[发明专利]心磁信号噪声自适应滤波消除设计方法

说明书

技术领域

本发明属于电磁信号处理领域，涉及一种基于广义S变换和奇异值分解的心磁信号噪声自适应滤波消除设计方法。

背景技术

心脏疾病是危害人类健康的主要疾病之一。目前，心脏功能检测和诊断方法主要采用心电图来检测和分析心脏电活动。随着磁传感器件的发展，高温射频超导量子干涉仪作为灵敏度极高的磁传感器件广泛的应用于心脏信号的测量中。高灵敏度的高温射频超导量子干涉仪在无屏蔽室内采集到的心磁信号中存在大量的背景噪声，其主要成份为50HZ的市电干扰及其它环境噪声。如何从包含大量背景噪声的含噪信号中有效的提取心磁信号及相关特征信息是心脏病诊断与治疗的关键。在现已报道的心磁信号噪声自适应滤波消除设计方法中，主要包括三种方法：一种是基于自适应理论的背景噪声消除方法，自适应理论算法适用于心磁信号及环境噪声可同步采集情形，但不能解决无参考噪声数据情形下的背景噪声滤除问题。另一种是基于SVD分解和自适应滤波的心磁信号消噪方法。该方法对无参考噪声情形下的近周期心磁信号消噪问题具有较好消除效果，但主要缺点是其所分解的Hankel矩阵图像特征不能提取信号及背景噪声基本频域特征，且在消除50HZ市电干扰时，仍需采用自适应滤波方法。第三种是利用小波变换来处理心磁信号，采用多种小波基函数在不同尺度下进行消噪研究。结果显示，采用symlet8小波函数进行消噪能取得了较好的滤波效果，其局局限性在于选取合适的小波基函数和尺度因子与背景噪声强度有关，选取过程较为复杂，且在高频段时需要强制消噪处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有心磁信号滤波设计方法中存在的上述不足和满足非平稳信号处理未来发展的需要，提供了一种基于广义S变换和奇异值分解的心磁信号噪声自适应滤波消除设计方法。该方法通用性强，可以在无参考噪声数据情形下解决背景噪声滤除问题；在消除50HZ市电干扰及其它定频干扰时，无需采用其它自适应滤波方法；该方法实现简单，噪声抑制比高，运行速度快，能在较高信噪比的条件下，利用较少奇异值就能取得良好的滤波效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

心磁信号噪声自适应滤波消除设计方法，包括以下步骤： (1) 对实时采集到的心磁信号进行S变换，获得信号时频域内特征矩阵S变换时频矩阵； (2) 根据S变换时频矩阵时频分辨率的实时要求高低，在S变换中引入时频调节因子                                                、构建广义S变换，利用广义S变换时频调节因子调节信号时频特征的时频分辨率； (3) 采用奇异值分解方法分解广义S变换二维时频特征矩阵，得到左特征时域矩阵、右特征频域矩阵及特征值组成的对角阵，将单个奇异值对角阵分别与左右特征时域矩阵相乘得到单奇异值S变换时频矩阵，单奇异值S变换时频矩阵经反S变换即可得到单个主要奇异值所对应的信号时域成份；(4) 计算单个奇异值时域信号与高斯白噪声（均值为0，方差为0.1）的相关系数，取相关系数r<0.5且单个奇异值占总奇异值比例大于10%的奇异值所对应奇异矩阵区域为有效心磁信号奇异值分布区域，对有效心磁信号时频域进行反S变换重构信号从而实现心磁信号自适应时频滤波。

所述步骤（1）中，所述心磁信号是指工作在无磁屏蔽室条件下利用高温射频超导量子干涉仪系统所测量到的心脏电心理过程在躯干上面产生的时变磁场强度信号。

所述步骤（1）中，所述S变换是指以高斯函数为窗函数的信号短时傅里叶变换，其表达式为，式中，为时间，为频率，为时移因子，为虚数，为表示实时连续心磁信号，为高斯窗函数，其中。

所述步骤（2）中，所述广义S变换是指在S变换中引入时频调节因子、，其表达式为。其中，为高斯窗幅度拉伸因子，为频率尺度拉伸因子，为时间，为频率，为时移因子，为虚数，为表示实时连续心磁信号。当且仅当，且时，广义S变换为StockWell所提出的变换。当或时，频率分辨率提高，时间分辨率下降；当或时，时间分辨率提高，频率分辨率下降。

所述步骤（3）中，所述奇异值分解方法是指一种非退化正交矩阵分解法，在本发明中是指心磁信号经广义S变换后的二维时频特征矩阵正交分解方法。