CN101297754B - Ecg中相干信号的抑制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及ECG中相干信号的抑制。一种用于监测物体的心电图(ECG)的方法，包括从至少一个第一ECG电极数字采样平均信号，确定平均干扰频率，以及从至少一个第二ECG电极数字采样和缓冲原始ECG信号。该方法进一步包括：滤波该原始ECG信号以生成残留信号；基于该残留信号，计算在平均干扰频率的主要干扰信号的第一振幅和第一相移以及在相应多个平均干扰频率的一个或多个谐波干扰信号的第二振幅和第二相移；以及从原始ECG信号数字减去该主要干扰信号和该一个或多个谐波干扰信号，以便生成和输出干净的ECG信号。

Description

ECG中相干信号的抑制

技术领域

本发明一般地涉及监测生物物理参数，更特别地涉及ECG信号的测量。

背景技术

用于测量心电图(ECG)信号的手段通常检测相应于线路频率或电源频率的电干扰。在大多数国家中，线路频率虽然标称设置在50Hz或60Hz，但是却可以从这些标称值进行几个百分点的变化。

用于从ECG信号中消除电干扰的多种方法在本领域中是已知的。这些方法中的一些使用一个或多个低通或陷波滤波器。例如，美国专利4,887,609，其内容在此处被并入作为参考，描述了一种用于可变滤波ECG信号中的噪声的系统。该系统具有多个低通滤波器，其包括一个在约50Hz处具有3dB点的滤波器以及在约5Hz处具有3dB点的第二低通滤波器。

美国专利6,807,443，其内容在此处被并入作为参考，描述了一种通过将信号经过两个串联链接的陷波滤波器而抑制ECG信号中的线路频率分量的系统。美国专利5,188,117，其内容在此处被并入作为参考，描述了一种具有陷波滤波器且用于从ECG信号中消除线路频率分量的系统，该陷波滤波器具有低通和高通系数中的任一个或具有两者。该系统也提供了用以消除突发噪声和用以从陷波滤波器输出计算心率的装置。

美国专利5,564,428，其内容在此处被并入作为参考，描述了一种具有多个单元用以消除干扰的系统：平均值单元，用以在几个心动周期内生成平均信号0，减法单元，用以从输入信号中减去平均信号以生成残留信号，滤波器单元，用以由残留信号提供经滤波的信号，以及加法单元，用于将经滤波的信号加到平均信号。

美国专利5,349,352，其内容在此处被并入作为参考，描述了一种模数(A/D)转换器，其通过将转换器的时钟与相位锁定循环设置同步来为线路频率提供噪声抑制。

发明内容

本发明的实施例提供了用于从生理信号中消除电干扰的方法和设备。特别地，下文中描述的实施例用于滤波心电图(ECG)信号中引起的线路干扰。本发明的原理也适用于滤波其他种类的干扰，如由磁定位系统和由磁共振系统引起的干扰。

在特定的实施例中，监视器数字采样ECG信号，下文中称为原始ECG信号。该监视器也采样平均信号，如从威尔逊中心端(Wilson Central Terminal，WCT)获得的信号。平均信号被处理，以用于确定主要干扰的平均频率。

原始ECG信号随后被处理，以消除主要干扰的平均频率和该频率谐波处的信号。从原始信号中减去被滤波的信号而生成残留信号，其包括平均频率和其谐波处的干扰信号。评估这些干扰信号的振幅和相移，消除伪影(artifact)，并从原始ECG信号减去所得到的干扰信号，以生成经线路滤波的ECG信号。

