一種全數字心電信號的噪聲檢測方法及系統與流程
2023-10-06 11:49:34 1
本發明涉及生物醫學工程技術領域，特別是涉及一種全數字心電信號的噪聲檢測方法及系統。
背景技術：
心電信號在採集的過程中，不可避免地會包含許多噪聲，主要的有以下三種：基線幹擾噪聲、工頻噪聲和肌電噪聲。這些噪聲對計算機自動診斷或是人工診斷均會帶來幹擾，嚴重時甚至能導致錯誤的結論。因此在信號的採集中，往往加入噪聲去除算法，通常採用濾波的方法。但由於噪聲與心電信號的頻率本身有一定範圍的疊加，在濾除噪聲的同時不可避免地會對有用的心電信號產生影響。
同時，在心電信號的採集過程中，有的時候即便是加入了噪聲去除算法，由於噪聲幹擾較大，採集的心電信號也無法作為實際有用信號進行分析，特別是對於經驗不足的人員來說，由於對什麼時候「噪聲小」的概念較為模糊，在信號的採集中可能會做多次重複的、無意義的工作。
技術實現要素：
針對噪聲消除會影響心電信號及信號採集時不能及時反映噪聲大小的問題，本發明提供一種全數字心電信號噪聲檢測方法，實現心電信號採集或是分析過程中的噪聲檢測。
本發明所採用的技術方案是：提供一種全數字心電信號的噪聲檢測方法，包括如下步驟：
s100、採集的模擬心電信號轉換後得到數字心電信號；
s200、檢測所述數字心電信號中的qrs波，將檢測結果進行qrs波起始點和終止點的計算，進行qrs波成分消除，並獲取當前基線值；
s300、對消除qrs波後的信號做高通濾波處理，並分別進行工頻噪聲檢測和肌電噪聲檢測。
在本發明提供的全數字心電信號的噪聲檢測方法中，所述步驟s200還包括如下步驟：
s201、所述數字心電信號分別進行信號延時處理獲得延時信號，同時檢測所述數字心電信號中的qrs波；
s202、將檢測qrs波的結果進行qrs波起始點和終止點的計算，對所述延時信號進行qrs波成分消除；
s203、根據所述延時信號和qrs波起始點和終止點的計算結果，獲取當前基線值。
在本發明提供的全數字心電信號的噪聲檢測方法中，所述步驟s202中的步驟「對所述延時信號進行qrs波成分消除」，具體包括：對qrs波的起始點到終止點部分採用插值方法消除，如公式(1)所示：
其中xoff和xon分別表示終止點和起始點的信號值，xoff和xon分別表示終止點和起始點的時間值，yn和xn分別表示當前需要插值的信號值和時間值。
在本發明提供的全數字心電信號的噪聲檢測方法中，所述步驟s203中的所述當前基線值用於檢測基線噪聲的幹擾情況。
在本發明提供的全數字心電信號的噪聲檢測方法中，所述步驟s300中高通濾波處理的作用是濾除低頻成分，所述低頻成分包括基線、p波和t波；進行高通濾波處理後，分別進行如下處理：
s301、進行工頻噪聲幹擾檢測後輸出工頻噪聲檢測結果；
s302、進行工頻濾波後將結果進行肌電噪聲檢測，並輸出肌電噪聲檢測結果。
在本發明提供的全數字心電信號的噪聲檢測方法中，所述步驟s302中， 採用基於零極點對消的方式進行所述工頻濾波，其中的工頻頻率為60hz，採樣率為500hz，使用的轉移函數如公式(2)所示：
本發明還提供了一種全數字心電信號的噪聲檢測系統，包括：
檢測qrs波模塊，檢測數字心電信號中的qrs波；
計算模塊，根據所述檢測qrs波模塊的檢測結果進行qrs波起始點和終止點的計算，將結果分別送給消除qrs波模塊和基線值模塊；消除qrs波模塊，消除數字心電信號中的qrs波；基線值模塊，獲取當前基線值；
高通濾波模塊，進行高通濾波後將結果分別送給工頻噪聲檢測模塊和工頻濾波模塊；
工頻噪聲檢測模塊，進行工頻噪聲幹擾檢測後輸出工頻噪聲檢測結果；
工頻濾波模塊，進行工頻濾波後將結果送給肌電噪聲檢測模塊輸出肌電噪聲檢測結果。
在本發明提供的全數字心電信號的噪聲檢測系統中，還包括：
信號延時模塊，進行信號延時；消除qrs波模塊，接收由信號延時模塊和計算模塊的信息，消除數字心電信號中的qrs波；基線值模塊，接收由信號延時模塊和計算模塊的信息，獲取當前基線值。
在本發明提供的全數字心電信號的噪聲檢測系統中，還包括：
基線幹擾檢測模塊，根據所述基線值模塊輸出的所述當前基線值，進行基線幹擾檢測，並輸出基線幹擾檢測結果。
