一种基于自相关函数的生理信号质量检测方法

摘要

本发明公开了一种基于自相关函数的生理信号质量检测方法。本发明通过分别在理论情况对生理信号模型和实际情况下采集到的生理信号进行自相关，分析得到理论情况与实际情况下之间的关系；同时，本发明还结合利用生理信号具有准周期性的特点，提出了一种普适性的生理信号质量检测的方法，这种方法通过分别获得理论情况下和实际情况下的幅值比例因子，进而判断其差值比是否属于设定的要求，进而得到质量检测的结果。这种方法不仅能够适用于所有的生理信号，而且本发明仅需采用生理信号中的某一段函数即可获得质量检测的结果，所以有效的减少了计算量，能够实时对信号进行评估。

权利要求

1.一种基于自相关函数的生理信号质量检测方法，其特征在于，其具体步骤如下：步骤一、根据截断窗长度，从实际采集的生理信号中截取实际窗口生理信号，并进行自相关，获得第n次自相关结果Gactual(n)，令初始值为1；

步骤二、对第n次自相关结果Gactual(n)再次进行自相关，获得第n+1次的自相关结果Gactual(n+1)；并在自相关结果Gactual(n+1)中查找两个极值点P1和P2以及两个极值点对应的幅值 和 获得两极值点P1和P2之间的采样个数d以及包含极值点的两极值点之间的峰值个数x；

步骤三、判断当前获得的采样个数d是否满足判定条件 其

中，f为一秒中的采样个数，rate1和rate2分别代表该生理信号质量检测方法所适用周期范围的下限和上限；若满足，则说明两极值点均处于所述适用周期内，记录自相关次数N＝n+

1；并保存极值点P1和P2；根据 获得实际情况下的第一幅值比例因子a，执行步骤四；否则，令n自加1，返回步骤二；

步骤四、基于无噪声的理论情况以及步骤一中采用的截断窗长度，构建理论窗口生理信号函数并进行N次自相关，获得理论情况的自相关结果的表达式G(N)；并在理论情况的自相关结果G(N)曲线上找到与自相关结果Gactual(n+1)曲线中极值点P1和P2相对应的点的幅值，分别记为 和步骤五、根据 获得第二幅值比例因子b；

步骤六、根据步骤三和步骤五中获得的第一幅值比例因子a和第二幅值比例因子b，结合判定条件 对生理信号质量进行检测；其中，k为设定的生理信号质量允许的误差范围，若满足判定条件，则说明采集的生理信号可靠，否则，判为不可靠。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三中选择两个相邻的极值点作为极值点P1和P2。

说明书

一种基于自相关函数的生理信号质量检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及生理信号质量检测，具体涉及一种基于自相关函数的生理信号质量检测方法。

背景技术

[0002] 生理信号是人体器官组织发送的生理信息，一般包括心电信号、血氧容积波、呼吸信号、血压信号、脑电波信号等。生理信号作为机体电活动的综合表现，是诊断疾病、评价机体功能是否良好的重要依据之一。

[0003] 在实际采集过程中，由于外界环境的影响，电磁干扰的影响，温度的影响，工频信号的影响，设备引入的噪声，测试人员和配带者引入的肌电干扰等，采集的生理信号常带有噪声的影响。针对噪声的干扰，常采用滤波器滤除噪声。但由于噪声信号的频率范围较广，且信号随机性较强，仅依靠滤波器无法完全滤除噪声的影响。因此，在对实时的生理信号进行分析、诊断前，需要一种评估生理信号质量的方法用以判别生理信号是否适用于诊断和分析。

[0004] 目前，现有的生理信号质量评估方法，都是针对所要评估的信号进行长时间的采集，进而基于所采集的信号进行分析，获取其特征变化，进而得出结论。然而，这样做的缺点在于：

