CN106725415A - 电生理信号的处理方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种电生理信号的处理方法和装置，所述处理方法包括：获取电生理信号和环境电信号；确定所述环境电信号对所述电生理信号所产生的工频干扰信号的频率所在的频率范围；根据位于所述频率范围内的采样率对所述电生理信号进行采样；根据所述频率范围内的采样率和所述工频干扰信号的频率确定所述电生理信号与所述环境电信号对应的频谱混叠信号的频率；根据所述频谱混叠信号的频率从采样后的电生理信号中去除所述频谱混叠信号。实现了在不增加硬件资源的情况下对电生理信号中工频干扰的去除。
Description
技术领域
本发明实施例涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种电生理信号的处理方法和装置。
背景技术
工频干扰是指频率为50Hz的市电电压以电磁波的形式辐射形成的干扰。由于用户设备中采集电路与供电电路等不能很好的共地，导致电源到采集电路形成有效压差，因此电力信号进入了采集电路产生了干扰。工频干扰会对电气设备和电子设备造成干扰，导致设备运行异常。
由于在电生理信号的测量中经常会遇到去除工频干扰的问题。工频干扰会影响信号检测，导致电生理信号计算不准确。通常工频干扰的去除方法大多从随机信号处理的角度出发，虽然效果不错，但是往往存在算法复杂度高，难以理解等缺点。此外，还有工频干扰的去除方法是提高信号采样率到工频干扰信号频率的2倍以上，应用采样定理，通过设计工频陷波器进行去除，但是会占用大量的硬件资源。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种电生理信号的处理方法和装置，实现了在电生理信号中工频干扰的去除，资源占用少，设计简单。
第一方面，本发明实施例提供了一种电生理信号的处理方法，所述处理方法包括：获取电生理信号和环境电信号；确定所述环境电信号对所述电生理信号所产生的工频干扰信号的频率所在的频率范围；根据位于所述频率范围内的采样率对所述电生理信号进行采样；根据所述频率范围内的采样率和所述工频干扰信号的频率确定所述电生理信号与所述环境电信号对应的频谱混叠信号的频率；根据所述频谱混叠信号的频率从采样后的电生理信号中去除所述频谱混叠信号。
进一步的，确定所述环境电信号对所述电生理信号所产生的工频干扰信号的频率所在的频率范围包括：根据工频信号的频率和所述环境电信号的频率计算工频干扰信号的频率所在的频率范围。
进一步的，根据所述频谱混叠信号的频率从采样后的电生理信号中去除所述频谱混叠信号包括：根据所述频谱混叠信号的频率对采样后的电生理信号进行陷波。
进一步的，所述电生理信号的频率与所述频谱混叠后的信号频率不一致。
第二方面，本发明实施例提供了一种电生理信号的处理装置，所述装置包括：获取单元，用于获取电生理信号和环境电信号；确定单元，与所述获取单元相连，确定所述环境电信号对所述电生理信号所产生的工频干扰信号的频率所在的频率范围；采样单元，与所述确定单元相连，用于根据位于所述频率范围内的采样率对所述电生理信号进行采样；计算单元，与所述采样单元相连，用于根据所述频率范围内的采样率和所述工频干扰信号的频率确定所述电生理信号与所述环境电信号对应的频谱混叠信号的频率；处理单元，与所述计算单元相连，用于根据所述频谱混叠信号的频率从采样后的电生理信号中去除所述频谱混叠信号。
进一步的，所述确定单元具体用于：根据工频信号的频率和所述环境电信号的频率计算工频干扰信号的频率所在的频率范围。
进一步的，所述处理单元具体用于：根据所述频谱混叠信号的频率对采样后的电生理信号进行陷波。
进一步的，所述电生理信号的频率与所述频谱混叠后的信号频率不一致。
