一种对新生儿脑电信号的心电伪差的识别系统和方法

技术领域

本发明涉及一种对新生儿脑电信号的心电伪差的识别系统和方法。

背景技术

新生儿脑电信号中有各种伪差，例如心电伪差，如不能充分识别以上伪差，则对脑电信号读取起到误导作用。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种提高识别率的对新生儿脑电信号中的心电伪差的识别系统和方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种对新生儿脑电信号中的心电伪差的识别系统，其特征在于，包括脑电信号的采集、预处理与分段模块、对每一段脑电信号进行伪差识别的伪差识别模块；所述的伪差识别模块为心电伪差识别模块。

所述的脑电信号的采集、预处理与分段模块用于执行如下步骤：

1.采集新生儿脑电信号；

2.对步骤1采集的脑电信号进行陷波处理，然后进行滤波；

3.将经过步骤2预处理(即陷波和滤波)的脑电信号以时长T为一段，分成n段。

上述步骤1为采集步骤，步骤2为预处理步骤，步骤3为分段步骤。

其中T＞＝8s，且可被8整除即可，优选的，T＝32s(秒)。

其中脑电信号(x(t))为数值序列。每一次采样，得到一个数据点(信号长度+1)，幅值就是这个数据点的大小，经过多次采样，得到一个数值序列。

本文中，脑电信号的数据均由新生儿脑电测量仪直接给出。一段脑电信号即一段脑电数据(即经过采集、预处理和分段后的脑电信号，一段脑电数据由每次采样得到的幅值(即x(t)，t＝1、2、3...)组成，幅值即图1(b)的纵坐标，t表示采样次数且可与图1的横坐标时间相互换算)。前述每次采样得到的幅值，指的是经过采集、预处理(陷波和滤波)、再经过10-30Hz的带通滤波得到的幅值。本文中，所有加粗变量表示矩阵，即是一个数值序列。非加粗的参数，表示单个变量，即一个数值。本文中数据(Peak、Loc、Width、p、l、w、Heigtht、h、Data5)均为数值序列，数据的长度就是这段数值序列的个数(即数值的个数)。

本文中，设信号的采样率为sr(即脑电仪的采样率)，一段脑电信号的时长是T，那么采样周期C＝1/sr，总的信号长度L

心电伪差识别模块用于执行以下步骤：1)取一段脑电信号，进行截止频率为10～30Hz的带通滤波，得到数据Data5；2)计算数据Data5的所有波峰值Peak，波峰所在位置(即波峰所在的采样时间点，又称为波峰位置)Loc，半波宽Width，波峰高度Height；3)计算Height的最大值Max，设阈值th6＝r4*Max，优选地，r4＝0.4(0.3≤r4≤0.5)；4)计算Height中大于th6的数据，得到波高h，以及对应的波峰值p，和波峰位置l，半波宽w；其中h由Height中大于th6的数据组成；p，l，w分别为Height中大于th6的数据对应的波峰值、波峰位置(即波峰所在的采样时间点，图1(b)横坐标)、半波宽(见图1，p与Peak计算方式相同，l与Loc计算方式相同，Width与w计算方式相同)；

5)若h，p，l，w满足以下a)-d)所有条件，则判定该段数据存在心电伪差，通常心率范围在80～200；

a)h的个数(即数值个数，假如h中有五个波高值，那h的个数为5)大于80*T/60，且小于200*T/60，T为该段脑电信号的时长；

b)对l求差值得到l′，然后计算l′的平均值得到

c)Max＞th7，优选地th7＝20μV(10μV≤th7≤50μV)；

d)对w求平均值，得到

心电信号通过容积导体效应，在体表的大多数部位均可记录到，也很容易传导到脑电的任何一个参考电极或记录电极部位。当心电信号干扰某一个或几个记录电极时，可见相应导联出现间隔大致相同，且与心率一致的正相或负相尖样波，相当于心电图的R波，波幅可高可低。可见心电伪差的特征是有周期性，且波形频率与R波一致。R波的频率一般为10Hz～30Hz，所以步骤1)先对脑电信号进行10～30Hz的带通滤波，从而可以只分析这一频率成分的信号，减少其他频率的信号的干扰。另外心电信号有很好的周期性，所以通过判断信号的周期性，来验证是否存在心电伪差。步骤2)中找到了信号中的所有波峰位置Loc、幅值Peak、以及对应的半波宽Width和波高Height。由于心电伪差产生的波形的幅值比较大，所以使用步骤3)～4)来筛选出步骤2)中有效的数据，认为如果存在心电伪差，这些筛选出来的h，p，l，w则是代表心电R波的相应参数。步骤5)来判断步骤4)中筛选出来的这些数据是否符合心电伪差的特征。由于患儿的心率通常为80～200，所以在时长为T的时间段内，R波出现的次数应该为80*T/60～200*T/60，由此形成了条件a)。而根据心率，可以计算心电信号的周期范围在60/200～60/80s，所以R波的间隔时间也应该是这么多，对l求差值即为求波峰之间的间隔，由此形成了条件b)。条件c)是根据实际实验测得，是对信号波幅的一个约束。由于R波的频率范围是10～30Hz，所以对应的周期为1/30～1/10s，相应地半波宽在1/60～1/20s，由此得到了条件d)。条件d)中具体th8和th9的范围测试由实验得到，这是为了能够得到一个更优选的阈值范围。

