CN110755069B - 一种跳跃突变噪声的动态心电信号基线漂移校正方法 - Google Patents

Abstract

一种跳跃突变噪声的动态心电信号基线漂移校正方法，通过准确检测心电信号中包含的跳跃突变区域，并分段单独处理，可以改善传统滤波方法处理该类区域时基线提取不准确导致的心电信号变形问题。适用于各种含有基线漂移的心电信号的基线漂移校正处理，尤其是可穿戴式的动态心电信号。得到的基线漂移校正信号的波形明显优于其他方法。

Description

一种跳跃突变噪声的动态心电信号基线漂移校正方法

技术领域

本发明涉及心电信号噪声处理技术领域，具体涉及一种跳跃突变噪声的动态心电信号基线漂移校正方法。

背景技术

基线漂移是心电信号中频率小于1Hz的常见噪声。基线校正对于正确诊断ST段抬高或降低等心电异常十分重要。目前常用的基线校正方法有高通滤波、中值滤波、小波变换、样条插值、数学形态学滤波、自适应滤波等。

随着Holter等动态心电监测设备的广泛使用、尤其是近年来小型化的穿戴式、便携式心电监测终端的快速发展，运动干扰成为心电信号的主要噪声源之一，基线漂移变得更加严重，不仅幅度增加而且频率增大，与正常心电信号的频率有一定重合。更为严重的是，在较大幅度动作下人体皮肤与电极之间的阻抗会随位移变化出现快速的升高或降低，导致采集的信号幅值在不足100ms的较短时间内产生跳跃突变，变化可达0.5mV以上(如附图1的区域A、B、C所示)。

然而，上述基线校正方法均没有针对信号局部特征单独处理，基线提取中对跳跃突变区域不敏感，不能有效校正突变区域内产生的较为严重的基线漂移现象。只有中值滤波方法能够检测到突变发生的位置，并进行校正。但中值滤波方法对突变区域定位不准确或不能检测完整突变区域并处理。因此，对动态心电信号中跳跃突变区域进行正确识别和有效消除是动态心电信号基线漂移校正阶段一个较大的挑战。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种能够准确定位发生跳跃突变的区域，通过对跳跃突变区域和平缓变化区域分段单独处理，得到较优的基线漂移校正结果的动态心电信号基线漂移校正方法。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种跳跃突变噪声的动态心电信号基线漂移校正方法，包括如下步骤：

a)利用计算机对心电信号中跳跃突变区域进行检测，得到心电信号中的平缓变化区域和跳跃突变区域；

b)对跳跃突变区域进行单独处理，提取跳跃突变区域内的基线bw_u；

c)提取平缓变化区域内的基线bw_c，利用滑动平均法对提取的基线进行平滑处理；

d)将提取的跳跃突变区域内的基线bw_u与平缓变化区域内的基线bw_c进行合并，合并后得到初始基线bw，得到校正后的数据，跳跃突变区域与平缓变化区域连接点间的误差通过滤波组合的方法进行平滑处理。

进一步的，步骤a)通过以下步骤处理：

a-1)利用计算机对心电信号中含基线漂移和跳跃突变噪声的心电信号y使用宽度为200ms和600ms的中值滤波器进行过滤，得到去除R波影响的基线信号y'；

a-2)通过公式

对基线信号y'采用宽度为30ms的信号长度变换处理，得到P波、T波被抑制跳跃突变区域明显的信号L_i，式中w＝30ms,i＝{0,1,2,...N_w},N_w为该段信号内窗口的数量，Δy_k＝y_k-y_k-1，fs为信号采样频率，y_k为心电信号y中第k个采样点的幅值，y_k-1为心电信号y中第k-1个采样点的幅值；

a-3)定义阀值thr_min，thr_min＝1.1*min(L_i)，将信号L_i中满足L_i＞thr_min的区域加入候选集，不满足L_i＞thr_min的区域加入平缓变化区域，计算变换后信号L_i的香浓熵H、计算第i个候选区域香浓熵H_i及振幅变化范围Amp_i，定义幅度变化阀值为thr_a；

a-4)遍历候选集中每个区域，将满足条件H_i＞H且Amp_i＞thr_a的区域加入跳跃突变区域，将不满足条件H_i＞H且Amp_i＞thr_a的区域加入平缓变化区域。

进一步的，步骤b)中利用滑动平均法平滑中值滤波基线信号y'，得到跳跃突变区域内的基线bw_u。

进一步的，步骤c)中通过遍历跳跃突变区域，对每个突变区域单独处理，将该区域内基线定义为(1-thr_r)*该区域内的含噪信号，处理后的基线定义为bw_c，其中thr_r为缩放率，

