局域波分析方法研究及其在心電信號處理中的應(yīng)用.pdf

1、局域波分析（Local Wave Analysis, LWA）方法是一種基于信號局部特征的時頻分析方法，適合分析、處理非線性、非平穩(wěn)信號。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition, EMD）是LWA方法的關(guān)鍵技術(shù)，EMD將復(fù)雜信號分解成有限個被稱之為內(nèi)蘊模式函數(shù)（Intrinsic Mode Function, IMF）的簡單分量，進而可以計算得到有實際物理含義的瞬時頻率（Instantaneous Fre

2、quency, IF）。本文主要對EMD等局域波分解方法進行了深入的研究，主要工作如下：
　　提出了兩種包絡(luò)擬合改進算法：基于最小長度約束分段三次Hermite插值（Least-length Constrained Piecewise Cubic Hermite Interpolation, LLC-PCHI）包絡(luò)擬合方法和基于最平坦約束分段三次Hermite插值（Flattest Constrained Piecewise Cu

3、bic Hermite Interpolation, FC-PCHI）包絡(luò)擬合方法。包絡(luò)擬合是EMD方法的一個重要步驟，是決定EMD分解收斂速度與分解正確性的重要因素。本文提出的LLC-PCHI包絡(luò)擬合方法以包絡(luò)曲線長度最小為目標函數(shù)，采用Lagrange求極小值法優(yōu)化極值點處的一階導(dǎo)數(shù)值，然后采用分段三次Hermite插值方法進行包絡(luò)擬合，得到平滑包絡(luò)線；FC-PCHI包絡(luò)擬合方法以擬合曲線的極值差最小作為目標函數(shù)，采用混沌粒子群優(yōu)化

4、算法優(yōu)化極值點處的一階導(dǎo)數(shù)，擬合出最平坦包絡(luò)線。實驗表明這兩種方法均能有效地克服三次樣條插值方法的過沖、欠沖現(xiàn)象和分段拋物線插值法的“彎折”現(xiàn)象，能擬合出更平滑的包絡(luò)線，進而使得EMD分解得到的內(nèi)蘊模式函數(shù)更準確，較好地克服模態(tài)混淆問題。
　　提出了根據(jù)信號的瞬時最小周期選擇δ參數(shù)的方法，改進了一種基于偏微分方程的免插值EMD模型，嘗試進行EMD的理論化研究。篩選過程是EMD的關(guān)鍵步驟，篩選過程研究的難點在于經(jīng)典EMD關(guān)于“局部均

5、值”的定義過于松散和模糊，不利于EMD的理論化研究，插值過程會引入與原信號無關(guān)的附加信息，從而導(dǎo)致篩選過程和所提取的IMFs嚴重依賴于所采用的插值方法，還會引起包絡(luò)過沖、欠沖、端點效應(yīng)等問題。為了避免篩選過程中的插值運算，本文推廣了Diop等人提出的“局部均值算子”的成立范圍；結(jié)合自伴Sturm-Liouville方程解的特點解釋了??IMF不但滿足內(nèi)蘊模式函數(shù)的條件之一——“局部均值為零”，而且滿足內(nèi)蘊模式函數(shù)的另一個條件——“極值點

6、和過零點數(shù)量相等或者最多相差一個”；提出了根據(jù)信號的瞬時最小周期選擇δ參數(shù)的方法，使得改進的基于偏微分方程EMD（Improved Partial Differential Equation Based EMD，IPDE-Based EMD）模型適合分析非平穩(wěn)信號。實驗結(jié)果表明，IPDE-Based EMD方法不但能較好地克服經(jīng)典EMD分解、FC-PCHI包絡(luò)擬合EMD分解等方法中由于插值方法引起的端點效應(yīng)問題，在一定程度上改善模態(tài)混淆

7、問題，且由于δ參數(shù)的選擇采用了基于信號本身特征的選擇方法，能較好地解決Diop等人提出的基于偏微分方程的EMD模型不適用分析非帶限信號的問題。
　　針對心電信號濾波預(yù)處理，提出了一種基于EMD方法的區(qū)域自適應(yīng)硬閾值濾波算法。心電信號是一種典型的非平穩(wěn)、微弱生物電信號，廣泛應(yīng)用于各種心臟疾病的診斷與治療。心電信號中常伴有非常嚴重的高頻、低頻噪聲，且噪聲頻帶常與心電信號頻帶有重疊，濾波預(yù)處理較困難。本文結(jié)合自適應(yīng)閾值方法，將EMD方法

8、應(yīng)用于心電信號的濾波預(yù)處理，在有效抑制高頻、低頻噪聲的同時，能較好保留心電信號的主要特征波形。
　　利用EMD方法的自適應(yīng)數(shù)據(jù)分析特性，提出了兩種新的QRS綜合波檢測算法：基于EMD濾波和Hilbert變換的QRS綜合波檢測算法；基于IMF能量分布特點的QRS綜合波檢測算法。QRS綜合波是心電信號中最顯著的波群，QRS綜合波的正確檢測是心電信號自動分析系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟。采用MIT-BIH Arrhythmia Database全部4