一種基于esmd方法的心電信號(hào)降噪方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域，更具體地，涉及一種心電信號(hào)降噪處理。
【背景技術(shù)】
[0002] 心電圖是反映心臟興奮的電活動(dòng)過(guò)程。然而，心電信號(hào)作為一種微弱信號(hào)（一般 為毫伏級(jí)），極易被外界噪聲所淹沒(méi)，常見的噪聲包括工頻噪聲，肌電噪聲以及患者呼吸和 運(yùn)動(dòng)引起的基線漂移干擾等，這些噪聲對(duì)心電參數(shù)的測(cè)量、波形識(shí)別和病情診斷等具有十 分不利的影響，研究有效的心電信號(hào)降噪方法對(duì)提高心臟疾病診斷的正確率具有重要意 義。
[0003] 常見的心電信號(hào)降噪手段包括低通、高通和帶通濾波、形態(tài)學(xué)濾波、維納濾波、 卡爾曼濾波、有限沖激響應(yīng)濾波（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR)濾波、無(wú)限沖激響應(yīng) (Infinite Impulse Response，IIR)濾波、中值濾波及小波降噪方法等。上述方法不足在 于：難以有效抑制噪聲的不利影響或無(wú)法有效保護(hù)信號(hào)細(xì)節(jié)。
[0004] 非局部均值（Nonlocal means, NLM)濾波方法是近年來(lái)提出的一種主流的圖像降 噪方法，它利用圖像的冗余性，通過(guò)圖像塊之間的歐式距離來(lái)度量其相似性，將該相似性作 為權(quán)值，對(duì)一定搜索區(qū)域內(nèi)所有像素進(jìn)行加權(quán)平均，從而達(dá)到圖像降噪的目的。由于NLM 方法在圖像降噪方面的優(yōu)越性，2012年Tracey和Miller等（B. H. Tracey, E. L. Miller. Nonlocal means denoising of ECG signals. IEEE Trans.Biomedical Engineeri ng，2012, 59(9) :2383-2386)首次將其用于一維心電信號(hào)降噪中，但該方法在心電圖中噪聲 干擾較大時(shí)，難以有效保護(hù)心電信號(hào)中的重要細(xì)節(jié)信息。
[0005] 為保護(hù)心電信號(hào)細(xì)節(jié)，有效手段之一是先對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行分解再對(duì)分解后的分 量進(jìn)行降噪處理。信號(hào)分解方法很多，其中極點(diǎn)對(duì)稱模態(tài)分解（Extrem-point Symmetric Mode Decomposition Method，ESMD)方法是近年來(lái)提出的一種新型的信號(hào)分解技術(shù)，其主 要?jiǎng)?chuàng)新是自適應(yīng)全局均線概念的提出和直接插值法的引入。該方法不僅可以直觀地體現(xiàn)各 模態(tài)的振幅與頻率的時(shí)變性，還可明確地獲知總能量變化，上述特點(diǎn)為心電信號(hào)分解提供 了有效的新手段。
[0006] 本專利首次將ESMD和NLM結(jié)合，提出了 ESMD-NLM濾波方法，該方法通過(guò)ESMD實(shí) 現(xiàn)心電信號(hào)分解，對(duì)分解后的各分量利用NLM方法進(jìn)行降噪處理，可有效克服現(xiàn)有心電信 號(hào)降噪方法的不足，能在充分抑制心電信號(hào)中噪聲的同時(shí)很好地保護(hù)細(xì)節(jié)信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本申請(qǐng)?zhí)峁┑氖且环N心電信號(hào)降噪方法，其中通過(guò) ESMD進(jìn)行研究和涉及，使其和非局部均值濾波方法有機(jī)結(jié)合，與現(xiàn)有方法相比，該方法有效 改善了傳統(tǒng)非局部均值算法在噪聲污染程度較高時(shí)易產(chǎn)生的信號(hào)削弱問(wèn)題，可在有效抑制 心電信號(hào)噪聲的同時(shí)很好地保護(hù)信號(hào)的尖峰等細(xì)節(jié)信息。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于ESMD方法的心電信號(hào) 降噪方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0009] (1)采用極點(diǎn)對(duì)稱模態(tài)分解算法ESMD對(duì)含有噪聲的原始心電信號(hào)進(jìn)行分解，得到 分解后的一系列本征模態(tài)函數(shù)IMF、一個(gè)殘差項(xiàng)R及各階IMF分量的瞬時(shí)頻率；
[0010] (2)對(duì)各階IMF進(jìn)行信號(hào)門限控制，即對(duì)不同IMF分量預(yù)設(shè)門限值，隨著階次增加， 所述門限值減半，依次類推直至最高階頂F為止；
