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封面主題:基于形態(tài)學的心電信號基線漂移矯正方法Word格式,可編輯,含目錄精心整理,放心閱讀,歡迎下載!文檔信息文檔編號:文-030Z2K(自定義文件編號)文檔名稱:基于形態(tài)學的心電信號基線漂移矯正方法.doc文檔格式:Word(*?doc,可編輯)文檔字數(shù):5106字,(不統(tǒng)計頁頭頁腳及版權聲明等文字)文檔主題:這是一篇關于“論文”中“法律論文”的參考范文文檔適用:作為科技科目,編寫學士學位論文、本科畢業(yè)論文或發(fā)表期刊、評初級職稱的參考文獻;可作寫作參考,解決學術論文怎么寫及格式等相關問題。文章作者:鄧璐等說明:文檔僅供學習交流,請勿商用?;谛螒B(tài)學的心電信號基線漂移矯正方法目錄1形態(tài)學基礎1.1基本運算理論(f0k)(n)=minm=0(f0k)(n)=maxm=0,1,…,M~1{f(n-m)-k...1.2形態(tài)學濾波器參數(shù)形狀尺寸2基于形態(tài)學的心電信號基線漂移矯3.1心電數(shù)據(jù)庫109號信號仿真3.2心電數(shù)據(jù)庫203號信號仿真4結束語正文0引言心電信號屬于生命體征參數(shù)中的重要組成部分,隨心肌細胞的激動發(fā)生電傳變化。心電信號包含著豐富的病理信息,但也包括大量噪聲干擾[1]。人體的運動和人體與外部的聯(lián)系,使得人體內部器官受到影響,造成心電信號被噪聲所干擾,影響了信號的識別。信息處理的精確性直接關系到測量后續(xù)參數(shù)、波形識別和病情診斷評估等參數(shù)的準確性。因此,在ECG檢測分析中,去除噪聲干擾顯得尤為重要。基線漂移是由被測對象的呼吸、電極移動等低頻干擾所引起,頻率小于5Hz。實際測量中,心電信號會偏離正常的基線位置,出現(xiàn)上下緩慢波動變化的現(xiàn)象[2]基線漂移的濾除,常見方法包括小波變換、自適應濾波、擬合基線漂移法等步驟[3]。小波變換法[4]對信號進行分解、閾值化再重構等,最后得到去噪信號,但分解尺度較大,計算復雜,不滿足實時性。曲線擬合法則是利用多項式擬合估計出基線漂移,再從原始信號中減去此基線漂移,但與處理信號長度有關,難以滿足實施性。自適應方法,如Mneimneh等人使用自適應卡爾曼濾波器[5]去除ECG中的基線漂移,對基線漂移能較好地矯正,但參考信號的采集在實際應用中難以獲得?;€漂移是心電信號幅值測量與形態(tài)分析的重要影響因素,抑制基線漂移是正確獲取心電信息的前提。本文提出利用數(shù)學形態(tài)學對心電信號基線漂移進行修正。針對ECG信號和噪聲的不同性質,采用不同尺寸不同形狀的結構元素,使設計的數(shù)學形態(tài)學濾波器能有效地矯正基線漂移,仿真結果表明該方法有效。1形態(tài)學基礎1.1基本運算理論Matheron等[6]在積分幾何的基礎上首次創(chuàng)立了數(shù)學形態(tài)學這門學科。形態(tài)學建立在嚴格數(shù)學理論基礎之上,主要以積分幾何、集合代數(shù)及拓撲論為理論基礎,它提供了一種有效的非線性信號處理方法,可以較好地保留信號的幾何信息。數(shù)學形態(tài)學中基礎的運算分別是腐蝕和膨脹運算[7]。兩種運算分別定義如下設f(n),(n=0,1,…,N-1)和k(m)(m=0,1,…,M-l)分別是一維離散函數(shù),N>M,其中f(n)為待處理信號序列,k(n)為結構元素。f(n)關于k(n)的腐蝕運算定義為(f0k)(n)=minm=0,…,M~1{f(n+m)-k(m)},其中,n=0,1,…,N~Mof(n)關于k(n)的膨脹運算定義為(f0k)(n)=maxm=0,1,…,MT{f(n-m)-k(m)其中,n=M~1,M,…,N-lo由腐蝕和膨脹運算可組成開(Opening)、閉運算(Closing)。開閉運算定義為信號被結構元素腐蝕后再進行膨脹運算,記為°,即(f°k)(n)=(f0k?k)(n)o閉運算定義為信號被結構元素膨脹后再腐蝕運算,記為?,即(f?k)(n)=(f?k0k)(n)開運算和閉運算屬形態(tài)學基本濾波器,用于探查信號上方和下方的信息,其中,開運算用于抑制信號的正脈沖,閉運算則抑制信號的負脈沖。由上述腐蝕與膨脹的定義所知,形態(tài)學濾波運算由一組簡單的加減、比較等運算組成,耗時短,計算量小。