專利名稱：一種可在單片機中實現(xiàn)的心電去噪小波算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可在單片機中實現(xiàn)的心電去噪小波算法，特別適用于袖珍便攜式移動多參數(shù)監(jiān)護儀。
背景技術(shù)：
心電活動是心臟的基本活動，心電圖的臨床應用已有上百年的歷史，盡管科學技術(shù)的發(fā)展使臨床診斷技術(shù)越來越現(xiàn)代化，但心電圖至今仍是臨床診斷心血管疾病的主要輔助手段，尤其是在缺血性心臟病、各種心律失常的診斷等方面仍具有獨特的作用。心電信號是一種微弱的生物電信號，信號幅度小于5mv，頻率范圍在0. 05 250HZ 之間，其能量主要集中在0. 25 35HZ之間，又由于在對心電信號進行處理的過程中，不免會混入各種噪聲和干擾，因而很容易引起心電信號的畸變，甚至掩蓋了原始心電波形中的特征信息，其中主要的噪聲干擾有以下三種1)工頻干擾頻率為50HZ，表現(xiàn)為有規(guī)律的正弦波，輕者可致心電圖不整齊，干擾較大時可致心電無法辨認。是由于周圍環(huán)境有交流電設(shè)備、病人肢體接觸鐵床、導聯(lián)線接觸不良或斷裂等原因產(chǎn)生。2)肌電干擾頻率多在10 300HZ之間，在心電圖中表現(xiàn)為一系列不規(guī)則的細小芒刺，較易誤診為心房顫動波。是由于室溫過低、被檢者精神過分緊張、電極板與皮膚接觸過緊等原因產(chǎn)生。3)基線漂移頻率多在IHZ以下，表現(xiàn)為心電圖基線上下擺動或突然升降，對準確判斷S_T段有影響。是由于被檢測者呼吸不穩(wěn)、導聯(lián)線牽拉過緊、電極板與皮膚接觸不良等原因產(chǎn)生。傳統(tǒng)小波變換的時頻定位特性在去除心電信號的噪聲中有非常好的效果，但由于其基于卷積運算，而且在去除基線漂移時要將信號分解到十層左右，因此計算量大，計算復雜度高，對存儲空間的需求高，不利于實時處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有的心電去噪方法存在的弊端，提出了一種新的解決方法使用一種提升小波和中值濾波相結(jié)合的算法去除心電信號中的三種噪聲。提升小波是一種更為快速有效的小波變換實現(xiàn)方法，它不依賴于傅里葉變換，繼承了第一代小波的多分辨率特性， 采用提升小波將原始信號分解為三層，保留第三層的低頻信號，然后用中值濾波去除信號中的基線漂移，最后利用提升小波重構(gòu)算法重構(gòu)濾波之后的心電信號。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是結(jié)構(gòu)簡單、運算量低、原位運算、節(jié)省存儲空間、逆變換可以直接反轉(zhuǎn)實現(xiàn)等，而且Daubechies已經(jīng)證明，任何離散小波變換都可以被分解成為一系列簡單的提升步驟。在提升小波算法的實現(xiàn)過程中結(jié)合了兩種小波的優(yōu)點，在不同的層數(shù)用不同的小波進行分解，第一層用haar小波，是由于haar小波算法相對簡單，而且對于基線漂移的去除有一定的效果，第二層用bior4. 4小波，第三層用sym8小波，對于同時去除工頻干擾和肌電干擾有較好的效果。綜合以上結(jié)果，可以得出(1)提升小波結(jié)構(gòu)簡單、運算量低的特點，適合單片機實現(xiàn)。(2)提升小波可以在不同的分解層用不同的小波，可以更好的去除多種干擾噪聲。(3)在分解后的低頻信號中做中值濾波，減少了計算點數(shù)，有利于降低計算量。


圖1為提升小波的構(gòu)造。圖2為實驗采用的采集系統(tǒng)框圖。圖3為原始心電信號及含噪聲信號。圖4在第三層分解后采用中值濾波去基線漂移。圖5三種去噪方法去混合噪聲對比。圖6三種去噪方法對實際心電信號去噪對比。
具體實施例方式1.提升小波的構(gòu)造提升小波的構(gòu)造分為三個過程，包括分解、預測和更新，圖1為提升小波的構(gòu)造具體框圖。1)分解將原始信號S分解成兩個部分?？梢杂卸喾N分解方法，最簡單的是奇偶分解，本研究中用到的就是這種方法，根據(jù)信號的下標將信號分解為巧#和5 ，2i+1，其中j表示第j層信號，這種分解產(chǎn)生的小波稱為懶小波。公式如下(S°h2k,Sl2M) = Split(S J+])2)預測用偶數(shù)序列去預測奇數(shù)序列。具體過程是先將濾波器P作用于偶數(shù)序列得到P(Sj, 2k)，然后將奇序列與預測值之差作為新的奇數(shù)序列。在預測過程中，我們要根據(jù)信號本身的特點，使預測值PC^2i)盡可能接近被預測的值^_，這樣得到的序列就能包含更少的信
息，所以在這個過程中濾波器ρ的選擇是非常重要的。具體公式如下Sjak+l=S°jak+l-P(S0jak)3)更新用上一步預測過的奇序列去更新偶序列。具體過程是先構(gòu)造一個算子U，使其作用于奇序列得到U(Spk+1)，然后將其與偶序列求和得到更新過的偶數(shù)序列。更新的目的是使原信號集的某些全局特性在其子集中繼續(xù)保持。公式如下Sjak =S0jak+U(Sl2m)上述三個步驟是提升小波的前向變換過程，只需要改變加減符號就可以得到它的逆向變換過程?？梢钥闯觯嵘〔ㄗ儞Q的實現(xiàn)過程是比較簡單的。