本发明的另一个目的是提供一种对新生儿脑电信号中的心电伪差的识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

采集新生儿脑电信号；

对采集的脑电信号进行陷波处理，然后进行滤波；

将经过陷波和滤波处理的脑电信号以时长T为一段，分成n段；

对每段脑电信号按照下述心电伪差识别方法进行处理，判断出该段数据是否存在伪差；

心电伪差识别方法：

1.取一段脑电信号，进行截止频率为10～30Hz的带通滤波，得到数据Data5；

2.计算数据Data5的所有波峰值Peak，波峰所在位置Loc，半波宽Width，波峰高度Height；

3.计算Height的最大值Max，设阈值th6＝r4*Max，优选地，r4＝0.4(0.3≤r4≤0.5)，计算Height中大于th6的数据得到波高(即波峰高度)h，以及对应的波峰值p，和波峰位置l，半波宽w；

4.若h，p，l，w满足下列所有条件，则该段数据存在心电伪差，通常心率范围在80～200；

a)h的个数大于80*T/60，且小于200*T/60，T为该段脑电信号的时长；

b)对l求差值得到l′，然后计算l′的平均值得到

c)Max＞th7，优选地th7＝20μV(10≤th7≤50μV)；

d)对w求平均值，得到

优选的，对脑电信号进行陷波处理，然后进行滤波的具体步骤为：对脑电信号进行工频噪声去除(即对50Hz的工频干扰进行陷波处理)，然后进行截止频率为0.5Hz和40Hz的带通滤波，可使用但不限于二阶巴特沃斯滤波器，得到可人工判读的脑电信号。

本发明还提供使用前述的识别系统或前述的识别方法的新生儿脑电测量仪。除了集成于新生儿脑电测量仪，前述的识别系统或前述的识别方法可独立存在，即：将脑电信号提取出来，并进行上述的识别程序(脑电信号仍由脑电测量仪采集，并由独立的识别系统提取脑电信号，之后的预处理、分段、心电伪差识别步骤均相同)。

本发明还提供一种对新生儿脑电信号的心电伪差的识别系统，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现前述的识别方法。

此外，本发明还包括一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现前述的识别方法。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明提出了一种新生儿脑电伪差的识别系统和方法，通过本发明的伪差识别系统自动识别新生儿脑电信号中的心电伪差(由新生儿心电信号导致的伪差)。本方法可帮助医护人员更好地读取新生儿脑电图，降低人为剔除伪差的难度。值得一提的是，本发明的目的不是诊断疾病，而是识别新生儿脑电信号中的心电伪差。

附图说明

图1(a)带有心电伪差的脑电信号、(b)图(a)中信号经过10～30Hz滤波后得到的信号，示出波高h，以及波峰值p，和波峰位置l，半波宽w；图1(a)和图1(b)的纵坐标均为幅值(μV)，横坐标均为时间(s)；

图2随机一个信号的示意图，目的是示出波峰值Peak，波峰所在位置Loc，半波宽Width，波峰高度Height的含义；带有心电伪差的脑电信号的波峰值Peak，波峰所在位置Loc，半波宽Width，波峰高度Height参照此图；图2纵坐标为幅值(μV)，横坐标为时间(s)。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

本发明公开了一种新生儿脑电信号伪差识别的方法，识别的伪差包括心电伪差，本方法先采集到新生儿脑电信号，并且对脑电信号进行陷波和滤波预处理，然后以时长T为一段，分成n段，对每一段进行伪差的识别，确定该段是否存在心电伪差。本发明中，所有伪差识别均由识别系统和方法独立完成，无需人工计算和人工识别。

步骤：

1.采集：采集新生儿脑电信号；

2.预处理：对步骤1采集的脑电信号进行50Hz的陷波处理，然后进行0.5～40Hz的滤波；

3.分段：将经步骤2预处理(陷波和滤波)的脑电信号以时长T为一段，优选地T＝32s，分成n段；由于图1篇幅所限，图1中仅示出2s的脑电信号，其为一段脑电信号(32s)的一小部分。

4.对每段脑电数据进行下述心电伪差识别步骤处理，判断出该段数据是否存在伪差；

上述的步骤1中，脑电信号采集过程如下：使用现有的新生儿脑电测量仪(例如型号：CFM-I，设备名称：新生儿脑电测量仪，生产厂家：南京伟思医疗科技股份有限公司)，按照仪器操作手册，可采集到脑电信号。此外，可选用其它任何现有的新生儿脑电测量仪完成信号采集。

