信号与系统在生物医学中的应用

信号与系统论文

题目：信号与系统在生物医学中的应用

学号：************

班级：生医121班

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信号与系统在生物医学中的应用

摘要

随着计算机技术和现代信息技术的飞速发展，信号与系统在实际生活中的应用越来越广泛，本文在信号与系统中占有重要分量的数字信号处理技术为例，讨论其在生物医学中的应用，从而阐述信号与系统在生物医学中的应用。数字信号处理（Digital Signal Processing DSP)是利用计算机或专用处理芯片，以数值计算的方法对信号进行采集、分析、变换和识别等加工处理，从而达到提取信息和便于应用的目的。

数字信号处理技术一诞生就显示了强大的生命力，展现了极为广阔的应用前景。接下来主要讨论数字信号处理技术中小波分析、人工神经网络、维格纳分布在生物医学工程中的应用，并对数字信号处理技术在生物医学工程中的应用前景进行了展望。

关键词：生物医学；信号与系统；数字信号处理；小波分析；人工神经网络；维格纳分布

1 引言

自20世纪60年代以来，随着计算机和信息学科学的飞速发展，大量的模拟信息被转化为数字信息来处理。于是就逐步产生了一门近代新兴学科———数字信号处理(DigitalSignalProcessing，简称DSP)技术。经过几十年的发展，数字信号处理技术现已形成了一门以快速傅里叶变换和数字滤波器为核心，以逻辑电路为基础，以大规模集成电路为手段，利用软硬件来实现各种模拟信号的数字处理，其中包括信号检测、信号变换、信号的调制和解调、信号的运算、信号的传输和信号的交换等各种功能作用的独立的学科体系。而生物医学工程就是应用物理学和工程学的技术去解决生物系统中所存在的问题，特别是人类疾病的诊断、治疗和预防的科学。它包括工程学、医学和生命科学中的许多学科。本文主要讨论数字信号处理技术中小波分析、人工神经网络、维格纳分布在生物医学工程中的应用。

1.1生物医学信号特性

人体中每时每刻都存在着大量的生命信息，在不断地实现着物理的、化学的及生物的变化，因此所产生的信息是极其复杂的。

我们可以把生命信号概括为两大类：化学信息和物理信息。化学信息是指组成人体的有机物在发生改变时所给出的信息，它属于生物化学研究的范畴。物理信息则是指人体各器官运动时所产生的信息。物理信息表现出来的信号又可分为电信号和非电信号两大类。人体电信号，如体表心电（ECG）信号、脑电（EEG）、肌电（EMG）、眼电（EOG）和胃电（EGG）等，在许多领域取得了不同程度的应用。4钟典型的生物医学信号参见图1。

人体磁信号检测，近年来也引起了国内外研究者和临床的高度重视。我们把磁信号也归为人体信号。人体非电信号，如体温、血压、心音、心输出量及肺潮气量等，通过相应的传感器，即可转变成电信号。电信号是最便于检测、提取和处理的信号。

图1 生物医学信号（a心电，b肌电，c血细胞信号，d心率信号）上述信号是由人体自发产生的，称为“主动性”信号。另外，还有一种“被动性”信号，即人体受到外界施加某种刺激或某种物质时所产生的信号。如诱发响应信号，即是在刺激下所产生的电信号，在超声波及X射线作用下所产生的人体各部位的超生图像、X射线图像等，也是一种被动信号。通常所研究的生物医学信号，即是上述包括主动的、被动的、电的和非电的人体物理信息或化学信息。

1.2信号处理

信号处理是对信号进行运算和变换提取信息的过程，处理项主要包括滤波、变换、频谱分析、压缩、识别和合成等[3]。

信号处理有着悠久的历史，在各个不同的领域，如生物医学工程、声学、声纳、雷达、地震学、语音通信、数据通信和核科学等领域，都充分显示出它的重要性。在许多应用场合下，例如脑电图与心电图分析，或语音传输与语音识别系统中，我们可能希望提取某些特征参数。另外，我们希望剔除混在信号中的噪声和干扰，或者是把信号转换成专业人士更易理解的形式。又例如信号在甜心信道上传输时，会受到各种干扰，其中包括信道失真、衰落、和混入背景噪声，接收机的任务之一，就是要补偿掉这些干扰。在上述每种情况下，都要对信号进行处理。

数字信号处理过程必定涉及数字化处理系统，由数字化处理器或程序完成对数字信号的处理。数字化处理系统不是孤立的数字系统，一般是以数字处理系统为核心，结合ADC和DAC转换器、滤波和放大器等子系统构成，如图2所示。

图2 典型数字信号处理系统

数字信号处理技术主要是通过计算机算法进行数值计算，与传统的模拟信号处理相比，具有算法灵活、运算精确、抗干扰性强、速度快等特点。此外，数字系统还具有设备尺寸小，造价低，便于大规模集成，便于实现多维信号处理等突出优点。在生物医学信号处理领域，数字信号处理技术发挥着极其重要的作用。

生物医学信号处理是根据生物信号的特点，应用信息科学的基本理论和方法，研究从被干扰和噪声淹没的信号中提取各种生物医学信息中所携带的信息，并对它们进行分析、解释、分类和应用。

综上所述，我们简要介绍了生物医学信号处理的典型基本方法。当然，信号处理的内容非常丰富，例如多采样率信号处理、非平稳信号的时频分布、同态滤波、自适应滤波、小波变换、人工神经网络、混沌与分形等方法，在生物医学信号处理领域皆得到应用。

2 数字信号处理在生物医学工程中的应用

2.1 小波分析在生物医学工程中的应用

近年来，小波的研究受到数学家，理论物理学家和工程学家们的关注，特别是在信号处理，图象处理，语音分析，模式识别，量子物理及众多非线性科学等应用领域，被认为是近年来在工具及方法上的重大突破。所谓的小波变换是指把某一被称为基本小波(motherwavelet)的函数ψ(t)作位移τ后，再在不同尺度α下与待分析信号x(t)作内积结合傅里叶变换处理可知小波变换必须具有带通性质。本来满足允许条件的ψ(t)便可作为基本小波，但考虑到频域上的局域要求，条件就更苛刻一些：即要求小波在频域上局域性能好，应要求ψ(t)的前n 阶矩为零，且n越大越好。在频域上这相当于要求Ψ(ω)在ω=0处有n阶零点。

小波分析方法具有以下特点：

(1)时频局部化特点，即可以同时提供时域和频域局部化信息。

(2)多分辨率，即多尺度的特点，可以由粗到细逐步观察信号。

(3)带通滤波的特点，可以根据中心频率的变化调节带宽，中心频率的高低与带宽成反向变化，可以观测出信号的低频缓变部分和高频突变部分。

这种变焦特性决定了它对非平稳信号处理的特殊功能。在生物医学工程中的信号处理，信号压缩，医学图象处理中，小波变换均有用武之地。适当地选择小波基，可以方便地检测出信号的奇异点，观测信号的瞬态变化以及时域分析中信号不见的信息；此外利用带通特性，将信号分解成不同频带低频分解波和高频分解波，并提取出信号中的非平稳信号。在生物医学工程中的人体电信号，如心电信号(ECG)，脑电信号(EEG)，肌电信号(MUAP)，视觉诱发电位信号(VEP)等均为非平稳的弱电信号，但对于这些信号的提取常因各信号的频谱相互交迭，以及信噪比较低加之工频及谐波干扰严重等而产生困难，而小波对非平稳信号的突出的处理能力，给人体电信号的提取带来了较以往各种滤波方法更为方便的手段。

图3 心电信号图 4 脑电信号