[發明專利]基于功率譜一階矩和平滑器的心電信號提取呼吸波形方法

在審

• 申請號: 202111157232.4
• 申請日: 2021-09-30
• 公開（公告）號: CN113729725A
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 劉澄玉;董珂君;趙力;李建清
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: A61B5/318
• 分類號: A61B5/318;A61B5/366;A61B5/352;A61B5/08;A61B5/00
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 張天哲

本發明專利公開了一種基于功率譜一階矩和平滑器的心電信號提取呼吸波形方法，該方法首先通過對可穿戴設備上獲得心電信號進行預處理，然后對預處理過的心電信號進行R波檢測，根據檢測出來的R波對每個心拍的QRS波群進行提取，接著基于QRS波群提取兼具顯著性和抗噪性的特征，并根據呼吸信號的非平穩特性進行平滑器，最終得到更加準確的呼吸波形。本發明實現了在只有心電監測設備時的呼吸監測，避免了傳統呼吸監測設備的笨重和對自然呼吸的干擾，一定程度上減少了受試者的不適，同時不僅引入了具有抗噪性能的特征，還考慮了呼吸非平穩的特性，確保了提取出來的呼吸波形的準確性，增加了在日常活動中呼吸監測的可靠性。

技術領域

本發明涉及呼吸檢測領域，尤其涉及一種基于功率譜一階矩和平滑器的心電信號提取呼吸波形的方法。

背景技術

呼吸是一種重要的生理信號并且呼吸的變化已經證實可以作為很多疾病的診斷指標，尤其是在睡眠和精神健康等領域，比如睡眠呼吸暫停綜合癥，焦慮癥和抑郁癥等，因此呼吸信號的監測和分析在發現和管理這些疾病方面發揮著重要的作用。

目前，呼吸監測主要是通過肺活量計，感應體積描記器和阻抗呼吸描記器等方式，但是它們的舒適性低，甚至會對自然的呼吸狀態產生干擾，并且對于長程動態的呼吸監測來說太過笨重。因此，越來越多的研究傾向于從其他生理信號里獲取呼吸信號，比如心電信號。作為最常被監測的一種重要生理信號，心電信號可以通過電極實現非侵入式地測量。但是心電信號采集的時候，呼吸會引起胸腔的運動，進而導致電極相對于心臟矢量的位置發生變化，此外肺部的充氣和排氣會導致胸部電阻抗發生變化；而且吸氣時伴隨著心率的增加，呼氣時伴隨著心率的降低，因此，心電信號的形態和心率變異性都受到了呼吸信號的調制，這也給我們從心電信號中提取呼吸信號提供了理論支持。

現有的從心電信號中提取呼吸信號的方法主要是基于特征提取的方法，由于QRS波群受到呼吸調制的變換比較明顯，因此提取的特征幾乎都是基于時域上的QRS波群的形態變化，比如基于R波的幅度變化，RR時間間隔的變化，以及QRS波群斜率的變化等的特征。但是這些特征由于是從時域上提取的，因此會受到的噪聲影響也較為嚴重，會使提取到的呼吸波形的準確率下降。因此急需兼具抗噪性能和對呼吸調制具有顯著性的特征，提高呼吸波形提取的準確度；在提取完呼吸信號之后，為了消除非呼吸頻率造成的干擾，目前現有的方法是對呼吸信號進行帶通濾波，這種濾波方式雖然相對簡單，但并沒有考慮到呼吸信號的非平穩特性，而且在已經存在全部時刻信號信息的時候，濾波算法只利用了當前時刻之前的信息，這樣就對剩余未用到的信息造成了浪費，并且忽略了剩余信息的價值，因此急需一種針對呼吸信號非平穩特性的平滑方法來得到更真實的呼吸信號。

發明內容

針對以上問題，本發明提出一種基于功率譜一階矩和平滑器的心電信號提取呼吸波形方法，用于提高在噪聲干擾情況下從心電信號中提取呼吸信號的準確性，以實現提取的呼吸波形與真實的呼吸更接近。

為實現以上目的，本發明采用的技術方案是：一種基于功率譜一階矩和平滑器的心電信號提取呼吸波形方法，包括：

(1)原始心電信號的獲取及濾波；

(2)對濾波后的心電信號進行R波檢測，以檢測到的R波為基準點，分別向前向后以固定長度的窗口大小截取QRS波群；

(3)對每個心拍提取出來的QRS波群做希爾伯特變換，然后提取功率譜的一階矩作為特征，提取呼吸信號；

(4)根據提取出來的呼吸信號，進行維特比解碼，得到呼吸信號的頻率；

(5)將得到的呼吸信號的頻率作為參數，對呼吸信號進行基于交互多模型的卡爾曼平滑；

進一步的，所述步驟(1)中的濾波處理采用低通濾波器去除心電信號中高頻成分，低通濾波器的截止頻率設置為35Hz。