专利名称：Ecg中相干信号的抑制的制作方法
ECG中相干信号的抑制狱领域本发明一Wfa^Ml性,理参数，更特别地涉及ECG信号的测量。用于测量心电图(ECG)信号的手段通常检测相应于线路频率或电源频率 的电干扰。在大多数国家中，线路频率虽然綺尔设置在50Hz或60Hz，但是却 可以皿些标淋il^行几个百分点的变化。用于从ECG信号中消除电干扰的多种方法在本领域中是已知的。这些方法 中的一些1顿一个或多刊氐通或陷波、搶波器。例如，美国专利4,887,609,其内 ^jlt处被并入作为参考，描述了一种用于可变滄波ECG信号中的噪声的系统。 该系统具有多^H氐通滤波器，其包括一个在约50Hz处具有3dB点的滤波器以 及在约5Hz处具有3dB点的第二低通滤波器。美国专利6,807,443，其内TOfc处被并入作为参考，描述了一种ffl31将信 号经过两个串 接的陷波滤波器而抑制ECG信号中的线路频率分量的系统。 美国专利5,188,117，其内telfc处被并入作为参考，描述了一种具有陷波'i^波 器朋于从ECG信号中消除线路频率分量的系统，该陷波滤波器具有低通和高 通系数中的任一个或具有两者。该系统也提供了用以消除突发噪声和用以从陷 波繊器输出计算心率的體。美国专利5,564,428，其内M此处被并入作为参考，描述了一种具有多个 单元用以消除干扰的系统:平均值单元,用以在几个心动周期内顿平均信号0， 减法单元，用以从输入信号中减去平均信号以生鹏留信号，熗波器单元，用 以由残留信号提供经滤波的信号，以及加法单元，用于将经滄波的信号加到平 均信号。美国专利5,349,352，其内# 处被并入作为参考,描述了一种模数(A/D) 转换器，其 将转换器的时钟与相位锁定循环设置同步来为线路频率提供噪 声抑制。发明内容本发明的实施例^供了用于从生理信号中消除电干扰的方法和设备。特别地，下文中描述的实施例用于滤波心电图(ECG)信号中引起的线路干扰。本 发明的原理也适用于滤波其他种类的干扰，如由磁定位系统和由磁共振系统弓I 起的干扰。在特定的实施例中，监视繊字采样ECG信号，下文中称为原始ECG信 号o i^l^视器也采样平均信号，如Mj^K逊中心端(Wilson CenHal Terminal, WCT)获得的信号。平,号被处理，以用于确定主要干扰的平均频率。原始ECG信号随后被处理，以消除主要干扰的平均频 卩该频率谐波处的 信号。从原始信号中减去被滤波的信号而生成残留信号，其包括平均频率和其 谐波处的干扰信号。刑古这些干扰信号的振幅和相移，消除伪影(artifact),并 从原始ECG信号减去所得到的干扰信号，以生成经线路滤波的ECG信号。依照本发明的实施例，因此皿一种用于监测3^的心电图(ECG)信号 的方法，包括从附^对象的至少一个第一ECG电极数字釆样平均信号； 确定该平均信号的平均干扰频率；从附着于)^的至少一个第二 ECG电极数字采样和缓冲原始ECG信号； 熗波该原始ECG信号以生成包括在和高于平均干扰频率的频率分量的残留 信号；基于该残留信号，计算在平均干扰频率的主要干扰信号的第一振幅禾嘴一 相移，以及在相应多个平均干扰频率的一个或多^H皆波干扰信号的第二振幅和 第二相移；以及从原始ECG信号数^M去该主要干扰信号和该一个或多个谐波干扰信号， 以便生成和输出干净的ECG信号。典型的，平均信号包括跡逊中心端(WCT)信号。i^"法可以包括皿原始ECG信号减去主要干扰信号之前对第一振幅的变 化3勒卩限制。强加限制可以包括體第一振幅等于第一振幅的在前值，响应地 来确定第一振幅已经相对于该在前值改变了预定因子以上。强加限制也可以包 掛十算残留信号的平均值，以及基于该平均值计算阀值。