依照本发明的实施例，因此提供一种用于监测对象的心电图(ECG)信号的方法，包括：

从附着于对象的至少一个第一ECG电极数字采样平均信号；

确定该平均信号的平均干扰频率；

从附着于对象的至少一个第二ECG电极数字采样和缓冲原始ECG信号；

滤波该原始ECG信号以生成包括在和高于平均干扰频率的频率分量的残留信号；

基于该残留信号，计算在平均干扰频率的主要干扰信号的第一振幅和第一相移，以及在相应多个平均干扰频率的一个或多个谐波干扰信号的第二振幅和第二相移；以及

从原始ECG信号数字减去该主要干扰信号和该一个或多个谐波干扰信号，以便生成和输出干净的ECG信号。

典型的，平均信号包括威尔逊中心端(WCT)信号。

该方法可以包括在从原始ECG信号减去主要干扰信号之前对第一振幅的变化强加限制。强加限制可以包括设置第一振幅等于第一振幅的在前值，响应地来确定第一振幅已经相对于该在前值改变了预定因子以上。强加限制也可以包括计算残留信号的平均值，以及基于该平均值计算阈值。也可以在从原始ECG信号减去该一个或多个谐波干扰信号之前，对第二振幅的变化强加限制。

在一些实施例中，滤波原始ECG信号包括为原始ECG信号施加移动平均滤波器，以及生成残留信号包括从原始ECG信号减去该移动平均滤波器的输出。

计算第一振幅和第一相移可以包括发现残留信号和具有与平均干扰频率相等的频率的周期函数之间的相关性。

相似的，计算第二振幅和第二相移可以包括发现残留信号和具有与多个平均干扰频率相等的频率的周期函数之间的相关性。

依照本发明的实施例，还提供一种用于监测对象的心电图(ECG)信号的装置，包括：

多个ECG电极，其包括附着于对象的至少一个第一电极和一个第二ECG电极；以及

处理器，其被配置以从该至少一个第一ECG电极采样平均信号，以确定平均信号的平均干扰频率，从该至少一个第二ECG电极数字采样和缓冲原始ECG信号，滤波该原始ECG信号以生成包括在和高于平均干扰频率的频率分量的残留信号，基于该残留信号，计算在平均干扰频率的主要干扰信号的第一振幅和第一相移以及在相应多个平均干扰频率的一个或多个谐波干扰信号的第二振幅和第二相移，以及从原始ECG信号减去该主要干扰信号和该一个或多个谐波干扰信号以便生成和输出干净的ECG信号。

附图说明

结合附图，通过其实施例的如下详细描述，本发明将得到更为充分地理解，其中：

图1是依照本发明的实施例，用以监测ECG信号的系统的示意性图示；

图2是示意性地示出依照本发明的实施例的ECG处理器的细节的方块图；以及

图3A-3D是示意性地示出依照本发明的实施例的在处理过程的四个阶段的ECG信号的信号图。

具体实施方式

图1是依照本发明的实施例，用以测量和处理患者22的ECG信号的系统20的示意性图示。ECG信号通过ECG监视器24从布置于患者22身体上的电极26获取。ECG监视器24包括ECG处理器28，其处理所获取的信号且生成在输出设备，如电脑屏幕30上显示的被滤波的信号。输出设备也可以包括打印机，以及用于远程传输和存储被处理的信号的装置。

除了显示被滤波的信号，ECG监视器也可以监测其他生理参数，如可以指示心力衰竭的ECG信号变化。ECG监视器也可以传输信号给提供显示，存储，或进一步信号处理的外部系统。ECG监视器24的使用者可以通过输入面板，如键盘32，修改处理和显示参数。显示参数可以包括观察具体信号的选项，也可以包括显示选项，如平移(pan)和缩放。处理参数可以确定信号滤波的种类和范围，以及对伪影阈值的设置，如下文中进一步描述的。

在现有技术中，多种用以在患者身体上放置电极26的配置已经被公开。在通常的十电极的配置中，其在此处被引用作为例子，电极26中的6个被布置为跨越患者22的胸腔，以及4个被布置于四肢处，包括患者的左臂，右臂，左腿，以及右腿。跨越十个电极的各种设置测量ECG信号。一般通过通常的十电极配置测量的信号被称为信号I，II，III，aVR，aVL，aVF，V1，V2，V3，V4，V5和V6。

三个四肢电压(通常，为在右臂，左臂以及左腿测量的电压)的平均值，被称为威尔逊中心端(WCT)。WCT最初在Wilson NF，Johnston FE，MacleodAG，Barker PS，“描绘单个电极的潜在变化的心电图(Electrocardiograms thatrepresent the potential variations of a single electrode)”，Am.Heart Journal(1934；9：447-458)中进行了描述，其公开在此处被并入作为参考。WCT通常作为V1-V6信号的参考电压使用，因此可用于附加信号处理。

