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心电信号去噪及效果评价研究

顾远  
【摘要】:心电信号中的基线漂移等噪声干扰问题由来已久,各种降噪方法的研究层出不穷。本研究根据心电信号对医疗诊断的重要意义,以及对信号保真程度的严格要求,在保证信号波形形态和电位不失真的前提下,最大限度的去除漂移噪声、为后续的诊断提供特征点清晰且真实反映患者心电活动的的心电信号。从心电信号漂移处理的经典策略中选取各种波形下均能有效降噪且造成失真最小的形态学方法,并将该方法针对信号处理常用一维结构元素扩展到二维,使心电信号的降噪过程可以通过改变调整结构元素的方式得到更有效的控制。 同时,将使用二维结构元素的形态学信号处理方法使用数学语言描述出来,并推导出计算公式组,简化了心电信号基线漂移的降噪过程。该公式组是从形态学原始定义中推导而来,具有广泛的通用性,可以推广到其它类型一维信号的基线提取。在这个公式组之外,还规定了二维结构元素的简要设计原则;并通过实例证明,根据这个原则设计并使用二维结构元素后,与传统的一维结构元素相比,一维信号基线漂移的纠正中降低了对信号波形造成的失真,并可通过衰减补偿等方式在降噪处理之后进一步提高信号的质量。 再次,对于心电信号的降噪处理的效果评价,目前文献中尚无统一的、具有针对降噪效果、尤其是对信号失真程度的评价标准,因此本文综合心电信号各波形成分的形成原理和心电诊断学意义,提出量化的用于降噪效果和失真程度评价的系统构架,涵盖心电信号中影响诊断的所有特征点位置及点与点的间期、电位等信息的评价,并通过合理地计算获得量化的数值,用以客观衡量各降噪策略的效果及失真控制能力。 最后,研究从MIT/BIH心律失常数据库中选取八个样本,对应于典型的八种心电波形作为实验数据,试验中模拟添加漂移干扰,使用本文提出的二维结构元素的形态学方法进行降噪处理,同样的数据也在基于一维结构元素的形态学、小波变换和中位值方法进行对比实验。实验结果通过文中提出的降噪效果和失真评价体系进行评价,经过大量实验得结论为,基于二维结构元素的形态学降噪效果略低于使用一维结构元素时的效果,但优于其它策略;而对失真的控制方面,基于二维结构元素的形态学方法处理后,信号的失真最小,对后续的诊断能够提供最接近信号原貌、且基线漂移等噪声相对最少的心电信号。


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