1.2形態(tài)學濾波器參數(shù)結構元素是形態(tài)學中重要的濾波參數(shù),不同形狀和尺寸影響結構元素移動所產生的形態(tài)變換的性能[8]。形狀與尺寸決定了結構元素的形態(tài)特征,選擇原則如下。1)形狀。選擇結構元素應盡量匹配處理信號的形狀,除了常見的幾何形狀如菱形、圓盤形、正方形之外,對較復雜的信號,可對簡單幾何形狀進行任意組合。2)尺寸。結構元素的尺寸包括高度與寬度。其中,寬度是濾波器設計尺寸的最主要參數(shù),由被濾除信號與有用信號的寬度所決定。參數(shù)的選擇應大于被濾除信號尺寸,但小于保留信號的尺寸?;虼蠡蛐?,都不能有效地保留信號,去除噪聲。2基于形態(tài)學的心電信號基線漂移矯正設計2.1濾波器設計開閉運算是形態(tài)學中最基本的形態(tài)濾波器。數(shù)學形態(tài)學理論認為:開運算可以削除信號中被噪聲疊加的正脈沖,閉運算可以填充被噪聲疊加的負脈沖。為了有效去除噪聲將開、閉運算級聯(lián),采用開閉(OC)、閉開(CO)級聯(lián)組合方式來矯正基線漂移[9]。其算法結構如圖1所示圖1基于形態(tài)學的基線漂移矯正流程圖1)形態(tài)學第一級濾波。含噪的ECG信號fO通過開閉、閉開運算級聯(lián)組合形式的形態(tài)學濾波器,以結構元素kl對信號做腐蝕膨脹運算,采用公式(f0°kl)?kl與(fO-kl)°kl,求得兩者算術平均,得到信號fl,fl=12[OC(fO,kl)+C0(fO,kl)]o2)形態(tài)學第二級濾波。矯正心電信號中基線漂移,后續(xù)的結構元素k2需要加大寬度。將結構元素k2對信號做類似運算,可以得到與基線有關的分量,f2=12[OC(fl,k2)+C0(fl,k2)]。3)從信號中減去基線漂移信號,得到結果可以去除基線漂移。艮Lf3=fl-f2o2.2矯正基線漂移的結構元素設計結構元素寬度對信號的處理效果相對于高度效果更大。濾波器中結構元素的設計,根據(jù)處理信號的形狀而確定。形態(tài)學第一級濾波中,結構元素的設計使得心電信號的波形不被濾除。因心電信號Q波形形狀類似三角形,結構元素的形狀選用三角形,對應形狀如圖2a;寬度根據(jù)采用頻率Fs(360Hz)和特征波形(P波,Q波群,T波等)的時間寬度T來設定,如表1所示。Q波群為0.06-0.10s,定位為0.015Fs個采樣單位,即5個采樣單位。三角形結構元素采樣表達式為k(n)=Hl-|n|L其中:n=-L,…,0,…,L;H為三角函數(shù)高度;L與結構元素M有關,M=2L+1,故kl={0,1,2,1,0}o表1心電信號特征波形時間寬度表特征波形P波Q波T波時間寬度T(s)0.08???0.20在形態(tài)學第二級濾波中,濾波器中結構元素k2的設計,根據(jù)基線漂移的形狀選定為直線形,如圖2b所示。為了加大信號進行開運算移除信號的波峰、閉運算移除信號的波谷,根據(jù)信號的采樣頻率Fs(360Hz)和特征波形的時間寬度T進行設定,取1.5TXFS,即54個采樣單位。a結構元素Ri形狀設計b結構元素R2形狀設計圖2形態(tài)學結構元素的形狀設計3實驗仿真及分析3.1心電數(shù)據(jù)庫109號信號仿真利用MATLAB仿真平臺對心電信號顯示及基線漂移矯正,心電數(shù)據(jù)來自于標準心電數(shù)據(jù)庫MITBIH。選擇109號基線漂移,因其含有典型基線漂移部分。圖3a為MITBIH心率失常數(shù)據(jù)庫中109號數(shù)據(jù)中的一段噪聲心電信號,其采樣頻率為360Hz,時程10000ms,導聯(lián)方式為MLII。圖3基于形態(tài)學的心電信號基線漂移矯正效果圖圖3b為本文所提出的濾波器,即基于形態(tài)學對心電信號基線漂移矯正的效果圖。圖3a可看出該信號在2000ms及8000ms處含有基線漂移噪聲,信號整體波形呈時起時跌趨勢。經(jīng)本文所提出濾波器處理后,由圖3b可以看出心電信號中的基線漂移得到了較好的矯正,信號恢復正常平穩(wěn)曲線。3.2心電數(shù)據(jù)庫203號信號仿真再次采集數(shù)據(jù)庫中受基線漂移最為嚴重的信號之—203號心電信號,時程10000ms,導聯(lián)方式為MLII,采樣頻率360Hz。由圖4a可見。圖4基于形態(tài)學的心電信號基線漂移矯正效果圖從圖4a可看出該信號在2000ms及5000ms處含有嚴重基線漂移噪聲,信號波形波動較大,且受繁雜的噪聲干擾。