CN105266799B - 一种基于盲分离技术的心电放大器自动增益控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于盲分离技术的心电放大器自动增益控制方法。包括如下步骤：1）采集人体的原始心电信号；2）通过放大器放大，并利用A/D转换器，将原始心电信号转换为心电数字信号；3）利用处理器对心电数字信号进行盲分离处理，从中提取出原始心电信号中的基线数字信号；4）将得到的基线数字信号通过D/A转换器转换为模拟电压信号；5）将得到的模拟电压信号作为调整放大器增益的负反馈，动态调整放大器增益，从放大器的输出端获得的就是进行动态增益补偿后的心电信号。本发明能有效地提高心电信号的信噪比，使得采集到的心电波形更加清晰，质量更好。

Description

一种基于盲分离技术的心电放大器自动增益控制方法

技术领域

本发明是一种基于盲分离技术的心电放大器自动增益控制方法，属于基于盲分离技术的心电放大器自动增益控制方法的创新技术。

背景技术

随着现代人生活节奏的加快，工作压力的不断增加，心血管疾病成为了一种相当普遍的疾病，威胁着人类的身体健康。而目前医院中普遍采用心电监测仪作为诊断这类疾病的主要判别依据。心电图由人体体表记录到的心电波形组成，记录的是一段电压随时间变化的曲线。由于其在使用过程中具有诊断可靠、使用方便及对人体无损等优点，目前的临床检测中得到了广泛的应用。

心电图中ST段的水平变化趋势可以有效反映多种心血管疾病的临床特征，其中对心肌梗死、心肌缺血等急性疾病的诊断与治疗有重要价值。由于ST段的频率约为0.7Hz，而由于采集设备与人体自身原因所产生的基线信号的频率约为0.05Hz～5Hz，两者的频率有重叠。这直接导致了心电图ST段存在明显的干扰，增加诊断与治疗心血管疾病的难度。在这其中，由人体呼吸效应所产生的基线漂移最为严重。

胎儿心电是反映胎儿宫内生理活动的客观指标之一,是围产期胎儿监护的一种有效手段。通过医用设备对胎儿心电进行检测可以在早期有效地诊断妊娠期和分娩期的胎儿宫内缺氧及先天性心脏病,降低围产儿发病率与死亡率。在临床环境中，通常采用间接法采集胎儿心电，即将心电采集电极贴在孕妇腹壁，通过母体腹壁间接提取胎儿心电,避免了对母体和胎儿的损伤。最终采集到的胎儿心电信号需通过羊水、孕妇腹腔、孕妇皮肤等组织传至孕妇体表,致使胎儿心电信号较弱、不稳定,容易受到母体心电及其它噪声的严重干扰。其中，有母亲呼吸效应所产生的基线漂移严重影响了胎儿心电的观测，极不利于胎儿疾病的诊断与治疗。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种能有效地提高心电信号的信噪比，使得采集到的心电波形更加清晰，质量更好的基于盲分离技术的心电放大器自动增益控制方法。本发明可以根据原始采集信号中的基线干扰的作用，动态调整放大器参数，使感兴趣的目标信号得到有效的放大，同时能抑制干扰信号的影响。

本发明的技术方案是：本发明的基于盲分离技术的心电放大器自动增益控制方法，包括如下步骤：

1)采集人体的原始心电信号；

2)通过放大器放大，并利用A/D转换器，将原始心电信号转换为心电数字信号；

3)利用处理器对心电数字信号进行盲分离处理，从中提取出原始心电信号中的基线数字信号；

4)将得到的基线数字信号通过D/A转换器转换为模拟电压信号；

5)将得到的模拟电压信号作为调整放大器增益的负反馈，动态调整放大器增益，从放大器的输出端获得的就是进行动态增益补偿后的心电信号。

上述步骤1)通过电极采集人体的心电信号。

上述步骤3)处理器对数字信号进行盲分离处理的具体盲分离方法采用的是WICA方法，该方法是小波变换与独立分量分析结合的方法。

本发明在对心电信号进行观测与诊断分析之前，以盲分离技术分离得到的基线作为放大器的负反馈信息，动态调整放大器增益，达到抑制基线的目的。与现有技术相比，本发明的优势在于在放大器端对由人体呼吸引起的乘性噪声起到抑制的作用，而常规的做法是利用信号处理的方法对乘性噪声进行后期的处理，这在实际的工程实现上存在明显的困难。通过本发明能有效地提高心电信号的信噪比，使得采集到的心电波形更加清晰，质量更好。本发明是一种方便实用的基于盲分离技术的心电放大器自动增益控制方法。

