一種去除心電信號(hào)中靜電干擾的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種去除心電信號(hào)中靜電干擾的方法和 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 心電信號(hào)能夠給醫(yī)生提供重要的臨床信息，因而被廣泛地用于健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。 由于外部電場(chǎng)的影響，心電信號(hào)的檢測(cè)常常受到靜電信號(hào)的干擾。因?yàn)殪o電信號(hào)的頻譜和 心電信號(hào)的頻譜重疊，所以傳統(tǒng)的頻率濾波器難以去除靜電干擾。目前常用小波變換和擴(kuò) 展卡爾曼濾波器去除心電信號(hào)中的靜電干擾，但是，小波變換的復(fù)雜度大，無法應(yīng)用于心電 信號(hào)中靜電干擾的去除?？柭鼮V波器能夠根據(jù)觀測(cè)量動(dòng)態(tài)估計(jì)狀態(tài)量，作為一種時(shí)域算 法，特別適合用于去除頻譜和信號(hào)頻譜重疊的噪聲。所謂擴(kuò)展卡爾曼濾波器，是一種針對(duì)傳 統(tǒng)卡爾曼濾波器對(duì)所處理的系統(tǒng)的線性化要求，根據(jù)一階泰勒級(jí)數(shù)展開理論，將非線性的 系統(tǒng)展開成線性近似后，對(duì)傳統(tǒng)卡爾曼濾波器進(jìn)行了相應(yīng)地調(diào)整后，所形成新型濾波器，以 含有噪聲的心電信號(hào)作為觀測(cè)量，擴(kuò)展卡爾曼濾波器可以動(dòng)態(tài)地估計(jì)出心電信號(hào)，從而實(shí) 現(xiàn)心電信號(hào)中靜電干擾的去除。然而，擴(kuò)展卡爾曼濾波器去除心電信號(hào)中靜電干擾的準(zhǔn)確 率不高。
[0003] 故，有必要提出一種新的技術(shù)方案，以解決上述技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供一種去除心電信號(hào)中靜電干擾的方法和裝置，以解決 現(xiàn)有擴(kuò)展卡爾曼濾波器去除心電信號(hào)中靜電干擾準(zhǔn)確率不高的問題。
[0005] 本發(fā)明實(shí)施例的第一方面，提供一種去除心電信號(hào)中靜電干擾的方法，所述方法 包括：
[0006] 獲取待處理信號(hào)的前向卡爾曼濾波數(shù)據(jù)；
[0007] 根據(jù)所述前向卡爾曼濾波數(shù)據(jù)，獲取所述待處理信號(hào)中的心電信號(hào)。
[0008] 本發(fā)明實(shí)施例的第二方面，提供一種去除心電信號(hào)中靜電干擾的裝置，所述裝置 包括：
[0009] 數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取待處理信號(hào)的前向卡爾曼濾波數(shù)據(jù)；
[0010] 信號(hào)獲取模塊，用于根據(jù)所述前向卡爾曼濾波數(shù)據(jù)，獲取所述待處理信號(hào)中的心 電信號(hào)。
[0011] 本發(fā)明實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)相比存在的有益效果是:本發(fā)明實(shí)施例通過前向卡爾曼 濾波獲取待處理信號(hào)的前向卡爾曼濾波數(shù)據(jù)，根據(jù)所述前向卡爾曼濾波數(shù)據(jù)和RTS平滑理 論，平滑估計(jì)出待處理信號(hào)中的心電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)中靜電干擾的去除，解決了現(xiàn) 有擴(kuò)展卡爾曼濾波器去除心電信號(hào)中靜電干擾準(zhǔn)確率不高的問題。
【附圖說明】
[0012] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述 中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些 實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些 附圖獲得其他的附圖。
[0013] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例一提供的去除心電信號(hào)中靜電干擾的方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例二提供的去除心電信號(hào)中靜電干擾的方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例二提供的心電信號(hào)R波檢測(cè)的結(jié)果示例圖；
[0016] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例二提供的多個(gè)心電周期的平均ECGmean示例圖；