典型地，在身体四肢内引发的线路干扰在WCT中是很普遍的。ECG处理器28利用WCT的这一方面来确定线路干扰频率，其在下文中被进一步描述。

图2是示意性地示出依照本发明的实施例的ECG处理器28的元件的方块图。ECG处理器28可以包括通用计算机，运行任何合适的操作系统，具有合适的用以接收ECG信号的输入界面(未示出)和用以执行下文描述的处理函数的软件。该软件可以以电子形式下载到处理器中，如通过网络，或可被存储在有形介质中，如光，磁，或电子存储介质。可选择的或额外的，ECG处理器可以包括专用处理设备，如可编程信号处理器或用户化硬件控制单元。ECG处理器28的元件也可以被实施为几个单独的处理设备。

在本发明的实施例中，原始ECG信号，如aVR信号，从电极26获取且通过转换器40由模拟格式转换为数字格式。转换器40也获取并提供平均信号，如WCT信号的数字输出。可预期的，转换器40的采样频率(f_s)远高于线路频率(f_i)以提供高级别的干扰抑制。在特定的实施例中，采样频率设置为8000采样/秒。

在一些实施例中，带通滤波器42接着处理WCT信号，以在包括线路干扰分量的范围内提取信号分量。典型的带通频率范围设置为45-65Hz(在-6db)。经过带通滤波的信号然后被频率计44处理，其确定线路干扰分量的频率。该确定可以通过测量经过带通滤波的信号的预定数目的零电压交叉所需的时间来实现。在一个实施例中，计算的零交叉的数目被设置为120，也就是60周期。计算也可以通过确定带通信号的第二派生的零交叉来实现。60周期内的平均线路干扰频率以f_i＝60f_s/N_60，av来计算，其中N_60，av是计算的零交叉的数目。在本发明的实施例中，当获取来自WCT的每个数字采样时，平均线路干扰频率在连续的基础上进行更新。

采样，x_n，包括由转换器40获取的原始ECG信号，在帧缓冲器46中被缓冲。在一些实施例中，帧缓冲器46存储ECG信号的精确的四个周期的ECG帧或如由频率计44计算的N_60，av/15采样。根据最小化处理时间和提供充足信息给下文中描述的相关程序之间的折衷，帧长度被设置为4个周期。样本从帧缓冲器46传输到梳状滤波器48。梳状滤波器可以被实施为原始信号的移动平均值，其中该平均值在平均线路干扰频率的单个周期内，即在N_60，av/60采样内，被采用。该移动平均值等于N_60，av/60项的和除以N_60，av/60的值。

残留发生器50从原始ECG信号减去移动平均值，以生成残留信号s_n。在数学术语中，残留信号s_n等于原始信号，x_n，减去在一个周期中x_n的平均值(该平均值为一个周期内x_n的和除以N_60，av/60)，如下：

$s_n=x_n-\frac{60}{N_{60,\mathrm{av}}}\left(\underset{m=n-N_{60,\mathrm{av}}/120}{\overset{n-1+N_{60,\mathrm{av}}/120}{\mathrm{\Σ}}}{x}_m\right).$

残留信号s_n包括处于和大于平均线路干扰频率(如由频率计44确定)的频率的原始ECG信号的分量。通过低通滤波器48和残留信号发生器50实现的处理可以重复用于线路频率的谐波，因此，对每个谐波，m，生成谐波限制的(harmonic-bound)残留信号，S_n ^(m)，包括处于和大于所给谐波频率的分量：

$s_n^{\left(m\right)}=x_n-\frac{60\·m}{N_{60,\mathrm{av}}}\left(\underset{i=n-N_{60,\mathrm{av}}/(120\·m)}{\overset{n-1+N_{60,\mathrm{av}}/(120\·m)}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)$

谐波限制的残留信号S_n ^(m)输入至相关器52，其确定谐波限制的残留信号中分量干扰信号的振幅(A)和相移(

)。项S_n ⁽¹⁾指主要干扰信号，也称为第一谐波干扰信号。第二谐波干扰信号对应于S_n ⁽²⁾，等等。典型的，几个谐波限制的残留信号(在3和15之间)被计算和输入到相关器52。通常实时执行通过ECG处理器28的所有元件的处理，因此，当获取每个ECG帧时，计算每个分量干扰信号的振幅和相位的新值。

