CN110930973A - 一种电生理信号噪声控制方法 - Google Patents

一种电生理信号噪声控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及人体电生理信号处理技术领域，具体的讲是一种电生理信号噪声控制方法，按如下步骤进行：步骤1：对带噪声的电生理信号进行阻抗变换、模拟放大和模拟信号调理；步骤2：对经过步骤1调理后的电生理信号进行采样通道切换；步骤3：对经过步骤2采样通道切换后的电生理信号进行模数转换；步骤4：使用ADC对经过步骤3模数转换后的电生理信号进行过采样；步骤5：使用数字低通滤波器对数字信号进行滤波；步骤6：对滤波后的数字信号进行m降采样，本发明与现有技术相比，耗用的存储空间少，仅需在处理器中保存数字域内低通滤波器系统函数的各项系数，时延较低，可获得实时的信号波形，不需要复杂的算法，易于实现，具有较高的稳定性。

Description

一种电生理信号噪声控制方法
技术领域
本发明涉及人体电生理信号处理技术领域，具体的讲是一种电生理信号噪声控制方法。
背景技术
在电生理系统中，来自于人体的模拟电生理信号（频带范围约为0-500Hz）通过各类体表、体内电极被拾取后，经过电生理系统中的模拟信号放大装置放大，并被模拟信号调理装置（通常为低通滤波器和工频陷波器）调理后，送到模数转换器（ADC）中，转换为数字信号。之后，电生理系统内部或外部的计算装置对该数字信号进行进一步的调理，并进行编码和传输，显示在屏幕上，成为对医师具有诊断意义的电生理信号波形。
然而，电生理信号的模拟放大和调理环节，由于电生理信号内阻大、幅度小、易受干扰，需要采用高输入阻抗、高增益、噪声小的模拟放大器件。尽管如此，这类模拟器件在工作时，易受到环境温度的影响，在内部存在热噪声。
与此同时，电生理系统的使用环境中（如导管室、手术室等），常常会存在电源波动、高频电磁场、电离辐射等干扰因素。这些不利因素，会使得电生理信号被噪声所污染，而这类噪声，基本上是带限白噪声和工频干扰信号，其中带限白噪声难以用模拟的方法滤除。而经过ADC转换成数字信号之后，可以对电生理信号进行处理，减少噪声的影响。
现有技术中，常采用滑动平均法、累加平均法和小波变换法进行上述数字信号处理。对于滑动平均法，虽实现较为简便，但会耗用较多的存储空间，同时会引入信号的时延。对于累加平均法，需要大量存储空间，而且无法得到实时的信号波形。对于小波变换法，需要的算法非常复杂，可能占用较多计算资源。由此看来，上述三种常用的数字信号处理方法，并不完全适用于电生理信号。
为此在电生理系统中设计一种降低电生理信号噪声的信号采集的处理方法是十分有必要的。
发明内容
本发明突破现有技术的难题，设计了一种降低电生理信号噪声的信号采集的处理方法。
为了达到上述目的，本发明设计了一种电生理信号噪声控制方法，其特征在于：按如下步骤进行：
步骤1：对带噪声的电生理信号进行阻抗变换、模拟放大和模拟信号调理；
步骤2：对经过步骤1调理后的电生理信号进行采样通道切换；
步骤3：对经过步骤2采样通道切换后的电生理信号进行模数转换；
步骤4：使用ADC对经过步骤3模数转换后的电生理信号进行过采样；
步骤5：使用数字低通滤波器对数字信号进行滤波；
步骤6：对滤波后的数字信号进行m降采样。
所述步骤2中的采样通道切换的切换逻辑为顺次采集、顺次清零采集、间隔q通道采集、间隔q通道清零采集中的任意一种或几种。
所述步骤4中的过采样的采样频率为fs=2k KHz，其中k=4，5，6，7……，fs最大值为所使用的ADC的最高采样频率。
所述步骤5中的数字低通滤波器的通带频率fPassband = fH，截止频率fStopband ＞fH，阻带衰减AStopband≥ 60dB，冲激响应为无限长或有限长，滤波器的阶数小于20。
所述步骤6中的m=2j，其中m为降采样因子，j为非负整数，j=0，1，2，3……，当信号进行所述m降采样后，保持新的采样率fs’ = fs/ m ≥ 2fH。