本发明实施例中，通过计算电生理信号中工频干扰信号的频率，并计算工频干扰信号的频率所在的频率范围，根据该范围内采样率进行采样，去除采样后的电生理信号中的频谱混叠信号，该频谱混叠信号即为采样后的工频干扰信号。实现了对电生理信号中工频干扰信号的去除，设计简单，资源占有少。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例一中的一种电生理信号处理方法的流程图；
图2a是本发明实施例二中的一种电生理信号处理方法的流程图；
图2b是本发明实施例二中的80Hz采样率时原始信号图；
图2c是本发明实施例二中的80Hz采样率时信号频谱图；
图2d是本发明实施例二中的250Hz采样率时原始信号图；
图2e是本发明实施例二中的250Hz采样率时信号频谱图；
图3是本发明实施例三中的一种电生理信号处理装置的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。另外还需要说明的是，为了便于说明，以下实施例中示出了与本发明相关的示例，这些示例仅作为说明本发明实施例的原理所用，并不作为对本发明实施例的限定，同时，这些示例的具体数值会根据不同的应用环境和装置或者组件的参数不同而不同。
本发明实施例的电生理信号的处理方法和装置可以运行于安装有Windows(微软公司开发的操作***平台)、Android(谷歌公司开发的用于便携式可移动智能设备的操作***平台)、iOS(苹果公司开发的用于便携式可移动智能设备的操作***平台)、WindowsPhone(微软公司开发的用于便携式可移动智能设备的操作***平台)等操作***的终端中，该终端可以是台式机、笔记本电脑、移动电话、掌上电脑、平板电脑、数码相机、数码摄像机等等中的任意一种。
实施例一
图1是本发明实施例一中的一种电生理信号的处理方法的流程图，本实施例可适用于电生理信号需要处理的情况，该方法可以由电生理信号处理装置来执行，该装置可通过硬件和/或软件的方式实现，该装置通常配置在提供图片处理功能的设备中。具体的，本实施例中电生理信号的处理方法包括：步骤S110、步骤S120、步骤S130、步骤S140和步骤S150。
步骤S110，获取电生理信号和环境电信号。
具体的，采集待处理的电生理信号，测量其频率，频率记为H1。电生理信号是反映人体各种生理状态的一种重要信息，电生理信号包括但不限于心电、肌电和眼电信号。电生理信号是隐含疾病信息的重要信号，具有时域的复杂性。获取环境电信号，测量其频率，记为H2。环境电信号是指，电生理信号检测设备所处的环境中的其他设备的电信号，该电信号对电生理信号造成干扰。可选的，电生理信号包括但不限于血氧信号，电生理信号检测设备包括但不限于血氧测量仪，环境电信号包括但不限于环境中的白炽灯信号。
步骤S120，确定所述环境电信号对所述电生理信号所产生的工频干扰信号的频率所在的频率范围。
具体的，工频一般指市电的频率,记为H3，在我国是50Hz,其他国家也有60Hz。环境电信号由市电供电，导致环境电信号在工频信号的影响下产生了工频干扰信号，该工频干扰信号的频率记为H4，该工频干扰信号会对处于环境中电生理信号的测量产生干扰。根据环境电信号的频率H2，计算产生的工频干扰信号的频率H4，并确定工频干扰信号所在的频率范围H5～H6。
步骤S130，根据位于所述频率范围内的采样率对所述电生理信号进行采样。
具体的，根据工频干扰的频率范围H5～H6确定采样率H0，选取采样率H0位于工频干扰的频率范围H5～H6内。根据采样率H0对电生理信号进行采样。采样是采集模拟信号的样本，即将时间上、幅值上都连续的模拟信号，在采样脉冲的作用，转换成时间上离散(时间上有固定间隔)、但幅值上仍连续的离散模拟信号。所以采样又称为波形的离散化过程。每秒钟的采样样本数叫做采样率，采样率越高，信号的保真度越高，但量化后信息量的存储量也越大。根据采样率H0对电生理信号进行采样，即将电生理信号从数字信号转换成时间上离散、幅值上连续的离散模拟信号。
步骤S140，根据所述频率范围内的采样率和所述工频干扰信号的频率确定所述电生理信号与所述环境电信号对应的频谱混叠信号的频率。
