CN113037250A - 一种自适应工频滤波方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自适应工频滤波方法，包括以下步骤：采集待滤波的心电信号，并对所述心电信号进行预处理；预设工频干扰参考信号的参数值，基于所述参数值将工频干扰参考信号重构为正弦信号；用所述心电信号减去所述正弦信号，得到差值；预设工频干扰参考信号的增量，基于所述差值对所述增量进行调节，基于调节后的增量对所述正弦信号进行修正；基于修正后的正弦信号对所述心电信号进行工频滤波。本发明构造的工频干扰信号能够适应实际输入信号的变化，且不需要进行整流，计算量小，滤波效果好。

Description

一种自适应工频滤波方法及装置
技术领域
本发明涉及工频滤波技术领域，尤其涉及一种自适应工频滤波方法、装置及计算机存储介质。
背景技术
在心电信号处理的应用中，由电磁场所引起的工频干扰是最常见的干扰之一。一般来说，复杂的用电环境会引起明显的干扰，这种干扰可以认定为频率是50Hz/60Hz的正弦波，比如在亚洲或者欧洲，生活用电的频率是50Hz，而在北美，这个频率则是60Hz。对于高质量的心电信号分析，要求干扰峰的峰值小于QRS复合波0.5％的幅度，ST段的震荡小于50微伏；这也就要求了滤波后的心电信号的信噪比(SNR)约为30dB。
在实际应用中，使用无限冲击响应滤波器(IIR)作为陷波器来滤除工频干扰是一种最常用的滤波方法。然而，陡峭的QRS复合波通过陷波器后，会发生振铃效应；振铃的幅度与陷波器的带宽有关，带宽越大，振铃幅度越大；反之越小。与此同时，陷波器还应该尽可能的减少对心电信号幅度谱和相位谱的影响。因此，基于以上两点，设计陷波器时，带宽应该尽可能的小。然而，对于实际工程应用中的心电信号，特别是在较为复杂的用电环境下，存在着干扰信号的实际频率和规定用电频率有偏差的现象，比如49.95Hz，此时IIR陷波器都无法完全滤除工频干扰。
除了IIR滤波器之外，常使用的方法还有自适应滤波器。最初的自适应滤波器通过预设工频干扰的频率为50Hz，然后使用正弦信号来重构工频干扰作为参考信号，最后用输入信号减去参考信号就求得了滤除工频干扰后的信号。这种方法不会产生振铃效应。
但是在实际应用中，存在着干扰信号的实际频率和规定用电频率有偏差的现象，此时若还是设定工频干扰的频率为50Hz的话，就会使得重构的工频干扰参考信号与实际工频干扰信号之间存在较大偏差，从而无法滤除工频干扰。因此，需要在重构信号前获取了实际工频的信号的频率、相位和幅值等信息，使得重构的参考信号与实际信号之前的差异在阈值之内。虽然这种滤波方案能够很好地减小由于频率偏差带来的工频滤波误差，但是获取实际工频信号的频率、相位和幅值等信息需要对输入信号进行整流，带来的较大的计算量。并且重构的工频干扰的实际频率往往变化得较快，因此对输入信号的整流就需要进行得很频繁，从而又加大了计算量。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种自适应工频滤波方法、装置及计算机存储介质，用以解决重构工频干扰信号时需要对输入信号进行整流，计算量较大的问题。
本发明提供一种自适应工频滤波方法，包括以下步骤：
采集待滤波的心电信号，并对所述心电信号进行预处理；
预设工频干扰参考信号的参数值，基于所述参数值将工频干扰参考信号重构为正弦信号；
用所述心电信号减去所述正弦信号，得到差值；
预设工频干扰参考信号的增量，基于所述差值对所述增量进行调节，基于调节后的增量对所述正弦信号进行修正；
基于修正后的正弦信号对所述心电信号进行工频滤波。
进一步的，对所述心电信号进行预处理，具体为：
对所述心电信号进行高通滤波，得到滤除高频噪声的心电信号；
对滤除高频噪声的心电信号进行低通滤波，得到滤除基线后的心电信号；
对滤除基线后的心电信号进行肌电噪声滤除，得到滤除肌电噪声后的心电信号。
进一步的，预设工频干扰参考信号的参数值，基于所述参数值将工频干扰参考信号重构为正弦信号，具体为：
预设工频干扰参考信号的频率、幅值以及相位；
基于频率、幅值以及相位将工频干扰参考信号重构为正弦信号：