所述顺次采集为从通道1开始采集，然后切换到通道2，采集通道2后，依次采集到通道N，通道N采集后，重新切换到通道1采集。
所述顺次清零采集为从通道1开始采集，然后切换到接地通道，采集接地通道后，再切换到通道2，然后再切换到接地通道采集，依次在采集通道和接地通道之间切换采集到通道N，通道N采集后，切换到接地通道采集，然后重新切换到通道1采集。
所述间隔q通道采集为假设采集的次数为p，从通道i开始采集，间隔q通道，则第p次应切换通道[i+q×(p-1)]采集，当[i+q×(p-1)]大于N时，则采集下一个循环中的对应通道。
所述间隔q通道清零采集为假设采集的次数为p，从通道i开始采集，间隔q通道，则第p次应切换通道[i+q×(p-1)]采集，当p为偶数时，切换到接地通道采集，当[i+q×(p-1)]大于N时，则采集下一个循环中的对应通道。
本发明与现有技术相比，耗用的存储空间少，仅需在处理器中保存数字域内低通滤波器系统函数的各项系数；另外由于设计的滤波器阶数限制，时延较低，可获得实时的信号波形；同时不需要复杂的算法，易于实现，具有较高的稳定性。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明中实施例1中的电路连接示意图。
图3为本发明中实施例1的频谱图。
图4为本发明中实施例1的时域波形图。
图5为本发明中数字滤波器的频率响应图。
图6为本发明中实施例1经过噪声处理后的电生理信号噪声的频谱图。
图7为本发明中实施例1经过噪声处理后的电生理信号噪声的时域波形图。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步描述。
参见图1，本发明设计了一种电生理信号噪声控制方法，包括如下步骤：
步骤1：对带噪声的电生理信号进行阻抗变换、模拟放大和模拟信号调理，其中，所述带噪的电生理信号中，一共需要采样的通道数量为N，每通道有效信号的带宽为fL = 0, fH =500Hz，由此计算得到其Nyquist频率为2fH = 1 KHz。每通道叠加的噪声为带限白噪声；所述模拟放大和模拟信号的调理均使用模拟集成运算放大器实现；所述模拟信号调理包括低通滤波，还可包括模拟工频（50Hz或60Hz）陷波，还可包括将单端信号处理为差分信号。
步骤2：对经过步骤1调理后的点生理信号进行采样通道切换，采样通道切换的切换逻辑为顺次采集、顺次清零采集、间隔q通道采集、间隔q通道清零采集中的任意一种或几种。
步骤3：对经过步骤2采样通道切换后的电生理信号进行模数转换，其中，所述模数转换采用现有的高精度、高采样率ADC器件，所述ADC器件的有效bit数不少于14 bit，最高采样率不低于500 KSa/s。
步骤4：使用ADC对经过步骤3模数转换后的电生理信号进行过采样，其中，过采样的采样频率为fs=2k KHz，其中k=4，5，6，7……，fs最大值为所使用的ADC的最高采样频率。
步骤5：使用数字低通滤波器对数字信号进行滤波，数字低通滤波器的通带频率fPassband = fH，截止频率fStopband ＞ fH，阻带衰减AStopband≥ 60dB，冲激响应为无限长或有限长，滤波器的阶数小于20。
步骤6：对滤波后的数字信号进行m降采样，其中，m=2j，其中m为降采样因子，j为非负整数，j=0，1，2，3……，当信号进行所述m降采样后，保持新的采样率fs’ = fs/ m ≥ 2fH。
实施例1：
本实施例中的电生理信号通道数量N=64，参见图2，MUX为多路选择器阵列，对64通道的电生理信号输入通道以及一路接地通道进行切换。A1、A2、A3是数个电压增益G=1的缓冲放大器，起到阻抗变换和输入噪声平均的功能。A4为主放大器，电压增益由电阻R1、R2之比确定，若A4采用集成仪表放大器，则其增益可通过一个电阻R1确定。A5、A6以及其周围的电阻电容网络构成一个四阶低通滤波器，通过调整电阻和电容的取值，可以调整滤波器的通带频率。ADC即为前述的模数转换器件，用于采集经过模拟调理的信号，并转换为数字信号，送到DSP中进一步处理。DSP控制ADC的采样频率，同时控制MUX的通道切换。其中，主放大器A4采用低噪的仪表放大器，电压增益为101；低通滤波器，通带频率30 KHz，截止频率35KHz，低通滤波的主要目的在于减低信号的频带范围。ADC器件为亚德诺半导体公司的AD7634。在本实施例中，电生理信号采用医用导管从人体心脏内部拾取。
