生物醫(yī)學工程

目錄內(nèi)容序醫(yī)學信息學簡述第一講醫(yī)學信號處理概述第二講醫(yī)學圖形信號的采集、存儲與處理第三講Mathlab與圖形信號的處理識別第四講醫(yī)學圖像信號的采集、存儲格式、處理方法第五講Mathlab、Vtk、Mtk與醫(yī)學圖像的處理第六講醫(yī)學信息挖掘第七講用于教學的醫(yī)學圖片處理技術(shù)作業(yè)第二講醫(yī)學圖形信號的采集、存儲與處理生物醫(yī)學信號一般特點信號微弱，隨機性強，噪聲和干擾背景強，動態(tài)變化和個體差異大。生物醫(yī)學信號處理技術(shù)研究從被檢測的生物醫(yī)學信號中提取有用的信息成分的方法。獲取生物信號的語法特征和信息語義特征的方法

對生理、生化各種測量指標參數(shù)的處理先對各類生理生化測量參數(shù)數(shù)字化和指標化，然后用數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計、參數(shù)估計和假設(shè)檢驗、多變量值分析等一些基本生物統(tǒng)計方法來描述和分析，進行設(shè)計實驗性研究和觀察性研究；提取用于疾病診斷分類參數(shù)。對圖形類信號分析處理通過時域分析、頻域分析和時頻分析，提取用于疾病診斷分類參數(shù)。采集、存儲與處理醫(yī)學信號（一維）的采集簡述信號的存儲管理信號預處理醫(yī)學信號的時域分析醫(yī)學信號的頻域處理時頻分析一、醫(yī)學信號（一維）的采集簡述回顧醫(yī)學信號處理系統(tǒng)圖示如下:人體子系統(tǒng)信號變換子系統(tǒng)模擬放大子系統(tǒng)模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)計算機子系統(tǒng)圖2-1醫(yī)學信號處理系統(tǒng)局部剖析圖體表電極力學量換能器熱學量換能器生物換能器…多路轉(zhuǎn)換開關(guān)采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換卡醫(yī)學信號（一維）的采集簡述1.信號的感應器件和換能器(1)非電量生理信號按其能量方式，可以分為：①機械量信號脈搏和心音是振動信號，血壓是壓力信號；②熱學量信號體溫；③化學量信號血液的pH值；④光學量信號血氧飽和度。采集簡述_續(xù)1(2)幾種換能器①體表電極體表電極是一種可以將離子電流變?yōu)殡娮与娏鞯膿Q能器件。②力學量換能器把力學量生理參數(shù)轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的器件。如：測量心音、呼吸和脈搏的電容換能器，測量血壓和肌張力的電感換能器，測量眼壓、血壓、、脈搏波的壓電換能器。③熱學量換能器有熱電式、熱阻式和熱輻射式換能器。熱電式換能器利用金屬材料的熱電效應將熱量轉(zhuǎn)為電量的；熱阻式換能器利用金屬或半導體材料的熱阻效應將熱量轉(zhuǎn)為電量；熱輻射能器利用熱輻射成像原理將溫度分布以熱像圖的形式記錄下來。④生物換能器以生物活性單元（酶、抗體、核酸、細胞和組織等）作為敏感基元，以化學電極等作為換能器且對被測信號具有高度選擇的一類傳感器。它通過物理的或化學的換能方式捕捉目標物和敏感基元之間的反應，并將反應的程度用離散或連續(xù)的電信號表達出來。典型應用：血糖生物傳感器，快速分析葡萄糖、谷氨酸、乳酸鹽和乳糖等成分的多功能生物傳感器，測量機體內(nèi)三磷酸腺苷（ATP）變化的生物傳感器，用于傳染病和基因變異檢測的脫氧核糖核酸（DNA）生物傳感器。采集簡述_續(xù)2(3)應用實例例如1：分娩過程中胎心的檢測，如圖2-2所示。圖2-２接收胎兒心電圖信號的圖示采集簡述_續(xù)3例如2：分娩過程中宮縮的檢測，如圖2-3所示。由腹壁外面間接測定宮縮壓力的方法。用一特制的壓力傳感器作為宮縮壓力探頭，將其縛在產(chǎn)婦腹壁，宮縮時子宮凸起，腹壁隨之凸起變硬，對探頭產(chǎn)生一定壓力，使探頭傳感器件發(fā)生位移而檢出表示壓力大小的電信號，通過儀器記錄下來。圖2-３獲取宮縮壓力的圖示采集簡述_續(xù)42.生物醫(yī)學信號的數(shù)字化(1)信號采樣定理對連續(xù)信號按一定的時間間隔△進行取值，所得x(n△)就是采樣，如圖2-4所示?！鳛椴蓸又芷冢ɑ蚍Q采樣間隔）。X(n△)為離散信號（或稱時間序列）。圖2-４連續(xù)信號及其離散信號的圖示xΔtx(t)x(nΔ)采集簡述_續(xù)4采樣定理：一個有限帶寬的連續(xù)信號f(t)，如果頻譜只占有限的范圍-m～+m，則信號f(t)可以用等間隔的采樣值來惟一地表示。假設(shè)f(t)的最高頻率為fm(m=2fm)，采樣頻率為發(fā)fs(s=2fs)，則滿足fs≥2fm，即采樣頻率大于或等于模擬信號最高頻率的2倍時，采樣后的離散序列就能無失真地恢復出原始連續(xù)模擬信號。通常把最低允許的采樣頻率s=2m稱為Nyquist頻率，把最大允許的采樣間隔