也可以在从原始ECG 信号减去该一个或多个谐波干扰信号之前，对第二振幅的变化 動卩限制。在一些实施例中，滤波原始ECG信号包括为原始ECG信号施加移动平均滤波器，以及生成残留信号包括从原始ECG信号减去该移动平均滤波器的输出。计算第一振幅和第一相移可以包括发现残留信号和具有与平均干扰频 目等的频率的周期函fe间的相关性。相似的，计算第二振幅和第二相移可以包括发现残留信号和具有与多个平 均干扰频斜目等的频率的周期函ifct间的相关性。^1本发明的实施例，还提供一种用于监观树象的心电图(ECG)信号的 装置，包括多个ECG电极，其包括附着于对象的至少一个第一电极和一个第二 ECG 电极；以及^bS器，其被隨以从凝少一个第一ECG电a^样平均信号，以确定平 均信号的平均干扰频率，从该至少一个第二 ECG电极数字采样和缓冲原始ECG 信号，滤波该原始ECG信号以M包括在和髙于平均干扰频率的频率分量的残 留信号，基于该残留信号，计算在平均干扰频率的主要干扰信号的第一振幅和 第一相移以及在相应多个平均干扰频率的一个或多个谐波干扰信号的第二振幅 和第二相移，以及从原始ECG信号减去该主要干扰信号和该一个或多个谐波干 扰信号以便生，卩输出干净的ECG信号。
结合附图，通过其实施例的如下详细描述，本发明将得到更为充分地M， 其中图1是^M本发明的实施例，用以监测ECG信号的系统的示意性图示； 图2歸意性歸出依照本发明的实施例的ECG鹏器的细节的方块图；以及图3A-3D J^意'M^出依照本发明的实施例的在^S3^呈的四个阶段的 ECG信号的信号图。 具体实 式图1是^^、本发明的实施例，用以测量和处理患者22的ECG信号的系统 20的示意性图示。ECG信号舰ECG监^職24从布置于患者22身体上的电 极26获取。ECG监视器24包括ECG，器28,其^bS^ 获取的信号且生成 在输出设备，如电脑屏幕30上显示的被滤波的信号。输出设备也可以包括打印 机，以及用于凝對专输和械被鹏的信号的錢。除了显示被熗波的信号，ECG监^臓也可以监测其他生理参数，如可以指 示心力衰竭的ECG信号变化。ECG监年鹏也可以传输信号给提供显示，存储, 皿一步信号处理的外部系统。ECG监视器24的^者可以通过输入面板，如 離32，修改鹏和显示参数。显絲数可以包括观察具体信号的选项，也可 以包括显^项，如平移(pan)和縮放。，参数可以确定信号滤波的种类和 范围，以^t伪影阚值的體，如下文中进一步描述的。在现有技术中，多种用以在患者身体上驢电极26的配置已经被公开。在 通常的十电极的SSg中，其 处被弓间作为例子，电极26中的6个被布置为 ,患者22的胸腔，以及4个被布置于四肢处，包括患者的左臂，右臂，雄， 以及右腿。,十个电极的各种^g测量ECG信号。 一皿^M常的十电极配 置测量的信号被称为信号I, n， HI, aVR， aVL， aVF， VI， V2， V3， V4， V5 和V6。三个四肢电压(通常，为在右臂，左臂以M腿测量的电压)的平均值， 被称为威尔逊中心端(WCT)。 WCT最初在WilsonNF, JohnstonFE, Macleod AG, Barker PS,"描绘单个电极的潜在变化的心电图(Electrocardiograms that represent the potential variations of a single electrode) ，，, Am.Heart Journal (1934 ; 9: 447458)中进行了描述，其公开tt处被并入作为参考。WCT通常作为V1-V6 信号的参考^ffi^ffi，因此可用于附加信号，。典型地，在身体四肢内弓I发的线路干扰在WCT中是很普遍的。