CN103249357B - 周期性生理信号的处理 - Google Patents

Abstract

信号处理设备通常过滤信号以降低噪声。任何过滤很可能也消除信号的有用成分。公开了一种用于信号处理的设备和方法，其中，选择固有地干净的信号周期来进行再生，使得经处理的信号保留所有的频率成分。也公开了一种使用所公开的用于处理周期性生理信号的设备和方法的系统。

Description

周期性生理信号的处理

技术领域

以下属于信号处理领域。其属于生理信号的处理并且特别是周期性生理信号的处理的领域。

背景技术

全科医师（GP）使用听诊器来倾听心音从而找出患者心脏的异常，如果有的话。为了做出可靠的诊断，GP需要熟练并且需要好的听诊器。独立研究（IEEETBME，2007）指出在由GP使用听诊器评估之后被推荐去看专科医生的患者中大约80%被发现是正常的。这表明很难使用听诊器来做出准确的诊断。

如今在市场上可获得数字听诊器。它们通过过滤、增强心音、存储声音来减少用户听到的周围环境噪音，并且一些也显示它们的可视化表示。

发明内容

这样的设备通常过滤信号以减少噪声。任何过滤很可能也消除信号的有用成分。

若有这样一种信号处理设备将是优选的：其提供保留原始信号的所有频率成分的信号并且该信号仍然具有例如比原始信号更少的噪声。

公开了一种这样的用于处理来自对象的周期性生理信号的信号处理设备，所述设备包括：周期检测单元，用于检测所述信号的周期；分析单元，用于确定所述周期的特性的值；选择单元，用于基于所确定的值来丢弃或者存储所述周期；以及串接单元，用于将所存储的周期串接以生成用于输出给用户的串接的信号。

这种设备提供了周期性生理信号的选择的周期。该信号包括原始信号的所有频率成分并且仍然可能噪声较少，并且因而对用户更加有用。该设备也可具有另外的优点：具有低的能耗，因为对信号单个周期的选择是较不计算密集的从而是较不耗能的。

所公开的设备可用于处理表示对象心跳的信号。该表示心跳的信号例如可以是由跳动的心脏产生的声音或者对象的心电描记术（ECG）信号。

也优选具有一种处理来自对象的周期性生理信号的方法，其保持原始信号的所有频率成分并且仍然可能噪声较少并且因而对用户更加有用。这种信号处理方法用于处理对象的周期性生理信号，包括如下的步骤：检测步骤，其检测所述信号的周期，分析步骤，其确定所述周期的特性的值，选择步骤，其基于所确定的值来丢弃或者存储所述周期，以及用于将所存储的周期信号串接以为用户输出的串接步骤。

该方法可能的优点是能够将一种保留原始信号的所有频率成分但是被选择为噪声更少的信号提供给使用这样的信号的用户或者诊断设备，并且因而对用户而言比原始信号或者经过滤信号更加有用。

也公开了一种用于处理并且向用户传达周期性生理信号的信号处理系统。该信号处理系统包括：探头，用于提供周期性生理信号；检测单元，用于检测所述信号的周期；分析单元，用于确定所述周期的特性的值；选择单元，用于基于所确定的值来丢弃或者存储所述周期；串接单元，用于将所存储的周期串接以生成串接的信号；以及输出单元，用于向用户输出所述串接的信号。

这种系统可提供的优点在于传达给用户的对象的周期性生理信号对于该用户而言比未处理过或者未过滤过的信号更加有用。

附图说明

以举例的方式基于以下的实施例和实现方式并参照附图来详细描述这些和其他方面，其中：

图1是所公开的设备的实施例的示意性表示；

图2是所公开的设备的另一实施例的示意性表示；

图3是所公开的设备的另一实施例的示意性表示；

图4是所公开的设备的另一实施例的示意性表示；

图5是所公开的系统的实施例的示意性表示；

图6是所公开的方法的表示；

图7是所公开的方法的实现方式的表示。

相应的附图标记当在各附图中使用时表示附图中的相应的元件。

具体实施方式

所公开的设备，在图1中概要地示为100，包括用于检测周期性生理信号的单个周期的周期检测单元101。分析器单元103分析所检测的周期并且确定该周期的特性的值。选择单元105基于该特性的值使用某个标准来丢弃或者存储该周期。串接单元（107）将所存储的周期串接以生成串接的信号。