[0017] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例二提供的用計(jì)算出的模型參數(shù)重構(gòu)的心電信號(hào)示例圖；
[0018] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例二提供的擴(kuò)展卡爾曼濾波器估計(jì)出的心電信號(hào)和擴(kuò)展卡爾曼 RTS平滑器估計(jì)出的心電信號(hào)的示例圖；
[0019] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例三提供的去除心電信號(hào)中靜電干擾的裝置的組成示意圖；
[0020] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例四提供的去除心電信號(hào)中靜電干擾的裝置的組成示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0022] 實(shí)施例一:
[0023] 圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例一提供的去除心電信號(hào)中靜電干擾的方法的實(shí)現(xiàn)流程， 所述實(shí)現(xiàn)流程詳述如下：
[0024]在步驟SlOl中，獲取待處理信號(hào)的前向卡爾曼濾波數(shù)據(jù)；
[0025] 在本發(fā)明實(shí)施例中，所述待處理信號(hào)為含有靜電干擾的心電信號(hào)。
[0026] 在本發(fā)明實(shí)施例中，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器獲取待處理信號(hào)的前向卡爾曼濾波數(shù) 據(jù)。
[0027]傳統(tǒng)擴(kuò)展卡爾曼濾波理論的具體內(nèi)容如下：
[0028]利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器去除心電信號(hào)中噪聲的本質(zhì)是:把含有噪聲的心電信號(hào)作 為觀測(cè)量，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器動(dòng)態(tài)估計(jì)狀態(tài)量，即心電信號(hào)。
[0029]卡爾曼濾波器要求所處理的系統(tǒng)必須能夠用一個(gè)線性的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和一個(gè)線 性的觀測(cè)方程寫成如公式(1-1)所示的形式。
[0030]
M-I1
[0031] 其中，Xk+1Sk+l時(shí)刻的狀態(tài)矢量，Wk+Ι為k+Ι時(shí)刻的過程噪聲，F(xiàn)(k+l，k)為k+Ι時(shí)刻 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Yk為k時(shí)刻的觀測(cè)矢量，Vk為k時(shí)刻的觀測(cè)噪聲，C(k)為k時(shí)刻的觀測(cè)矩陣。
[0032] 卡爾曼濾波器屬于貝葉斯濾波框架，它由預(yù)測(cè)過程和更新過程組成。k時(shí)刻的卡爾 曼濾波值可以由以下四個(gè)公式計(jì)算得到。
[0033] 利用公式(1-2)計(jì)算k時(shí)刻的狀態(tài)量的估計(jì)量：
[0034]
(1-2)
[0035] 其中，f為狀態(tài)轉(zhuǎn)移抽象函數(shù)，Wk為k時(shí)刻的過程噪聲，μ丨為k時(shí)刻的過程噪聲估計(jì) 量。
[0036] 利用公式(1-3)計(jì)算k時(shí)刻的新息過程：
[0037]
( 1 -3)
[0038] 其中，g為觀測(cè)量與狀態(tài)量之間的抽象函數(shù)，Vk為k時(shí)刻的觀測(cè)噪聲，&為k時(shí)刻的 觀測(cè)噪聲估計(jì)量。
[0039] 利用公式(1-4)計(jì)算k時(shí)刻的卡爾曼濾波系數(shù)：
[0040] Kgk = Pk,k_C(k)(C(k)Pk,k-iC(k)+Rk)-1 (1-4)
[0041] 其中，Pk,k為卡爾曼濾波誤差自相關(guān)矩陣，Pk^1為卡爾曼濾波預(yù)測(cè)誤差自相關(guān)矩 陣，Rk為觀測(cè)誤差自相關(guān)矩陣，C(k)為單位矩陣。
[0042] 利用公式(1-5)計(jì)算k時(shí)刻的卡爾曼濾波輸出值：
[0043] Α?>)= .V1 (A;) +%, ?,. ^ I -5 I
[0044] 計(jì)算k+1時(shí)刻的卡爾曼濾波輸出值;T (> +1；)時(shí)，將k時(shí)刻的卡爾曼濾波輸出值; 和卡爾曼濾波誤差自相關(guān)函數(shù)Pk,k傳遞到k+Ι時(shí)刻的卡爾曼濾波。
[0045] 為了利用卡爾曼濾波器去除心電信號(hào)中的靜電干擾，必須將卡爾曼濾波理論與實(shí) 際的心電信號(hào)模型結(jié)合。
[0046] 目前，常用的心電信號(hào)模型如公式(1-6)所示：
[0047]
:(.1-6.)