在本發明提供的全數字心電信號的噪聲檢測系統中，根據所述工頻噪聲檢測結果、肌電噪聲檢測結果、基線幹擾檢測結果，控制濾波器的開關，和/或進行採集命令控制，實現心電信號的自動採集。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：在採集過程中根據噪聲大小的不同，控制濾波器的開關，降低由於濾波器對信號的影響；同時根據噪聲大小進行採集命令控制，實現心電信號的自動採集，減少人工幹預。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域技術人員來講，在無需付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明全數字心電信號的噪聲檢測系統的總體框圖；
圖2是qrs波形檢測流程圖；
圖3是qrs波對消和高通濾波結果；
圖4是高通濾波的幅頻響應；
圖5是工頻噪聲檢測詳細設計圖；
圖6是低通濾波的幅頻響應；
圖7是正弦信號發生器原理圖；
圖8是工頻濾波幅頻響應；
圖9是肌電噪聲檢測詳細設計圖；
圖10是基線幹擾檢測詳細設計圖。
具體實施方式
下面將結合實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
本發明的主要創新點在於，提供一種全數字心電信號的噪聲檢測方法及系統，對心電信號綜合波定位並得到其起始點和終止點，然後消除qrs波，同時得到該心搏的基線值，該基線值用於檢測基線噪聲的幹擾情況，同時對消除qrs波後的信號做濾波處理，進行工頻噪聲和肌電噪聲的檢測。
本發明的實施例和附圖中，frequency表示頻率，單位hz；magnitude表示幅度，單位db，即分貝。
下面結合附圖對本發明做進一步說明。圖1示出了本發明全數字心電信號的噪聲檢測系統的總體框圖，如圖1所示，採集的模擬心電信號經「模/數」轉換後得到數字心電信號(即為圖1中的ecg信號9)，信號9分別進入信號 延時模塊10(信號延時)和檢測qrs波模塊12(檢測qrs波)，信號延時模塊10保證後面處理的信號同步，而檢測qrs波模塊12進行qrs波的檢測然後將結果送給計算模塊14(計算qrs波起始點和終止點)進行qrs波起始點和終止點的計算，將結果分別送給消除qrs波模塊20(消除qrs波)和基線值模塊22(獲取當前基線值)。基線值模塊22接收由信號延時模塊10和計算模塊14的信息獲取當前基線值，將結果送給基線幹擾檢測模塊44(基線幹擾檢測)輸出基線幹擾檢測結果54。消除qrs波模塊20接收由信號延時模塊10和計算模塊14的信息，將原始ecg信號中的qrs波成分消除，然後送給高通濾波模塊30(高通濾波)，高通濾波模塊30進行高通濾波後將結果分別送給工頻噪聲檢測模塊40(工頻噪聲檢測)和工頻濾波模塊32(工頻濾波)，工頻噪聲檢測模塊40進行工頻噪聲幹擾檢測後輸出工頻噪聲檢測結果50；工頻濾波模塊32進行工頻濾波後將結果送給肌電噪聲檢測模塊42(肌電噪聲檢測)輸出肌電噪聲檢測結果52。
圖2為檢測qrs波模塊12的流程圖，採用pan的方法([1]panj,tompkinswj.areal-timeqrsdetectionalgorithm[j].biomedicalengineering,ieeetransactionson,1985(3):230-236)，對心電信號進行濾波後，依次進行差分、平方和移動平均處理，最後尋找峰值，找到峰值後與閾值進行比較以判斷是否找到qrs波並更新閾值，同時將結果13送給計算模塊14計算qrs波的起始點和終止點，得到結果15。
圖3為消除qrs波模塊20和高通濾波模塊30為利用信息15對信號11處理的結果。圖中a為一個受噪聲幹擾的心電信號波形，b為消除qrs波模塊20處理的結果，對qrs波的起始點到終止點部分採用插值方法消除，採用線性插值的方法避免對後面的噪聲檢測帶來影響，如公式(1)所示。
其中xoff和xon分別表示終止點和起始點的信號值，xoff和xon分別表示終止點和起始點的時間值，yn和xn分別表示當前需要插值的信號值和時間值。