2.實驗方法2. 1數(shù)據(jù)采集平臺本實驗采用自制實驗平臺，采集系統(tǒng)性能符合國家標準《單導和多導心電圖機 YY1139-2000》。該采集系統(tǒng)由信號輸入、信號處理、A/D變換及傳輸、電源等幾個模塊組成， 見圖2。心電信號經(jīng)電極和導聯(lián)線輸入采集系統(tǒng)，系統(tǒng)對心電信號做必要的導聯(lián)選擇、限壓保護后送至信號處理部分。心電信號的處理包括隔離、放大、濾波和電平調(diào)整，心電信號經(jīng)處理后，由主芯片自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并存儲。采集得到的心電信號經(jīng)串口傳給上位機，供實驗處理使用。本實驗中，用Fluke生物科學公司生產(chǎn)的MPS450多參數(shù)模擬儀產(chǎn)生心電信號，由上述采集系統(tǒng)采集取得。噪聲及干擾信號皆由模擬儀自帶功能產(chǎn)生，采集系統(tǒng)采樣頻率為 560Hz，見圖 3。2. 2分解層數(shù)的確定雖然心電信號的頻率范圍在0. 05 250HZ之間，但其能量主要集中在0. 25 35HZ之間，因此只要保留此頻率段的信號就可以得到比較完整的心電信號。我們在實驗中使用的心電信號的采樣頻率為560HZ，根據(jù)采樣定理，可有效恢復的信號最高頻率為 ^OHZ,又由于每一層小波分解將信號等分為兩個頻率段的特點，因此我們用提升小波對含噪聲的心電信號進行3層分解，這樣得到的第三層低頻信號的頻率在0 35HZ之間，可以滿足心電信號的完整性。2. 3小波基的選擇在不同的應用領(lǐng)域，小波基的選取是不同的，但主要遵循以下四個原則(1)對稱性在圖像處理中對于避免移相是非常有用的。(2)消失矩對于壓縮是非常有用的。(3)正則性對于信號或圖像的重構(gòu)獲得較好的平滑效果是非常有用的。(4)緊支性局部化能力較強，有利于確定信號的突變點。不同的小波基對于信號的處理結(jié)果是不同的，有的還差別很大，因此對于小波基的選取是至關(guān)重要的。在心電信號去噪的過程中，我們通過反復的比較和實驗選用了兩種小波，分別是sym8和bior4. 4。對原始數(shù)據(jù)(圖3(b，c))進行大量試驗，發(fā)現(xiàn)sym8小波對于心電的信號的工頻干擾去噪效果好于bior4. 4小波，而bior4. 4小波去肌電干擾的效果又好于sym8，見表1。表1三種除噪方式的對比
Sym8小波Bior4. 4 小波提升小波去工頻干擾(SNR/MSE)32. 73/63. 1730. 61/67. 6632.40/63. 92去肌電干擾(SNR/MSE)68. 08/30. 4469.14/29. 9168. 37/30. 19去混合噪聲(SNR/MSE)24. 58/85. 2124.46/85. 4124. 64/85. 00
權(quán)利要求
1.一種可在單片機中實現(xiàn)的心電去噪聲小波算法，其特征在于提出了一種運用提升小波和中值濾波去除心電信號三種噪聲的方法。重構(gòu)小波函數(shù)，選擇合適的小波基，采用提升小波將原始心電信號分解為三層，在不同的層數(shù)用不同的小波分解，保留第三層的低頻信號，然后用中值濾波去除信號中的基線漂移，最后利用提升小波重構(gòu)算法重構(gòu)濾波之后的心電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可在單片機中實現(xiàn)的心電去噪聲小波算法，其特征在于提升小波和中值濾波相結(jié)合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可在單片機中實現(xiàn)的心電去噪聲小波算法，其特征在于提升小波構(gòu)造分為三個過程1)分解，采用奇偶分解；2)預測，用偶數(shù)序列去預測奇數(shù)序列；3)更新，用上一步預測過的奇序列去更新偶序列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可在單片機中實現(xiàn)的心電去噪聲小波算法，其特征在于第一層分解用haar小波，第二層分解用bior4. 4小波，第三層分解用sym8小波構(gòu)成提升小波，在第三層分解后采用中值濾波的方法，去除心電信號噪聲。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可在單片機中實現(xiàn)的心電去噪聲小波算法，其特征在于小波基的選擇主要遵循以下四個原則1)對稱性。2)消失矩。3)正則性。4)緊支性。
全文摘要
一種可在單片機中實現(xiàn)的心電去噪小波算法，特別適用于袖珍便攜式移動多參數(shù)監(jiān)護儀，其特征在于提出了一種運用提升小波和中值濾波去除心電信號三種噪聲的方法。提升小波構(gòu)造分為三個過程，1)分解，采用奇偶分解；2)預測，用偶數(shù)序列去預測奇數(shù)序列；3)更新，用上一步預測過的奇序列去更新偶序列。重構(gòu)小波函數(shù)，選擇合適的小波基，采用提升小波將原始信號分解為三層，保留第三層的低頻信號，然后用中值濾波去除信號中的基線漂移，最后利用提升小波重構(gòu)算法重構(gòu)濾波之后的心電信號。本發(fā)明有益效果是結(jié)構(gòu)簡單、運算量低、原位運算、節(jié)省存儲空間、逆變換可以直接反轉(zhuǎn)實現(xiàn)。
文檔編號A61B5/0402GK102240208SQ20101016841
公開日2011年11月16日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者孫立艷, 朱為, 汪家旺, 翁羽潔 申請人:南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院, 汪家旺