人工智能導(dǎo)論項(xiàng)目六

生物信息識(shí)別01項(xiàng)目背景02思維導(dǎo)圖03思政聚焦04項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)05項(xiàng)目任務(wù)目錄CONTENTS06項(xiàng)目小結(jié)與展望01項(xiàng)目背景生物醫(yī)學(xué)信號(hào)概述生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是人體生命信息的集中體現(xiàn)!是窺視生命現(xiàn)象的一個(gè)窗口。因此，深入進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理理論與方法的研究對(duì)于認(rèn)識(shí)生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，探索疾病預(yù)防與治療的新方法以及發(fā)展醫(yī)療儀器這一高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)都具有極其重要的意義。02思維導(dǎo)圖項(xiàng)目五思維導(dǎo)圖03課程思政近年來(lái)，我國(guó)發(fā)布了多條全國(guó)性政策和醫(yī)療人工智能專(zhuān)項(xiàng)政策，人工智能醫(yī)療上升為國(guó)家戰(zhàn)略。我國(guó)醫(yī)療需求不斷提升的同時(shí)，醫(yī)療資源分配不均，醫(yī)護(hù)人員短缺等問(wèn)題仍然十分嚴(yán)峻，而人工智能剛好彌補(bǔ)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(guó)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(yīng)用場(chǎng)景，分別是虛擬助理、醫(yī)學(xué)影像、輔助診療、疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、藥物挖掘、健康管理、醫(yī)院管理和輔助醫(yī)學(xué)研究平臺(tái)。

我國(guó)居民心理行為問(wèn)題和精神障礙的人群逐漸增加，民眾心理健康問(wèn)題日益凸顯，國(guó)家對(duì)于心理健康和精神衛(wèi)生的問(wèn)題也越來(lái)越重視,各種相關(guān)政策陸續(xù)出臺(tái)。精神疾病不僅降低個(gè)人的生活質(zhì)量，還會(huì)導(dǎo)致醫(yī)療支出增加。人工智能的進(jìn)步正把心理治療帶給更多需要它的人。04項(xiàng)目知識(shí)準(zhǔn)備常見(jiàn)的生理信號(hào)人體給出的信號(hào)非常豐富，每一種信號(hào)都攜帶著對(duì)應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)器官的生理或病理的信息。這些信號(hào)可大致分為電生理信號(hào)、非電生理信號(hào)、人體生理特征信號(hào)、生化信號(hào)和生物信息。電生理信號(hào)

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

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

圖6-1AppleWatch電生理信號(hào)

腦電信號(hào)腦電圖(EEG)是腦神經(jīng)細(xì)胞電生理活動(dòng)在大腦皮層或頭皮表面的總體反映。腦電信號(hào)中包含了大量的生理與疾病信息,在臨床醫(yī)學(xué)方面,腦電信號(hào)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(yīng)用方面,人們也嘗試?yán)媚X電信號(hào)實(shí)現(xiàn)腦-計(jì)算機(jī)接口(BCI)。

圖6-2EEG電生理信號(hào)

肌電信號(hào)肌電信號(hào)（EMG）是眾多肌纖維中運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢唬∕UAP）在時(shí)間和空間上的疊加。表面肌電信號(hào)（SEMG）是淺層肌肉EMG和神經(jīng)干上電活動(dòng)在皮膚表面的綜合效應(yīng)，能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動(dòng)。SEMG在臨床醫(yī)學(xué)、人機(jī)功效學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及體育科學(xué)等方面均有重要的實(shí)用價(jià)值。

