基于Fast-ICA法的磁感應(yīng)心肺活動信號分離方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于Fast-ICA法的磁感應(yīng)心肺活動信號分離方法，包括步驟：分別將左右胸腔的磁感應(yīng)信號送入12MHz窄帶濾波進(jìn)行濾波處理，求得左胸腔相位差信號與右胸腔相位差信號；分別將左胸腔相位差信號與右胸腔相位差信號進(jìn)行小波去噪；采用獨(dú)立變量分析方法（Fast-ICA）分離出心跳信號及呼吸信號；從而實現(xiàn)磁感應(yīng)心肺活動同步的監(jiān)測。
【專利說明】基于Fast-1CA法的磁感應(yīng)心肺活動信號分罔方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中生理信號分離方法，具體特指在非接觸磁感應(yīng)心肺活動的監(jiān)測中，用快速獨(dú)立變量分析方法進(jìn)行心肺活動相位信號的分離。
【背景技術(shù)】 [0002]非接觸磁感應(yīng)心肺活動的監(jiān)測是一種新型的心跳及呼吸同步監(jiān)護(hù)技術(shù)，它主要基于磁感應(yīng)相移(MIPS)技術(shù)。非接觸磁感監(jiān)測心跳時，往往需要受試者人為屏住呼吸以抑制較強(qiáng)呼吸干擾，該種方式不適用于長時間的心跳監(jiān)測，及無意識人員心跳檢測。同時在監(jiān)測到的呼吸波形中也混雜著心跳信號，影響了呼吸檢出的正確率。
[0003]磁感應(yīng)監(jiān)測實際分離處理的是相位信號中低頻率的心率與呼吸率波形，分離提取信號時不再考慮前段激勵頻率中的高頻載波成分，根據(jù)對呼吸相差信號頻譜分析能明確發(fā)現(xiàn)其中包含的呼吸頻率及心跳頻率。雖然呼吸頻率明顯，可考慮直接提取，但呼吸過程的帶寬較寬，在心臟活動的頻率對應(yīng)相位上混雜有呼吸的高頻相位成分，且心跳幅度明顯較小，易被呼吸諧波及其他干擾成分所掩蓋，即使在預(yù)處理時進(jìn)行了增強(qiáng)，也無法直接濾波提取。選擇一種有效的心肺信號分離算法，對于系統(tǒng)實現(xiàn)同步心肺監(jiān)測是極為重要的。
[0004]獨(dú)立分量分析是當(dāng)前盲信號分離的主流方法。ICA是基于信號高階統(tǒng)計量的信號處理方法，其基本含義是將多道觀測信號按照統(tǒng)計獨(dú)立的原則通過優(yōu)化算法分解為若干獨(dú)立成份。近十年來，ICA方法廣泛應(yīng)用于生物信號領(lǐng)域，如心電圖(ECG)、腦電圖(EEG)信號分離，聽覺信號分析，功能磁共振圖像(FMRI)分析，孕婦和胎兒心電信號分離等方面。該方法適用于線性系統(tǒng)中高階獨(dú)立信號的分離，且最多只有一個源信號分布為高斯源分布，傳感器數(shù)量需大于或等于獨(dú)立源個數(shù)。通過對相位信息中的心跳及呼吸信號進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其滿足ICA分離信號的基本要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于Fast-1CA法的磁感應(yīng)心肺活動信號分離方法。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于Fast-1CA法的磁感應(yīng)心肺活動信號分離方法，其包括以下步驟:
[0007]101、采用高頻交流正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵磁場，并在磁場中設(shè)置檢測線圈A和檢測線圈B，其中檢測線圈A和檢測線圈B獲取左胸腔和右胸腔的激勵磁場信號和感應(yīng)磁場信號，并分別獲取檢測線圈A和檢測線圈B中的高頻相移正弦電壓信號X和Y，并將高頻交流正弦信號發(fā)生器的同頻參考信號M、高頻相移正弦電壓信號X和Y傳輸給窄帶濾波器；
[0008]102、所述窄帶濾波器分別對高頻相移正弦電壓信號X和Y進(jìn)行預(yù)處理，與同頻參考信號M —同送入采集卡中，并采用軟件鑒相器對高頻相移正弦電壓信號X、Y、同頻參考信號M進(jìn)行處理，分別得到磁感應(yīng)相位差Φ (X-M)及Φ (Y-M)；
[0009]103、采用小波降噪法分別對步驟102中得到的磁感應(yīng)相位差Φ (X-M)及Φ (Y-M)進(jìn)行降噪處理，得到降噪后的磁感應(yīng)相位差Φ (X-M)及Φ (Y-M)信號；
