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1、 美國的保羅美國的保羅-勞特布爾和英國的彼得勞特布爾和英國的彼得-曼斯菲爾德共同獲得了曼斯菲爾德共同獲得了2003年年諾貝爾生理學或醫學獎諾貝爾生理學或醫學獎-核磁共振成像技術核磁共振成像技術-三維圖象三維圖象 根據生物醫學信號特點，應用信息科學的基本理論和方法，研究如何從被干擾和噪聲淹沒的觀察記錄中提取各種生物醫學信號中所攜帶的信息，并對它們進步分析、解釋和分類。1.數字信號處理 2.隨機過程 .工程數學 信號及其類型確定性信號 在教材中常作為例子給出，是最
2、熟悉的一類信號，但這類信號在真實世界中則較少出現。所謂確定性信號是指在已知足夠過去值的條件下，能夠準確預測該信號未來值的一類信號。例如，正弦波信號ASin t。 只要能夠用數學封閉表達式來表達的一類信號就是確定的信號。既使信號的全部過去值已知，也不能準確預測其未來值的一類信號稱為隨機信號。隨機信號在真實世界中大量存在。嚴格地說，實際的物理信號總具有某些隨機因素。例如，測量儀器中電流產生的噪聲就是一類常見的隨機信號，大多數生物醫學信號包含有隨機信號。未認識清楚的因素自然被歸入“噪聲”。隨機信號也包含有一些規律的因素。這種規律性是從大量樣本統計分析后呈現出來的。 分形信號具有十分有趣的特性，即它們
3、在各種放大倍數下看上去都很類似，這種特性稱為尺度不變性。 典型的分形信號：心率信號、血管分支 僅僅采用常規的測量工具是不能區別新信號和原信號的。原信號原信號四點平均四點平均后的信號后的信號混沌信號是一類不能準確預測其未來的確定性信號。對于一些確定性的信號，它們在未來的軌跡對其過去值很敏感，因此，無法用足夠的精度來預測未來值。理論上這些信號是確定的，但未來值的預測誤差很大。混沌信號在視覺上具有隨機信號的一些特征，但是隨機信號不是混沌的，混沌信號也不是隨機的。生物化學的調控過程、腦電活動、呼吸、從多細胞振蕩器到單個神經元等神經生理系統也已經報道展現出混沌現象。生物醫學信號的分類（1）由生理過程自發
4、產生的主動信號，例如心電（ECG）、腦電（EEG）、肌電（EMG）、眼電（EOG）、胃電（EGG）等電生理信號和體溫、血、脈博、呼吸等非電生信號。它們是對人體進行診斷、監護和治療的重要依據。（2）外界施加于人體、把人體作為通道、用以進行探查的被動信號，如超聲波、同位素、X 射線等。關于生理、病理狀況的信息將通過被動信號的某些參數來攜帶。心電信號（ECG） ECG 記錄了胸部電極上的電位（或兩個電極之間的電位差），反映了心肌中的時變電活動，這些電活動與動作電位的產生和傳播相關。每一次心跳產生一個電波（P、Q、R、S 和T 波）序列。肌電信號（EMG） 把電極放在肌肉上或其附近記錄EMG 信號，再
5、放大電位（或兩個電極之間的電位差）。EMG 信號由肌肉纖維周圍的動作時間電位而引起。一個多單元EMG 記錄了來自多塊肌內纖維的電位信號。EMG 信號在康復工程中得到應用。100 次連續心跳的瞬時心率信號（跳/分）（1）去除不需要的信號成份，因為它們污染了感興趣的信號；（2）用更明顯或更有用的形式表達提取的信息；（3）為了預期信號源的行為，預測信號的未來值。 處理的目的是要區分正常信號與異常信號，在此基礎上診斷疾病的存在。這種處理過程就像醫生用聽診器來檢查異常心聲或肺聲一樣。生物醫學工程師常將信號分解為基本信號類型的和，以檢查異常信號并發現疾病。這些方法中有許多需要利用付里葉變換中的特性。傅立葉
6、（,Jean ,1768-1830 ） 法國數學家及物理學家。法國數學家及物理學家。 最早最早使用定積分符號，改進符號法則及使用定積分符號分形理論及其在信號處理中的應用，改進符號法則及根數判別方法。根數判別方法。 傅立葉級數（三角傅立葉級數（三角級數）創始人。級數）創始人。 年年在代表作在代表作熱的分析理論熱的分析理論中解決了熱在非均勻加熱的中解決了熱在非均勻加熱的 固體中固體中分布傳播問題，成為分析學在物理分布傳播問題，成為分析學在物理中應用的最早例證之一，對中應用的最早例證之一，對19 19 世紀世紀數學和理論物理學的發展產生深遠數學和理論物理學的發展產生深遠