圖4為高通濾波器的幅度響應，高通濾波器的主要作用是濾除基線、p波 和t波等低頻成分，採用切比雪夫ii型的iir進行濾波器設計；圖3中c為高通濾波的結果。
高通濾波後，信號31進入工頻噪聲檢測模塊40進行工頻噪聲的檢測。圖5為工頻噪聲檢測模塊40的詳細設計圖，工頻噪聲檢測模塊402正弦信號發生器，分別發出50/60hz的正弦和餘弦信號(正弦信號發生器發出的信號頻率與ecg信號9的工頻信號一致)，其中信號400為餘弦信號，信號401為正弦信號。信號31分別與信號400和信號401做乘積後分別通過低通濾波器403和低通濾波器404，兩個濾波器採用相同的設計方法，均為截止頻率為0.2的iir(infiniteimpulseresponse，無限脈衝響應)低通濾波器，其幅頻響應如圖6所示。低通濾波後，信號分別進入工頻噪聲檢測模塊405和工頻噪聲檢測模塊406進行平方後進行求和，將結果送往工頻噪聲檢測模塊407與閾值進行比較，將比較結果送往工頻噪聲檢測模塊408(工頻噪聲狀態)，若求和值大於閾值，則工頻噪聲檢測模塊408的輸出為工頻噪聲存在，否則輸出為工頻噪聲不存在。
圖7為工頻噪聲檢測模塊402正弦信號發生器的實現形式，採用一個類似iir的方法，模塊450、模塊456和模塊458為常量係數，表示輸入信號經過模塊後會與模塊係數相乘後輸出；模塊452和模塊454表示信號延時一個單位。
圖8為工頻濾波模塊32的幅頻響應圖，採用基於零極點對消的方式設計工頻濾波器，其中的工頻頻率為60hz，採樣率為500hz，濾波器的轉移函數如公式(2)所示。
信號31經工頻濾波模塊32工頻濾波後，將結果信號33送往肌電噪聲檢測模塊42進行肌電噪聲檢測。圖9為肌電噪聲檢測模塊42的詳細設計圖。輸入信號33首先經過肌電噪聲檢測模塊420進行絕對值運算，然後將結果460送往肌電噪聲檢測模塊421進行樣本延時操作，肌電噪聲檢測模塊421的樣本延時長度為50ms並輸出結果461，信號461與460進入肌電噪聲檢測模塊 422進行求和操作輸出結果462，信號462與463進入肌電噪聲檢測模塊423進行求和操作後輸出結果464，其中信號463為信號464進過延時肌電噪聲檢測模塊424進行一個採樣點延時後的結果。信號464進入肌電噪聲檢測模塊425與設定閾值進行比較，將結果送給肌電噪聲檢測模塊426，肌電噪聲檢測模塊426根據肌電噪聲檢測模塊425的輸出最後的肌電噪聲狀態52，若信號464大於閾值，則狀態52為肌電噪聲存在，否則為肌電噪聲不存在。
圖10為基線幹擾檢測模塊44的詳細設計圖。在基線值模塊22獲取當前基線值信號35後，將結果送往基線幹擾檢測模塊440，基線幹擾檢測模塊440判斷零電位是否初始化完成，若未進行初始化，則進入基線幹擾檢測模塊442進行零電位的初始化，然後將結果送往基線幹擾檢測模塊445，基線幹擾檢測模塊442在進行零電位初始化後，將零電位初始化狀態置為真，使得下次進入基線幹擾檢測模塊440的結果判斷為真；若已經初始化完成，則進入基線幹擾檢測模塊441，將當前基線值與零電位做差後取絕對值，然後將結果與閾值比較，若小於閾值，則進入基線幹擾檢測模塊444進行零電位更新，然後將結果送往基線幹擾檢測模塊445，若基線幹擾檢測模塊443比較結果大於閾值，直接將結果送往基線幹擾檢測模塊445。基線幹擾檢測模塊445根據輸入的信號進行基線幹擾狀態的判斷並輸出結果54，若由基線幹擾檢測模塊442或基線幹擾檢測模塊444輸入的結果，則狀態54為基線幹擾不存在；若由基線幹擾檢測模塊443經比較後直接輸入基線幹擾檢測模塊445，則狀態54為基線幹擾存在。
本發明的全數字心電信號的噪聲檢測系統，根據工頻噪聲檢測結果(50)、肌電噪聲檢測結果(52)、基線幹擾檢測結果(54)，即根據採集過程中根據噪聲大小的不同，控制濾波器的開關，降低由於濾波器對信號的影響；同時根據噪聲大小進行採集命令控制，實現心電信號的自動採集，減少人工幹預。
需要特殊說明的是，以上技術方案僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外，在閱讀了本發明的內容之後，本領域技術人員可以對本發明做出改動或修改，這些等價形式同樣在本申請所附權利要求書所限定的範圍之內。