[0005] 1、由于需要对一段较长的信号进行分析，故其需要在某一时间段内对该信号进行采集，这样一来，将无法实时对信号进行评估，而且计算量大，技术复杂度高。

[0006] 2、由于生理信号包括心电信号、血氧容积波、呼吸信号、血压信号、脑电波信号等，在现有质量检测算法中，通常针对生理信号中不同的待检信号，根据其波形特征，获得特征值点，进而采用不同的算法进行质量检测，而无法同一采用一个算法进行检测，进而带来不便。

发明内容

[0007] 有鉴于此，本发明提供了一种基于自相关函数的生理信号质量检测方法，能够采用一个普适性的算法对生理信号进行实时检测。

[0008] 一种基于自相关函数的生理信号质量检测方法，其具体步骤如下：

[0009] 步骤一、根据截断窗长度，从实际采集的生理信号中截取实际窗口生理信号，并进行自相关，获得第n次自相关结果Gactual(n)，令初始值为1；

[0010] 步骤二、对第n次自相关结果Gactual(n)再次进行自相关，获得第n+1次的自相关结果Gactual(n+1)；并在自相关结果Gactual(n+1)中查找两个极值点P1和P2以及两个极值点对应的幅值 和 获得两极值点P1和P2之间的采样个数d以及包含极值点的两极值点之间的峰值个数x；

[0011] 步骤三、判断当前获得的采样个数d是否满足判定条件其中，f为一秒中的采样个数，rate1和rate2分别代表该生理信号质量检测方法所适用周期范围的下限和上限；若满足，则说明两极值点均处于所述适用周期内，记录自相关次数N＝n+1；并保存极值点P1和P2；根据 获得实际情况下的第一幅值比例因子a，执行步骤四；否则，令n自加1，返回步骤二；

[0012] 步骤四、基于无噪声的理论情况以及步骤一中采用的截断窗长度，构建理论窗口生理信号函数并进行N次自相关，获得理论情况的自相关结果的表达式G(N)；并查找自相关结果的表达式G(N)中极值点P1相应幅值 和P2相应幅值

[0013] 步骤五、根据 获得第二幅值比例因子b；

[0014] 步骤六、根据步骤三和步骤五中获得的第一幅值比例因子a和第二幅值比例因子b，结合判定条件 对生理信号质量进行检测；其中，k为设定的生理信号质量允许的误差范围，若满足判定条件，则说明采集的生理信号可靠，否则，判为不可靠。

[0015] 特别地，步骤三中选择两个相邻的极值点作为极值点P1和P2。

[0016] 有益效果：

[0017] 1、本发明通过分别在理论情况对生理信号模型和实际情况下采集到的生理信号进行自相关，分析得到理论情况与实际情况下之间的关系；同时，本发明还利用生理信号具有准周期性的特点，基于自相关函数，使其在自相关后获得生理信号的极值点所对应的幅值之比仍约等于1。基于上述两点原因，本发明提出了一种普适性的生理信号质量检测的方法，这种方法通过分别获得理论情况下和实际情况下的幅值比例因子，进而判断其差值比是否属于设定的要求，进而得到质量检测的结果。这种方法不仅能够适用于所有的生理信号，而且本发明仅需采用生理信号中的某一段函数即可获得质量检测的结果，所以有效的减少了计算量，能够实时对信号进行评估。

[0018] 2、为了提高计算的准确率，并减小计算量，本发明采用相邻两个周期的极值点进行后续的应用。

附图说明

[0019] 图1为本发明流程图。

[0020] 图2为窗函数的一次相关函数波形示意图。

[0021] 图3为理想状态下一次相关函数波形示意图。

[0022] 图4为窗函数的二次相关函数波形示意图。

[0023] 图5为理想状态下二次相关函数波形示意图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

[0025] 本发明提供了一种基于自相关函数的生理信号质量检测方法，其主要思想在于：

[0026] 1、本发明利用生理信号具有准周期性的特点，实现了不同的待检测信号，能够使用同一算法进行质量检测。

[0027] 2、由于自相关函数式处理信号处理一种通用方法，可适用于任何信号，不受波形的形状影响，且将生理信号进行多次相关后，其每个周期内的生理信号的极值点所对应的幅值之比还是约等于1。故本发明提出了基于自相关函数的生理质量检测方法。

