02-医学图形图像处理识别技术与医学信息分析.

医学图形图像处理识别技术与医学信息分析刘燕E-Mail:[e-mail].87331856-811目录内容序医学信息学简述第一讲医学信号处理概述第二讲医学图形信号的采集、存储与处理第三讲Mathlab与图形信号的处理识别第四讲医学图像信号的采集、存储格式、处理方法第五讲Mathlab、Vtk、Mtk与医学图像的处理第六讲医学信息挖掘第七讲用于教学的医学图片处理技术作业第二讲医学图形信号的采集、存储与处理生物医学信号一般特点信号微弱，随机性强，噪声和干扰背景强，动态变化和个体差异大。生物医学信号处理技术研究从被检测的生物医学信号中提取有用信息成分的方法。获取生物信号的语法特征和信息语义特征的方法对生理、生化各种测量指标参数的处理先对各类生理生化测量参数数字化和指标化，然后用数据描述性统计、参数估计和假设检验、多变量值分析等一些基本生物统计方法来描述和分析，进行设计实验性研究和观察性研究；提取用于疾病诊断分类参数。对图形类信号分析处理通过时域分析、频域分析和时频分析，提取用于疾病诊断分类参数。医学数据只有在获取该数据的环境与数理模型条件同时被提供和解读时，才能从数据中获得医学信息。语义特征：指的是信息的含义，解释的意义，由信息得到的结论；语法特征：信息载体是按一定的语法规则表达信息、存储信息和传播信息的。采集、存储与处理医学信号（一维）的采集简述信号的存储管理信号预处理医学信号的时域分析医学信号的频域处理时频分析一、医学信号（一维）的采集简述回顾医学信号处理系统图示如下:人体子系统信号变换子系统模拟放大子系统模数/数模转换子系统计算机子系统图2-1医学信号处理系统局部剖析图体表电极力学量换能器热学量换能器生物换能器…多路转换开关采样保持器A/D转换卡医学信号（一维）的采集简述1.信号的感应器件和换能器(1)非电量生理信号按其能量方式，可以分为：①机械量信号脉搏和心音是振动信号，血压是压力信号；②热学量信号体温；③化学量信号血液的pH值；④光学量信号血氧饱和度。采集简述_续1(2)几种换能器①体表电极体表电极是一种可以将离子电流变为电子电流的换能器件。②力学量换能器把力学量生理参数转换为电参数的器件。如：测量心音、呼吸和脉搏的电容换能器，测量血压和肌张力的电感换能器，测量眼压、血压、、脉搏波的压电换能器。③热学量换能器有热电式、热阻式和热辐射式换能器。热电式换能器利用金属材料的热电效应将热量转为电量的；热阻式换能器利用金属或半导体材料的热阻效应将热量转为电量；热辐射能器利用热辐射成像原理将温度分布以热像图的形式记录下来。④生物换能器以生物活性单元（酶、抗体、核酸、细胞和组织等）作为敏感基元，以化学电极等作为换能器且对被测信号具有高度选择的一类传感器。它通过物理的或化学的换能方式捕捉目标物和敏感基元之间的反应，并将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来。典型应用：血糖生物传感器，快速分析葡萄糖、谷氨酸、乳酸盐和乳糖等成分的多功能生物传感器，测量机体内三磷酸腺苷（ATP）变化的生物传感器，用于传染病和基因变异检测的脱氧核糖核酸（DNA）生物传感器。采集简述_续2(3)应用实例例如1：分娩过程中胎心的检测，如图2-2所示。图2-２接收胎儿心电图信号的图示可能的干扰信号?为什么必须?采集简述_续3例如2：分娩过程中宫缩的检测，如图2-3所示。由腹壁外面间接测定宫缩压力的方法。用一特制的压力传感器作为宫缩压力探头，将其缚在产妇腹壁，宫缩时子宫凸起，腹壁随之凸起变硬，对探头产生一定压力，使探头传感器件发生位移而检出表示压力大小的电信号，通过仪器记录下来。图2-３获取宫缩压力的图示采集简述_续4例如3：血氧饱和度与脉搏的检测，如图所示。当一束单色光通过溶液介质时，吸光度与溶液的浓度和溶液层的厚度的乘积成正比。