[發(fā)明專利]一種基于K-SVD與OMP算法結(jié)合的心電信號去噪方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811476879.1
• 申請日: 2018-12-05
• 公開（公告）號: CN109635699B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 湯偉;王權(quán);劉嫣;王玲利
• 申請（專利權(quán)）人: 陜西科技大學(xué)
• 主分類號: G06F18/214
• 分類號: G06F18/214;G06F18/10
• 代理公司: 西安西達(dá)專利代理有限責(zé)任公司 61202
• 代理人: 劉華

本發(fā)明涉及一種基于稀疏分解的心電信號去噪方法，主要解決采集心電信號時其含有多種噪音對心電信號的影響。步驟如下：第一步，獲取含有噪音的原始心電信號；利用近似奇異值分解的稀疏K?SVD算法對超完備字典進(jìn)行訓(xùn)練；在此字典基礎(chǔ)上，利用基于殘差比迭代方式的OMP算法對信號進(jìn)行稀疏表示得出稀疏編碼系數(shù)，利用訓(xùn)練好的字典與稀疏編碼系數(shù)來重構(gòu)去噪后的信號。本發(fā)明有效地解決了不同強(qiáng)度噪音下心電信號去噪問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信號處理領(lǐng)域，特別涉及到一種基于K-SVD的字典訓(xùn)練算法與正交匹配算法結(jié)合的去燥方法。

背景技術(shù)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與人民生活水平的不端提高，國內(nèi)心血管疾病的發(fā)病率也在不端的上升。心電圖(Electrocardiogram，ECG)作為臨床醫(yī)學(xué)常規(guī)檢查方法之一，它對心血管疾病的診斷具有重要意義。心電信號作為人體微弱信號，采集的過程中會有大量噪音，將其有效部分提取出來成為心電檢測與識別的前提。傳統(tǒng)的去噪方法有FIR數(shù)字濾波器、自適應(yīng)濾波器、小波濾波器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波器等方法。這些方法存在各樣缺點(diǎn)，如局部濾波效果差、實(shí)時性等問題。近年來，稀疏分解理論在信號處理以及圖像處理方面取得了卓越成果。為了克服這些問題，本發(fā)明提出利用稀疏理論的方法對信號進(jìn)行去噪，它利用信號的稀疏性將信號稀疏表示，再將其重構(gòu)出原始信號。因此，本發(fā)明是一種準(zhǔn)確且高效的心電信號去噪方法。

發(fā)明內(nèi)容

心電信號作為心臟電活動在人體體表的表現(xiàn)，信號比較微弱，極易受環(huán)境的影響，且其含有不同類型的噪聲，主要有肌電干擾、工頻干擾和基線漂移。對其進(jìn)行去噪處理是必要的。針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種利用K-SVD與OMP相結(jié)合算法的心電信號去噪方法，利用K-SVD算法將初始超完備字典訓(xùn)練為具有完整特征的心電信號的超完備字典，利用OMP算法將其重構(gòu)出，從而達(dá)到去噪效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其功能具有準(zhǔn)確、且設(shè)計合理的優(yōu)點(diǎn)。

一、K-SVD算法學(xué)習(xí)過程

如圖2所示，K-SVD算法學(xué)習(xí)過程為：

(1)初始化字典D。選取Gabor原子庫來作為初始樣本。Gabor函數(shù)的表達(dá)式如下所示：

其中g(shù)(t)為高斯窗函數(shù)，γ是由s,u,v,w四種參數(shù)決定的時頻參數(shù)，s為尺度因子，決定了函數(shù)能量分布率。v為頻率調(diào)制因子，決定了函數(shù)主頻；u為平移因子，決定了函數(shù)波形的位置；w為相位因子，決定了函數(shù)的相位。通過次函數(shù)便可以生產(chǎn)Gabor字典。

(2)設(shè)給定訓(xùn)練樣本集其中N表示此訓(xùn)練集合共有N個信號；字典D∈R^n×k為Gabor字典。為訓(xùn)練信號稀疏表示的稀疏向量集合。字典學(xué)習(xí)的過程表示一個優(yōu)化問題，即

其中，T₀表示稀疏系數(shù)非零個數(shù)的最大值。

(3)逐列更新字典D。信號分解表示為

其中，x_j是α_j所對應(yīng)系數(shù)矩陣X的第j行向量，E_k為去掉α_j的信號集y的殘差。然后，引入?yún)?shù)進(jìn)行SVD分解。

w_k表示的是訓(xùn)練樣本集{y_i}分解時用到原子d_k時所有y_i的索引所構(gòu)成的集合，即的索引。σ_k為N×|ω_k|矩陣。分別為y、E_k去掉零輸入后的結(jié)果。此時，式(3)轉(zhuǎn)化為