e(nt+t)＝2Asin(ωnt)cos(ωt)-Asin(ωnt-ωt)；
其中，e(nt+t)为正弦信号，t为采样周期，n表示第n个采样点，A为幅值，ω为角频率，
Figure BDA0002973025640000031
f为频率。
进一步的，基于所述差值对所述增量进行调节，具体为：
在设定拟合时间之前，如果差值高于上限阈值，则加大增量；如果差值小于下限阈值，则减小增量；如果差值在上限阈值与下限阈值之间，则保持增量不变；
在设定拟合时间之后，如果差值高于设定阈值且持续时间在时间上限与时间下限之间，则将增量设为0。
进一步的，基于调节后的增量对所述正弦信号进行修正，具体为：
如果差值高于设定阈值的持续时间小于时间下限或者大于时间上限，则基于调节后的增量对所述正弦信号进行修正。
进一步的，基于调节后的增量对所述正弦信号进行修正，具体为：
判断所述差值是否为正值，如果是，则用正弦信号加上增量，得到修正后的正弦信号，否则用正弦信号减去增量，得到修正后的正弦信号。
进一步的，基于修正后的正弦信号对所述心电信号进行工频滤波，具体为：
用所述心电信号减去修正后的正弦信号，得到工频率波后的信号。
本发明还提供一种自适应工频滤波装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述自适应工频滤波方法。
本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现所述自适应工频滤波方法。
有益效果：本发明首先采集数字心电信号，对采集的数字心电信号进行预处理；然后基于预设的参数值生成工频干扰参考信号，即正弦信号；将预处理后的心电信号与中生成的工频干扰参考信号做差值运算，从而滤除心电信号的工频干扰；基于差值对正弦信号的增量进行调整，进而对正弦信号进行修正，使得正弦信号可以跟随实际的工频干扰信号变化，基于修正后的正弦信号进行工频滤波，并循环进行差值的求取及增量与正弦信号的调节，从而实现工频干扰参考信号的实时拟合，拟合出的工频干扰参考信号，即正弦信号能够适应工频噪声幅值、相位、频率等的变化，使得滤波效果增强。本实施例省去了工频率波之前的整流处理，减小了计算量。对差值进行判断，从而对增量进行调整，以便调整拟合速度，根据调整后的增量进行实时重构、滤波，使得滤波效果能够适应幅值、频率、相位变化。
附图说明
图1为本发明提供的自适应工频滤波方法第一实施例的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1提供了自适应工频滤波方法，包括以下步骤：
S1、采集待滤波的心电信号，并对所述心电信号进行预处理；
S2、预设工频干扰参考信号的参数值，基于所述参数值将工频干扰参考信号重构为正弦信号；
S3、用所述心电信号减去所述正弦信号，得到差值；
S4、预设工频干扰参考信号的增量，基于所述差值对所述增量进行调节，基于调节后的增量对所述正弦信号进行修正；
S5、基于修正后的正弦信号对所述心电信号进行工频滤波。
本实施例首先采集数字心电信号，对采集的数字心电信号进行预处理；然后基于预设的参数值生成工频干扰参考信号，即正弦信号；将预处理后的心电信号与中生成的工频干扰参考信号做差值运算，从而滤除心电信号的工频干扰；基于差值对正弦信号的增量进行调整，进而对正弦信号进行修正，使得正弦信号可以跟随实际的工频干扰信号变化，基于修正后的正弦信号进行工频滤波，并循环进行差值的求取及增量与正弦信号的调节，从而实现工频干扰参考信号的实时拟合，拟合出的工频干扰参考信号，即正弦信号能够适应工频噪声幅值、相位、频率等的变化，使得滤波效果增强。
现有的工频干扰信号拟合方案需要先对心电信号进行整流，分析工频干扰幅值、相位、幅度，然后进行工频拟合，这样就会造成很高的延迟，不利于医生的实时判断。而本实施例提供的自适应工频滤波方法省去了对心电信号进行整流处理的步骤，直接在经过信号预处理后的心电信号中进行工频噪声拟合，大大减少了工频滤波的计算量，加快了工频噪声参考信号对工频噪声的拟合速度，提高了滤波的实时性，并且能够适应幅值快速变化、频率快速抖动的工频噪声环境。