可如下理解相关器52的操作。对于模拟信号，在具有频率f的分量干扰信号s的第一信号x和包括具有频率f的余弦函数的第二信号之间的相关性，由如下给出：

$\underset{0}{\overset{q\·T}{\∫}}x\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{dt}\≈\underset{0}{\overset{q\·T}{\∫}}s\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{dt}$

 类似的，可如下计算x和频率为f的正弦函数之间的相关性：

这两个相关性提供联立方程组，用于计算干扰信号s的振幅和相移：

和

对于离散信号，对于任何给定的谐波m，上述的用于振幅和相移的方程被表示如下：

1)

2)

其中模拟方程中的t内的积分被表示为n个样本内的求和，且t被表示为n/f_s。

上述求和在N_60，av/15样本的帧内进行，其等于每个相应分量干扰信号的四个频率周期。帧长度可以依照系统可允许的延迟进行变化。使用更大的帧能够更精确地确定振幅和相位，但是由于需要累积更多的样本，因此增加了输出延迟。

在干扰信号谐波的振幅和相移被计算之后，如上，伪影处理器54可以修改振幅值，以便限制这些值随时间的变化率。可施加该限制以便防止两个连续的振幅值之间的突变或干扰信号的振幅值和振幅的移动平均值之间的突变。

由上面的相关性方程(1)和(2)，每个谐波的振幅可以依照如下方程进行计算：

为确定对振幅值的限制，伪影处理器54计算残留信号s_n ^(m)的标准化的均方根(RMS)振幅[A^(m)]²，如下：

${\left[A_{\mathrm{RMS}}^{\left(m\right)}\right]}^2=\frac{15}{N_{60,\mathrm{av}}}\underset{n=1}{\overset{N_{60,\mathrm{av}}/15}{\mathrm{\Σ}}}{\left[s_n^{\left(m\right)}\right]}^2.$

在一些实施例中，对于[A^(m)]²的给定值，其在RMS振幅[A_RMS ^(m)]²的基础上相差了现有的依经验确定的阈值以上，A^(m)的值被紧接在前的A^(m)值取代。该限制确保ECG信号的较高频率分量，例如QRS复体(complex)的峰值，不影响干扰估计精确度。发明人发现将阈值设置为RMS振幅[A^(m)]²的21％能得到好的结果，而其他阈值也可以类似地使用。可选地，ECG监视器24的使用者能够调节该阈值。

在替换实施例中，伪影处理器54计算A^(m)与紧接在前的A^(m)值之间的差，如果二者之差大于阈值，例如在前值的10％，则保留紧接在前的值来代替更新的值。

在通过伪影处理器54处理干扰信号之后，加减模块(aggregate subtractionmodule)58对干扰信号的所有谐波求和，且从原始ECG信号减去该和，以提供干净的，经线路滤波的ECG信号，y_n：

$y_n=x_n-$

其中m＝1，2，...是干扰信号的谐波数。

干净的ECG信号，随后可传输到控制屏幕30上的显示的显示驱动器60。

图3A-3D是示意性地示出依照本发明的实施例的在通过ECG处理器28的处理的不同阶段的信号的信号图。图3A示出了原始ECG信号，例如aVR信号。该信号的典型量级在放大之前可以达到几毫伏。可以看出，该信号包括基本干扰分量。

通过以上结合图2描述的方法隔离原始ECG信号上引起的分量干扰信号。由残留发生器50产生的残留信号是后来产生的分量干扰信号的前驱。图3B示出了残留信号的例子。该信号不仅包括干扰分量，还包括ECG信号的高频分量。

相关器52和伪影处理器54处理残留信号，以产生与线路干扰频率的每个谐波相关的干扰信号。图3C示出了干扰信号的例子。如图3D所示，从原始ECG信号减去该分量干扰信号得到经线路滤波的信号。