具体的，根据采样率H0和工频干扰信号的频率H4，计算电生理信号和环境电信号对应的频谱混叠后的频率H7。频谱是指一个视域的信号在频域下的表示方式，频谱可以表示一个信号是由哪些频率的弦波所组成，也可以看出各频率弦波的大小及相位等信息。当采样率低于工频干扰的两倍时，发生频谱混叠。频谱混叠是指，相邻的频谱叠在一起的情况，
步骤S150，根据所述频谱混叠信号的频率从采样后的电生理信号中去除所述频谱混叠信号。
具体的，采样后的电生理信号中的频谱混叠信号即为工频干扰信号经过采样后的信号，根据该频谱混叠信号的频率，去除采样后的电生理信号中的频谱混叠信号。
本发明实施例中，通过计算电生理信号中工频干扰信号的频率，并计算工频干扰信号的频率所在的频率范围，根据该范围内采样率进行采样，去除采样后的电生理信号中的频谱混叠信号，该频谱混叠信号即为采样后的工频干扰信号。实现了对电生理信号中工频干扰信号的去除，设计简单，资源占有少。
实施例二
图2a是本发明实施例二中一种电生理信号的处理方法的流程图。本实施例是在实施例一的基础上，进一步解释了步骤S120和步骤S150。步骤S120中，确定所述环境电信号对所述电生理信号所产生的工频干扰信号的频率所在的频率范围包括：根据工频信号的频率和所述环境电信号的频率计算工频干扰信号的频率所在的频率范围。步骤S150中，根据所述频谱混叠信号的频率从采样后的电生理信号中去除所述频谱混叠信号包括：根据所述频谱混叠信号的频率对采样后的电生理信号进行陷波。具体的，本实施例中电生理信号的处理方法包括：步骤S210、步骤S220、步骤S230、步骤S240和步骤S250。
步骤S210，获取电生理信号和环境电信号。
步骤S220，根据工频信号的频率和所述环境电信号的频率计算工频干扰信号的频率所在的频率范围。
具体的，根据工频信号的频率H3，环境电信号的频率H2，考虑某一特定的环境电信号的频率，确定工频信号的频率如何影响环境电信号，根据该影响关系计算工频干扰信号的频率H4，并确定该工频干扰信号的频率所在的频率范围H5～H6。
步骤S230，根据位于所述频率范围内的采样率对所述电生理信号进行采样。
步骤S240，根据所述频率范围内的采样率和所述工频干扰信号的频率确定所述电生理信号与所述环境电信号对应的频谱混叠信号的频率。
步骤S250，根据所述频谱混叠信号的频率对采样后的电生理信号进行陷波，从采样后的电生理信号中去除所述频谱混叠信号。
具体的，设计陷波器对采样后的电生理信号进行陷波。陷波器又称为带阻滤波器，是一种谐振电路，或者说是一种自动开关的感应器，在天线工程上应用它可以根据信号的频率，自动延长或缩短天线的长度。无线电接收机中专门用于消除某些无用信号以减小对有用信号的干扰的滤波器，常用于去除某一特定频率的干扰信号，应用在电信信号抗干扰中。设计频谱混叠信号频率点的陷波器，实现对电生理信号中的工频干扰信号的去除。
可选的，在检测电生理信号的设备中，原设备在使用的过程中，对采样率有预设要求。根据原设计中对采样率的要求，对经过陷波器陷波以后的信号进行升采样或降采样来满足原设计对采样率的要求。如果去除工频干扰时计算的采样率高于原设计的采样率，对陷波以后的信号进行降采样；如果去除工频干扰时计算的采样率低于原设计的采样率，对陷波以后的信号进行升采样。
可选的，所述电生理信号的频率与所述频谱混叠后的信号频率不一致。
具体的，电生理信号的频率一般较小，与频谱混叠后的信号频率不在一个频段，因此不会对原始信号产生影响。可选的，当电生理信号为血氧信号时，频率为0.3HZ～5HZ，在环境光源白炽灯的干扰下，频谱混叠后的信号频率为30Hz/20Hz/20Hz/30Hz。频谱混叠后的信号频率远离电生理信号，在去除工频干扰信号的频率中不会对血氧信号产生影响。
本发明实施例，根据工频信号的频率和所述环境电信号的频率计算工频干扰信号的频率，并确定该频率所在频率范围。设计陷波器，对采样后的工频干扰信号的频率点的频率进行陷波，去除频谱混叠后的工频干扰信号。通过陷波器的设计，实现了电生理信号中频谱混叠后的工频干扰信号的去除。
