小波变换去噪方法在多谱勒胎儿心率.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.25M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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生物医学工程学杂志 JK|}+$’D"/ LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL L %**)I%%’%,M&&+N&-% 小波变换去噪方法在多谱勒胎儿心率提取中的应用研究! 张榆锋 "# 曹毅 "$% 章克信 & 余炜 " 施心陵 " 云南大学信息学院电子工程系 "’ 昆明 $ ()**+", 重庆社会工作职业学院电子与信息技术系 %’ 重庆 $ -***)), 昆明医学院第二附属医院 &’ 昆明 $ ()**+", 摘要为了从超声多谱勒胎音信号中提取胎音信号获得平滑的胎心率曲线 $ 并计算胎心率 $ 必须去除信号提 $ 取过程中的各种干扰和噪声对平均频移算法获得的多谱勒信号的平均频率曲线采用小波变换中的五层强制去噪 . 方法使后续的相关计算能得到平滑的胎音信号 $ 从而方便计算胎儿的心率 $ 通过对实际超声多谱勒胎音信号的处 . 理获得了较好的结果 $ 提取出了稳定 $ 平滑的胎心率曲线 / 关键词多谱勒胎心率小波变换小波消噪较准确地计算出了胎心率 $ . 0123455627829:6;2:79<:923292=9>4?@>91A:B262907:?CD47E F1:?GHID2?GJK L:4H>J$M F1:?GN2O>?P HIA2>J Q1>R>?6>?GJ "’STUVWXYTZX[\]^T_XW[Z‘_V^]Za‘ZTTW‘Za$bZ\[WYVX‘[Zc_d[[^$efZZVZgZ‘hTWi‘Xj$kfZY‘Za ()**+"$ld‘ZV, %’STUVWXYTZX[\]^T_XW[Z‘_m bZ\[WYVX‘[ZnT_dZ[^[aj$ld[Zao‘Zac[_‘V^p[WqrW[\\Ti‘[ZV^l[^^TaT$ld[Zao‘Za -***))$ld‘ZV, &’ndTcT_[Zst\\‘^‘VXTsu[iU‘XV^[\kfZY‘ZavTs‘_V^l[^^TaT$kfZY‘Za ()**+"$ld‘ZV, wxC97:=9 yz{|}~!|"#${%${$"&$z"’"}|!$!!(}~)’*$$)|+|"z#$’,(|)$-|&.|"/~-#($!|/"z)}%%$#z)($z{#{z#$ %{}+ #($0}--)${%$#z)!|/"z)|"}{’${#}}*#z|"!+}}#(&~{1$}%#($%$#z)($z{#0}--)${!|/"z)z"’!}#}%|/~{$}~# #($%$#z)($z{#{z#$23"#(|!!#~’4$#($+$z"%{$5~$"&4!(|%#&~{1$$!#|+z#$’%{}+ #($0}--)${%$#z)!|/"z)!,z! !+}}#($’~!|"/,z1$)$##{z"!%}{+26(${$!~)#!!(},$’#(z##($%$#z)7($z{#{z#$}*#z|"$’*4&}+-~#|"/%{}+ #($ z~#}&}{{$)z#|}",z1$%}{+ *z!$’}"#($!+}}#($’+$z"%{$5~$"&4!(|%#&~{1$,z!+}{$z&&~{z#$#(z"#(z#*z!$’}" ~"!+}}#($’&~{1$2 N28@479C 0}--)${~)#{z!}~"’ :$#z)($z{#{z#$ ;z1$)$##{z"!%}{+ ;z1$)$#7*z!