[0011] (3)對(duì)各階頂F分量，若其低于設(shè)定的門限，則保留該分量，不對(duì)其進(jìn)行濾波處理， 否則對(duì)其進(jìn)行非局部均值濾波，得到各分量對(duì)應(yīng)的降噪信號(hào)；
[0012] (4)將各階頂F分量降噪處理結(jié)果和殘差項(xiàng)R疊加求和，得到心電信號(hào)的預(yù)處理結(jié) 果；
[0013] (5)對(duì)心電信號(hào)的預(yù)處理結(jié)果采用非局部均值濾波方法進(jìn)行平滑處理，從而最終 完成心電信號(hào)的降噪處理。
[0014] 優(yōu)選地所述步驟（1)的具體步驟如下：
[0015] 將所述原始心電信號(hào)作為第一次的輸入信號(hào)S。；
[0016] 1)找到本次輸入心電信號(hào)S的所有局部極值點(diǎn)E，用線段連接所有相鄰的極值點(diǎn)， 并標(biāo)出它們的中點(diǎn)Mi(l < i Sn-I)，在中點(diǎn)集合的左右兩邊各加一個(gè)邊界點(diǎn)M。、Mn，分別 對(duì)奇數(shù)中點(diǎn)和偶數(shù)中點(diǎn)構(gòu)造插值曲線L，并計(jì)算這兩條插值曲線的均值ΙΛ使用S-L*代替S 重復(fù)上述操作，直到I/的值小于某一個(gè)允許的誤差值，或者篩選次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的最大數(shù)，將 最后一個(gè)S-I/作為第η個(gè)本征模態(tài)函數(shù)頂Fn，其中η從1-n依次取值；
[0017] 2)用所述原始心電信號(hào)與已得到的各階本征模態(tài)函數(shù)的差值作為輸入心電信號(hào)， 重復(fù)上述步驟1)，逐步得到所有的本征模態(tài)函數(shù)，直到最后的差值擁有不超過(guò)一定數(shù)目的 極點(diǎn)；
[0018] 3)在一個(gè)有限的整數(shù)區(qū)間內(nèi)，改變篩選次數(shù)K的預(yù)設(shè)值，然后重復(fù)上述兩個(gè)步驟， 并計(jì)算與K值對(duì)應(yīng)的Sid-R的方差σ 2以及輸入信號(hào)S。的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ。。
[0019] 4)對(duì)應(yīng)找出方差比。2/σ。最小值時(shí)所預(yù)設(shè)的篩選次數(shù)Κ，并將其作為最佳篩選 值，重復(fù)上述三個(gè)步驟，最終得到與最佳篩選值對(duì)應(yīng)的全部頂F及最后的殘差R。
[0020] 總體而言，按照本發(fā)明的上述技術(shù)構(gòu)思與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu) 占.
[0021] 1、有效改善了傳統(tǒng)非局部均值算法在噪聲污染程度較高時(shí)易產(chǎn)生的信號(hào)削弱問(wèn) 題；
[0022] 2、在有效抑制心電信號(hào)噪聲的同時(shí)很好地保護(hù)信號(hào)的尖峰等細(xì)節(jié)信息。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是本發(fā)明提供的基于ESMD方法的心電圖降噪方法流程；
[0024] 圖2 (a)是原始仿真心電信號(hào)；
[0025] 圖2 (b)是加入高斯噪聲（δ 2= 80)的心電信號(hào)；
[0026] 圖2 (c) NLM去噪效果；
[0027] 圖 2 (d) ESMD-NLM 去噪效果；
[0028] 圖3(a)實(shí)際心電信號(hào)；
[0029] 圖3(b) NLM去噪效果；
[0030]圖 3 (c) ESMD-NLM 去噪效果。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 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(shuō)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。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0032] 如圖1所示，本發(fā)明提供的基于ESMD方法的心電圖降噪方法包括一下步驟：
[0033] (1)對(duì)含有噪聲的原始心電信號(hào)進(jìn)行分解，得到分解后的一系列
[0034] 本征模態(tài)函數(shù)頂F、一個(gè)殘差項(xiàng)R及各階頂F分量的瞬時(shí)頻率，具體步驟如下：
[0035] 1)找到本次輸入心電信號(hào)S的所有局部極值點(diǎn)E，用線段連接所有相鄰的極值點(diǎn)， 并標(biāo)出它們的中點(diǎn)Mi(l < i Sn-I)，在中點(diǎn)集合的左右兩邊各加一個(gè)邊界點(diǎn)M。、Mn，分別 對(duì)奇數(shù)中點(diǎn)和偶數(shù)中點(diǎn)構(gòu)造插值曲線L，并計(jì)算這兩條插值曲線的均值ΙΛ使用S-L*代替S 重復(fù)上述操作，直到I/的值小