[发明专利]基于谱相减和频域EEMD-CCA的运动状态下ICG信号的处理方法

说明书

本发明属于生物医学工程技术领域，特别涉及一种基于谱相减和频域EEMD‑CCA的运动状态下ICG信号的处理方法，包括：(1)信号预处理；(2)谱相减；(3)集合经验模态分解；(4)频域CCA分析；(5)重构ICG信号；本发明考虑了生理信号和运动信号之间，以及ICG和ECG之间的相关性，基于两步谱去噪方法，着重去除运动状态下的ICG伪影；由于生理信号和运动信号的频谱上存在重叠，使用谱相减方法从生理信号的频谱上移除运动谱，抑制了运动信号引起的伪像；使用EEMD将单通道信号分解为多维信号，再将多维信号做傅里叶变换，取其幅值部分作为CCA的输入，通过CCA分析将具有低相关系数的组件设置为零并重建ICG信号，从而间接地移除全局伪像并获得清洁的ICG信号。

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，特别涉及一种基于谱相减和频域EEMD-CCA的运动状态下ICG信号的处理方法。

背景技术

人体的血液动力学数据可反映心脏泵血、器官与组织的氧代谢、外周循环阻力等方面指标，为临床心血管病患者的诊断与治疗提供直观的参数依据，其临床价值与意义日益显著。心排量(Cardiac Output，CO)是血液动力学中的重要参数，它表示一分钟时间里单侧心室泵出的血量，通过测量心排量可以了解心脏的泵血功能和血液灌注情况，计算出相关的血液动力学指标，是反映人体心功能的重要参数。心排量的监测已有上百年的历史，操作方面逐步从有创走向微创、无创，测量时间上由非连续短时间向连续长时间发展。

心阻抗图(Impedance Cardiogram，ICG)又称心阻抗血流图，是一种无创、实时连续的心输出量测量方法。20世纪60年代美国太空总署开始使用该技术，90年代末有了较大突破，1996年FDA开始批准胸阻抗心排量产品进入市场，目前ICG产品已在临床广泛应用。经临床验证，与“金标准”热稀释法相关性为0.87～0.91。ICG法的基本原理是基于生物体变化时引起电阻抗的变化。胸腔组织是导电体，在其两端安放电极，经过电极联线向胸部输入高频低幅恒量电流，由于心脏收缩与舒张周期性活动，引起胸腔血液流动发生周期性变化，造成胸腔电阻呈周期性改变，用多导生物记录仪描记出来，就是心阻抗图或称阻抗血流图(△Z)。血液是良好的导电体，心脏收缩时，血液射入主动脉内，使主动脉腔扩张，截面积增大，血容量增大，故电阻减小；反之，心脏舒张时，血液回到心脏，主动脉腔回缩，截面积减小，血液容积减小，使电阻升高。从上述可以看出，心阻抗的大小与主动脉腔容积的大小成反比。

对ICG信号的形态、幅值、波形宽度等特征进行分析，计算相关的血流动力学参数如心搏量、心排量、射血分数等，可预测或判断心脏的功能性变化，而计算此类参数的前提是对左心室射血时间的准确获取，标准的ICG信号和心电信号(electrocardiogram，ECG)的特征对应关系如图2所示，z(t)为原始心阻抗信号，ICG为z(t)的微分，其中ICG信号中，A点对应于心室收缩的起点，B点为主动脉瓣开放的点，即心室射血起点，X点是主动脉瓣关闭的点，即心室射血终点，左心室射血时间即为B点到X点的时间间隔，O点为二尖瓣打开点。而ECG信号中，QRS波反映心脏受到电刺激后，心室去极化的过程，而T波反映心室复极化的过程，ECG信号的Q点到ICG信号的B点的时间为心脏的射血前期，ECG信号的Q波起点到ICG信号的峰点C的时间为左室功能指数。

众所周知，运动的意义不仅在于防治疾病，同时在对人心功能评价中也有其重要的意义，然而，ICG法易受呼吸，尤其是运动干扰的影响，导致其波形特征点较难定位，继而严重影响相关心脏血流动力学参数的准确性及可靠性，这极大限制了其临床应用，目前主要是静态下心排量测量。

目前从ICG信号中去除伪影方面有几种信号处理方法。带通滤波是一种基本方法，它可以去除高频和低频伪像噪声，带通滤波的效果有限，因为它不能解决频域重叠问题。自适应滤波是一种常用方法，可以自动更新其滤波器权值，以适应输入噪声水平。但因此需要额外的参考信号，而这个参考信号常常很难选择。小波变换呈现出一种“本地”傅里叶变换，但难以选择最佳母小波。集成平均方法降低了阻抗信号中单节拍波动的影响，可以消除情绪紧张或轻微摇动的伪影，由于不使用运动信号，因此在运动幅度较大时效果较差。