Ts=/m=1/2fm稱為Nyquist間隔。采集簡述_續(xù)5(2)常用模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)①A/D（analog/digital）轉(zhuǎn)換的方法及芯片器件主要有逐次逼近比較型和雙積分型，根據(jù)采樣精度分為8位、10位、12位、14位的各類芯片器件。②A/D轉(zhuǎn)換器件的主要性能指標分辨率——A/D轉(zhuǎn)換器的最低位LSB所對應的模擬電壓值稱為A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率。轉(zhuǎn)換時間——完成一次A/D轉(zhuǎn)換所用的時間為轉(zhuǎn)換時間。輸入電壓范圍——A/D轉(zhuǎn)換器的量程。轉(zhuǎn)換誤差——A/D轉(zhuǎn)換器的每個量化級所實際對應的電壓值和理論值之間的誤差的最大值為絕對誤差。絕對誤差對于滿量程的百分比為相對誤差。采集簡述_續(xù)6③A/D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的幾個組成部分的作用簡介（如圖2-5虛線框2所示）多路轉(zhuǎn)換開關(guān)——使多個模擬量共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行分時采樣和轉(zhuǎn)換的器件。采樣保持器——在A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換期間，保持輸入信號不變的電路。A/D轉(zhuǎn)換器——將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件。AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)格式——若A/D轉(zhuǎn)換器為12位，則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)字長12位，占二個字節(jié)存儲單元，形式如下：第一字節(jié)D15D14D13D12D11D10D9D8第二字節(jié)D7D6D5D4D3D2D1D0其中第一字節(jié)低4位有效。D11符號位，D11=1-正數(shù)，D11=0負數(shù)圖2-5A/D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的圖示計算機其中虛線框1的部分是前面介紹的信號變換子系統(tǒng)和模擬放大子系統(tǒng)：1.傳感器——把非電量的模擬量轉(zhuǎn)換為電量的器件。2.量程放大器——把微弱的傳感器信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器所需的輸入量程范圍的器件。3.低通濾波器——降低噪聲，濾去干擾，增加信噪比的器件。二、信號的存儲管理1.信號數(shù)據(jù)文件的存儲格式為了減少占用存儲空間，通常采集信號數(shù)字化后的值以二進制形式的文件格式存儲。例如：上述12位字長的采集系統(tǒng)，在選擇單極性工作范圍時，可以按每字按高位字節(jié)低位字節(jié)的順序保存為二進制格式文件。信號的存儲管理_續(xù)12.臨床實驗數(shù)據(jù)的管理數(shù)據(jù)庫是長時間存儲在計算機中的有組織、有一定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集合。這些數(shù)據(jù)包含了數(shù)據(jù)本身、數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系及其存取路徑。醫(yī)療數(shù)據(jù)的管理示例[例3]某婦產(chǎn)科的分娩監(jiān)控業(yè)務系統(tǒng)，除了記錄可以結(jié)構(gòu)規(guī)范化的孕婦和胎兒的體征測量數(shù)據(jù)，還要記錄大量孕婦宮縮和胎兒心電數(shù)據(jù)，進行定期的胎兒監(jiān)護信息分析。該實時監(jiān)測系統(tǒng)綜合應用關(guān)系數(shù)據(jù)模型、分級數(shù)據(jù)模型和XML數(shù)據(jù)模型，構(gòu)造以下結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫LaborDB（如圖2-6所示）來存儲本?？茦I(yè)務數(shù)據(jù)。在該數(shù)據(jù)庫內(nèi)有3張數(shù)據(jù)表，分別用于存貯病人基本不變的信息、病史表和隸屬病人的1張動態(tài)子表的索引關(guān)鍵字，還有隸屬動態(tài)子表的數(shù)據(jù)文件的索引關(guān)鍵字。表結(jié)構(gòu)如表9.3-1、9.3-2和9.3-3所示。(1)基本信息表MAIN_PDB