由于本实施例需要采集64通道的电生理信号，而ADC器件在某一时刻只可采集一个通道或少数几个通道的信号，则必须通过控制外部的多路选择器，进行通道切换。通道切换通过特定的时序，利用DSP向多路选择器发送指令，指定当前时刻采集的通道。通道切换的逻辑与应用的场景以及对采样通道之间的串扰需求有很大关系。基于电生理系统中对通道采集的要求，提出如下四种通道切换逻辑：
（1）顺次采集：从通道1开始采集，然后切换到通道2，采集通道2后，依次采集到通道N，通道N采集后，重新切换到通道1采集。此种方法采集能利用ADC器件的最大采样频率，但是由于ADC器件内部采样保持电路未完全放电，在下一次采样时，ADC器件内部有部分上一通道的信号残余，给后续通道引入了较大的通道间串扰。
（2）顺次清零采集：从通道1开始采集，然后切换到接地通道，采集接地通道后，再切换到通道2，然后再切换到接地通道采集，依次在采集通道和接地通道之间切换采集到通道N，通道N采集后，切换到接地通道采集，然后重新切换到通道1采集。此种方法可以规避顺次采集所导致的通道间串扰，但是牺牲了ADC器件一半的最大采样频率，虽可以通过使用更大采样频率的ADC器件，但会相应增加成本，同时由于采样时钟频率的增加，给敏感的模拟器件带来了更多高频噪声，增加了电路板的布线难度和制造成本。
（3）间隔q通道采集：假设采集的次数为p，从通道i开始采集，间隔q通道，则第p次应切换通道[i+q×(p-1)]采集，当[i+q×(p-1)]大于N时，则采集下一个循环中的对应通道。此种方法改变了顺次采集方法中通道串扰的时间分布，将通道i的串扰引至通道[i+q×(p-1)]，从而规避了对通道i时间相近的通道i+1产生较大影响，但是由于通道间的串扰没有被消除，长时间采集后，在任何一个通道上都会存在每一个通道的串扰，对后续的处理、解析和显示造成困难。
（4）间隔q通道清零采集：假设采集的次数为p，从通道i开始采集，间隔q通道，则第p次应切换通道[i+q×(p-1)]采集，当p为偶数时，切换到接地通道采集，当[i+q×(p-1)]大于N时，则采集下一个循环中的对应通道。此种方法规避了顺次采集的通道串扰问题，并且将ADC器件中未完全清除的信号残余分布到与当前通道间隔时间较长的其他通道中，然而还是牺牲ADC器件的一半最大采样频率。
之后使用亚德诺半导体公司的AD7634，为18 bit的ADC器件对拾取、模拟调理后的信号进行模数转换，该ADC器件具有最高670KSa/s的采样频率。
然后调整ADC的采样频率，使得采样频率远大于原始信号的奈奎斯特频率。在本实施例中，ADC采样频率是通过电生理系统内部的DSP发指令进行控制的，每通道采样频率为8-128 KHz。
参见图3，从该图中可以看出该带限白噪声在其频谱范围内，具有较为一致的幅度。参见图4，从该时域波形图中可以看出该带限噪声的幅度集中在±3的范围内。同时，由于噪声是功率信号，其功率可由下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，P为所求功率，N为采样点数量，x(n)为当前采样点的幅度值。由于采样点数是有限多个，且被采样的噪声是带限白噪声，所以上式可简化为：
Figure 983929DEST_PATH_IMAGE002
。
在本实施例中，上述ADC器件以
Figure DEST_PATH_IMAGE003
KHz的采样率，取得上述带限白噪声采样点数量N=64,000，相当于1s内的采样点数量，按照上式计算得到的噪声功率为0.99507 W。
之后根据所需电生理信号的频带范围，设计数字低通滤波器，并使用该数字低通滤波器对采集的样本点进行滤波。