周期性生理信号的范例可以是ECG信号、心跳的声音、归因于心跳的血流声音以及呼吸的声音。这样的周期性生理信号具有伴随感兴趣的信号的噪声信号。过滤噪声信号也可能负面地影响原始有用信号的频谱的至少部分。所公开的设备因而选择具有低噪声内容的信号周期。

所考虑的周期性信号的单元是周期性信号的一个周期。周期检测单元101从周期性信号中检测单个周期以用于进一步地分析和处理。例如，可以基于信号的最高峰来检测单个周期。例如，如果周期性信号是心跳声音信号，则在已知的时间长度上感测该信号、将其数字化并存储。检测所存储的信号的峰值。可以比较从一个峰到下一个的持续时间以看看它们是否是大致相等的。如果它们是相等的，则在任意两个连续峰之间的信号被视为一个周期。

分析单元103分析选定的信号周期并且确定该信号的某个特性的值。例如，可以确定信噪比（SNR）。为此，在某个频率以上的所有信号成分可以被视为噪声。本发明的发明人已经发现，例如，在心音信号的情况下，处理具有大于600Hz频率的信号成分并且计算SNR对于本目的是足够的。然而，600Hz并不是可以使用的唯一频率。由于SNR计算的目的是获得品质因数，因此也可使用在其以上心音不具有其他显著的频率成分的任何其他频率。选定的频率也取决于被处理的周期性生理信号的频率以及其包括的频率成分。

在特性值满足某个预定义标准的情况下，选择单元105存储周期。例如，在所确定的特性是SNR的情况下，其在SNR高于阈值的情况下选择该周期以进行存储。

串接单元107将所选定和存储的周期串接。在此应该理解，在仅有一个选定周期的情况下，串接单元反复地将该周期与同一周期串接。在实际的实现方式中，这可能意味着反复地访问或读取以及输出在存储器中存储的数字化周期，使得其表现为信号的连续周期。

在一个实施例中，在图2中概要地示为200，该设备被配置为接收心音信号210和ECG信号208两者。ECG信号具有特有的标识，通常被称为P、QRS、T和U。这使得对ECG信号的单个周期的确定变得简单。由于心跳声音与ECG信号同步，因而更容易确定心跳声音的单个周期。在图2中，标识检测单元209接收ECG信号并且检测该标识。例如，周期检测单元211使用检测到标识的时刻，检测心跳声音信号的单个周期。

然而，SNR并不是可用于选择或者丢弃信号周期的唯一特性。例如，心音具有通常被称为S1和S2或者心脏的扑-通声音的两个不同的部分。最有用的周期具有不同的S1和S2声音。因而，可以基于S1和S2的能量选择周期并进行存储。因而，其值被确定的特性是S1或S2的能量或者优选两者。如果S1或S2的能量或者S1和S2的能量总和高于相应预设阈值，则可以选择这样的周期可用于存储，将其存储和串接。本发明的发明人已经发现，S1和S2的能量总和与周期总能量的比率是对该特性的合适度量。具体而言，在能量比率大于0.5的情况下，其可以由选择单元105选定。

在一个实施例中，基于多于一个的特性的值来选择周期。换言之，例如，确定以上提及的SNR和能量比率。针对给定的周期，如果两个值都高于相应的预定阈值，那么选择单元105选择该周期。