本实施例省去了工频率波之前的整流处理，减小了计算量。对差值进行判断，从而对增量进行调整，以便调整拟合速度，根据调整后的增量进行实时重构、滤波，使得滤波效果能够适应幅值、频率、相位变化。
优选的，对所述心电信号进行预处理，具体为：
对所述心电信号进行高通滤波，得到滤除高频噪声的心电信号；
对滤除高频噪声的心电信号进行低通滤波，得到滤除基线后的心电信号；
对滤除基线后的心电信号进行肌电噪声滤除，得到滤除肌电噪声后的心电信号。
优选的，预设工频干扰参考信号的参数值，基于所述参数值将工频干扰参考信号重构为正弦信号，具体为：
预设工频干扰参考信号的频率、幅值以及相位；
基于频率、幅值以及相位将工频干扰参考信号重构为正弦信号：
e(nt+t)＝2Asin(ωnt)cos(ωt)-Asin(ωnt-ωt)；
其中，e(nt+t)为正弦信号，t为采样周期，n表示第n个采样点，A为幅值，ω为角频率，
Figure BDA0002973025640000061
f为频率。
预设的参数值为经验值，根据实际情况进行设置，例如在亚洲或者欧洲，生活用电的频率是50Hz，而在北美，这个频率则是60Hz，因此在亚洲或者欧洲应该将工频干扰信号的频率设置为50Hz，而在欧洲则应该将工频干扰信号频率设置为60Hz。本实施例中预设工频干扰参考信号的频率为50Hz，幅值为1mV，相位为0。根据预设的参数值，将工频干扰参考信号重构为一个正弦信号。
用经过预处理后的心电信号减去重构得到的正弦信号，得到差值B；并将正弦信号的原始增量设为D。
优选的，基于所述差值对所述增量进行调节，具体为：
在设定拟合时间之前，如果差值高于上限阈值，则加大增量；如果差值小于下限阈值，则减小增量；如果差值在上限阈值与下限阈值之间，则保持增量不变；
在设定拟合时间之后，如果差值高于设定阈值且持续时间在时间上限与时间下限之间，则将增量设为0。
在开始拟合后的一段时间T1之前，若差值|B|高于阈值Threshold1，则将正弦信号的增量增大，设为E；若差值|B|低于阈值Threshold2，则将正弦信号的增量减小，设为F；若差值|B|在阈值Threshold1和Threshold2之间，则保持当前增量不变。
在时间T1之后，若差值|B|高于阈值Threshold3，且持续时间小于T2大于T3，则将正弦信号的增量设为0。
本实施例在对工频噪声进行拟合重构的过程中，设置了双阈值判断。当心电信号与正弦参考信号之间的差值|B|很大时(大于Threshold1)，判断此时正弦参考信号还远远没有达到工频噪声的幅值，应该加快拟合。当心电信号与正弦参考信号之间的差值|B|很小时(小于Threshold1)，判断此时正弦参考信号离工频噪声的幅值已经很接近了，拟合速度应该放慢，避免造成过拟合。通过双阈值的判断，加快了工频噪声的拟合速度。采用幅值双阈值技术加快对工频噪声的拟合速度，并且不造成过拟合。同时，采用时间双阈值技术，避免心电信号波形对工频噪声拟合带来影响。
同时，工频频率抖动和相位改变带来的是在同一采样点上幅值的变化，由于本实施例重构工频信号采用的是实时重构的方式，再加使用了幅值双阈值处理，能够很快地拟合幅值的变化，同时使用双时间阈值来判断幅值的较大变化是否是由心电波形造成的，因此本实施例的工频滤波方案能够快速拟合工频噪声变化带来的频率和相位的变化，也能快速拟合工频噪声变化带来的幅值变化。
本实施例实现了工频参考信号实时拟合，幅值双阈值和时间双阈值技术能够适应工频噪声幅值、相位、频率的变化。
优选的，基于调节后的增量对所述正弦信号进行修正，具体为：
如果差值高于设定阈值的持续时间小于时间下限或者大于时间上限，则基于调节后的增量对所述正弦信号进行修正。
若差值|B|高于阈值Threshold3，且持续时间大于T2或小于T3，则进行增量修正。
优选的，基于调节后的增量对所述正弦信号进行修正，具体为：
判断所述差值是否为正值，如果是，则用正弦信号加上增量，得到修正后的正弦信号，否则用正弦信号减去增量，得到修正后的正弦信号。
若B为正值，则将正弦信号的重构值加上增量D或E或F；若B为负值，根据，则将正弦信号的重构值减去增量D或E或F。
不断获取差值，并重复进行基于差值的增量调整，得出工频干扰参考信号，即修正后的正弦信号。