从图5中可以看出本实施例所需电生理信号的频带范围为fL = 0，fH = 500 Hz，对此，所采用的数字低同滤波器为椭圆IIR滤波器，其通带频率为fPassband= 500Hz，截止频率fStopband= 600Hz，通带波动ARipple = 0.1dB，阻带衰减AStopband= 100dB，滤波器的阶数为6阶。
最后进行降采样，在本实施例中，降采样因子m =
Figure 922935DEST_PATH_IMAGE004
32。经过降采样处理后，噪声频带范围中大于500Hz的部分被衰减滤除，而所需电生理信号频带范围内的噪声被保留，改变了噪声功率密度的分布，经过控制后的噪声幅度集中在±0.25的范围。
最终本实施例经过降噪后的频谱图与时域波形图如图6和图7所示，最终结果为系统采样率=64KHz，降采样法最终采样率=2KHz，噪声功率=0.99507w，降采样法噪声功率=0.0014628w。在有效信号的幅度和功率不发生变化的情况下，由于降低噪声功率而引起信噪比的提升为
Figure 479818DEST_PATH_IMAGE005
18.33dB，相当于提升了3位ADC有效转换位数。

Claims (9)

1.一种电生理信号噪声控制方法，其特征在于：按如下步骤进行：
步骤1：对带噪声的电生理信号进行阻抗变换、模拟放大和模拟信号调理；
步骤2：对经过步骤1调理后的电生理信号进行采样通道切换；
步骤3：对经过步骤2采样通道切换后的电生理信号进行模数转换；
步骤4：使用ADC对经过步骤3模数转换后的电生理信号进行过采样；
步骤5：使用数字低通滤波器对数字信号进行滤波；
步骤6：对滤波后的数字信号进行m降采样。
2.根据权利要求1所述的一种电生理信号噪声控制方法，其特征在于：所述步骤2中的采样通道切换的切换逻辑为顺次采集、顺次清零采集、间隔q通道采集、间隔q通道清零采集中的任意一种或几种。
3. 根据权利要求1所述的一种电生理信号噪声控制方法，其特征在于：所述步骤4中的过采样的采样频率为fs=2k KHz，其中k=4，5，6，7……，fs最大值为所使用的ADC的最高采样频率。
4. 根据权利要求1所述的一种电生理信号噪声控制方法，其特征在于：所述步骤5中的数字低通滤波器的通带频率fPassband = fH，截止频率fStopband ＞ fH，阻带衰减AStopband≥60dB，冲激响应为无限长或有限长，滤波器的阶数小于20。
5. 根据权利要求1所述的一种电生理信号噪声控制方法，其特征在于：所述步骤6中的m=2j，其中m为降采样因子，j为非负整数，j=0，1，2，3……，当信号进行所述m降采样后，保持新的采样率fs’ = fs/ m ≥ 2fH。
6.根据权利要求2所述的一种电生理信号噪声控制方法，其特征在于：所述顺次采集为从通道1开始采集，然后切换到通道2，采集通道2后，依次采集到通道N，通道N采集后，重新切换到通道1采集。
7.根据权利要求2所述的一种电生理信号噪声控制方法，其特征在于：所述顺次清零采集为从通道1开始采集，然后切换到接地通道，采集接地通道后，再切换到通道2，然后再切换到接地通道采集，依次在采集通道和接地通道之间切换采集到通道N，通道N采集后，切换到接地通道采集，然后重新切换到通道1采集。
8.根据权利要求2所述的一种电生理信号噪声控制方法，其特征在于：所述间隔q通道采集为假设采集的次数为p，从通道i开始采集，间隔q通道，则第p次应切换通道[i+q×(p-1)]采集，当[i+q×(p-1)]大于N时，则采集下一个循环中的对应通道。
9.根据权利要求2所述的一种电生理信号噪声控制方法，其特征在于：所述间隔q通道清零采集为假设采集的次数为p，从通道i开始采集，间隔q通道，则第p次应切换通道[i+q×(p-1)]采集，当p为偶数时，切换到接地通道采集，当[i+q×(p-1)]大于N时，则采集下一个循环中的对应通道。
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