在进一步的实施例中，在图3中概要地示为300，具有多于一个的选择单元。最初，选择单元313基于一个或多个特性的值来选择周期。其连续这么做并且在第二选择单元315中存储多个选定的周期。串接单元将这些周期串接以用于输出。然而，一旦第二选择单元具有预定数量的周期，就以不同的标准再次对这些周期进行选择。丢弃不满足第二标准的周期并且串接单元将剩余的周期串接。

在第二选择单元中使用的标准可以例如基于周期时间。周期性信号的速率随时间变化。例如，当人休息时心率下降，使得在处理声音时，由于对象正在休息心率很可能更低。第二选择可以使用这一点来进一步选择周期以用于串接。例如，通过第二选择单元来计算所有存储周期的周期时间并且计算它们的算术平均值。此外，也计算周期时间的标准差（SD或者σ）。选择具有比阈值更大的周期时间的周期并且丢弃其他的。例如，该标准可以是仅保留具有比通过从平均值减去标准差而获得的值更大的周期时间的周期。可选的，选择具有在距离平均值一个标准差之内的周期时间的所有周期。这样做的优点在于，串接的信号那么就由具有更一致周期时间的周期组成。

在此必须要注意的是，为了更加清楚地理解，以上将第一选择单元313和第二选择单元315描述为分离的单元。然而，在实际设备中，同一选择单元可以执行所有所描述的功能。在这样的情况下，被组合在一起的选择单元313和315可以如前地称为105，如图3中的虚线所指示。

图4是所公开的设备的另一实施例的示意图，其包括用于以适合用户的形式来输出串接的信号的输出单元417。该输出单元可包括一个或多个驱动器，用于驱动音频设备-例如耳机、视频显示单元、触觉设备、数字存储单元以及打印机。用户可以，例如，同时使用这些中的一个或多个。例如在观看显示单元（未示出）上的心音波形的同时倾听心音。用户也可进行打印输出作为记录以备后用。

迄今描述的设备可用作周期性生物学信号的来源与基于心音来自动识别对象心脏的病理状况的设备之间的接口。例如，所公开的设备可以将信号提供给，例如，在公开专利说明书WO-2009138932-A1中所描述的设备，该专利被转让给与本申请人相同的受让人。由于信号没有被过滤而仍然具有高的SNR，因此在引用的说明书中所描述设备的功能很可能比使用未处理或过滤信号时更加稳健。

也描述了一种信号处理系统。在图5中概要地示为500，该系统用于处理周期性生理信号以及用于将其传达给用户。这种系统包括用于感测周期性生理信号并且生成信号210的一个或多个的传感器519。该传感器可以是来自包括但不限于，驻极体换能器、电动力换能器、压电换能器或者电容换能器，的组中的任何适当类型。这可以可操作地永久连接至壳体中的功能单元或者可拆卸地与它们连接。该系统也包括ECG电极和引线521，例如那些本领域公知的，其可操作地永久连接至壳体中的功能单元或者可拆卸地与它们连接以提供ECG信号。在周期检测单元211中检测ECG信号或者其他周期性生理信号的单个周期。

如先前描述的，可以用ECG标识检测单元209在ECG信号的辐助下检测其他周期性生理信号的周期。分析单元103确定通过周期检测单元103检测到的周期的特性的一个或多个值。选择单元313基于选定的一个或多个特性的检测值来选择信号以用于进一步操作。如之前所描述，第二选择单元315可以基于其他特性来做出进一步的选择。串接单元107将所存储的选定周期串接。输出单元417进一步处理串接的信号。使用输出信号来驱动可视化显示单元523、音频输出换能器525、触觉单元527、用于打印波形的打印机529以及用于存储信号的存储单元531中的一个或多个。

存储设备531可以是系统的部分。其也可以是用于将串接的信号存储在诸如光盘的可移动介质的设备。从串接单元107出来的串接的信号可以是数字形式并且可以被按原样存储。可选地，输出单元可以压缩信号，优选使用无损压缩，以用于存储。这些信号也可以经由输出连接器533，例如USB连接器，输出，以用于存储在其他远程的便携式存储器设备上。