根据该定律及血红蛋白吸收特征曲线，可以导出血氧饱和度的测量模型：(1)使用红外光(660nm)和近红外光(925nm)作为测量光；(2)测量部位为人体指尖；(3)脉搏的计算式：PR=(60×采样率)／两波峰间点数。(4)计算血氧饱和度的数学式：Sa02=a+b·其中a、b为常系数，通过数学统计方法拟合标定。)925(/)925()660(/)660(//maxmaxmaxmaxDCACDCACIIIIIIIRR采集简述_续52.生物医学信号的数字化(1)信号采样定理对连续信号按一定的时间间隔△进行取值，所得x(n△)就是采样，如图2-4所示。△为采样周期（或称采样间隔）。X(n△)为离散信号（或称时间序列）。图2-4连续信号及其离散信号的图示xΔtx(t)x(nΔ)采集简述_续6采样定理：一个有限带宽的连续信号f(t)，如果频谱只占有限的范围-m～+m，则信号f(t)可以用等间隔的采样值来惟一地表示。假设f(t)的最高频率为fm(m=2fm)，采样频率为发fs(s=2fs)，则满足fs≥2fm，即采样频率大于或等于模拟信号最高频率的2倍时，采样后的离散序列就能无失真地恢复出原始连续模拟信号。通常把最低允许的采样频率s=2m称为Nyquist频率，把最大允许的采样间隔Ts=/m=1/2fm称为Nyquist间隔。采集简述_续7(2)常用模/数转换技术①A/D（analog/digital）转换的方法及芯片器件主要有逐次逼近比较型和双积分型，根据采样精度分为8位、10位、12位、14位的各类芯片器件。②A/D转换器件的主要性能指标分辨率——A/D转换器的最低位LSB所对应的模拟电压值称为A/D转换器的分辨率。转换时间——完成一次A/D转换所用的时间为转换时间。输入电压范围——A/D转换器的量程。转换误差——A/D转换器的每个量化级所实际对应的电压值和理论值之间的误差的最大值为绝对误差。绝对误差对于满量程的百分比为相对误差。采集简述_续8③A/D转换子系统的几个组成部分的作用简介（如图2-5虚线框2所示）多路转换开关——使多个模拟量共用一个A/D转换器进行分时采样和转换的器件。采样保持器——在A/D转换转换期间，保持输入信号不变的电路。A/D转换器——将模拟量转换为数字量的器件。AD转换后的数据格式——若A/D转换器为12位，则转换后的数据字长12位，占二个字节存储单元，形式如下：第一字节D15D14D13D12D11D10D9D8第二字节D7D6D5D4D3D2D1D0高4位低8位其中第一字节低4位有效。D11符号位，D11=1-正数，D11=0负数图2-5A/D转换子系统的图示计算机其中虚线框1的部分是前面介绍的信号变换子系统和模拟放大子系统：1.传感器——把非电量的模拟量转换为电量的器件。2.量程放大器——把微弱的传感器信号放大到A/D转换器所需的输入量程范围的器件。3.低通滤波器——降低噪声，滤去干扰，增加信噪比的器件。二、信号的存储管理1.信号数据文件的存储格式为了减少占用存储空间，通常采集信号数字化后的值以二进制形式的文件格式存储。例如：上述12位字长的采集系统，在选择单极性工作范围时，可以按每字按高位字节低位字节的顺序保存为二进制格式文件。信号的存储管理_续12.临床实验数据的管理数据库是长时间存储在计算机中的有组织、有一定结构的数据集合。这些数据包含了数据本身、数据描述、数据之间的联系及其存取路径。医疗数据的管理示例[例3]某妇产科的分娩监控业务系统，除了记录可以结构规范化的孕妇和胎儿的体征测量数据，还要记录大量孕妇宫缩和胎儿心电数据，进行定期的胎儿监护信息分析。该实时监测系统综合应用关系数据模型、分级数据模型和XML数据模型，构造以下结构的数据库LaborDB（如图2-6所示）来存储本专科业务数据。在该数据库内有3张数据表，分别用于存贮病人基本不变的信息、病史表和隶属病人的1张动态子表的索引关键字，还有隶属动态子表的数据文件的索引关键字。