[0028] 3、噪声信号的强弱是影响生理信号的质量的重要因素。也就是说，在理论情况下，噪声信号的幅值为0；而实际情况的噪声信号幅值并不为0；因此，在理论情况下两个极值点P1和P2的所对应的幅值与实际情况下两个极值点P1和P2的所对应的幅值之差，即为由于噪声信号所引发的幅值变化。然而，由于在实际应用中无法获得生理信号的实际幅值，故结合第1条的分析，本发明利用两种情况下比例因子求差值的方法进行计算。

[0029] 此外，正是由于本发明通过利用生理信号的共有特点---准周期性，通过基于对准周期性的分析，提出了一个对生理信号质量检测的方法，而这种方法避免了现有技术中所采用的图像求解法，适用于每种生理信号。

[0030] 综上所述，本发明提供了一种基于自相关函数的生理信号质量检测方法，所述生理信号包括心电信号、血氧容积波、呼吸信号和血压信号；分别在理论情况和实际情况下，获得其中一种待测生理信号极值点相应的幅值比例因子，通过对比例因子的差值计算进行判断，其具体步骤如下，如图1所示：

[0031] 步骤一、根据截断窗长度，从实际采集的生理信号中截取实际窗口生理信号，并进行自相关，获得第一次自相关结果Gactual(n)，其中，n代表第n次自相关，令n的初始值为1；由于在实际情况下，截取的窗口生理信号进行自相关是现有技术，故在此不进行赘述。

[0032] 步骤二、为了保证结果的准确性，自相关的次数至少在两次或两次以上。故需要将获得的第n次自相关结果Gactual(n)再次进行自相关，获得第n+1次的自相关结果Gactual(n+1)；并在自相关结果Gactual(n+1)中查找两个极值点P1和P2以及两个极值点对应的幅值和 获得两极值点P1和P2之间的采样个数d以及包含极值点的两极值点之
间的峰值个数x；由于生理信号具有准周期性，故自相关后的结果亦具有准周期性，且每个周期内都具有一个极值点。为了提高计算的准确率，并减小计算量，本发明采用相邻两个周期的极值点进行后续的应用。

[0033] 步骤三、根据步骤二中获得的极值点P1和P2之间的采样个数d以及包含极值点的两极值点之间的峰值个数x，根据公式

[0034]

[0035] 经整理，获得：

[0036]

[0037] 判断当前获得的采样个数d是否满足要求，其中，f为一秒中的采样个数，分别代表该生理信号质量检测方法所适用周期范围的下限和上限；(x-1)代表周期数； 则表示每个周期的采样点数，而 则表示每分钟采样周期个数；若满足，则说明两极值点均处于所述适用周期内，例如：对于心电信号来说，一般情况下会取rate1＝40和rate2＝150代表该算法适用于心率为[40，150]的信号；若获得的 即每分钟采样周期个数处于该区间内，则判为满足要求；如果该算法适用于连续性血压的测量，一般情况下会取rate1＝40和rate2＝150代表该算法适用于每分钟血压周期为[40，150]的信号。若获得的即每分钟采样周期个数处于该区间内，则判为满足要求。之后，记录自相关次数N＝n+1；并保存极值点P1和P2；根据公式

[0038]

[0039] 获得实际情况下的第一幅值比例因子a后执行步骤四；否则，令n自加1，返回步骤二；

[0040] 步骤四、基于无噪声的理论情况以及步骤一中采用的截断窗长度进行N次自相关，获得理论情况的自相关结果的表达式G(N)；由于实际情况下，为了能够保证结果的准确性，至少需要对实际窗口生理信号进行两次自相关，所以，对于理论窗口生理信号来说，也要至少进行两次自相关，但具体自相关次数与实际自相关次数N相同。其中，本发明采用如下公式及推导，获得自相关结果的表达式G(N)；