$’’$"}|!|"/ 引言 J 获得平滑的胎音信号曲线也是一种较严重的干扰 . 所以在胎音信号提取过程中 $ 如何针对干扰的不同 $ 利用超声多谱勒检测胎音信号是目前获得胎儿特征以及提取不同特征信号时采用有效的去噪方法心率的重要方法然而 $ 由于母体子宫内是一个极其 $ 复杂的运动系统胎儿心脏运动 < 有母体子宫血管内 $ 血液的流动子宫肌肉收缩运动 $ 液循环以及胎儿在子宫内的运动 $ 胎儿体内自身的血因胎动等 >"?$ 从而 == $ 此超声波的回波中就有很多复杂的干扰成分 $ 导致提取胎儿心脏运动信号相当困难使得整个信 $ 号提取过程中得到的信号不稳定极易受到外界各 $ 种因素的影响另一方面在信号提取过程中了各种算法 . 如平均频移自相关算法 >%?$ $ $ 采用 $ 在算法的过显得非常重要目前通常采用的去噪方法有波相干平均 / / . 空间叠加平均 < 模拟滤自适应滤波等技术 >&?. / H 温漂 G 模拟滤波器随着温度变化和元件老化将产生与差 H G 较难以控制 $ 时漂使信号失真其误差决定于元件的允许误 I 相干平均 . 空间叠加平均 / 自适应滤 / 波等要依赖于噪声信号的先验知识所以 . 常规滤波 $ 器对胎音信号的提取存在以上问题必须寻求一种 $ 新的去噪方法经过研究发现 $ 将小波变换应用于胎 $ 音信号提取过程中的去噪克服了以上滤波方法的 $ 并收到了较好的效果 $ 基于小波变换的多分辨分析技术在信号去噪技 . 程中要对信号截短这时将产生新的频率成分 $ 这对 $ 缺点云南省自然科学基金资助项目 ’%**%@***%A, 和云南省科技 ! 计划资助项目万方数据 ’%**%BC"*, 通讯作者 # .D7+z|)<4%$"/E(z"/F4z(}}2&}+ 术中有明显的优点特别是二进小波对信号的分析 $ 具有变焦距的作用如世界著名的小波分析学者 $

C1{ 44 999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999 9 生物医学工程学杂志第卷 HBh e,$f*;PlC= iN 4 H@ OIBGN 4 HIKmH@ OTiN 4 HIK V k H@ O PBP@O *"%_Ze,$f* 的变换 ^_(#$*# 以上为 V n k;‘=BqH‘r4;+_-;‘r4==4sT O j;‘=B1HqH‘r4-$";‘r4= .n6o6p u 为 F t m;‘=B v O@Uk;‘=U4 j;‘= 构造的 !"#$%&’()*+,$*- 正则性小波函数具有的增加而增加 012. 这对消噪处理中避免信号移相和重构获得较好的平滑而且正则性随序号 &’()*+,$*- / . 效果是非常有用的 3 我们以平均频移自相关算法提取胎音信号 042为背景研究并提出了在信号处理中对平均频移算法 . 获得的多谱勒信号的平均频率曲线采用小波变换中的层强制去噪方法 5 3 经过对实际超声多谱勒胎音信号的处理获得了较好的结果 . 提取到了稳定 . 平 6 滑的胎心率曲线极大地提高了整个信号处理系统 . 的抗干扰能力以及系统的自适应噪声环境的能力数学背景 7 二进小波变换及其快速算法 789 ? 设为一母小波 :;<= . 即满足> @ ? :;A=%AB C. 则上的二进小波变换定义为 D4;E= F G4 HI;J=BIKL4 H;J=B>I;M=L4 H;J@M=NM;O= F:4 P;<=B4@ P:;4@ P<=3 式中若小波 :;<= 是 :;W= 里 V 定存在重建小波 :;<= 满足 T ? QR S PB @ ? 的傅立叶变换 UV 这 :;4PW=U4R X. 则一为常数 .Q6X . 