为了使方案的表述更易理解，以实施例一和实施例二为基础，可选的，对电生理信号为血氧信号、电生理信号的检测设备的血氧测量仪和环境电信号为白炽灯时的方案进行了阐述。值得注意的是，以下参数取值只是一种示例性取值，还可以存在其他取值，具体数值不同，血氧信号的检测精确度不同，可以根据情况进行相关调整。
血液通常含有多种类型的血红蛋白，包括氧合血红蛋白、还原血红蛋白、碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白。其中，碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白正常情况下含量比较低(1％)。血氧饱和度通常指血液中氧合血红蛋白占血红蛋白的百分比，由于碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白正常情况下含量比较低，所以在计算血氧饱和度时经常忽略碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白的含量。
目前测量血氧饱和度的方法是，通过红光(660nm)和红外光(940nm)照射手指，由于氧合血红蛋白在红光下比还原血红蛋白吸收系数小，在红外光下比还原血红蛋白吸收系数大，当人体血液中氧合血红蛋白含量变化时，红光和红外光信号幅值会发生变化，利用这个变化可以计算出脉搏血氧饱和度，是一种无损伤血氧测量方法。由于测量设备所在的环境的人造光源存在工频干扰等原因，会影响信号检测，导致血氧计算不准确，影响病情的诊断和治疗。应用血氧测量仪测量血氧饱和度情况下去除工频干扰。
具体的，血氧信号的频率H1为0.3Hz～5Hz，工频H3为50Hz/60Hz，血氧测量设备所处环境中的白炽灯为干扰，白炽灯在一个工频信号周期内会有两次明暗变化，所以产生的工频干扰H4为100Hz/120Hz。利用频谱混叠效应，采取降低采样率的方法，而不是提高采样率，使混叠后的工频干扰频率远离血氧信号的频率。为了让50Hz/60Hz和100Hz/120Hz混叠后的频率同时远离血氧信号频率0.3Hz～5Hz，采用50Hz/60Hz和100Hz/120Hz四个频率中点附近的频率H5～H6(75Hz～90Hz)作为采样率。可取能被1秒除尽的频率80Hz作为满足条件的采样率，此时，50Hz/60Hz和100Hz/120Hz混叠后的频率分别为30Hz/20Hz/20Hz/40Hz。设计陷波器，分别设计30Hz，20Hz，40Hz三个频率点的数字陷波器，对混叠后的工频干扰进行去除，同时由于三个频率点都远离血氧信号的频率，所以不会对血氧信号产生影响。然后根据原设计的要求对经过陷波以后的信号进行升采样或降采样以满足原设计对采样率的要求。如果原设计要求的采样率大于80Hz,则进行升采样，如果原设计要求的采样率小于80Hz，则进行降采样。通过对应用血氧测量设备对血氧信号测量中的工频干扰信号的去除，实现了在不增加硬件资源的条件下，利用频谱混叠效应去血氧信号中的工频干扰信号进行去除。
可选的，图2b是80Hz采样率时原始信号图，图2c是80Hz采样率信号频谱图，图2d是250Hz采样率时原始信号图，图2e是250Hz采样率信号频谱图。图2b中的曲线260为采样率80Hz时，原始信号幅度曲线；图2c中的曲线270为采样率80Hz时，采样率信号频谱图。100Hz的光干扰在经过采样后的频谱混叠为20Hz,从图2c中可以看出，原始信号中的干扰信号被有效分离，从而设计对应频率点的陷波器去除工频干扰。图2d中的曲线280为采样率250Hz时，原始信号幅度曲线，图2e中的曲线290为采样率250Hz时，采样率信号频谱图。由于采样率250Hz大于工频干扰信号的2倍以上，不发生频谱混叠。通过图2e可以看出，当采样率为250Hz时，也能实现对工频干扰的去除，但是高采样率会占用大量的硬件资源，设计复杂。
实施例三
图3是本发明实施例三中的一种电生理信号的处理装置的结构图。该装置适用于执行本发明实施例一和本发明实施例二中提供的电生理信号的处理方法，该装置具体包括：获取单元310、确定单元320、采样单元330、计算单元340和处理单元350。
