專(zhuān)利名稱(chēng)：應(yīng)用于心磁噪聲抑制的自適應(yīng)數(shù)字濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于多通道同步數(shù)據(jù)采集中噪聲抑制的數(shù)字濾波方法，特別是基于自適應(yīng)算法的數(shù)字濾波方法，主要應(yīng)用于多通道相關(guān)噪聲的抑制和消除。
背景技術(shù)：
將淹沒(méi)造環(huán)境噪聲中的信號(hào)提取和恢復(fù)是通訊和系統(tǒng)辨識(shí)中信號(hào)處理的最基本目的。近年來(lái)，越來(lái)越多的注意力集中在這些領(lǐng)域的數(shù)字信息處理，自適應(yīng)濾波由于其具有時(shí)變性和自適應(yīng)性等特點(diǎn)成為一種適用性廣、發(fā)展迅速的信號(hào)處理的有效工具。
在心磁噪聲抑制中，低通濾波器只能讓絕大部分有用的頻率信號(hào)留下，其余全去掉，但這樣會(huì)使恢復(fù)后的信號(hào)丟失一部分有用信息；而使用梯度計(jì)也存在一些缺點(diǎn)，如通道間參數(shù)固定，不能隨噪聲的時(shí)變情況自動(dòng)調(diào)整。這些尤其對(duì)于噪聲通道中含有微弱信號(hào)是極其不利的，而且梯度計(jì)對(duì)于非相關(guān)噪聲也無(wú)能為力。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于心磁噪聲抑制的自適應(yīng)數(shù)字濾波方法，該方法克服和彌補(bǔ)了低通濾波和梯度計(jì)在噪聲抑制中的缺陷和不足，充分發(fā)揮自適應(yīng)濾波的學(xué)習(xí)功能和參數(shù)自我調(diào)整功能，使淹沒(méi)在噪聲中的微弱信號(hào)進(jìn)行提取和恢復(fù)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種應(yīng)用于心磁噪聲抑制的自適應(yīng)數(shù)字濾波方法包括如下步驟1)利用多通道同步數(shù)據(jù)采集將要處理的人體心臟信號(hào)、背景噪聲和心電信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)(被測(cè)對(duì)象和SQUID探頭在空間剩磁指標(biāo)達(dá)20nT的零磁空間中)；2)利用最小均方(data-reusing NLMS)算法對(duì)步驟1)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)處理，提取被測(cè)人體的心磁信號(hào)；3)用同步心電信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)作周期平均，得到一個(gè)心率周期的心磁波形。
本發(fā)明用數(shù)據(jù)遞歸正規(guī)最小均方(data-reusing NLMS)算法即依據(jù)被處理信號(hào)的特點(diǎn)將其長(zhǎng)度進(jìn)行倍數(shù)擴(kuò)展，而同時(shí)又不引入其它噪聲影響的前提下對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)處理，得到較高的信噪比，使心磁信號(hào)得到很好的恢復(fù)，同時(shí)用同步采集的心電信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行30個(gè)周期平均得到一個(gè)心率周期的心磁波形。該算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶寬，噪聲抑制比較高，運(yùn)行速度快，在合理選擇參數(shù)的情況下收斂速度較快，適合心磁信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有限的特點(diǎn)。


圖1為自適應(yīng)算法應(yīng)用于噪聲抑制的算法結(jié)構(gòu)框圖；圖2為算法數(shù)據(jù)調(diào)試流程圖；圖3為本發(fā)明中算法應(yīng)用于相關(guān)噪聲的數(shù)值模擬結(jié)果；圖4為本發(fā)明算法的噪聲抑制比；圖5為多通道數(shù)據(jù)采集心磁實(shí)驗(yàn)流程圖；圖6為自適應(yīng)處理前后的結(jié)果比較；圖7為對(duì)兩個(gè)通道均是采集噪聲的自適應(yīng)處理結(jié)果；圖8為自適應(yīng)處理后提取的心磁信號(hào)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明利用數(shù)據(jù)遞歸正規(guī)最小均方算法對(duì)多通道數(shù)據(jù)采集的結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)去除噪聲處理，即在沒(méi)有改變?cè)肼暛h(huán)境的情況下，將一有限長(zhǎng)序列擴(kuò)展到任意長(zhǎng)度，以適合于應(yīng)用自適應(yīng)處理的要求。例如將其應(yīng)用于心磁環(huán)境噪聲的消除，通過(guò)時(shí)域波形和頻譜分析，可以很好的恢復(fù)淹沒(méi)在背景噪聲中的微弱心磁信號(hào)。自適應(yīng)處理后的結(jié)果又利用同步采集的心電信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)，進(jìn)行30個(gè)周期的平均，得到一個(gè)心率周期的波形。下面對(duì)此過(guò)程作具體描述。