[0041] 首先，根据生理信号模型S'(v)，截断窗长度W(v)，获得理论窗口生理信号函数表达式：

[0042] M(v)＝S'(v)·W(v)  (3)；

[0043] 其中，v为待测信号点位置；

[0044] 之后，根据自相关函数定义，获得第一次理论自相关结果；设第一次自相关函数表达式RM(m1)为：

[0045] G(1)＝RM(m1)＝E{M(v)·M(v+m1)}  (4)；

[0046] 其中，公式(4)中的m1为第一次理论自相关的延迟时间；

[0047] 将公式(3)代入公式(4)中，获得：

[0048] RM(m1)＝E{[W(v)·W(v+m1)]·[S'(v)·S'(v+m1)]}  (5)；

[0049] 如图3所示根据期望函数的性质以及公式(4)记载的自相关函数定义，化简公式(6)：即

[0050] RM(m1)＝RWW(m1)·RS'S'(m1)  (6)；

[0051] 其中，RWW(m1)代表第一截断窗自相关函数；RS'S'(m1)代表理论情况下的第一生理信号自相关函数；

[0052] 本发明中，设定窗口函数

[0053] W(v)＝1,0≤v≤L-1  (7)；

[0054] 其中，L为窗口函数的数据长度；

[0055]

[0056] T为检验信号的周期，z为周期数

[0057] 故窗口函数在自相关后得到第一窗口自相关函数，如图2所示

[0058] RWW(m1)＝L-m1,0≤m1≤L-1  (9)；

[0059] 由于窗口函数为设定的，故在理论情况和实际情况下的函数均相等。

[0060] 之后，如图4所示，将获得的第一次理论自相关结果进行第二次自相关，获得第二次理论自相关结果；期第二次自相关函数表达式R2M(m2)为：

[0061] G(2)＝R2M(m2)＝E{RM(m1)·RM(m1+m2)}  (10)；

[0062] 其中，m2第二次理论自相关的延迟时间；

[0063] 将公式(6)代入公式(10)，并根据期望函数的性质以及公式(4)记载的自相关函数定义，化简后获得：

[0064] R2M(m2)＝E[RWW(m1)·RWW(m1+m2)]·E[RS'S'(m1)·RS'S'(m1+m2)]

[0065] ＝R2S'S'(m2)·R2WW(m2)  (11)；

[0066] 其中，R2WW(m2)代表第二次截断窗自相关函数；R2S'S'(m2)代表理论情况下的第二次生理信号自相关函数；

[0067] 其中，R2WW(m2)的获得的具体方法为：根据公式(9)的记载，对公式(9)再次进行自相关；

[0068] 获得第二次截断窗自相关函数R2WW(m2)：

[0069]

[0070] 如图5所示根据差方性质，化简后解得：

[0071]

[0072] 之后，根据上述过程，对第二次理论自相关结果再次进行自相关，直至达到自相关N次为止，进而获得第N次自相关结果的表达式G(N)；并查找自相关结果的表达式G(N)中极值点P1相应幅值 和P2相应幅值

[0073] 步骤五、根据

[0074]

[0075] 获得第二幅值比例因子b；由于每个采样点其相应的幅值均可将其采样点代入自相关函数表达式RNM(mn)获得，即： 且又由于生理信号具有准周期性，故对于每个待检测的生理信号来说，其每个极值点也具有准周期性，进而每个周期内的生理信号的极值点所对应的幅值之比约等于1。

[0076] 所以，在获得第二幅值比例因子b时，仅需获得第N次窗口自相关函数在极值点出的幅值即可。故公式(14)可变化为公式(15)

[0077]

[0078] 获得理论情况下的第二幅值比例因子b；

[0079] 步骤六、根据步骤三和步骤五中获得的第一幅值比例因子a和第二幅值比例因子b，结合判定条件 对生理信号质量进行检测；其中，k为设定的生理信号质量允许的误差范围，若满足判定条件，则说明采集的生理信号可靠，否则，判为不可靠。

[0080] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。