7、影響。傅立葉級數（即三角級數）、影響。傅立葉級數（即三角級數）、傅立葉分析等理論均由此創始傅立葉分析等理論均由此創始, , 其其后，由泊松（后，由泊松（）、高斯）、高斯（Gauss）等人把這一成果帶入電）等人把這一成果帶入電學中去。學中去。0cos)()(),()((10*pi)=0, 不包含5HzF(300*pi)=0, 不包含(1394*pi)=20, 包含(2672*pi)=20, 包含電話機數字鍵電話機數字鍵“2”的波形的波形 在2
8、0 世紀60 年代中期，庫利（）和圖基（Tukey）獨立發表了一篇論文分形理論及其在信號處理中的應用，也就是快速傅立葉變換算法（Fast ,FFT）。 數字信號處理領域的里程碑。隨機信號或隨機過程( )是普遍存在的。一方面，任何確定性信號經過測量后往往就會引入隨機性誤差而使該信號隨機化；另一方面，任何信號本身都存在隨機干擾，通常把對信號或系統功能起干擾作用的隨機信號稱之為噪聲。噪聲按功率譜密度劃分可以分為白噪聲（white noise）和色噪聲（color noise），我們把均值為0 的白噪聲叫純隨機信號。因此，任何其它隨機信號都可看成是純隨機信號與
9、確定性信號并存的混合隨機信號或簡稱為隨機信號。干擾（）和噪聲( noise)是兩個概念。非目標信號（ ）都可叫干擾。干擾可以是確定信號，如國內的50Hz 工頻干擾。干擾也可以是噪聲，純隨機信號（白噪聲）加上一個直流成分（確定性信號），就成了最簡單的混合隨機信號。醫學數字信號處理的目的是要提取包含在隨機信號中的確定成分，并探求它與生理、病理過程的關系，為醫學決策提供一定的依據。00.20.40.60.81-1.5-1-0.500.511..20.40.60.81-1.5-1-0.500.511.+Nois
10、e00.20.40.60.81-1.5-1-0.500.511.51st .20.40.60.81-1.5-1-0.500.511.53th /數學模型數學模型00.20.40.60.81-1.5-1-0.500.511..20.40.60.81-1.5-1-0.500.511.+.20.40.60.81-1.5-1-0.500.511.5Wn=0.800.20.40.60.81-1-0.500.511.5Wn=0.300.20.40.60.81-1.5-1-0.500.511..20
11、.40.60.81-1.5-1-0.500.511.+.20.40.60.81-1.5-1-0.500.511.52nd .20.40.60.81-1.5-1-0.500.511.54th order數學模型數學模型1,y00.20.40.60.81-1.5-1-0.500.511.52nd .20.40.60.81-1.5-1-0.500.511..20.40.60.81-1.5-1-0.500.511.+.20.40.60.81-1.5-1-0.50
12、0.511.54th order人體心電圖信號xn中存在50Hz工頻干擾 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-200-150-100- ( rad/) (dB)yn=0.+0.-1+0.-2+0.-3 +1.-1-1.-2+0.-2數學模型數學模型濾波器的頻率特性濾波器的頻率特性濾波后的心電信號濾波后的心電信號濾波后的心電信號頻譜濾波后的心電信號頻譜課后習題：課后習題： 采用自適應濾波技術消除采用自適應濾波技術消除50Hz工頻干擾。工頻干擾。 email: 000-1.5-1-0.500.511.5-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.84500-1-0.500.511.56000-1-0.500.511.)()()(),(),(*,