[0010]104、將步驟103中降噪后的磁感應(yīng)相位差Φ (X-M)及Φ (Y-M)信號采用Fast-1CA分離算法進(jìn)行分離，得到心跳信號及呼吸信號，并采用頻譜分析確定出心率及呼吸率所在導(dǎo)聯(lián)，計算求出呼吸率及心率。
[0011]進(jìn)一步的，步驟101中所述高頻交流正弦信號發(fā)生器采用了 12MHz高頻交流正弦信號作為激勵磁場。
[0012]進(jìn)一步的，步驟102中的窄帶濾波器采用3階巴特沃茲濾波器，濾波帶寬設(shè)置為
0.5MHz。
[0013]進(jìn)一步的，步驟103中的小波降噪法采用8階sym小波進(jìn)行去噪。
[0014]進(jìn)一步的，步驟104中的Fast-1CA分離算法采用調(diào)用matlab中的FastICA-2.5工具箱，進(jìn)行兩導(dǎo)聯(lián)信號分離。。
[0015]本發(fā)明的有益效果:
[0016]從磁感應(yīng)相位差信號中，提取出心跳及呼吸信號，并對兩種信號進(jìn)行快速分離，實現(xiàn)弱心跳信號及強(qiáng)呼吸信號的同步分離監(jiān)測，從而使在臨床及家庭環(huán)境中對對象進(jìn)行連續(xù)長時間磁感應(yīng)心率和呼吸率同步監(jiān)測變?yōu)榭赡堋?br> 【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明一優(yōu)選實施例非接觸磁感應(yīng)心肺活動監(jiān)測原理框圖；
[0018]圖2是兩導(dǎo)聯(lián)Fast-1ca心肺相位信號分離示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖給出一個非限定性的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。
[0020]參照圖1，優(yōu)選的，本實施例中采用了 12MHz高頻交流正弦信號作為激勵磁場。置于左右胸腔對稱位置的檢測線圈，將得到與激勵信號同頻的高頻相移正弦電壓信號。將左右胸腔的磁感應(yīng)信號及同頻參考信號送入PC中。
[0021]如圖1所示，優(yōu)選的，本實施例中使用對應(yīng)頻率的窄帶濾波器對兩路磁感應(yīng)信號進(jìn)行預(yù)處理，再將其送至鑒相模塊。軟件濾波采用3階巴特沃茲濾波器實現(xiàn)，濾波帶寬設(shè)置為0.5MHz。在鑒相模塊中分別對兩路信號及同一參考信號，求得左右胸腔磁感應(yīng)相位差。其中一路相差信號中包含呼吸及強(qiáng)心跳信號，另一路相差信號中包含著同樣強(qiáng)度的呼吸及較弱的心跳信號。本發(fā)明實際分離處理的是相位差信號中的低頻心跳與呼吸信號。
[0022]心臟和肺部生理活動中，器官電導(dǎo)率隨器官生理活動發(fā)生變化，從而引起檢測到的相位差變化。兩個檢測線圈分別對稱放置于胸腔左右兩側(cè)。由于心臟及肺部在人體結(jié)構(gòu)的特殊位置，以及心臟肺部活動時其中電導(dǎo)率的不同，容積的不同，所采集到的兩路相差信號中的實際包含著相同強(qiáng)度的呼吸信號及不同強(qiáng)度的心跳信號。
[0023]由于采集到的相位信號中包含心跳、呼吸及漂移干擾等不同信息，ICA無法分離噪聲和源信號。若要得到分別得心、肺活動信息，在進(jìn)行獨(dú)立變量分解之前，還應(yīng)實施其他方式去除噪聲，盡可能提高信噪比。因此在實施ICA外，采用ICA與其他降噪方法相結(jié)合進(jìn)行分離。如圖1所示，本處主要使用小波降噪(8階sym小波)對各路信號進(jìn)行去噪。
[0024]優(yōu)選的，本實施例中，通過兩導(dǎo)聯(lián)相位信號提取心跳及呼吸分離信號。通過去噪處理后的兩導(dǎo)聯(lián)相差信號送至Fast-1CA分離算法模塊，該模塊主要調(diào)用matlab中的FastICA-2.5工具箱程序。在Fast-1CA中，首先，對兩路相位差信號進(jìn)行去均值；再對去均值后的信號作白化處理；然后，基于負(fù)熵最大化理論確定目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用牛頓迭代算法求出目標(biāo)函數(shù)的最大值，即進(jìn)行分離矩陣的優(yōu)化，選用對稱正交法正交化矩陣，并對其進(jìn)行歸一化；最后判斷分離矩陣是否收斂，若矩陣收斂則可根據(jù)其分離源信號。