圖1為自適應(yīng)算法應(yīng)用于噪聲抑制的算法結(jié)構(gòu)框圖，其計(jì)算公式如下y(k)＝WT(k)X(k)， (1)e(k)＝d(k)-y(k)， (2)W(k+1)＝W(k)+μ(k)X(k)e(k)，(3)μ(k)=αXT(k)X(k)+γ,----(4)]]>其中X(k)＝[xk-1，xk-2，K，xk-M+1]T是參考向量，T代表轉(zhuǎn)置，M是濾波器帶寬，依賴(lài)于采樣頻率和被處理信號(hào)的帶寬，W(k)＝[wk，wk-1，K，wk-M+1]T是濾波器權(quán)重矢量，其中wk-i(i＝0，1，K，M-1)是矢量元，μ(k)是k時(shí)刻的步長(zhǎng)。
在方程(4)中α是歸一化的自適應(yīng)常數(shù)，γ是一個(gè)非常小的整數(shù)，防止當(dāng)XT(k)X(k)＝0時(shí)方程(4)會(huì)發(fā)散。方程(3)表明濾波器更新權(quán)重值W(k+1)取決于W(k)、μ(k)、e(k)和X(k)。當(dāng)α和γ選擇不合適時(shí)，濾波器不能很好工作甚至發(fā)散。信號(hào)通道和參考通道分別用兩個(gè)高溫SQUID探頭測(cè)得，其中測(cè)量參考通道的SQUID距離被測(cè)人體心臟較遠(yuǎn)，認(rèn)為是背景噪聲，而距離人體較近的SQUID探頭測(cè)得的數(shù)據(jù)中既包含背景噪聲有含有心磁信號(hào)，而這兩個(gè)SQUID探頭是在同樣的環(huán)境中，因此兩個(gè)通道中環(huán)境噪聲分量是相關(guān)的，滿(mǎn)足自適應(yīng)濾波的要求。而兩個(gè)探頭的本征噪聲是非相關(guān)的，因?yàn)閷?shí)際采集的心磁信號(hào)具有短時(shí)平穩(wěn)的特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波處理的要求，本發(fā)明將有限長(zhǎng)的數(shù)據(jù)序列在實(shí)際處理時(shí)進(jìn)行多次重置，相當(dāng)于把序列長(zhǎng)度進(jìn)行整數(shù)倍的擴(kuò)充。
圖2為算法數(shù)據(jù)調(diào)試流程圖，包括選擇合適的步長(zhǎng)因子和數(shù)據(jù)重置次數(shù)、帶寬實(shí)驗(yàn)和有時(shí)間延遲和幅值變化的噪聲抑制效果、不同頻率的噪聲抑制效果等幾個(gè)方面。具體過(guò)程為首先最重要的是選擇合適的步長(zhǎng)，即取決于(4)式中的歸一化自適應(yīng)常數(shù)α，而γ是一個(gè)非常小的整數(shù)，防止當(dāng)XT(k)X(k)＝0時(shí)方程(4)會(huì)發(fā)散，我們?nèi)?0-10，α取0.006，此時(shí)參考通道和自適應(yīng)濾波器輸出更新值之間的均方誤差最小，因而收斂最快。由于實(shí)際采集數(shù)據(jù)的有限性，我們選取較短的一個(gè)序列進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)雖然收斂，但輸出誤差幅值逐漸減小，為了充分展現(xiàn)自適應(yīng)濾波的優(yōu)勢(shì)，我們將數(shù)據(jù)進(jìn)行多次重置，直到輸出誤差達(dá)到等幅狀態(tài)，也就是選擇合適的重置次數(shù)，一般在3～5次即可。為了檢驗(yàn)本發(fā)明中設(shè)計(jì)的濾波器的去噪效果，將不同幅值和時(shí)間延遲的噪聲迭加在一起作為背景噪聲迭加到正旋信號(hào)中，由圖2可以看出，利用本發(fā)明所述的算法信號(hào)得到了很好的恢復(fù)，而且從濾波器的權(quán)重參數(shù)可以反映出幅值和時(shí)間延遲的實(shí)際情況。同時(shí)通過(guò)改變輸入信號(hào)的頻率，來(lái)看輸出噪聲抑制情況，發(fā)現(xiàn)在帶寬范圍內(nèi)，噪聲抑制比均可以達(dá)到7～8。
圖3為算法應(yīng)用于相關(guān)噪聲的數(shù)值模擬結(jié)果?？梢钥闯觯绕鋵?duì)于有幅值變化和時(shí)間延遲或超前的相關(guān)噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。將不同頻率的正弦信號(hào)與隨機(jī)噪聲迭加，利用本發(fā)明算法進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)0.1Hz～300Hz內(nèi)的信號(hào)均可以很好的恢復(fù)。
噪聲抑制比是去除噪聲本領(lǐng)的一個(gè)重要指標(biāo)。從圖4可以看出，本發(fā)明所述的算法無(wú)論輸入信噪比如何，均有比較好的輸出信噪比，即噪聲抑制效果好。
圖5為多通道數(shù)據(jù)采集心磁流程圖。心磁信號(hào)、參考信號(hào)和心電信號(hào)分別通過(guò)心磁通道1、參考通道2和心電通道3采集。心磁通道1的數(shù)據(jù)由距離被測(cè)對(duì)象(人體心臟)很近的第一SQUID探頭測(cè)得，參考通道2數(shù)據(jù)的SQUID探頭距離第一SQUID探頭距離約10cm，心電通道3的心電信號(hào)由心電圖儀在人體上的接觸電極采集。該過(guò)程是首先安裝SQUID探頭并將其放在液氮杜瓦中冷卻，待一段時(shí)間后，用SQUID電子學(xué)檢測(cè)其是否正常工作，如果不能找出原因并排除后，檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否正常工作，一切正常后正式采集數(shù)據(jù)，測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)16位的數(shù)據(jù)采集卡，即包括可編程邏輯陣列(PGA)、三個(gè)并行的采樣/保持電路(S/H)、模擬開(kāi)關(guān)、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，最后數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理；通過(guò)檢驗(yàn)和調(diào)整自適應(yīng)濾波器的參數(shù)設(shè)置后，將其應(yīng)用于實(shí)際采集的心磁信號(hào)處理。圖6中顯示了自適應(yīng)處理前后的結(jié)果比較，可以看到心磁信號(hào)得到了很好的恢復(fù)。
