地 （接 地电阻<0.12)，与人体测量回路不能共地
信号放大:放大器 (Signal amplification：amplifier) 高性能的放大器是获得生物医学信号的关键设备之一。 对于医学放大器首要的是其安全性。保证安全性的关键技术隔 离、浮置： （1）隔离(isolation)：接入人体的测量回路与其余电路隔离。 隔离技术有光隔离、变压器隔离、场隔离（采用发射与接收 分离的方式）。 （2）浮置(floatation)：检查床和设备有良好的本地接地（接 地电阻<0.1Ω），与人体测量回路不能共地
放大器的主要性能参数有(6个)： 1.共模抑制比(CMRR:Common Mode Rejection Ratio):定义为差模信号放大倍数与共模信号放大倍数 之比。通常用分贝(dB)数表示。如CMRR=90dB,表 示差模信号放大倍数与共模信号放大倍数之比为109：1。 2.放大倍数(Amplification):输出信号幅度与输入信号 幅度之比。 3.时间常数(Time Constant)):达到最大响应的0.707倍 所需的时间，单位为秒，通常用电路的等效电阻和电容 的乘积(RC)来表示。 类似意义的参数是低端截止频率（赫兹）。低端截止频率 与时间常数的关系为：fr=(I/2πI/RC2
放大器的主要性能参数有（6个）： 1 . 共模抑制比 ( CMRR: Common Mode Rejection Ratio):定义为差模信号放大倍数与共模信号放大倍数 之比。通常用分贝（dB）数表示。如CMRR = 90dB, 表 示差模信号放大倍数与共模信号放大倍数之比为109：1。 2.放大倍数(Amplification)：输出信号幅度与输入信号 幅度之比。 3.时间常数(Time Constant)：达到最大响应的0.707倍 所需的时间，单位为秒，通常用电路的等效电阻和电容 的乘积(RC)来表示。 类似意义的参数是低端截止频率(赫兹)。低端截止频率 与时间常数的关系为：f rc = (1/2π)(1/RC)1/2
4.高端截止频率(high cutoff frequency)):高、低端截止 频率之间的频率范围称为放大器的通带宽度，简称带宽， 单位为赫兹。 5.线性(linearity):输出信号的幅度和相位与输入的对 应量有线性关系。 6.输入阻抗(input impedance):放大器的输入电压与 输入电流之比。医学放大器要求有高的输入阻抗，如 一般的几M2(1062),G2(1092),甚至T2(10122)的 量级
4.高端截止频率(high cutoff frequency):高、低端截止 频率之间的频率范围称为放大器的通带宽度,简称带宽， 单位为赫兹。 5.线性(linearity):输出信号的幅度和相位与输入的对 应量有线性关系。 6.输入阻抗(input impedance): 放大器的输入电压与 输入电流之比。医学放大器要求有高的输入阻抗，如 一般的几MΩ(106Ω),GΩ(109Ω), 甚至TΩ(1012Ω)的 量级
选用医学信号放大器总体要求： (1)高输入阻抗（生物信号源是高内阻的微弱信号源， 所以需要放大器也是高阻抗，以达到阻抗匹配，否则会 出现低频失真。) (2)高共模抑制比（目的：抑制人体所携带的工频干扰 及所测量参数以外的其他生理作用的干扰) (3)低噪声和低漂移（目的：提高测量的信噪比) (4)设置保护电路（保护被测量人体的安全）
选用医学信号放大器总体要求： （1）高输入阻抗（生物信号源是高内阻的微弱信号源， 所以需要放大器也是高阻抗，以达到阻抗匹配，否则会 出现低频失真。） （2）高共模抑制比（目的：抑制人体所携带的工频干扰 及所测量参数以外的其他生理作用的干扰） （3）低噪声和低漂移（目的：提高测量的信噪比） （4）设置保护电路（保护被测量人体的安全）