8、生物信号与医学图像特征提取：原理、噪声处理与应用

生物信号与医学图像特征提取：原理、噪声处理与应用

1. 生物电信号基础：以肌电信号为例

在人体的肌肉细胞中，当肌肉发生去极化和复极化过程时，会在整个肌纤维上产生电位变化。骨骼肌由众多运动单元（MUs）组成，运动单元是肌肉的最小功能单位。当受到神经信号刺激时，运动单元收缩会产生电信号，即单运动单元动作电位（SMUAP），可以使用针电极在感兴趣区域记录该信号。正常情况下，SMUAP的振幅在100至400微伏之间，频率范围为6 - 30 Hz。记录的SMUAP信号形状取决于所使用的针电极类型以及相对于活跃运动单元的记录位置。

疾病状态会改变SMUAP的形状。例如，神经病会导致肌肉纤维的激活和传导能力下降，从而产生多相SMUAP（振幅异常高于正常水平）；肌病则会导致运动单元内的肌肉纤维丢失，但神经元保持完整。肌肉的激活和收缩通常通过运动单元的空间和时间募集来控制。在空间募集过程中，随着用力程度的增加，新的运动单元会被激活；在时间募集过程中，每个运动单元的放电频率会随着用力程度的增加而提高。由于运动单元在不同频率和时间异步放电，会导致运动单元的异步收缩。所有活跃运动单元的SMUAP叠加形成肌电图（EMG）信号，EMG信号代表了记录部位的肌肉激活水平，可用于诊断多种神经肌肉疾病。

2. 生物信号中的噪声与伪影

大多数生物医学信号本质上都很微弱，并且会与许多无用信号混合。除了我们感兴趣的信号之外，其他记录到的信号都被称为伪影或噪声。生物信号中的噪声可能由多种因素引起，主要包括以下几类：

2.1 生理伪影

人体拥有各种生理系统，在任何给定时间都会产生与自身活动相关的电信号。因此，任何添加到记录中的非目标信号都被称为生理干扰。这些