虽然将系统描述为具有来自所公开的设备的所有实施例的要素，但是并非必须如此。基于本公开，系统设计者可以选择尤其适于将被处理和传达给用户的信号类型的组合。例如，在仅处理ECG信号的情况下，该系统不需要具有与音频相关设备。

现在将参照图6来详细描述所公开的方法。所公开的方法概要地示为600。在检测步骤635中，检测周期性生理信号的单个周期。

确定周期的一种方式是在足够长的时期上记录信号以记录已知数量的周期。由于已知被记录的周期性生理信号的频率范围，因此可能计算出这么做所需的时间。然后，检测信号的峰。两个峰之间的信号被视为一个周期。

一旦检测到单个周期，就在分析步骤637中确定信号的已知特性。最明显的特性是信噪比（SNR）。本发明的发明人已经发现，处理具有大于600Hz频率的信号成分并且计算SNR对于作为示例性周期性生理信号的心跳声音信号是足够的。可以得到针对其他信号的类似的阈值频率。然而，即使对于心跳声音信号，600Hz也不是唯一可使用的频率。由于SNR计算的目的是获得品质因数，因而可以使用周期性生理信号在其以上不具有显著贡献的任何其他频率。

通过使用以下给出的等式，可以计算出针对单个周期的SNR。例如，对于P_n(n)项，发现4000Hz的上限截止频率是用于心跳声音信号的适当频率，因为心脏信号中的在这之上频率的能量是可忽略不计的。

其中， $P_s\left(n\right)=\underset{f=1}{\overset{600}{\mathrm{\Σ}}}{\left|X(f,n)\right|}^2$ 以及 $P_n\left(n\right)=\underset{f=600}{\overset{4000}{\mathrm{\Σ}}}{\left|X(f,n)\right|}^2$

在选择步骤639中，基于信噪比的值来丢弃或者选择周期以用于存储。一旦选定了至少一个周期，就在串接步骤641中将其串接。将单个周期串接等效于反复地重放同一信号。

随着选择了更多的周期用于存储，并且同时，从存储器中读取它们或者反复地按顺序重放它们以提供连续的串接的信号。

可选地，在分析步骤637中确定的周期性生理信号的周期特性是该周期某个部分的能量。例如，在ECG信号中，可以确定其中的波之一的能量。该部分可是P波、QRS波、T波以及U波中的一个或多个。

对于心跳声音信号，计算和选择标准可如下地表达，其中S1_能量，S2_{能 量}和Sig_能量分别是S1，S2和总信号的能量。

为了具有时间上更加一致的信号，在所公开的方法的另一实现方式中，在图7中概要地示为700，包括第二选择步骤740。在基于一个或多个选定特性的值来选择独立的周期之后，在第二选择步骤740中，测量每个周期的时间期间并且基于每个周期的该时间期间来做出进一步的选择。这样做的一个方式是，计算所有存储周期的周期时间的平均值和标准差，并且仅选择那些周期时间至少为从平均值减去一个标准差的周期。其可以被表达为如下的不等式，其中T_周期是指定周期的周期时间，T_平均值是基于一个或多个特性而先前选定的所有周期的周期时间的平均值，并且σ是标准差。有了这个，周期时间之间的变化被限制，并且如所描述的，其因而在时间上比初始选定的所有周期的串接的信号更加一致。

T_周期>T_平均值-σ

应该理解，可以在周期检测步骤中在检测周期时确定周期时间。该周期时间可以在做出第二选择时使用。

虽然已经在附图和描述中详细描述了实施例，但是应该将这样的附图和描述认为是示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