[0048] 其中，心電信號(hào)模型用五個(gè)高斯函數(shù)對(duì)應(yīng)地表不心電信號(hào)的五個(gè)波，ai，bi，Θi為這 五個(gè)高斯函數(shù)對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)，為一個(gè)心電信號(hào)周期的所有抽樣點(diǎn)均勾分布與0到2π后， k時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的弧值，δ為采樣間隔，ω為全局采樣角速度，Ae = (Qk-Qi)moc^JT), Zk為k時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的心電幅值，η為建模不確定性。
[0049]利用卡爾曼濾波估計(jì)心電信號(hào)時(shí)，狀態(tài)矢量Xk由心電信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)的弧值0k和數(shù)據(jù) 點(diǎn)的幅值Zk組成，而觀測(cè)矢量Yk由含有靜電干擾心電信號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的弧值％和數(shù)據(jù)點(diǎn)的幅 值S k組成，過程噪聲Wk由抽樣角速度，抽樣間隔δ以及15個(gè)模型參數(shù)組成，即Wk=[co g，n，ap， aQ，CJr，as，ατ，bp，bo，bR，bs，t)T，θρ，9q，0R，0S，θ τ]。
[0050]系統(tǒng)的觀測(cè)方程為現(xiàn)象的，但是，系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為非線性的，需利用一階泰 勒級(jí)數(shù)展開理論，將其展開成近似線性的形式，非線性的系統(tǒng)可以用非線性抽樣函數(shù)表示 為公式(1-7)所示的方程組：
[0051 ]
( 1-7 )
[0052] 其中，f為狀態(tài)轉(zhuǎn)移抽象函數(shù)，g為觀測(cè)量與狀態(tài)量之間的抽象函數(shù)，Wk+1為k+1時(shí)刻 的過程噪聲，V kSk時(shí)刻的觀測(cè)噪聲。
[0053] 對(duì)公式（1-7)進(jìn)行線性近似，如公式（1-8)所示：
[0054]
(1-8)
[0055] 其中，415^15,〇1{，61{為對(duì)應(yīng)的偏導(dǎo)數(shù)，其計(jì)算公式如公式(1-9)所示 ：
[0056]
.(1.-.9)
[0057]對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波計(jì)算公式如（1-10)所示：
[0058]
(1-10)
[0059] 由心電信號(hào)模型可知，系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程組為：
[0060]
Cl-11').
[0061 ]偏導(dǎo)數(shù)Ak為2 X 2矩陣，偏導(dǎo)數(shù)Fk為2 X 17矩陣，它們的計(jì)算公式如公式（1-12)、（1-13)所示：
[0062]
(1-1:2)
[0063]
(1-13)
[0064] 在步驟S102中，根據(jù)所述前向卡爾曼濾波數(shù)據(jù)，獲取所述待處理信號(hào)中的心電信 號(hào)。
[0065] 在本發(fā)明實(shí)施例中，在擴(kuò)展卡爾曼濾波器的基礎(chǔ)上結(jié)合RTS平滑理論，去除心電信 號(hào)中的靜電干擾，獲取待處理信號(hào)中的心電信號(hào)。
[0066] 卡爾曼平滑器的輸出由卡爾曼前向?yàn)V波的輸出值和卡爾曼后向?yàn)V波，過 程噪聲Wk和觀測(cè)噪聲Vk相互獨(dú)立，可用前向卡爾曼濾波的誤差自相關(guān)矩陣Pf(k)和后向卡 爾曼濾波的預(yù)測(cè)誤差Kb(k_l，k)組合得到k時(shí)刻卡爾曼平滑的估計(jì)誤差自相關(guān)矩陣，如公式 (1-14)所示：
[0067]
[0068]
[0069]
[0070]假設(shè)矩陣為正定矩