优选的，基于修正后的正弦信号对所述心电信号进行工频滤波，具体为：
用所述心电信号减去修正后的正弦信号，得到工频率波后的信号。
用预处理后的心电信号减去工频干扰参考信号，从而得出滤除工频干扰后的数字心电信号。
实施例2
本发明的实施例2提供了自适应工频滤波装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现实施例1提供的自适应工频滤波方法。
本发明实施例提供的自适应工频滤波装置，用于实现自适应工频滤波方法，因此，自适应工频滤波方法所具备的技术效果，自适应工频滤波装置同样具备，在此不再赘述。
实施例3
本发明的实施例3提供了计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现实施例1提供的自适应工频滤波方法。
本发明实施例提供的计算机存储介质，用于实现自适应工频滤波方法，因此，自适应工频滤波方法所具备的技术效果，计算机存储介质同样具备，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自适应工频滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集待滤波的心电信号，并对所述心电信号进行预处理；
预设工频干扰参考信号的参数值，基于所述参数值将工频干扰参考信号重构为正弦信号；
用所述心电信号减去所述正弦信号，得到差值；
预设工频干扰参考信号的增量，基于所述差值对所述增量进行调节，基于调节后的增量对所述正弦信号进行修正；
基于修正后的正弦信号对所述心电信号进行工频滤波。
2.根据权利要求1所述的自适应工频滤波方法，其特征在于，对所述心电信号进行预处理，具体为：
对所述心电信号进行高通滤波，得到滤除高频噪声的心电信号；
对滤除高频噪声的心电信号进行低通滤波，得到滤除基线后的心电信号；
对滤除基线后的心电信号进行肌电噪声滤除，得到滤除肌电噪声后的心电信号。
3.根据权利要求1所述的自适应工频滤波方法，其特征在于，预设工频干扰参考信号的参数值，基于所述参数值将工频干扰参考信号重构为正弦信号，具体为：
预设工频干扰参考信号的频率、幅值以及相位；
基于频率、幅值以及相位将工频干扰参考信号重构为正弦信号：
e(nt+t)＝2Asin(ωnt)cos(ωt)-Asin(ωnt-ωt)；
其中，e(nt+t)为正弦信号，t为采样周期，n表示第n个采样点，A为幅值，ω为角频率，
Figure FDA0002973025630000011
f为频率。
4.根据权利要求1所述的自适应工频滤波方法，其特征在于，基于所述差值对所述增量进行调节，具体为：
在设定拟合时间之前，如果差值高于上限阈值，则加大增量；如果差值小于下限阈值，则减小增量；如果差值在上限阈值与下限阈值之间，则保持增量不变；
在设定拟合时间之后，如果差值高于设定阈值且持续时间在时间上限与时间下限之间，则将增量设为0。
5.根据权利要求4所述的自适应工频滤波方法，其特征在于，基于调节后的增量对所述正弦信号进行修正，具体为：
如果差值高于设定阈值的持续时间小于时间下限或者大于时间上限，则基于调节后的增量对所述正弦信号进行修正。
6.根据权利要求5所述的自适应工频滤波方法，其特征在于，基于调节后的增量对所述正弦信号进行修正，具体为：
判断所述差值是否为正值，如果是，则用正弦信号加上增量，得到修正后的正弦信号，否则用正弦信号减去增量，得到修正后的正弦信号。
7.根据权利要求1所述的自适应工频滤波方法，其特征在于，基于修正后的正弦信号对所述心电信号进行工频滤波，具体为：
用所述心电信号减去修正后的正弦信号，得到工频率波后的信号。
8.一种自适应工频滤波装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-7任一项所述的自适应工频滤波方法。
9.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如权利要求1-7任一项所述的自适应工频滤波方法。
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