(2)個體動態(tài)表(PD****)

實驗數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)是以二進制數(shù)據(jù)的格式存貯。三、信號預處理1．去除奇異項(1)采集過程中，由于環(huán)境的嚴重干擾、器件偶然故障或不穩(wěn)定，信號中會產(chǎn)生一些奇異項。(2)根據(jù)人體（被測系統(tǒng)）不可能突變的特點，消除奇異項的方法可以采用一階差分方程法。一階差分方程表達式為：式中，為第n點的預測值，xn-1為第n-1點的采樣值，xn-2為第n-2點的采樣值。根據(jù)先驗知識或?qū)?shù)據(jù)的分析給定閾值，將實測數(shù)據(jù)與進行比較，如果超過某個閾值，就認為是奇異項。然后用預測值代替奇異項，繼續(xù)往前搜索，直到奇異項消失為止。接著用非奇異項的最近兩點值進行線性插值，用插值來代替奇異項。[例4]由于胎兒運動或產(chǎn)婦子宮收縮或體位變化，會引起胎兒心率信號有時出現(xiàn)失檢或產(chǎn)生強的干擾信號點。采用上述一階差分法（ABS(-)>40bpm）和零點法來判斷它。一旦計算機判斷第i點為奇異點時，用非奇異項的最近兩點值進行線性插值修正i點的取值，如果是連續(xù)數(shù)點的奇異項，則按下式修正。

[例5]由于肛檢引起產(chǎn)婦子宮收縮或體位變化，使宮縮信號上有時出現(xiàn)極強的干擾信號點，其幅值超出200mmHg。對這些奇異點，作者采用最高閾值限位法來修正它。一旦計算機判斷第i點為奇異點時，按下式修正i點的取值。

Xi=(Xi＋195mmHg)/2其中195mmHg是經(jīng)驗取值。信號預處理_續(xù)42.濾波(1)周期平均濾波在平均前選一個標準的心動周期作模板，將它與其余心動周期信號進行相關(guān)分析，使其與相關(guān)系數(shù)≥99%的心動周期信號進行迭加平均，從而產(chǎn)生新的模板。如此進行下去，直到達到預定值為止。(2)局部加權(quán)平均濾波局部加權(quán)平均法是在局部用最小二乘法進行多項式擬合，計算出各點的權(quán)系數(shù)，然后逐點滑動進行加權(quán)平均，從而達到濾波（濾去高頻分量）的效果。

[例6]產(chǎn)婦子宮收縮時呼氣和吸氣使宮縮信號上疊加有呼吸的信號，這些信號影響了隨后的信號特征點判斷，因此，需要濾除呼吸信號。對于信號中的呼吸波及一些幅值微小的干擾尖峰波，采用11點局部平滑濾波技術(shù)進行信號濾波。局部平滑濾波的方法是在局部用最小二乘法進行多項式擬合，計算出各點的權(quán)系數(shù)，然后逐點滑動進行加權(quán)平均，從而達到濾波的效果。11點平滑濾波的公式如下：用平滑處理改善數(shù)據(jù)的效果如圖2-7所示。