进一步的，步骤d)通过以下步骤处理：

d-1)通过公式

计算得到初始平滑基线bw1，其中S＝0.1*fs，式中

为形态学的开运算，·为形态学闭运算；

d-2)通过公式

计算使用宽度为w_f个样本点的平滑滤波方法对初始平滑基线bw1进行平滑处理，得到最终的基线bw'，通过公式y-bw'计算得到最终校正后的信号。

进一步的，步骤a-3)中通过公式

计算香浓熵H，式中将信号按照其幅值分为n段，j＝{0,1,2,...K}，P_j为变换后信号属于第j段的概率值；通过公式

计算第i个候选区域香浓熵H_i，式中将信号按照其幅值分为k段，P_Lj为候选区域i内第j段的概率值；通过公式Amp_i＝abs(y_i1-y_iw)计算振幅变化范围Amp_i，式中y_i1为第i个区域的第一个元素的值，y_iw为第i个区域的最后一个元素w的值。

本发明的有益效果是：通过准确检测心电信号中包含的跳跃突变区域，并分段单独处理，可以改善传统滤波方法处理该类区域时基线提取不准确导致的心电信号变形问题。适用于各种含有基线漂移的心电信号的基线漂移校正处理，尤其是可穿戴式的动态心电信号。得到的基线漂移校正信号的波形明显优于其他方法。

附图说明

图1为心电信号中跳跃突变区域的示例图；

图2为本发明的跳跃突变区域的检测流程图；

图3为本发明的平缓变化区域和跳跃变化区域基线提取流程图；

图4为本发明的平滑基线流程图；

图5为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2对本发明做进一步说明。

一种跳跃突变噪声的动态心电信号基线漂移校正方法，包括如下步骤：

a)利用计算机对心电信号中跳跃突变区域进行检测，得到心电信号中的平缓变化区域和跳跃突变区域；

b)对跳跃突变区域进行单独处理，提取跳跃突变区域内的基线bw_u；

c)提取平缓变化区域内的基线bw_c，利用滑动平均法对提取的基线进行平滑处理；

d)将提取的跳跃突变区域内的基线bw_u与平缓变化区域内的基线bw_c进行合并，合并后得到初始基线bw，得到校正后的数据，跳跃突变区域与平缓变化区域连接点间的误差通过滤波组合的方法进行平滑处理。

通过准确检测心电信号中包含的跳跃突变区域，并分段单独处理，可以改善传统滤波方法处理该类区域时基线提取不准确导致的心电信号变形问题。适用于各种含有基线漂移的心电信号的基线漂移校正处理，尤其是可穿戴式的动态心电信号。得到的基线漂移校正信号的波形明显优于其他方法。

进一步的，如附图2所示，步骤a)通过以下步骤处理：

a-1)利用计算机对心电信号中含基线漂移和跳跃突变噪声的心电信号y使用宽度为200ms和600ms的中值滤波器进行过滤，得到去除R波影响的基线信号y'；

a-2)通过公式

对基线信号y'采用宽度为30ms的信号长度变换处理，得到P波、T波被抑制跳跃突变区域明显的信号L_i，式中w＝30ms,i＝{0,1,2,...N_w},N_w为该段信号内窗口的数量，Δy_k＝y_k-y_k-1，fs为信号采样频率，y_k为心电信号y中第k个采样点的幅值，y_k-1为心电信号y中第k-1个采样点的幅值；

a-3)定义阀值thr_min，thr_min＝1.1*min(L_i)，将信号L_i中满足L_i＞thr_min的区域加入候选集，不满足L_i＞thr_min的区域加入平缓变化区域，计算变换后信号L_i的香浓熵H、计算第i个候选区域香浓熵H_i及振幅变化范围Amp_i，定义幅度变化阀值为thr_a；

a-4)遍历候选集中每个区域，将满足条件H_i＞H且Amp_i＞thr_a的区域加入跳跃突变区域，将不满足条件H_i＞H且Amp_i＞thr_a的区域加入平缓变化区域。

进一步的，如附图3所示，步骤b)中利用滑动平均法平滑中值滤波基线信号y'，得到跳跃突变区域内的基线bw_u。

进一步的，如附图3所示，步骤c)中通过遍历跳跃突变区域，对每个突变区域单独处理，将该区域内基线定义为(1-thr_r)*该区域内的含噪信号，处理后的基线定义为bw_c，其中thr_r为缩放率，