虽然本发明的上述实施例特别地涉及从ECG信号中消除线路干扰，但是本发明的原理也可以适用于从生物医学信号的范围，如EEG，EMG以及多种电和光监测信号，消除多种种类的干扰。另外，本发明的原理可以同样地适用于其他环境和工业应用的情况下。

因此可以认识到，上述实施例是通过示例的方式被引用的，本发明并不限制于在上文中所特别示出和描述的内容。进一步，本发明的范围包括上文中所描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员通过阅读在前的说明书能够进行的和在现有技术中未公开的更改和变型。

Claims (14)

1.一种用于监测对象的心电图ECG信号的方法，包括：

从附着于对象的至少一个第一ECG电极数字采样平均信号；

确定该平均信号的平均干扰频率；

从附着于对象的至少一个第二ECG电极数字采样和缓冲原始ECG信号；

滤波该原始ECG信号以获得原始ECG信号的移动平均值，从原始ECG信号中减去移动平均值以生成包括处于平均干扰频率的频率分量和高于平均干扰频率的频率分量的残留信号；

基于该残留信号，计算处于平均干扰频率的主要干扰信号的第一振幅和第一相移以及处于相应多个平均干扰频率的一个或多个谐波干扰信号的第二振幅和第二相移；以及

从原始ECG信号中数字减去该主要干扰信号和该一个或多个谐波干扰信号，以便生成和输出干净的ECG信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中，平均信号包括威尔逊中心端WCT信号。

3.如权利要求1所述的方法，还包括在从原始ECG信号中减去主要干扰信号之前对第一振幅随时间的变化率强加限制。

4.如权利要求3所述的方法，其中，强加限制包括计算残留信号的标准化均方根振幅以及基于该标准化均方根振幅计算阈值。

5.如权利要求3所述的方法，其中，对第一振幅随时间的变化率的限制为第一限制且包括在从原始ECG信号中减去该一个或多个谐波干扰信号之前对第二振幅随时间的变化率强加第二限制。

6.如权利要求1所述的方法，其中，计算第一振幅和第一相移包括发现残留信号和具有与平均干扰频率相等的频率的周期函数之间的相关性。

7.如权利要求1所述的方法，其中，计算第二振幅和第二相移包括发现残留信号和具有与多个平均干扰频率相等的频率的周期函数之间的相关性。

8.一种用于监测对象的心电图ECG信号的装置，包括：

用于从附着于对象的至少一个第一ECG电极数字采样平均信号的部件；

用于确定平均信号的平均干扰频率的部件；

用于从附着于对象的至少一个第二ECG电极数字采样和缓冲原始ECG信号的部件；

用于滤波该原始ECG信号以获得原始ECG信号的移动平均值并从原始ECG信号中减去移动平均值以生成包括处于平均干扰频率的频率分量和高于平均干扰频率的频率分量的残留信号的部件；

用于基于该残留信号，计算处于平均干扰频率的主要干扰信号的第一振幅和第一相移以及处于相应多个平均干扰频率的一个或多个谐波干扰信号的第二振幅和第二相移的部件；以及

用于从原始ECG信号中数字减去该主要干扰信号和该一个或多个谐波干扰信号以便生成和输出干净的ECG信号的部件。

9.如权利要求8所述的装置，其中平均信号包括威尔逊中心端WCT信号。

10.如权利要求8所述的装置，还包括用于在从原始ECG信号中减去主要干扰信号之前对第一振幅随时间的变化率强加限制。

11.如权利要求10所述的装置，其中，强加限制包括计算残留信号的标准化均方根振幅以及基于该标准化均方根振幅计算阈值。

12.如权利要求10所述的装置，其中，对第一振幅随时间的变化率的限制为第一限制，且所述装置还包括用于在从原始ECG信号中减去该一个或多个谐波干扰信号之前对第二振幅随时间的变化率强加第二限制。

13.如权利要求8所述的装置，还包括用于通过发现残留信号和具有与平均干扰频率相等的频率的周期函数之间的相关性来计算第一振幅和第一相移的部件。

14.如权利要求8所述的装置，还包括用于通过发现残留信号和具有与多个平均干扰频率相等的频率的周期函数之间的相关性来计算第二振幅和第二相移的部件。

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