获取单元310，用于获取电生理信号和环境电信号。
确定单元320，与获取单元310相连，确定所述环境电信号对所述电生理信号所产生的工频干扰信号的频率所在的频率范围。
采样单元330，与确定单元320相连，用于根据位于所述频率范围内的采样率对所述电生理信号进行采样。
计算单元340，与采样单元330相连，用于根据所述频率范围内的采样率和所述工频干扰信号的频率确定所述电生理信号与所述环境电信号对应的频谱混叠信号的频率。
处理单元350，与计算单元340相连，用于根据所述频谱混叠信号的频率从采样后的电生理信号中去除所述频谱混叠信号。
进一步的，确定单元320具体用于：根据工频信号的频率和所述环境电信号的频率计算工频干扰信号的频率所在的频率范围。
进一步的，处理单元350具体用于：根据所述频谱混叠信号的频率对采样后的电生理信号进行陷波。
进一步的，所述电生理信号的频率与所述频谱混叠后的信号频率不一致。
本发明实施例中，通过计算电生理信号中工频干扰信号的频率，并计算工频干扰信号的频率所在的频率范围，根据该范围内采样率进行采样，去除采样后的电生理信号中的频谱混叠信号，该频谱混叠信号即为采样后的工频干扰信号。实现了对电生理信号中工频干扰信号的去除，设计简单，资源占有少。
显然，本领域技术人员应该明白，上述产品可执行本发明任意实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (8)
1.一种电生理信号的处理方法，其特征在于，包括：
获取电生理信号和环境电信号；
确定所述环境电信号对所述电生理信号所产生的工频干扰信号的频率所在的频率范围；
根据位于所述频率范围内的采样率对所述电生理信号进行采样；
根据所述频率范围内的采样率和所述工频干扰信号的频率确定所述电生理信号与所述环境电信号对应的频谱混叠信号的频率；
根据所述频谱混叠信号的频率从采样后的电生理信号中去除所述频谱混叠信号。
2.根据权利要求1所述的电生理信号的处理方法，其特征在于，确定所述环境电信号对所述电生理信号所产生的工频干扰信号的频率所在的频率范围包括：
根据工频信号的频率和所述环境电信号的频率计算工频干扰信号的频率所在的频率范围。
3.根据权利要求1所述的电生理信号的处理方法，其特征在于，根据所述频谱混叠信号的频率从采样后的电生理信号中去除所述频谱混叠信号包括：
根据所述频谱混叠信号的频率对采样后的电生理信号进行陷波。
4.根据权利要求1所述的电生理信号的处理方法，其特征在于，所述电生理信号的频率与所述频谱混叠后的信号频率不一致。
5.一种电生理信号的处理装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取电生理信号和环境电信号；
确定单元，与所述获取单元相连，确定所述环境电信号对所述电生理信号所产生的工频干扰信号的频率所在的频率范围；
采样单元，与所述确定单元相连，用于根据位于所述频率范围内的采样率对所述电生理信号进行采样；
计算单元，与所述采样单元相连，用于根据所述频率范围内的采样率和所述工频干扰信号的频率确定所述电生理信号与所述环境电信号对应的频谱混叠信号的频率；
处理单元，与所述计算单元相连，用于根据所述频谱混叠信号的频率从采样后的电生理信号中去除所述频谱混叠信号。
6.根据权利要求5所述的电生理信号的处理装置，其特征在于，所述确定单元具体用于：
根据工频信号的频率和所述环境电信号的频率计算工频干扰信号的频率所在的频率范围。
7.根据权利要求5所述的电生理信号的处理装置，其特征在于，所述处理单元具体用于：
根据所述频谱混叠信号的频率对采样后的电生理信号进行陷波。
8.根据权利要求5所述的电生理信号的处理装置，其特征在于，所述电生理信号的频率与所述频谱混叠后的信号频率不一致。
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