圖7是對(duì)兩個(gè)通道均是采集噪聲的自適應(yīng)處理結(jié)果。可以看出相關(guān)分量已去除，非相關(guān)分量也有一定的抑制，這是自適應(yīng)濾波優(yōu)于梯度計(jì)之處。
圖8是自適應(yīng)處理后提取的心磁信號(hào)。用同步采集的心電信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)，對(duì)其作30個(gè)周期的幾何平均得到一個(gè)心率周期的心磁波形，進(jìn)一步將噪聲降低，達(dá)到了很好的效果。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于心磁噪聲抑制的自適應(yīng)數(shù)字濾波方法，其特征在于，包括如下步驟1)利用多通道同步數(shù)據(jù)采集將要處理的人體心臟信號(hào)、背景噪聲和心電信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)；2)利用最小均方算法對(duì)步驟1)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)處理，提取被測(cè)人體的心磁信號(hào)；3)用同步心電信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)作周期平均，得到一個(gè)心率周期的心磁波形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于心磁噪聲抑制的自適應(yīng)數(shù)字濾波方法，其特征在于，所述多通道包括心磁通道、參考通道和心電通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種應(yīng)用于心磁噪聲抑制的自適應(yīng)數(shù)字濾波方法，其特征在于，所述多通道同步數(shù)據(jù)采集包括心磁信號(hào)、參考信號(hào)和心電信號(hào)的采集，所述心磁信號(hào)、參考信號(hào)和心電信號(hào)分別通過(guò)所述心磁通道、參考通道和心電通道采集。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種應(yīng)用于心磁噪聲抑制的自適應(yīng)數(shù)字濾波方法，其特征在于，所述心磁信號(hào)由距離被測(cè)人體心臟很近的第一SQUID探頭測(cè)得，所述參考信號(hào)由的距離第一SQUID探頭距離8～12cm的第二SQUID探頭采集，所述心電信號(hào)由心電圖儀在人體上的接觸電極采集。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種應(yīng)用于心磁噪聲抑制的自適應(yīng)數(shù)字濾波方法，其特征在于，所述自適應(yīng)處理包括如下步驟1)根據(jù)歸一化自適應(yīng)常數(shù)選擇步長(zhǎng)因子；2)所述第一SQUID探頭和第二SQUID探頭采集的心磁信號(hào)和參考信號(hào)通過(guò)自適應(yīng)濾波器進(jìn)行自適應(yīng)處理；3)將經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波器處理后得到的信號(hào)進(jìn)行3～5次重置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種應(yīng)用于心磁噪聲抑制的自適應(yīng)數(shù)字濾波方法，其特征在于，所述周期為30。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種應(yīng)用于心磁噪聲抑制的自適應(yīng)數(shù)字濾波方法，該方法包括如下步驟1)利用多通道同步數(shù)據(jù)采集將要處理的人體心臟信號(hào)、背景噪聲和心電信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)；2)利用最小均方算法對(duì)步驟1)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)處理，提取被測(cè)人體的心磁信號(hào)；3)用同步心電信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)作周期平均，得到一個(gè)心率周期的心磁波形。本發(fā)明利用數(shù)據(jù)遞歸正規(guī)最小均方算法將其長(zhǎng)度進(jìn)行倍數(shù)擴(kuò)展，而同時(shí)又不引入其它噪聲影響的前提下對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)處理，得到較高的信噪比，使心磁信號(hào)得到很好的恢復(fù)。該算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶寬，噪聲抑制比較高，運(yùn)行速度快，在合理選擇參數(shù)的情況下收斂速度較快，適合心磁信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有限的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03K5/1252GK1608581SQ20041008887
公開(kāi)日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2004年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月8日
發(fā)明者孔祥燕, 李俊文, 楊乾聲, 楊國(guó)楨, 陳惟昌, 陳賡華, 張利華, 馮稷, 劉宜平, 王自強(qiáng), 黃旭光, 任育峰, 于洪偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所