使函数 Y;<= 可以从它的二进 Z;<= 小波变换中恢复 F T ? I;J=B [ HB @ ? G4 HIK\4 H;J=BIK];J=T C [ HB @ ? G4 HIK\4H;J= 其为重构小波函数式中 FY;<= . ^_(#$*# 变换满足 ;4= F 3 787 多分辨分析多分辨分析 ;w(fA$xE*-_f(A$_"Q"’fy-$-= 从空间的概念上形象地说明了小波的多分辨特性图 . O 为三层多分辨分析树结构图从图中可以看出多分 . 辨分析只是对低频部分进行进一步的分解而高频 . 部分则不予考虑分解具有关系 3 这里只是以三层分解进行说明 FbBzQ{Tz&{T 如果要 . z&4Tz&O. 进一步的分解则可以把低频部分 . 分解成低频 zQ{ 和高频部分 zQ1 以后再分解可依此类 z&1. 部分推 3 L;4H‘=V V \;4H‘=BO 图 9 三层多分辨分析树结构图 a;<= 为尺度函数其 . 变换满足 ^_(#$*# F |}~9 !"#$%"$#&’(")&")#&&*+&,&+*#&-’+$"}’./.0/./+1-}-"#&& T ? [ HB @ ? ? ];‘=U4B [ UV 以下是计算离散信号 HB O V L;4H‘=V \;4H‘= b% P分解为 OZ b% PT OZ 4 和 3b% 4 小波变换的算法在各个尺度 c% dT OZ3 4 下的形式 F 小波变换消噪原理 2 4P的离散一个含有噪声的一维信号的模型可以表示成如 HBC 3;4=BI;4=Tq;4= 4BO.4.5.s@O e,$f*;Hgh= GN iN HT OIBiN HT OIBiN 4 4 HIKk 4 HIKjH 4 HBHTO *"%_Ze,$f* 小波反变换算法从离散二进小波重建个尺度万方数据它从 b% 4P. 和重构 c% dT OZ 4 b% P@ OZ3 4 PT OZ 4 在每 b% OZ. 式中为真实信号 FZ;$= 为含噪的信号 -;$= 3 为高斯白噪声 6*;$= /;C.O=6 基于小波变换的去噪方法是先将带有噪声的信号通过小波变换展开为小波级数然后通过门限方 . 法抽取重要 7 的小波系数 8 再把去噪后的小波系数 . 经小波逆变换重建未知信号的逼近 3 一般说来一维信号的消噪过程可分为三个步 .

第期 = *l7 pppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppp p 骤从可以较好地将噪声和信号分离选择一个小波并确定一维信号的小波分解小波变换的特点 ( 张榆锋等小波变换去噪方法在多谱勒胎儿心率提取中的应用研究 & & 每一层高频系数选择一个阈值进行量化处理同时由于在采用平均频移算法获取平均频率 !"#$ 分解的层次然后对信号 %& 波分解高频系数的阈值量化对第 ’ ! 层到第 * % ! 进行小波分解维小波的重构根据小波分解的第 ! 和经过量化处理后的第层到第 * 进行一维信号的小波重构 ( % % 小波变换对超声多谱勒胎音信号的消噪 , 小 (")$ 而实现消噪目的 ( 层的根据引言知道超声多谱勒胎音信号中含有很多一 ("+$ 层的低频系数噪声 & 曲线时层的高频系数成分这是新的噪声 & 所有这些噪声成分使平均频率 & 利用窗口对信号进行截短 & 产生了新的频率 & 曲线变得不光滑成为了平均频率曲线的干扰信号 & & 因此得到的平均频率曲线是很不光滑的 & 如果此时 & 直接进行相关处理虽然能提取信号的频率特征 & 但 & 平均频移自相关算法提取胎音信号方法简是得到的相关曲线仍然有毛刺 & 不便于计算机识别 & 的矩形窗从超声多谱勒胎音这时关心的是如何尽量将平均频率曲线光滑而不 & 和计算胎心率所以 & 应将平均频率曲线进行滤波 & ( 对该信号进行傅立叶变换得管高频信号因为这些高频分量对于后面的分析属 ,-# 介 .)