表结构如表9.3-1、9.3-2和9.3-3所示。(1)基本信息表MAIN_PDB(2)个体动态表(PD****)实验数据文件的数据是以二进制数据的格式存贮。三、信号预处理1．去除奇异项(1)采集过程中，由于环境的严重干扰、器件偶然故障或不稳定，信号中会产生一些奇异项。(2)根据人体（被测系统）不可能突变的特点，消除奇异项的方法可以采用一阶差分方程法。一阶差分方程表达式为：)(~211nnnnxxxx式中，为第n点的预测值，xn-1为第n-1点的采样值，xn-2为第n-2点的采样值。nx~根据先验知识或对数据的分析给定阈值，将实测数据与进行比较，如果超过某个阈值，就认为是奇异项。然后用预测值代替奇异项，继续往前搜索，直到奇异项消失为止。接着用非奇异项的最近两点值进行线性插值，用插值来代替奇异项。nxnx~[例4]由于胎儿运动或产妇子宫收缩或体位变化，会引起胎儿心率信号有时出现失检或产生强的干扰信号点。采用上述一阶差分法（ABS(-)40bpm）和零点法来判断它。一旦计算机判断第i点为奇异点时，用非奇异项的最近两点值进行线性插值修正i点的取值，如果是连续数点的奇异项，则按下式修正。nxnx~)/()(~1startendxxxxstartendii[例5]由于肛检引起产妇子宫收缩或体位变化，使宫缩信号上有时出现极强的干扰信号点，其幅值超出200mmHg。对这些奇异点，作者采用最高阈值限位法来修正它。一旦计算机判断第i点为奇异点时，按下式修正i点的取值。Xi=(Xi＋195mmHg)/2其中195mmHg是经验取值。信号预处理_续42.滤波(1)周期平均滤波在平均前选一个标准的心动周期作模板，将它与其余心动周期信号进行相关分析，使其与相关系数≥99%的心动周期信号进行迭加平均，从而产生新的模板。如此进行下去，直到达到预定值为止。(2)局部加权平均滤波局部加权平均法是在局部用最小二乘法进行多项式拟合，计算出各点的权系数，然后逐点滑动进行加权平均，从而达到滤波（滤去高频分量）的效果。[例6]产妇子宫收缩时呼气和吸气使宫缩信号上叠加有呼吸的信号，这些信号影响了随后的信号特征点判断，因此，需要滤除呼吸信号。对于信号中的呼吸波及一些幅值微小的干扰尖峰波，采用11点局部平滑滤波技术进行信号滤波。局部平滑滤波的方法是在局部用最小二乘法进行多项式拟合，计算出各点的权系数，然后逐点滑动进行加权平均，从而达到滤波的效果。11点平滑滤波的公式如下：用平滑处理改善数据的效果如图2-7所示。429/898469449361122334455iiiiiiiiiiiiXXXXXXXXXXXX信号预处理_续53.基线校准基线漂移是信号采集过程中经常出现的问题，一般根据波形分析的需要进行校正。在例5中，则取宫缩波的两个最低转折点处附近的数点采样值进行斜率考察，取斜率变化趋陡峭的起始点，兼顾考虑其幅值和平缓值得差值来确定宫缩波的起点和结束点，再取它们的平均值作为基线。如图2-8所示。图2-8基线校正图示信号预处理_续64.随机信号检验利用概率直方图的方法可以推断信号的性质。方法为：先求出数据的最大值和最小值，然后将数据值范围分成若干段，求出落入每个值段的样点数。计算概率密度的公式如下：设落入第j个数据值范围的样点数为Nj，数据段长为：，K为数据段数，则落入第j段的样本点的频数为：，此处N为采样点数。故概率密度近似为：。KxxminmaxNNpjjminmaxxxKNNPpjjj四、医学信号的时域分析1．均值计算对医学信号作时域分析，通常是测量信号的某些绝对量（如波幅、均值、均方值、方根值、平均幅值、面积、各种间期和时限等），相对量（波形指标、峰值指标、脉冲指标、锐度指标、面积比等）和进行波形的形态分析。平均值：NiixNx11平均幅值：均方值：均方根幅值：方根幅值：