附图说明

图1为本发明基于盲分离技术的心电放大器自动增益控制方法的流程图；

图2是本发明的系统示意图；

图3是WICA方法的示意图；

图4是存在基线漂移的原始信号示意图；

图5是利用盲分离方法提取到的基线信号示意图；

图6是通过负反馈调整放大器增益后得到的心电放大信号示意图。

具体实施方式

实施例：

本发明的基于盲分离技术的心电放大器自动增益控制方法的流程图如图1所示，本发明的

1)通过电极采集人体的原始心电信号x(t)；

2)通过放大器对采集到的原始心电信号x(t)进行放大，再经过A/D转换器转换为心电数字信号x(n)；

3)利用处理器对数字信号进行盲分离处理，从心电数字信号x(n)中提取出原始心电信号中的基线数字信号d(n)；

4)利用D/A转换器将基线数字信号d(n)转换为模拟电压信号d’(t)；

5)以模拟电压信号d’(n)作为放大器的负反馈信号，动态调整放大器的增益，从放大器的输出端获得的就是进行动态增益补偿后的心电信号。

本发明的上述过程最终实现放大器对人体呼吸效应导致的心电信号幅度变化的补偿，提高心电信号采集的质量。

本实施例中，上述步骤3)中，处理器对数字信号进行盲分离处理的具体盲分离方法采用的是WICA方法，该方法是小波变换(WT)与独立分量分析(ICA)结合的方法，能够结合两种信号处理方法的各自的特点。其中，小波变换(WT)的优势在于分析非平稳信号，可通过可变时频窗对心电数字信号x(n)进行分解，得到多导的WT系数序x₁(n),x₂(n),…,x_M(n)；接着利用独立分量分析(ICA)方法对系数序进行寻优求解，并最终实现独立分量基线信号d(n)的分解与提取。

所述步骤2)中，放大器放大与A/D转换后得到的心电数字信号x(n)，波形如图4所示。其中信号的采样率为500Hz，从波形上可以观察到信号中存在明显的基线偏移。

所述步骤3)中的盲分离方法采用WICA方法，该方法是小波变换(WT)与独立分量分析(ICA)结合的，WICA法的流程图如图2所示。

其中，通过小波变换(WT)可以将采集到的一路心电数字信号x(n)通过小波分解与单支重构得到多导的WT系数序x₁(n),x₂(n),x₃(n)作为3通道信号；

接着，利用小波变换后得到的3通道信号x₁(n),x₂(n),x₃(n)作为ICA的输入信号，进行基线信号的分解提取。这里采用的是FastICA算法，其数学模型表示为：

x_i(n)＝As_i(n)

其中，s_i(n)＝[s₁(n),s₂(n),...,s_M(n)]^T为由M路源信号组成的矩阵，A为M*M维未知的混合矩阵，x_i(n)＝[x₁(n),x₂(n),...,x_M(n)]^T为由M路观测信号组成的矩阵。此次方案实施中x_i(n)就是由三路信号x₁(n),x₂(n),x₃(n)组成的矩阵。

对源信号的估计可以表示为：

z_i(n)＝Wx_i(n)＝WAs_i(n)

其中，W为M*M维的解混矩阵，z_i(n)＝[z₁(n),z₂(n),...,z_M(n)]^T表示对源信号的估计，使之满足W＝A^-1。z_i(n)中就包含基线信号d(n)，得到的基线信号如图5所示。

所述步骤4)中的D/A转换器可以将由步骤2)中估计得到的基线数字信号d(n)转换为对应的模拟电压信号d’(t)，并以此作为放大器的控制反馈信号。

所述步骤5)中的放大器根据负反馈信号d’(t)动态地调整放大增益，最终实现在输出端获得动态增益补偿后的心电信号，波形如图6所示。最终实现放大器对人体呼吸效应导致的心电信号幅度变化的补偿，提高心电信号采集的质量。

本发明克服现有生物电放大器的不足，提供一种利用盲分离技术动态调整放大器增益的方法，本发明利用盲分离方法提取基线信号，以此作为反馈信号来动态调整放大器增益的方法，以达到放大器对人体呼吸效应导致的心电信号幅度变化的补偿，相比于现有的技术，本发明可以根据原始采集信号中的基线干扰的作用，动态调整放大器参数，使感兴趣的目标信号得到有效的放大，同时能抑制干扰信号的影响，最终提高心电信号采集的质量的目的。该方法结构简单，易于实现，解决了心电等生物电采集与监测过程中，基线信号所引起的干扰问题。

上述实施例为本发明其中一种效果较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何为背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含着本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于盲分离技术的心电放大器自动增益控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1）采集人体的原始心电信号；

2）通过放大器放大，并利用A/D转换器，将原始心电信号转换为心电数字信号；

3）利用处理器对心电数字信号进行盲分离处理，从中提取出原始心电信号中的基线数字信号；上述步骤3）处理器对数字信号进行盲分离处理的具体盲分离方法采用的是WICA方法，该方法是小波变换与独立分量分析结合的方法;

4）将得到的基线数字信号通过D/A转换器转换为模拟电压信号；

5）将得到的模拟电压信号作为调整放大器增益的负反馈，动态调整放大器增益，从放大器的输出端获得的就是进行动态增益补偿后的心电信号。

2.根据权利要求1所述的基于盲分离技术的心电放大器自动增益控制方法，其特征在于上述步骤1）通过电极采集人体的心电信号。