基于形態(tài)學(xué)濾波與提升小波變換的心電信號去噪方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于形態(tài)學(xué)濾波與提升小波變換的心電信號去噪方法，首先根據(jù)提升小波理論對心電信號f進(jìn)行3次分解，得到三層高頻系數(shù)和三層低頻系數(shù)，再采用提升閾值去噪法對高頻系數(shù)進(jìn)行處理，然后將底層高頻系數(shù)和低頻系數(shù)進(jìn)行兩次重構(gòu)，可得到重構(gòu)低頻系數(shù)并對其進(jìn)行形態(tài)學(xué)濾波處理，最后根據(jù)處理后的重構(gòu)低頻系數(shù)和處理后的最高層高頻系數(shù)進(jìn)行信號重構(gòu)得到去噪后的心電信號f’。其顯著效果是：方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，將形態(tài)學(xué)算法與提升小波變換算法有機(jī)結(jié)合，相對于傳統(tǒng)小波算法，它不僅能同時(shí)去除心電高頻和低頻噪聲，提高了去噪后信號的質(zhì)量，還有計(jì)算簡單，占用空間少，更易在硬件上實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于形態(tài)學(xué)濾波與提升小波變換的心電信號去噪方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)信號噪聲處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于形態(tài)學(xué)濾波與提 升小波變換的心電信號去噪方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 心電是人的生命體征信號之一，可以精準(zhǔn)地反映出人在不同狀態(tài)下心臟活動的信 息，它不僅為心臟功能的變化和心臟疾病的診斷，提供了一個(gè)很有價(jià)值意義的參考，還在生 物身份識別技術(shù)上提供了一種新的身份驗(yàn)證方式。
[0003] 心電信號是一種典型的非平穩(wěn)微弱信號，幅值低，頻率低，所以在心電信號的提取 過程中，極易受各種干擾。其中心電信號的噪聲主要分為三類：①基線漂移，主要由肢體運(yùn) 動、呼吸、心電采集方式和采集電路所引起，頻率在0. 02Hz到幾 HZ，心電圖上表現(xiàn)為心電信 號偏離正常的基線位置；②工頻干擾，主要由來自50Hz的電源及高諧波干擾，③肌電干擾， 主要由人體表皮層的電勢變換引起，頻率在10到300Hz，在心電圖的整個(gè)時(shí)域中使信號表 現(xiàn)為一系列不規(guī)則的毛刺。
[0004] 在心電去噪方面，有著很多方法，去噪效果較好的像傳統(tǒng)的小波去噪方法，在去除 高頻噪聲方面，有著很好的效果，然而卻無法高效去除低頻噪聲。為了克服傳統(tǒng)小波去噪這 一不足，有人設(shè)計(jì)了基于形態(tài)學(xué)與小波的心電噪聲組合式濾除器，采用形態(tài)學(xué)濾波器去除 心電信號的低頻噪聲，采用閾值去噪法去除高頻噪聲，在心電信號去噪上，取得了較好的效 果，然而傳統(tǒng)小波計(jì)算量過大，不易在硬件上實(shí)施。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于形態(tài)學(xué)濾波與提升小波變換 的心電信號去噪方法，該方法不僅能夠有效去除信號中的高頻與低頻噪聲，而且計(jì)算量較 小，易于在硬件上實(shí)施。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明表述一種基于形態(tài)學(xué)濾波與提升小波變換的心電信號去 噪方法，其關(guān)鍵在于按照以下步驟進(jìn)行：
[0007] 步驟1 :將心電信號f進(jìn)行第一級提升小波分解，得到第一層低頻系數(shù)CAl和第一 層高頻系數(shù)CDl ;
[0008] 步驟2 :對步驟1獲得的第一層低頻系數(shù)CAl進(jìn)行第二級提升小波分解，得到第二 層低頻系數(shù)CA2和第二層高頻系數(shù)CD2 ;
[0009] 步驟3 :對步驟2獲得的第二層低頻系數(shù)CA2進(jìn)行第三級提升小波分解得到第三 層低頻系數(shù)CA3和第三層高頻系數(shù)CD3 ;
[0010] 步驟4:采用第一提升閾值去噪法對高頻系數(shù)CD3進(jìn)行去噪處理，得到去噪后的高 頻系數(shù)CD3'，并將高頻系數(shù)CD3'與步驟3獲得的低頻系數(shù)CA3進(jìn)行提升小波重構(gòu)得到系數(shù) CA2,；
[0011] 步驟5 :采用第二提升閾值去噪法對高頻系數(shù)CD2進(jìn)行去噪處理，得到去噪后的 高頻系數(shù)CD2'，并將高頻系數(shù)CD2'與步驟4獲得的系數(shù)CA2'進(jìn)行提升小波重構(gòu)得到系數(shù) CAlO ；
[0012] 步驟6 :采用形態(tài)學(xué)濾波法對步驟5獲得的系數(shù)CAlO進(jìn)行處理，去除系數(shù)CAlO中 的高頻分量得到系數(shù)CA1' ；