进一步的，如附图4所示，步骤d)通过以下步骤处理：

d-1)通过公式

计算得到初始平滑基线bw1，其中S＝0.1*fs，式中

为形态学的开运算，·为形态学闭运算。

即用S先对bw进行腐蚀操作，然后再进行膨胀操作。

即用S先对bw进行膨胀操作，然后再进行腐蚀操作。

d-2)通过公式

计算使用宽度为w_f个样本点的平滑滤波方法对初始平滑基线bw1进行平滑处理，得到最终的基线bw'，通过公式y-bw'计算得到最终校正后的信号。

进一步的，步骤a-3)中通过公式

计算香浓熵H，式中将信号按照其幅值分为n段，j＝{0,1,2,...K}，P_j为变换后信号属于第j段的概率值；通过公式

计算第i个候选区域香浓熵H_i，式中将信号按照其幅值分为k段，P_Lj为候选区域i内第j段的概率值；通过公式Amp_i＝abs(y_i1-y_iw)计算振幅变化范围Amp_i，式中y_i1为第i个区域的第一个元素的值，y_iw为第i个区域的最后一个元素w的值。

Claims (5)

1.一种跳跃突变噪声的动态心电信号基线漂移校正方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)利用计算机对心电信号中跳跃突变区域进行检测，得到心电信号中的平缓变化区域和跳跃突变区域；

步骤a)通过以下步骤处理：

a-1)利用计算机对心电信号中含基线漂移和跳跃突变噪声的心电信号y使用宽度为200ms和600ms的中值滤波器进行过滤，得到去除R波影响的基线信号y′；

a-2)通过公式

对基线信号y′采用宽度为30ms的信号长度变换处理，得到P波、T波被抑制跳跃突变区域明显的信号L_i，式中w＝30ms,i＝{0,1,2,...N_w},N_w为该段信号内窗口的数量，Δy_k＝y_k-y_k-1，fs为信号采样频率，y_k为心电信号y中第k个采样点的幅值，y_k-1为心电信号y中第k-1个采样点的幅值；

a-3)定义阀值thr_min，thr_min＝1.1*min(L_i)，将信号L_i中满足L_i＞thr_min的区域加入候选集，不满足L_i＞thr_min的区域加入平缓变化区域，计算变换后信号L_i的香浓熵H、计算第i个候选区域香浓熵H_i及振幅变化范围Amp_i，定义幅度变化阀值为thr_a；

a-4)遍历候选集中每个区域，将满足条件H_i＞H且Amp_i＞thr_a的区域加入跳跃突变区域，将不满足条件H_i＞H且Amp_i＞thr_a的区域加入平缓变化区域；

b)对跳跃突变区域进行单独处理，提取跳跃突变区域内的基线bw_u；

c)提取平缓变化区域内的基线bw_c，利用滑动平均法对提取的基线进行平滑处理；

d)将提取的跳跃突变区域内的基线bw_u与平缓变化区域内的基线bw_c进行合并，合并后得到初始基线bw，得到校正后的数据，跳跃突变区域与平缓变化区域连接点间的误差通过滤波组合的方法进行平滑处理。

2.根据权利要求1所述的跳跃突变噪声的动态心电信号基线漂移校正方法，其特征在于：步骤b)中利用滑动平均法平滑中值滤波基线信号y′，得到跳跃突变区域内的基线bw_u。

3.根据权利要求1所述的跳跃突变噪声的动态心电信号基线漂移校正方法，其特征在于：步骤c)中通过遍历跳跃突变区域，对每个突变区域单独处理，将该区域内基线定义为(1-thr_r)*该区域内的含噪信号，处理后的基线定义为bw_c，其中thr_r为缩放率，

4.根据权利要求1所述的跳跃突变噪声的动态心电信号基线漂移校正方法，其特征在于：步骤d)通过以下步骤处理：

d-1)通过公式

计算得到初始平滑基线bw1，其中S＝0.1*fs，式中

为形态学的开运算，·为形态学闭运算；

d-2)通过公式

计算使用宽度为w_f个样本点的平滑滤波方法对初始平滑基线bw1进行平滑处理，得到最终的基线bw'，通过公式y-bw'计算得到最终校正后的信号。

5.根据权利要求1所述的跳跃突变噪声的动态心电信号基线漂移校正方法，其特征在于：步骤a-3)中通过公式

计算香浓熵H，式中将信号按照其幅值分为n段，j＝{0,1,2,...K}，P_j为变换后信号属于第j段的概率值；通过公式

计算第i个候选区域香浓熵H_i，式中将信号按照其幅值分为k段，P_Lj为候选区域i内第j段的概率值；通过公式Amp_i＝abs(y_i1-y_iw)计算振幅变化范围Amp_i，式中y_i1为第i个区域的第一个元素的值，y_iw为第i个区域的最后一个元素w的值。

Images