上述的步骤2)中，对脑电信号进行工频噪声去除(即对50Hz的工频干扰进行陷波处理)，然后进行截止频率为0.5Hz(下限频率)和40Hz(上限频率)的带通滤波，可使用但不限于二阶巴特沃斯滤波器，得到可人工判读的脑电信号。

心电伪差识别

1.取一段脑电信号，进行截止频率为10～30Hz的带通滤波(上限频率30Hz，下限频率10Hz)，得到数据Data5；脑电数据Data5的数据形式为x(t)，t＝1，2，…，L

2.计算数据Data5的所有波峰值Peak，波峰所在位置Loc，半波宽Width，波峰高度Height；

3.计算Height的最大值Max，设阈值th6＝r4*Max，r4＝0.4，计算Height中大于th6的数据得到h，以及对应的波峰值p，和波峰位置l，半波宽w；

4.若h，p，l，w满足下列所有条件，则该段数据存在心电伪差，通常心率范围在80～200；

a)h的个数大于80*T/60，且小于200*T/60，T为该段脑电信号的时长；

b)对l求差值得到l′，然后计算l′的平均值得到

c)Max＞th7，th7＝20μV；

d)对w求平均值，得到

步骤b)中，对l求差值得到l′的具体过程为：假设l中有v个数值(波峰位置，单位s，v个波峰位置分别为l

具体地，从Data5中找到极大值，所有的极大值即为波峰值(极大值点的纵坐标，单位为μV)，极大值序列(即所有极大值)组成了数据Peak；所有极大值的位置，组成了数据Loc；所有波峰对应的半波宽组成数据Width，所有波峰高度组成了数据Height。每一个波峰，都对应一个波峰的位置，高度，半波宽。上述的极大值对应极大值点(其为纵坐标为极大值的数据点)，所有极大值的位置即所有极大值点的横坐标(图1(b)、图2)。

Peak定义：数据Data5中极大值点对应的幅值组成的数值序列；

Loc定义：Peak中的极大值的点所在的Data5中的序列号(序列号表示采样次数)对应的采样时间点的序列，如Data5中第i个数据d是一个极大值(其序列号为i，即第i次采样，这里的d指纵坐标，即第i个数据点的幅值)，那么d是Peak中的一个数据，而d对应的采样时间点为i/sr，单位为s(秒)，其中sr是采样率，单位为Hz，那么i/sr即为Loc中的一个数值；Loc单位为s(秒)；

Height定义：设对Data5已知Peak和Loc，第i个数据d是一个极大值，d是Peak中的一个数据，对应的Loc中的数据为i/sr，则在Data5中从第i-1个数据开始向前寻找，一直找到第i-a

Width定义：设对Data5已知Peak、Loc、Height，第i个数据d是一个极大值，d是Peak中的一个数据，对应的波高为d

a

步骤3中，Max是Height中的最大值，然后设阈值th6＝r4*Max，在Height中筛选出大于th6的数据，得到波高h，以及对应的波峰值p，和波峰位置l，半波宽w(图1)。p与Peak定义相同，l与Loc定义相同，Width与w定义相同。

实际上，h是从Height中筛选出的(h由Height中的部分或全部数据组成)，p由h中的所有波高值分别对应的在Peak中的波峰值组成(p由Peak中的部分或全部数据组成)；l由h中的所有波高值分别对应的在Loc中的波峰位置组成(l由Loc中的部分或全部数据组成)；w由h中的所有波高值分别对应的在Width中的半波宽组成(w由Width中的部分或全部数据组成)。例如，Height中有c个波高值(波峰高度值)，每个波高值对应一个极大值点，这个极大值点有一定的波高值、波峰值、波峰位置、半波宽。h中有c1个波高值，c1个波高值均是从c个波高值中筛选出的，c1个波高值对应c1个极大值点，这c1个极大值点对应的Peak、Loc、Width的数值分别加入p、l、w。本段中的部分或全部数据中的“数据”分别指波高值(μV)、波峰值(μV)、波峰位置(s)、半波宽(s)。

心电伪差的四个判定条件根据是在于新生儿正常心率为120～160，但是在某些特殊的情况下，心率可能在60～240，这里取了一个80～200的大概率值，由此得到条件a，b，而条件c，d则是对a，b条件的补足，是经过真实数据测试得到的。

本发明还提供使用前述的识别系统或前述的识别方法的新生儿脑电测量仪。除了集成于新生儿脑电测量仪，前述的识别系统或前述的识别方法可独立存在，即：将脑电信号提取出来，并进行上述的识别程序(脑电信号仍由脑电测量仪采集，并由独立的识别系统提取脑电信号，之后的预处理、分段、心电伪差识别步骤均相同)。

本发明还提供一种对新生儿脑电信号的心电伪差的识别系统，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现前述的识别方法。

此外，本发明还包括一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现前述的识别方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。