信號預處理_續(xù)53.基線校準基線漂移是信號采集過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，一般根據(jù)波形分析的需要進行校正。在例5中，則取宮縮波的兩個最低轉(zhuǎn)折點處附近的數(shù)點采樣值進行斜率考察，取斜率變化趨陡峭的起始點，兼顧考慮其幅值和平緩值得差值來確定宮縮波的起點和結(jié)束點，再取它們的平均值作為基線。如圖2-8所示。

圖2-8基線校正圖示信號預處理_續(xù)64.隨機信號檢驗利用概率直方圖的方法可以推斷信號的性質(zhì)。方法為：先求出數(shù)據(jù)的最大值和最小值，然后將數(shù)據(jù)值范圍分成若干段，求出落入每個值段的樣點數(shù)。計算概率密度的公式如下：設(shè)落入第j個數(shù)據(jù)值范圍的樣點數(shù)為Nj，數(shù)據(jù)段長為：，K為數(shù)據(jù)段數(shù)，則落入第j段的樣本點的頻數(shù)為：，此處N為采樣點數(shù)。故概率密度近似為：。四、醫(yī)學信號的時域分析1．均值計算對醫(yī)學信號作時域分析，通常是測量信號的某些絕對量（如波幅、均值、均方值、方根值、平均幅值、面積、各種間期和時限等），相對量（波形指標、峰值指標、脈沖指標、銳度指標、面積比等）和進行波形的形態(tài)分析。

平均值：平均幅值：均方值：均方根幅值：方根幅值：醫(yī)學信號的時域分析_續(xù)12.時距計算3.峰值計算4.面積計算其中ΔT為采樣間隔。

示例演示醫(yī)學信號的時域分析_續(xù)25.相對測量的指標6.波形分析波形分析主要關(guān)注波形的形態(tài)。通常對于不同的醫(yī)學背景需求，有不同的分析形態(tài)描述指標。波形指標：