[0013] 步驟7 :采用第三提升閾值去噪法對步驟1獲得的高頻系數(shù)CDl進(jìn)行去噪處理，得 到去噪后的高頻系數(shù)CD1'，并將高頻系數(shù)CD1'與步驟6獲得的系數(shù)CA1'進(jìn)行第三次提升 小波重構(gòu)，得到去噪后的心電信號f'。
[0014] 作為更進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述第一提升閾值去噪法、第二提升閾值去噪法以及 第三提升閾值去噪法所采用的閾值去噪函數(shù)均為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于形態(tài)學(xué)濾波與提升小波變換的心電信號去噪方法，其特征在于按照以下步 驟進(jìn)行： 步驟1 :將心電信號f進(jìn)行第一級提升小波分解，得到第一層低頻系數(shù)CAl和第一層高 頻系數(shù)CDl ; 步驟2 :對步驟1獲得的第一層低頻系數(shù)CAl進(jìn)行第二級提升小波分解，得到第二層低 頻系數(shù)CA2和第二層高頻系數(shù)CD2 ; 步驟3 :對步驟2獲得的第二層低頻系數(shù)CA2進(jìn)行第三級提升小波分解得到第三層低 頻系數(shù)CA3和第三層高頻系數(shù)CD3 ; 步驟4 :采用第一提升閾值去噪法對高頻系數(shù)CD3進(jìn)行去噪處理，得到去噪后的高頻 系數(shù)CD3'，并將高頻系數(shù)CD3'與步驟3獲得的低頻系數(shù)CA3進(jìn)行提升小波重構(gòu)得到系數(shù) CA2,； 步驟5 :采用第二提升閾值去噪法對高頻系數(shù)CD2進(jìn)行去噪處理，得到去噪后的高頻系 數(shù)CD2'，并將高頻系數(shù)CD2'與步驟4獲得的系數(shù)CA2'進(jìn)行提升小波重構(gòu)得到系數(shù)CAlO ; 步驟6 :采用形態(tài)學(xué)濾波法對步驟5獲得的系數(shù)CAlO進(jìn)行處理，去除系數(shù)CAlO中的高 頻分量得到系數(shù)CA1' ； 步驟7 :采用第三提升閾值去噪法對步驟1獲得的高頻系數(shù)CDl進(jìn)行去噪處理，得到去 噪后的高頻系數(shù)CD1'，并將高頻系數(shù)CD1'與步驟6獲得的系數(shù)CA1'進(jìn)行第三次提升小波 重構(gòu)，得到去噪后的心電信號f'。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形態(tài)學(xué)濾波與提升小波變換的心電信號去噪方法，其特 征在于：所述第一提升閾值去噪法、第二提升閾值去噪法以及第三提升閾值去噪法所采用 的閾值去噪函數(shù)均為：
其中，CD⑴為對應(yīng)高頻系數(shù)第i個(gè)采樣點(diǎn)值，CD'（i)為CD⑴去噪后的值，signO為 符號函數(shù)，λ為常數(shù)，TY與Th為兩個(gè)閾值，i = 1?N, N為信號的長度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于形態(tài)學(xué)濾波與提升小波變換的心電信號去噪方法，其特 征在于：所述常數(shù)λ取值為3.5,所述閾值IY與Th的計(jì)算公式為：& = 1.20/2log(N)， 其中，5 = median (CD) median(⑶）為對應(yīng)高頻系數(shù)的中值； 0. 6745 當(dāng) δ 彡 〇· 121 時(shí)，Tl = 0 ;當(dāng) δ > 〇· 121 時(shí)，Tl = 0,4865(d'-0.121 )pIog(N)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形態(tài)學(xué)濾波與提升小波變換的心電信號去噪方法，其特 征在于：步驟6中所述形態(tài)學(xué)濾波法按照以下步驟進(jìn)行： 步驟6-1 :將步驟5獲得的系數(shù)CAlO同時(shí)進(jìn)行一路開一閉運(yùn)算和一路閉一開運(yùn)算，并 將兩路運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行算術(shù)平均得到高頻分量fi; 步驟6-2 :將所述系數(shù)CAlO與步驟6-1獲得的所述高頻分量進(jìn)行求差運(yùn)算，得到系 數(shù) CA1，。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于形態(tài)學(xué)濾波與提升小波變換的心電信號去噪方法，其特 征在于：所述的形態(tài)學(xué)濾波法采用直線形結(jié)構(gòu)元素。
【文檔編號】A61B5/0402GK104367316SQ201410665880
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】龐宇, 張磊磊, 林金朝, 王偉, 羅志勇, 李章勇, 冉鵬, 李國權(quán), 周前能 申請人:重慶郵電大學(xué)