圖6-3肌電信號(hào)示意圖情緒識(shí)別腦電波的電壓很小，需要高精度的儀器才能探測(cè)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(lèi)在適應(yīng)社會(huì)環(huán)境的過(guò)程中所逐漸形成的一種機(jī)制。情緒本身具有非常高的復(fù)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(lèi)別，連續(xù)型情緒模型可以從維度觀的角度進(jìn)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(lèi)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(shí)別腦電信號(hào)可以用于情緒的識(shí)別。在基于腦電信號(hào)的情緒識(shí)別任務(wù)中，需要對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理以提高信號(hào)的質(zhì)量，預(yù)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(duì)情緒的識(shí)別主要包含以下步驟：（1）誘導(dǎo)情緒（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理（3）特征提取和特征選擇（4）訓(xùn)練模型專(zhuān)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(gè)基本特征來(lái)構(gòu)建一個(gè)或多個(gè)特征，然后使用這些特征來(lái)代表注意力的程度。θ與β的比率是一個(gè)常用的用來(lái)觀察注意力的特征。當(dāng)β增加，θ減少時(shí)，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(píng)估方法依賴(lài)于評(píng)估者的主觀經(jīng)驗(yàn)，并且受測(cè)者可能會(huì)試圖隱藏自己的真實(shí)心理狀態(tài)。利用生理信號(hào)來(lái)測(cè)試壓力更為客觀。自主神經(jīng)系統(tǒng)(ANS)會(huì)影響心臟的活動(dòng)，因此可以通過(guò)ECG信號(hào)進(jìn)行心理壓力的檢測(cè)。心率變異性是近年來(lái)比較受關(guān)注的無(wú)創(chuàng)心電檢測(cè)指標(biāo)之一，基于心電圖(ECG)的時(shí)域和頻域信息可以分別計(jì)算心率(HR)和心率變異性(HRV),利用這些信息可以計(jì)算個(gè)人的心理壓力狀況。圖6-4心電信號(hào)波形04項(xiàng)目任務(wù)任務(wù)1：情緒識(shí)別任務(wù)描述在進(jìn)行情緒識(shí)別任務(wù)時(shí)，既可以使用一種生理信號(hào)，也可以將多種生理信號(hào)融合為了識(shí)別情緒。多種信號(hào)融合被認(rèn)為有助于提高識(shí)別的精度，但這需要更多的傳感器和更大的計(jì)算量。任務(wù)1只使用腦電信號(hào)進(jìn)行情緒識(shí)別。任務(wù)1：情緒識(shí)別任務(wù)實(shí)現(xiàn)---請(qǐng)大家掃二維碼根據(jù)步驟測(cè)試實(shí)現(xiàn)任務(wù)2：專(zhuān)注力分析任務(wù)描述專(zhuān)注力分析是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，基于腦電圖的研究可以幫助我們?cè)u(píng)估和增強(qiáng)注意力等認(rèn)知功能。通過(guò)繪制腦電波指標(biāo)的曲線可以觀察到一個(gè)人的注意力是如何變化的。任務(wù)2：專(zhuān)注力分析任務(wù)實(shí)現(xiàn)---請(qǐng)大家掃二維碼根據(jù)步驟測(cè)試實(shí)現(xiàn)任務(wù)2：壓力分析任務(wù)描述一般來(lái)說(shuō)，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(huì)對(duì)HRV有影響;較高的HRV(心跳跳動(dòng)的變動(dòng)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(dāng)中恢復(fù)。通過(guò)心率變異性的各項(xiàng)指標(biāo)可以計(jì)算得到壓力指數(shù)，這是一個(gè)連續(xù)的變量，為了進(jìn)行分類(lèi)任務(wù)，需要對(duì)計(jì)算得到的壓力指數(shù)進(jìn)行離散化。由于只需要區(qū)分“有壓力”和“無(wú)壓力”，因此，只需要指定兩種標(biāo)簽就可以了。任務(wù)2：壓力分析任務(wù)實(shí)現(xiàn)---請(qǐng)大家掃二維碼根據(jù)步驟測(cè)試實(shí)現(xiàn)04展望展望生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的相關(guān)研究正在逐漸深入，有著十分廣泛的應(yīng)用前景。隨著可穿戴設(shè)備的普及，與保健相關(guān)