[發明專利]基于小波變換和全變差正則化的信號去噪方法

有效

• 申請號: 202010550452.2
• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111657936B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 楊利軍;丁思佳;周鋒;楊曉慧;劉風瑞
• 申請（專利權）人: 河南大學
• 主分類號: A61B5/369
• 分類號: A61B5/369;A61B5/372
• 代理公司: 鄭州芝麻知識產權代理事務所(普通合伙) 41173
• 代理人: 胡向陽

本發明公開了一種基于小波變換和全變差正則化的信號去噪方法。包括：對含有噪聲的腦電信號y(n)進行小波閾值去噪；計算信號y(n)與小波閾值去噪后信號的余量；對余量d(n)利用全變差正則化進行去噪；將去噪后的信號重構，得到干凈信號的估計值；根據去噪評價指標評估腦電信號去噪性能。利用本發明，可以在信號去噪場景中，一方面放松小波閾值去噪中的閾值選擇對去噪效果的影響；另一方面保護信號邊緣信息，使得去噪后的信號不出現局部震蕩，以得到更好的去噪效果。

技術領域

本發明涉及信號去噪技術領域，具體涉及一種基于小波變換和全變差正則化的信號去噪方法。

背景技術

腦電活動是由大腦皮層神經元產生自發的，節律性的電位變化引起的，從顱外頭皮或顱內記錄的局部神經元電活動的總和稱為腦電圖。近些年來，電子計算科學的飛速發展和人工智能的發展為應用腦電信號進行診斷和治療的進步注入了新的力量，目前為止，腦電信號已經成為評價腦功能的重要醫學指標，已經被應用到很多的中樞神經系統疾病的研究與診斷。根據電極在頭部放置位置的差異，可將腦電圖分為大腦皮層腦電圖、深部腦電圖以及頭皮腦電圖等。其中大腦皮層腦電圖和深部腦電圖都需要將電極植入腦內，這種腦電采集方式具有很好的穩定性，得到的腦電信號具有較高的信噪比，但由于需要植入腦內，故對患者具有一定的創傷，因此在實際臨床檢測中，我們廣泛應用的是頭皮腦電圖。頭皮腦電圖的電極位置在頭皮表面，是一種無創傷的采集方式，但這種采集方式采集到的腦電信號比較微弱，且在采集過程中易受到噪聲的影響，會對分類結果產生巨大的影響。而如何處理和得到干凈有效的腦電信號是對腦電信號進行后續分析的關鍵，因此，在對腦電信號進行分析前，對其進行去噪處理是一項重要的研究內容。

根據腦電信號的采集過程，這些噪聲的干擾源主要分為兩大類：一類是檢測系統自身的噪聲，例如頭皮和電極之間接觸的噪聲、交流電源和電磁的干擾等；另一類是我們在采集腦電信號時，眨眼、肌肉運動以及心跳等生理電信號產生的噪聲。腦電信號噪聲的去除在腦電信號處理過程中是一項比較重要的研究內容，普遍采用的方法是通過傅里葉變換去噪，但是腦電信號是一種非線性非平穩的信號，傅里葉變換是針對平穩信號提出的一種信號處理方法，所以存在一定的缺陷，隨著小波理論的發展，小波變換在腦電信號去噪中得到廣泛應用，1994年，Carmona,R.A和Hudgins,L.H最早將小波變換應用到去噪領域；后來Herrera,R.E等人利用小波變換軟閾值去噪法對腦電信號去噪；Zhou Weidong等人將小波變換與獨立分量分析相結合，分離出了腦電信號中的心電干擾與肌電干擾；國內最早研究腦電信號去噪的是吳小培等人在2000年研究了基于正交小波變換的腦電脈沖干擾消除技術，由于腦電信號中包含了大量的不同頻率成分的瞬態信息，因此，較之傳統的傅里葉分析方法，小波變換在腦電信號處理中更有效；隨后，吳平等人提出了基于自回歸模型(ARM)與小波變換的腦電信號分析方法,并利用它來消除腦電信號中的噪聲干擾；2012年，朱曉軍等人提出了一種基于改進EMD的腦電信號去噪方法，為了消除EMD的端點效應，需要對腦電信號端點進行延拓，利用延拓后的EMD方法對EEG進行去噪，可以有效的去除信號中的噪聲，但過程相對小波變換比較繁瑣。

小波變換是一種多分辨率的時間—尺度分析方法，它能夠將信號劃分為不同頻段的子帶信號，利用小波變換可以更有效、靈活地檢測并去除腦電信號中的噪聲干擾，故國內外用于腦電信號去噪的研究大體上都是基于小波變換進行處理的，但小波變換自身在處理中也存在一些缺陷：小波變換去噪后信號上容易出現局部震蕩；在采用小波閾值去噪時，閾值函數和閾值的選擇對去噪結果有很大的影響，閾值過大或過小都會影響去噪效果，進而影響分類結果。

發明內容

本發明提供了一種基于小波變換和全變差正則化的信號去噪方法，實現了信號去噪的同時，一方面放松小波閾值去噪中的閾值選擇對去噪效果的影響；另一方面保護信號邊緣信息，使得去噪后的信號不出現局部震蕩，以得到更好的去噪效果。

一種基于小波變換和全變差正則化的信號去噪方法，該方法包括：

步驟1，對含有噪聲的信號y(n)進行小波閾值去噪：