峰值指標：

脈沖指標：裕度指標：

銳度指標：

面積比：

[例7]在分娩監(jiān)控系統(tǒng)中，對自監(jiān)測分析儀器從母體腹壁外采集到的宮外宮縮波進行信號成分的特征值分析。①信號預處理及波形成分截取宮外宮縮波包含宮縮信號、胎動信號、母體腹肌信號和呼吸信號，還含有孕婦轉(zhuǎn)身和肛檢等所引起的干擾信號。分析前進行預處理。實時信號經(jīng)預處理后，可得到適用于分析的信號結(jié)果，如圖所示。②根據(jù)臨床經(jīng)驗和醫(yī)生描述的指征，采用系統(tǒng)提供的人工截波計算程序，對預處理后的18例分娩宮縮信號離線回放，分類選波。分別得到55個波次的宮縮波時距，90個波次的胎動和腹肌波的相對幅值及時距。③采用STATISTCA統(tǒng)計軟件對分類截取的胎動、腹肌波和宮外宮縮波數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計計算，并對幅值和時距作頻數(shù)分布及t檢驗，得到以下結(jié)果。[例7]_續(xù)a)胎動和腹肌波的幅值對數(shù)頻數(shù)呈正態(tài)分布，約75%的峰值位于2.66kPa(20mmHg)～5.32kPa(40mmHg)之間。最小值為1.33kPa(10mmHg)（如表1和圖9.3-6所示）。根據(jù)正態(tài)分布規(guī)律：下限＝均值－標準差×1.96，可獲取95%的胎動、腹肌波，此時下限值為1.463kPa(11mmHg)。兼顧最小值，提取胎動、腹肌波的幅值下限值取為1.33kPa(10mmHg)。胎動和腹肌波的時距沒有顯著性差異（如表2、3、4所示），它們的提取上限值可取為10s。b)同樣的分析過程，可知宮縮波時距的頻數(shù)呈正態(tài)分布，約90%的時距位于60～90s之間。最小值為50s，提取宮縮波的時距下限值定為55s。Next醫(yī)學信號的時域分析_續(xù)37.心電診療數(shù)據(jù)的分析處理實例(1)信號采集超聲探頭將胎兒心臟反射信號波轉(zhuǎn)換成電壓信號后，經(jīng)胎心動信號檢測模板進行信號放大、濾波、限幅等預處理，得到0~5V的胎兒心動信號。此信號再經(jīng)A/D模板轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。(2)從心動信號提取心率信號胎心率的檢測包括胎兒平均心率和瞬時心率的檢測。平均心率是單位時間的心搏次數(shù)；胎兒瞬時心率是相鄰兩次心搏的時間間隔的倒數(shù)。用的短時自相關(guān)函數(shù)的計算公式：醫(yī)學信號的時域分析_續(xù)4該系統(tǒng)采樣周期為5ms，每一次處理的信號長度為256點，一次自相關(guān)計算需要512個數(shù)據(jù)點。經(jīng)256次矩陣運算后，得到512個采樣點的自相關(guān)結(jié)果。在理想的自相關(guān)波群中，從Rxx(k)中檢出離原點的第一最大峰值及對應的時值Kf，便可得到胎兒心動周期Tf=Kf?Δτ，則胎兒瞬時心率為f=1/Tf。實際中，由于自相關(guān)結(jié)果并非在N→∞的理想條件下獲得的，存在一些不可抑制的干擾因素。因此，先用比率法降低噪聲，然后利用先驗心率確定自相關(guān)結(jié)果搜索的范圍，并根據(jù)臨床胎心率變化的特征設(shè)定計算心率峰值位置判斷條件如下：信號處理（圖形）①rate_now>180，心率失效點；②100<rate_now<160，心率有效點；③當前次心率fheart=0，rate_now-fheart>180，取前次心率；④當前次心率fheart≠0，rate_now=0，取前次心率；⑤當前次心率fheart≠0，ABS(rate_now－fheart)>0.1×fheart，取前次心率；⑥連續(xù)4次rate_now=0，則當前rate_now=0。經(jīng)過上述處理，可以從胎兒心搏信號提取出胎兒心率信號，如圖所示圖。

從胎兒心搏信號提取出胎兒心率信號五、醫(yī)學信號的頻域處理頻譜分析就是以組成信號的正弦波的頻率為變量研究一定頻率下信號特征（幅度）的方法。功率譜分析是說明信號中各頻率分量對應的功率分布。對于離散信號，采用離散傅立葉變換將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域，從而了解信號的頻率成分和分布情況；用時域自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換或周期圖法計算信號的功率譜；醫(yī)學信號的頻域處理_續(xù)1例如，從ECG表面電極獲取人體體表呼吸肌（膈?。┑募‰娦盘枺‥MG），混有極強的人體心電信號(ECG)的干擾，從圖可見到有規(guī)則的心電信號的干擾，此外還有來自于肌肉收縮的干擾、血液的流動等。醫(yī)學信號的頻域處理_續(xù)2選擇Butterworth高通濾波器，設(shè)置下限截止頻率為100Hz，對肌電信號先進行數(shù)字濾波處理，下圖是經(jīng)濾波處理后的體表呼吸肌肌電信號效果。圖15體表呼吸肌肌電信號的能量譜估計醫(yī)學信號的頻域處理_續(xù)3對濾波后的體表呼吸肌肌電信號進行傅立葉變換分析，利用選定分析范圍（加窗）和數(shù)據(jù)平滑的方法，對體表呼吸肌肌電信號的能量譜估計。醫(yī)學信號的頻域處理_續(xù)4頻域分析對兩信號，通過分析互相關(guān)函數(shù)譜的正弦和余弦分量，比較兩波形信號的相關(guān)性；通過計算它們的功率差譜和二階譜，了解兩信號同譜分量的差異和共有的同譜分量等，例如，測量左、右、上肢或下肢的阻抗或脈波信號間的譜差異，以判斷不同部位（如兩肢）的