生物医学信号

信号通常是指携带着一定信息的时间过程。携带生物医学信息的信号称为生物医学信号，例如心电图含有心脏功能的信息，超声多普勒信号含有血管中血流速度的信息。
信号分类 信号可分为确定性信号和随机性信号两大类。随时间的变化遵循确定性规律的信号为确定性信号； 随时间的变化不遵循确定性规律的信号为随机性信号。
(1) 确定性信号： 分为周期性信号和非周期性信号两种。当信号随时间周而复始地重复时，称为周期性信号，近似地看，如心电图。当信号只存在于有限时间内，并不周期重复时，称为非周期信号，如诱发响应。
(2)随机性信号： 分为平稳随机信号和非平稳随机信号。随机信号仍蕴含一些从大量样本的统计结果中呈现出来的规律性因素。不同时刻信号的统计特性都一样的随机信号称为平稳随机信号； 信号的统计特性随着时刻的不同而异的随机信号称为非平稳随机信号。信号的统计特性随时间变化得并不很快，在一段较短的时间内仍可视为平稳的信号，称为准平稳信号。
(3)连续时间的信号和离散时间的信号： 信号按其随时间分布的特点可分成连续时间的信号和离散时间的信号两类。信号随时间进程而连续呈现的信号为连续时间信号，如图1a所示。取值只产生在某些离散时刻的信号为离散时间的信号，如图1b所示。严格地说，生理信号都是连续时间的信号，随着时间延续不断地变化。可是，当要用数字计算机对生理信号进行处理时，必须先经采样。由于采样只能隔一定时间进行一次，于是信号在计算机中就变成离散时间的信号。另外，有些生理过程 (例如图1的神经元电脉冲发放)具有多尖峰的特点，其信息不蕴含在脉冲的波形中，而蕴含在脉冲发生的时刻和频数上，这时也可抽象成离散时间的过程来分析。连续时间的信号有时也叫模拟信号，离散时间的信号有时也叫数字信号。

图1 连续时间和离散时间的信号

生物医学信号分类 生物医学信号包括反映生物机体功能或形态的各种电和非电信号，它们携带着生物体组织的生理、病理信息，是医学诊断和研究的依据。生物医学信号大体可分主动信号和被动信号两类。
(1) 主动信号： 由生物体自身产生的可由外界探测的信号称为主动信号，包括电生理信号、非电生理信号和生物化学信号；
❶电生理信号：是指携带各种生物电信息的信号，如心电、脑电、肌电、视网膜电、眼震电等；
❷非电生理信号： 是指携带生物电以外的生理信息的信号，如体温、血压、脉搏、心音、呼吸等；
❸生物化学信号：是指反映生物体内物质的化学组成、结构、形貌等生物化学信息的信号，如血气、血液pH、蛋白质、电解质等。
(2)被动信号：由外界施加到生物体上，以生物组织作为媒介来探测生物体的生理、病理状态的信号为被动信号，如超声回波、X射线、同位素扫查、核磁共振等信号。
更广义地看，一些分布在时间或空间上的医学统计数据也可以作为信号看待，进行处理。从性质上看，二维和三维的医学图象处理和体层重建也属于生物医学信号处理(参见“医学成象”条)。
生物医学信号的特点 生物医学信号的主要特点是随机性和噪声背景都比较强。
随机性强 有异变性和非平稳性。
(1) 变异性： 它表现为信号的变异性和非平稳性。由于影响生物医学信号的因素很多，它们所遵循的规律又尚未被确切认识，故使信号表现出较明显的变异性，即信号不但因人而异，而且同一个人在不同时刻也不同。信号的变异性，使得从观察结果中总结信号的特征和规律更加困难。必须注意区别信号变异性是由统计样本不足造成的，还是确有生理意义（即统计学上的显著性判断）。例如，有人发现造成心率短期变异性的因素有三个方面：
❶呼吸，即心率的起伏规律与呼吸相同；
❷通过血管的收缩来调节动脉的平均血压，是一种准周期分量，周期约10秒；
❸人体热调节，即通过血管的收缩来控制体表血流，从而影响发散热量，也是准周期的，周期约25秒。
(2) 非平稳性： 由于生理系统在外部因素影响下具有自适应能力，使得信号的统计特性自动随时间变化。例如心电节律随运动而变，脑电韵律随精神状态而变。但是，生理信号统计规律的这种变化往往并不很快，因此可把它当作准平稳信号来处理，即随着时间进程把信号分解成许多小段，各段当作平稳过程来处理。图2是脑电图分段结果的举例。

图2 脑电信号的分段

噪声背景强 所谓噪声是指来自研究对象以外的信号或干扰在观察值中的表现。例如，电生理信号总是伴随着由于肢体动作、精神紧张等带来的假象，而且还常常混有较强的工频干扰； 诱发脑电信号总是伴随着较强的自发脑电； 超声回波等被动信号常被研究范围以外的反射杂波所干扰。从比较强的噪声背景中提取具有非平稳性的随机信号，是生物医学信号处理的主要特点。通常用信噪比来描述观察值中信号和噪声成分的功率（或能量）的相对比例，并以分贝(dB)作为表示的单位，即：

生物医学信号处理 生物医学信号处理是指用电子学方法，按一定要求进行运算，从输入信号中消除噪声和干扰，提取有用信息，并使其定量化的过程。以往是采用模拟电路实现信号的处理；随着数字计算机的发展，已大量改用数字计算机进行数字信号处理。对生物医学信号进行数字信号处理的系统包括模数转换、数字信号处理器和数模转换等三个部分，如图3所示。模数转换的作用是把输入的模拟信号转换成为数字信号。数字信号处理器的作用是按一定要求进行运算。数模转换的作用是将运算结果的数字量还原为模拟量，以便显示或记录。

图3 信号处理系统

数字信号处理的方法很多，其中常用的有信号的频域分析，数字滤波，相干平均，相关技术，谱分析，匹配滤波，维纳滤波，自适应处理，参数模型等等。