例如，可以在如下的布置中实践本发明，其中，实践本发明所需的硬件可以被构建为所谓的扩展单元或者改装单元，并且适当地与常规的或者现有技术的系统或器械互连。也可能具有多于一个的计算机存储器单元来存储周期数据或者其他数据。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的本发明时，可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，措辞“包括”不排除除了所提及的那些之外的其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。单个处理器或其他单元可实现在权利要求中所陈述的几项功能。在互不相同的从属权利要求中陈述了特定措施这一仅有事实，并不表示不能有利地组合这些措施。权利要求中的任何附图标记不应当被解读为对范围的限制。

Claims (14)

1.一种用于处理对象的周期性生理信号的信号处理设备(100)，所述设备包括：

周期检测单元(101)，用于检测所述信号的周期；

分析单元(103)，用于确定所述周期的至少选定部分的能量特性的值以及所述周期的所述选定部分的能量特性与所述周期的能量特性的比率中的至少一个；

选择单元(105)，用于基于所确定的值来丢弃或者存储所述周期，其中，所述选择单元基于第一特性的值来存储周期，并且随后丢弃不满足与所述第一特性不同的第二特性的一个或多个标准的周期；以及

串接单元(107)，用于将所存储的周期串接以生成用于为用户输出的串接的信号。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述生理信号表示对象的心跳。

3.如权利要求2所述的设备，其中，所述生理信号表示对象的所述心跳的声音。

4.如权利要求3所述的设备，其中，所述周期检测单元被配置为基于所述信号中的峰来检测周期。

5.如权利要求3所述的设备，其中，所述周期检测单元(211)用于基于所述对象的心电描记信号来检测周期。

6.如权利要求1所述的设备，其中，所述分析单元(103)用于确定信噪比、以及所述周期的持续时间中的至少一个。

7.如权利要求5所述的设备，其中，所述分析单元是用于基于所述心电描记信号来确定所述周期的持续时间。

8.如权利要求1所述的设备，其中，所述选择单元是用于存储如下的周期，所述周期具有满足一个或多个标准的所确定的值。

9.如权利要求8所述的设备，其中，所述第二特性的标准是基于与所存储的周期相关联地确定的统计量。

10.如权利要求1所述的设备，还包括输出单元(417)，所述输出单元(417)用于通过视觉显示器、电声音频换能器、用于保存在存储器设备上的数字音频信号以及打印机中的至少一个来输出所述串接的信号。

11.一种用于处理周期性生理信号以及用于将其传达给用户的信号处理系统，所述信号处理系统包括：

探头，用于提供周期性生理信号；

检测单元，用于检测所述信号的周期；

分析单元，用于确定所述周期的至少选定部分的能量特性的值以及所述周期的所述选定部分的能量特性与所述周期的能量特性的比率中的至少一个；

选择单元，用于基于所确定的值来丢弃或者存储所述周期，其中，所述选择单元基于第一特性的值来存储周期，并且随后丢弃不满足与所述第一特性不同的第二特性的一个或多个标准的周期；

串接单元，用于将所存储的周期串接以生成串接的信号；以及

输出单元，用于向用户输出所述串接的信号。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述输出单元经由一个或多个输出设备来输出所述信号，所述一个或多个输出设备来自包括音频输出设备、视频显示器、触觉输出设备以及打印输出的组。

13.一种用于处理周期性生理信号的信号处理方法(600)，所述方法包括以下步骤：

检测步骤(635)，其检测所述信号的周期；

分析步骤(637)，其确定所述周期的至少选定部分的能量特性的值以及所述周期的所述选定部分的能量特性与所述周期的能量特性的比率中的至少一个；

选择步骤(639)，其基于所确定的值来丢弃或者存储所述周期，其中，所述选择步骤基于第一特性的值来存储周期，并且随后丢弃不满足与所述第一特性不同的第二特性的一个或多个标准的周期；

以及串接步骤(641)，其将所存储的周期信号串接以用于为用户输出。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述周期性信号表示对象的心跳。