/ 用一个宽度为 % 信号中截取一段信号 & 到其频谱计算该频谱中的平均频率 & 计算式如下 & ! 于噪声 $& 可以将信号进行多层分解 " 所以 & 01 3 2 41 * 5"4$60"4$ 3 2 41 * 5"4$ 的高频分量故可以采用强制去噪方法 & 层高频系数置零 "7$ 解得到的 % 数进行小波重构经过实际分析处理式中为点处对应的频率值 !8"9$ 号的频谱 9 为窗口宽度 :;"9$ :% 频率 ( 为反映了窗口内信 8 的 AB*C AB? 为窗口内信频率曲线进行 ( 层分解 ? 全部置零 & 实行时 $ & 号的平均频率大小将上述矩形窗在时域里向后移音信号的同时得到较为平滑的曲线同上选择滤掉全部 & 即将小波分 ! 然后将其它的低频系 & 发现在对平均 & 层强制去噪图 ? 能较好地保留低频胎 " * 中 ( 动一个点得到另一段长度为 & 的数据利用上式 & % 的计算方法求得下一时刻的平均频率 "7$ 率值作为时频分布的下一时刻频率值该平均频 & 如此下去 : 可 & 得到整个数据序列的平均频率曲线 8"<$&<1 *&=&7 该曲线反映了超声多谱勒胎音信号的频偏随 >>( 时间的变化规律 ( 最后利用自相关算法从平均频率曲线中提取胎儿心脏跳动曲线 ( 小波去噪方法 ,-) 根据前面引言的分析超声多谱勒信号中含有 & 许多噪声其中随机噪声的频带很宽 & 与超声多谱勒 & 信号的频率重叠但是 & 由于噪声几乎是处处奇异 & 的增大迅速减小信号多数情况下光滑性要好一些 ( & 在较小的若干尺度上信号的小波变换随尺度的增 & 大幅值不会减小 ( 换是高度不相关的同时噪声在不同尺度上的小波变 & 信号的小波变换则一般具有很 & 强的相关性相邻尺度上的局部模极大值几乎出现 & 在相同的位置上并且有相同的符号 .?&@/( & 所以利用 & 系列中的 ’JKL & 作为分解小波结果见 & 使以后的相关算法提取胎心率曲线得以顺利 BDEFGHI

bfd bb ################################################################## # 生物医学工程学杂志第卷原始超声波多谱勒胎音信号 "#$ %"&$ 滤波后的平均频率曲线 %"’$ 未滤波的相关曲线滤波后的相关曲线 %")$ 图信号处理过程中得到的曲线 ! 平均频率曲线图中 * 轴是信号幅度值 +, 轴是采样点 %"($ 时间 " $ "#$BCDEDF#GH)I#GJ)#CIKDEF#GHCBL MBNNG)COGIC#KBOF(%"&$L)#FHC)PO)F’QBHIJ)’OCR)%"’$()FBDK)(L)#FHC)PO)F’QBHIJ)’OCR)%"($ -./! 012345627589 :12;5832<<87<./=>?@2>?.=/A.:1 OF()FBDK)(’BCC)G#IDFE’OCR)%")$()FBDK)(’BCC)G#IDFE’OCR) 验一方面对某一个超声多谱勒胎音信号进行不同 + 的小波函数及阈值的试探实验以确定小波函数及 + 阈值的选择另一方面是对选定的小波函数及阈值 + 去处理大量的超声多谱勒胎音信号以验证所选小 + 波函数及阈值的可靠性和准确性经过这两方面的 + 反复试探最后确定了文中的选择方法 + 小波和强制去噪方式即阈值为零 " $U 选择 S KQLT 参考文献 OGIC#KBOF(KDEF#G]‘)DnFE‘DBL)(D’#GaFEDF))CDFE+bccd%bb"b$e 一种多谱勒胎音信号提取方法的陈建华等张榆锋曹毅 Tog 研究 ] + + 北京生物医学工程 ] +bccd%bb"b$eToh d WJ#FE l[] ^NNGD’#IDBF BH ’BLNOI)C DF