經(jīng)本文所提出濾波器處理后,由圖4b可以看出心電信號中的基線漂移得到了較好的矯正。4結束語運用形態(tài)學濾波器對ECG進行處理,其計算簡單,運算速度快,實時性好。形態(tài)學矯正基線漂移保持了原始信號幾何信息的特點,多用于處理數(shù)字圖像。從實驗仿真可看出:本文研究的處理心電信號基線漂移的數(shù)學形態(tài)學濾波器在去除心電信號基線漂移的同時,并未對信號幾何特征造成影響。需討論部分,心電信號中的結構元素與特征波的時間寬度有關,又因人具有不同年齡和不同體質,故具體情況具體分析最佳。參考文獻:段新昱.ECG監(jiān)視過程中的消噪問題[D].廣州:華南理工大學,1992o李旺.遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)的設計[D].北京:北京郵電大學,2010o李延軍.心電基線漂移去除方法的比較研究[D].北京:中國航天員科研訓練中心,2009o羅強,田化梅.基于平穩(wěn)小波變換的心電信號去噪研究[J].計算機與數(shù)字工程,2006,34(6):6770oMNEIMNEHM,YAZE,J0H0NM,etal.AnadaptiveKalmanfilterforremovingbaselinewanderinginECGsignals[C]ComputeinCardiology,Valencia:IEEE,2006:253256oSUNY,CHANKL,KRISHNANSM.ECGsignalconditioningbymorphologicalfiltering[J].ComputeinBiologyandMedicine,2002,32(6):465479。劉忠國.基于形態(tài)學濾波器的ECG信號預處理[D].濟南:山東大學,2011。王金亮.心電信號的預處理及R波檢測的研究[D].濟南:山東大學,2011。(下轉第20頁)[9]MARAG0P,SCHAFERRW.Morphologicalfilter[J].IEEETraAcousics,Speech,andSignalProcessing,1987,35(8):11531184o毛玲,孫即祥.基于形態(tài)濾波的心電信號基線矯正算法[J].信號處理,2008,24(4):582585oZHA0Lulu.RemovalofbaselinedriftfromECGsignalsbasedonmorphologyandadaptivefilter[J].ControlConference,2012(31):37503753。作者簡介:鄧璐(1989),女,湖北利川人,碩士研究生,主要研究方向為人體生命體征參數(shù)的信息處理,基金項目:2011工信部物聯(lián)網(wǎng)專項、國家自然科學基金(批準號61102075)、重慶自然科學基金(CSTC2011BB2142)、重慶教委科學技術研究項目(KJ120507)oRemovalmethodofbaselinedriftfromECGsignalsbasedonmorphologyfilterDENGLu,LINJinzhao,ZHAOYanxia,YANGXue,PANGYu(ChongqingUniveityofPostsandTelecommunicatio,Chongqing400065,Abstract:BaselinedriftisthemainnoiseofECGsignalswhichitsremovalisanimportantstepintheECGsignalpreprocessing.Atpresent,methodstocorrectthebaselinedriftintheECGsignalincludewavelettraform,curvefittingaswellasFIRandHRfilteringmethod.Butfactosuchasthelargeamountofcalculation,signallengtheffectrealtimeandthecutofffrequencyofthefiltergivetheworkinconvenience.Thispaperpresentsthemathematicalmorphologicalfiltertocorrectthebaselinedrift,accordingtothegeometri
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