脉搏信号的干扰段检测和质量评估算法研究

• 作 者: 魏方园
• 机 构: 兰州理工大学
• 出 处: 兰州理工大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 脉搏信号 干扰段检测 质量评估 信号处理

人体脉搏信号包含着丰富的生理与病理信息，能够反映人体的生理和病理情况，是观察人体内部功能变化的一个重要窗口。然而，脉搏信号采集容易受到各种因素的影响，使脉搏信号被噪声污染而形成干扰段。在脉搏信号监护系统中，干扰容易降低脉搏信号质量造成监护仪器误报警。居高不下的误报警严重影响了监护仪器的监护效果，造成医生患者对于监护仪报警的麻痹大意。同时，脉搏信号中存在的干扰段造成了仪器数据存储空间的浪费。因此，检测脉搏信号的干扰段，并对信号质量进行评估，有利于降低监护仪器的误报警，节省数据存储空间，且对脉搏信号的进一步分析有着重要研究意义。　　首先，对脉搏信号波形特征进行了分析研究，根据脉搏信号的波形特征，对脉搏信号进行建模。通过对三个不同系数高斯函数构成的高斯波形进行叠加，形成标准的脉搏信号波形。建立的标准脉搏信号模板波形，用于后续脉搏信号分析。　　其次，研究了脉搏信号的干扰段检测算法。分析脉搏信号中干扰信号的特征，根据干扰段信号无规则，无周期性等特点，进行干扰段检测。分析并研究脉搏信号的归一化和降维处理方法，研究脉搏信号时间序列的符号化表示方法，分析比较脉搏信号的分割方法，选择适合干扰段检测及质量评估的信号分割方法。研究时间序列的相似性度量方法，提出基于时间动态扭曲（Dynamic time warping，DTW）的脉搏信号干扰段检测算法。　　然后，建立了脉搏信号的质量评估模型。研究脉搏信号质量评估算法，提取多个与信号质量相关的特征，形成质量因子。根据两时间序列的 DTW，分析两序列的相似性，从而提出基于 DTW的质量评估算法，对信号进行质量等级的划分；根据正常脉搏信号与噪声信号的频率分布范围，提出基于功率谱质量因子的脉搏信号质量评估算法；根据正常脉搏信号与干扰信号压缩度的差异，提取基于压缩度的脉搏信号质量评估质量因子。综合上述质量因子，根据各质量因子之间的逻辑关系，得到特征融合质量评估算法。针对一段时间的信号质量分析，提出基于干扰段检测的质量评估算法，从而实现整体脉搏信号的质量评估。　　此外，本文对脉搏信号干扰段检测和质量评估算法进行了阈值提取和算法对比实验。对干扰段检测算法进行了阈值提取实验，通过实验得到干扰段检测的阈值；通过建立信号的不同信噪比数据集，测试干扰段检测算法的抗干扰性能；通过干扰段算法的对比实验，分析本文干扰段检测算法的性能。对质量评估算法进行了阈值提取实验，并且与多种脉搏信号质量评估算法进行了对比实验，通过实验论证本文算法性能优于现有脉搏信号质量评估算法。　　最后，给出了基于信号质量评估和卡尔曼滤波的心率估计方法。介绍了脉搏信号直接提取心率，以及利用质量评估结果来调节卡尔曼滤波参数，从而获得最佳心率估计。并且通过实验对两种心率估计方法进行了对比，论文的研究成果为脉搏信号的进一步分析处理，打下了一定的基础。