IJ) &DBL)(D’#G )FEDF))CDFE]pb]c]‘)DnDFESY’D)F’)qC)KK+bcccSoo_Vcog 戈编著计算机在生物医学中的应用第二版北京科学出版 ] ] S 庄天 ] 社 +bccceoo_Vcoh f jOXj+WJ#FEZ‘+,D#Z+rstu]^F#GQKDKv ()KDEFBHKQKI)L &#K)( BF w#IG#&_m#R)G)IIC#FKHBCL] ,Dx#FS,D(D#F yFDR)CKDIQ 胡昌华张军波夏军等基于的 qC)KK+VoooSz_Tg 系统分析与设计 + 小波分析 + 西安 ] S {{ ] w^lk^‘ 西安电子科技大学出版 V WJ#FE X*+WJ#FE YZ+[#B Y\]^F DLNCBR)( #IOB_’BCC)G#IDBF 社 +Voooez_Th L)IJB( HBC(BNNG)CH)I#GJ)#CIC#I)L)#KOC)L)FI]ZBOCF#GBH ‘DBL)(D’#GaFEDF))CDFE+bccV%VT"d$e fdfg 上凯一种用于测量胎儿心率的改进自相关算法 ] 学杂志 +bccV%VT"d$efdfh 张翠英张尚军 + 高 + 生物医学工程 ] b X#BQD+WJ#FE *i+XJ)F Zj+YJD,k]lJ)C)K)#C’J BH# F)m L)IJB( HBC#&KIC#’IDFE IJ)H)I#GJ)#CIC#I)HCBL IJ)(BNNG)C 万方数据 | w#GG#IY+jm#FE} k]YDFEOG#CDIQ()I)’IDBF#F(NCB’)KKDFEmDIJ m#R)G)I]~aaalC#FKBF~FHBCL#IDBFlJ)BCQ+Voob%dT"b$e!Vz ! w#GG#IY+WJ#FEY]XJ#C#’I)CD"#IDBFBHKDEF#GKHCBL LOGIDK’#G) )(E)K] ~aaa lC#FK BF q#II)CF ^F#GQKDK #F( w#’J#F) ~FI)GDE)F’)+Voob%Vf"z$ezVc 收稿 " Sbccb_Vb_dV 修回 Sbccd_c|_V!$

小波变换去噪方法在多谱勒胎儿心率提取中的应用研究作者：张榆锋，曹毅，章克信，余炜，施心陵， Zhang Yufeng， Cao Yi， Zhang Kexin ， Yu Wei， Shi Xinling 作者单位：张榆锋,余炜,施心陵,Zhang Yufeng,Yu Wei,Shi Xinling(云南大学,信息学院,电子工程系,昆明,650091)，曹毅,Cao Yi(云南大学,信息学院,电子工程系,昆明,650091;重庆社会工作职业学院,电子与信息技术系,重庆,400055)，章克信,Zhang Kexin(昆明医学院 ,第二附属医院,昆明,650091) 刊名：生物医学工程学杂志英文刊名： JOURNAL OF BIOMEDICAL ENGINEERING 年，卷(期)： 2005，22(2) 1次引用次数：参考文献(6条) 1.张翠英.张尚军.高上凯一种用于测量胎儿心率的改进自相关算法[期刊论文]-生物医学工程学杂志 2001(3) 2.曹毅.张榆锋.陈建华.施心陵一种多谱勒胎音信号提取方法的研究[期刊论文]-北京生物医学工程 2003(2) 3.庄天戈计算机在生物医学中的应用 2000 4.胡昌华.张军波.夏军基于MATLAB的系统分析与设计--小波分析 1999 5.Mallat S.Hwang W L Singularity detection and processing with wavelet 1992(2) 6.Mallat S.Zhang S Characterization of signals from multiscale edges 1992(7) 相似文献(5条) 1.