其中采用的非線性函數(shù)為g(x)=x3、g(x)=tanh(x)、=x.e—T。通過Fast-1CA分離后分別得到心跳及呼吸信號，其中分別包涵各自的諧波成份，且低頻噪聲成分會混合于呼吸波形中，但對于較強(qiáng)幅度呼吸信號而言，并不影響呼吸率的檢出。而原本微弱的心跳波形在提取出的同時得到增強(qiáng)。如圖2(a)所示，5Hz心跳信號及2Hz呼吸信號。模擬兩導(dǎo)聯(lián)相位信號分別為5Hz心跳信號(0.75V)+2Hz呼吸信號(2V) +0.05Hz噪聲信號(2V)，以及5Hz心跳信號(0.25V)+2Hz呼吸信號(2V)+0.05Ηζ噪聲信號(2V)，如圖2(b)。分離結(jié)果如圖2(c)所示。
[0025]優(yōu)選的，本實施例中由于ICA算法輸出的不確定性，需對輸出的各導(dǎo)信號進(jìn)行頻譜分析，確定心率及呼吸分別所在導(dǎo)聯(lián)，進(jìn)而對呼吸率及心率進(jìn)行計算。若在監(jiān)測時伴隨的其他干擾成分較多，且無法在ICA分離之前濾除，則需增加相應(yīng)監(jiān)測導(dǎo)聯(lián)數(shù)及分離波形數(shù)。
[0026]以上這些實施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于Fast-1CA法的磁感應(yīng)心肺活動信號分離方法，其特征在于包括以下步驟: 101、采用高頻交流正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵磁場，并在磁場中設(shè)置檢測線圈A和檢測線圈B，其中檢測線圈A和檢測線圈B獲取左胸腔和右胸腔的激勵磁場信號和感應(yīng)磁場信號，并分別獲取檢測線圈A和檢測線圈B中的高頻相移正弦電壓信號X和Y，并將高頻交流正弦信號發(fā)生器的同頻參考信號M、高頻相移正弦電壓信號X和Y傳輸給窄帶濾波器； 102、所述窄帶濾波器分別對高頻相移正弦電壓信號X和Y進(jìn)行預(yù)處理，與同頻參考信號M —同送入采集卡中，并采用軟件鑒相器對高頻相移正弦電壓信號X、Y、同頻參考信號M進(jìn)行處理，分別得到磁感應(yīng)相位差Φ (X-M)及Φ (Y-M)； 103、采用小波降噪法分別對步驟102中得到的磁感應(yīng)相位差Φ(X-M)及Φ (Y-M)進(jìn)行降噪處理，得到降噪后的磁感應(yīng)相位差Φ (X-M)及Φ (Y-M)信號； 104、將步驟103中降噪后的磁感應(yīng)相位差Φ(X-M)及Φ (Y-M)信號采用Fast-1CA分離算法進(jìn)行分離，得到心跳信號及呼吸信號，并采用頻譜分析確定出心率及呼吸率所在導(dǎo)聯(lián)，計算求出呼吸率及心率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Fast-1CA法的磁感應(yīng)心肺活動信號分離方法，其特征在于:步驟101中所述高頻交流正弦信號發(fā)生器采用了 12MHz高頻交流正弦信號作為激勵磁場。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Fast-1CA法的磁感應(yīng)心肺活動信號分離方法，其特征在于:步驟102中的窄帶濾波器采用3階巴特沃茲濾波器，濾波帶寬設(shè)置為0.5MHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Fast-1CA法的磁感應(yīng)心肺活動信號分離方法，其特征在于:步驟103中的小波降噪法采用8階sym小波進(jìn)行去噪。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Fast-1CA法的磁感應(yīng)心肺活動信號分離方法，其特征在于:步驟104中的Fast-1CA分離算法采用調(diào)用matlab中的FastICA_2.5工具箱，進(jìn)行兩導(dǎo)聯(lián)信號分離。
【文檔編號】A61B5/0205GK103536282SQ201310547432
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月6日
【發(fā)明者】許佳, 秦明新, 孫建, 金貴, 寧旭, 徐林, 陳明生 申請人:中國人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)