人工智能導論-項目6 -生物信息識別

人工智能導論項目六

生物信息識別01項目背景02思維導圖03思政聚焦04項目相關知識05項目任務目錄CONTENTS06項目小結與展望01項目背景生物醫(yī)學信號概述生物醫(yī)學信號是人體生命信息的集中體現(xiàn)!是窺視生命現(xiàn)象的一個窗口。因此，深入進行生物醫(yī)學信號檢測與處理理論與方法的研究對于認識生命運動的規(guī)律，探索疾病預防與治療的新方法以及發(fā)展醫(yī)療儀器這一高新技術產(chǎn)業(yè)都具有極其重要的意義。02思維導圖項目五思維導圖03課程思政近年來，我國發(fā)布了多條全國性政策和醫(yī)療人工智能專項政策，人工智能醫(yī)療上升為國家戰(zhàn)略。我國醫(yī)療需求不斷提升的同時，醫(yī)療資源分配不均，醫(yī)護人員短缺等問題仍然十分嚴峻，而人工智能剛好彌補了這一短缺，加之人工智能醫(yī)療的政策規(guī)劃不斷落地，更加速我國人工智能醫(yī)療的發(fā)展?，F(xiàn)階段，人工智能+醫(yī)療主要有八大應用場景，分別是虛擬助理、醫(yī)學影像、輔助診療、疾病風險預測、藥物挖掘、健康管理、醫(yī)院管理和輔助醫(yī)學研究平臺。

我國居民心理行為問題和精神障礙的人群逐漸增加，民眾心理健康問題日益凸顯，國家對于心理健康和精神衛(wèi)生的問題也越來越重視,各種相關政策陸續(xù)出臺。精神疾病不僅降低個人的生活質(zhì)量，還會導致醫(yī)療支出增加。人工智能的進步正把心理治療帶給更多需要它的人。04項目知識準備常見的生理信號人體給出的信號非常豐富，每一種信號都攜帶著對應一個或幾個器官的生理或病理的信息。這些信號可大致分為電生理信號、非電生理信號、人體生理特征信號、生化信號和生物信息。電生理信號

其中，重要的是心電信號(ECG)、腦電信號(EEG)和肌電信號(EMG)。其次是胃電信號、眼視網(wǎng)膜信號和眼電信號。這些電信號源自于人體內(nèi)細胞膜內(nèi)外的電位差。億萬細胞的電活動通過人體組織傳到體表，并疊加在人體不同部位形成了相應的電生理信號。只要人的生命特征存在，這些電生理信號總存在。電生理信號

心電信號心電信號是反映人體心臟情況的信號。心電信號的應用已經(jīng)走進了我們的日常生活。除了醫(yī)院使用的專業(yè)儀器，市場上也有很多穿戴式設備可以用于日常的ECG信號檢測，如AppleWatch,華為手表,和Fitbit等。圖6-1展示了AppleWatch.

圖6-1AppleWatch電生理信號

腦電信號腦電圖(EEG)是腦神經(jīng)細胞電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映。腦電信號中包含了大量的生理與疾病信息,在臨床醫(yī)學方面,腦電信號處理不僅可為某些腦疾病提供診斷依據(jù),而且還為某些腦疾病提供了有效的治療手段。在工程應用方面,人們也嘗試利用腦電信號實現(xiàn)腦-計算機接口(BCI)。

圖6-2EEG電生理信號

肌電信號肌電信號（EMG）是眾多肌纖維中運動單元動作電位（MUAP）在時間和空間上的疊加。表面肌電信號（SEMG）是淺層肌肉EMG和神經(jīng)干上電活動在皮膚表面的綜合效應，能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動。SEMG在臨床醫(yī)學、人機功效學、康復醫(yī)學以及體育科學等方面均有重要的實用價值。

圖6-3肌電信號示意圖情緒識別腦電波的電壓很小，需要高精度的儀器才能探測到。常用于腦電分析的頻域特征有α、β、δ、θ和γ等。情感是人類在適應社會環(huán)境的過程中所逐漸形成的一種機制。情緒本身具有非常高的復雜性和抽象性，通常將情緒分為離散型模型和連續(xù)型模型兩種。離散型情緒包括生氣、討厭、害怕、高興、悲傷和驚訝等6種基本情緒類別，連續(xù)型情緒模型可以從維度觀的角度進行理解，情緒的維度空間模型又可以分為二維、三維等不同類型。二維連續(xù)型模型如圖6-3所示。圖6-4情緒的連續(xù)型二維空間表示，情緒識別腦電信號可以用于情緒的識別。在基于腦電信號的情緒識別任務中，需要對腦電信號進行預處理以提高信號的質(zhì)量，預處理一般包括降采樣、濾波、去除偽跡以及特征提取等環(huán)節(jié)。對情緒的識別主要包含以下步驟：（1）誘導情緒（2）數(shù)據(jù)預處理（3）特征提取和特征選擇（4）訓練模型專注力分析腦電波含有豐富的特征。我們可以使用δ、θ、α、β和γ這5個基本特征來構建一個或多個特征，然后使用這些特征來代表注意力的程度。θ與β的比率是一個常用的用來觀察注意力的特征。當β增加，θ減少時，θ/β的比值將下降，代表注意力程度上升。壓力分析傳統(tǒng)的壓力評估方法依賴于評估者的主觀經(jīng)驗，并且受測者可能會試圖隱藏自己的真實心理狀態(tài)。利用生理信號來測試壓力更為客觀。自主神經(jīng)系統(tǒng)(ANS)會影響心臟的活動，因此可以通過ECG信號進行心理壓力的檢測。心率變異性是近年來比較受關注的無創(chuàng)心電檢測指標之一，基于心電圖(ECG)的時域和頻域信息可以分別計算心率(HR)和心率變異性(HRV),利用這些信息可以計算個人的心理壓力狀況。圖6-4心電信號波形04項目任務任務1：情緒識別任務描述在進行情緒識別任務時，既可以使用一種生理信號，也可以將多種生理信號融合為了識別情緒。多種信號融合被認為有助于提高識別的精度，但這需要更多的傳感器和更大的計算量。任務1只使用腦電信號進行情緒識別。任務1：情緒識別任務實現(xiàn)---請大家掃二維碼根據(jù)步驟測試實現(xiàn)任務2：專注力分析任務描述專注力分析是一個活躍的研究領域，基于腦電圖的研究可以幫助我們評估和增強注意力等認知功能。通過繪制腦電波指標的曲線可以觀察到一個人的注意力是如何變化的。任務2：專注力分析任務實現(xiàn)---請大家掃二維碼根據(jù)步驟測試實現(xiàn)任務2：壓力分析任務描述一般來說，較低的HRV表示身體正承受一些壓力，可能在心理上造成壓力的事件都會對HRV有影響;較高的HRV(心跳跳動的變動量較大）通常表示身體能承受較高的壓力或是正在從先前累積的壓力當中恢復。通過心率變異性的各項指標可以計算得到壓力指數(shù)，這是一個連續(xù)的變量，為了進行分類任務，需要對計算得到的壓力指數(shù)進行離散化。由于只需要區(qū)分“有壓力”和“無壓力”，因此，只需要指定兩種標簽就可以了。任務2：壓力分析任務實現(xiàn)---請大家掃二維碼根據(jù)步驟測試實現(xiàn)04展望展望生物醫(yī)學信號的相關研究正在逐漸深入，有著十分廣泛的應用前景。隨著可穿戴設備的普及，與保健相關