期刊论文曹毅.张榆锋.陈建华.施心陵一种多谱勒胎音信号提取方法的研究 -北京生物医学工程2003,22(2) 对胎儿监护的主要方法是监听胎儿心率,而超声多谱勒测量胎儿心率是一种很好的无创方法.但是,由于测量得到的原始信号成分非常复杂,干扰严重,从而使其对胎心率的提取造成很大困难.文章提出一种新的胎音信号处理方法--平均频移自相关方法:先在移动的时间间隔内对超声多谱勒信号进行傅立叶变换,得到信号的时频分布,然后求对应的每个频谱的平均频率得到多谱勒信号的平均频率曲线,最后利用自相关算法从平均频率曲线中提取胎儿心脏跳动曲线.通过模拟仿真和实际信号处理,证明该方法能准确地从超声多谱勒信号中提取胎心率信号. 2.学位论文曹毅一种超声多谱勒胎心信号提取方法的研究 2003 对胎儿监护的主要方法是监听胎儿心率,而超声多谱勒测量胎儿心率是一种很好的无创方法.但是,由于测量得到的原始信号成分非常复杂,干扰严重,从而使其对胎心率的提取造成很大困难.因此,研究如何准确、有效地从超声波回波信号中提取胎儿心率的方法具有非常重要的理论价值和临床应用价值.为了能更准确地从回波中提取反映胎儿心脏跳动的心率曲线,该文提出了一种新的算法——平均频移算法:对回波信号加一矩形窗,对窗口内的信号进行傅立叶变换,计算窗内的平均频率,然后移动该窗口,再次计算出窗口内的平均频率;如此移动下去,得到信号的频率时间分布曲线,简称时频分布曲线.算法中计算了窗口内的平均频率,而且,窗口在不停的移动,故算法由此而得名叫平均频移算法.在对时频分布信号去噪(平滑)过程中,采用了小波变换去噪和自相关去噪相结合的方法,提高了抗干扰能力通过计算机模拟仿真和对临床信号的处理,证明该方法能更准确地从超声多谱勒信号中提取胎心率信号.全文共分五章,第一章介绍了课题研究的意义及现状,利用多谱勒效应获取胎儿心率的原理以及信号处理的流程;第二章介绍了胎儿心率曲线的提取方法——平均频移算法;第三章介绍了平滑胎心率曲线的方法——小波变换强制去噪及自相关方法;第四章介绍了胎心率的计算方法;第五章和第六章对实验结果进行了讨论,并给出了全文所有的计算机仿真程序. 3.期刊论文胡雄心.李永武.袁雪芬.HU Xiong-xin.LI Yong-wu.YUAN Xue-feng 基于模糊计数的FHR监护仪的设计和应用 -中国医疗器械杂志2007,31(5) 提出一种新型的胎心率处理方法--利用自相关技术和模糊技术的模糊计数器,用于处理由于胎心率多谱勒信号变异和干扰增强导致心率增加或者漏减的现象.在基于DSP的检测系统中证明该系统具有鲁棒性高的系统检测水平和良好的临床应用水平. 4.期刊论文佘黎煌.张石.栾新军.马悦.She Lihuang.Zhang Shi.Luan Xinjun.Ma Yue 小波变换在胎心率检测中的应用 -数据采集与处理2008,23(z1) 针对胎心原始信号成分复杂、干扰严重、胎心率提取困难的问题,提出一种新的胎心信号处理方法--基于二进制小波变换模极大值的胎心率检测方法.仿真结果表明,该方法能准确地从超声多谱勒信号中提取胎心率,成功地解决了现有的胎心监护仪存在的加倍、减半的问题. 5.学位论文李建华新型胎儿监护仪的关键技术研究 1998 该文重点介绍了胎儿监护仪硬件电路的若干关键部分的设计,血压模块、血氧模块和系统串行通讯的设计,并对胎儿监护仪超声心率记录断线问题进行了较深入地探讨. 引证文献(2条) 1.用小波变换的模极大值提取调制信号频率[期刊论文]-微电子学 2005(05) 2.刘世金一种基于自适应噪声抵消算法的胎儿心电信号提取方法研究[学位论文]硕士 2005

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