ECG舰 器28利用WCT的这一方面5l^确定线路干扰频率，ME下文中被进一步描述。图2 Ji^性J^出依照本发明的实施例的ECG ,器28的元件的方块 图。ECG鹏器28可以包繊用计飾，运行招可誠的操作系统，具有合适 的用以接收ECG信号的输入界面(未示出)和用以执行下文描述的处理函数的软件。该软件可以以电子形式下载到M器中，如M:网络，或可被存储在有形介质中，如光，磁，或电子存储介质。可选择的或客砂卜的，ECG鹏器可以 包蹄用鹏设备，如可编程信号处理器鋼户化硬j瞎制单元。ECG鹏器 28的元件也可以被实施为几个斜虫的处理设备。在本发明的实施例中，原始ECG信号，如aVR信号，从电极26获取腿 过转换器40由模拟格式转换为数字格式。转换器40也获取，供平均信号， 如WCT信号的数字输出。可预期的，转换器40的采样频率(/s)远高于线路频率(/i)以提供高级别的干扰抑制。在特定的实施例中，采样频率设置为8000 采样/秒。在一些实施例中，带通繊器42接着鹏WCT信号，以在包繊路干扰 分量的范围内提取信号分量。典型的,频率范围设置为45-65Hz (在"6db)。 经过带通滤波的信号然后被频率计44处理，其确定线路干扰分量的频率。
定可以皿测量经过带通滤波的信号的预定数目的零电压交X^f需的时间来实 现。在一个实施例中，计算的零奴的数目被體为120，也就是60周期。计 算也可以通过确定带通信号的第二派生的零 ^实现。60周期内的平均线路 干扰频率以^ = 60々ws。,av来i情，其中N一是i憎的零奴的数目。在本发 明的实施例中，当获棘自WCT的針数字采样时，平均线軒扰频雜t续的基础j^a行更新。采样，A，包括由转换器40获取的原始ECG信号，在帧缓冲器46中被缓 冲。在一些实施例中，帧缓冲器46存储ECG信号的精确的四个周期的ECG帧 或如由频率计44计算的^。,J15采样。根据最小化，时间和提供M信息给 下文中描述的相关禾聘之间的折衷，帧长度被體为4个周期。样本从帧缓冲 器46传输到梳拔搶波器48。梳状搶波器可以被实施为原始信号的移动平均值， 其中该平均值在平均线路干扰频率的单个周期内，即在w一/60采样内，概 用。该移动平均值等于、 /60项的和除以^。^/60的值。残留发生器50从原始ECG信号减去移动平均值，以生成残留信号^ 。在 数学术语中，残留信号&等于原始信号，、，减去在一个周期中、的平均值(该 平均值为一个周期内、的和除以w一/60),如下<formula>formula see original document page 9</formula>残留信号、包括处于和大于平均线路干扰频率(如由频率计44确定)的频 率的原始ECG信号的分量。ffi31低通滤波器48和残留信号发生器50实现的处 理可以重复用于线路频率的谐波，因此，对每个谐波，m,生成谐波限制的 (harmonic-bound)残留信号，，包括处于和大于所纟射皆波频率的賴、i=n-W60,avr/(120.jn) 乂谐波限制的残留信号,)输入至相关器52，其确定谐波P蹄啲残留信号中^S干扰信号的振幅(A)和相移(伊)。项^)指主要干扰信号，也称为第一谐 波干扰信号。第二谐波干扰信号对应于Z2)，等等。典型的，几^i皆波限制的残 留信号(在3和15之间)被计辭B输/JlJ相关器52。通常实时执《M31ECG 鹏器28的所有元件的鹏，因此，当获取齡ECG帧时，计算敏分量干 扰信号的振幅和相位的新值。可如下理解相关器52的操作。对于模拟信号，在具有频率,的^ft干扰信 号s的第一信号x和包括具有频率/的余弦函数的第二信号之间的相关性，由如 下给出<formula>formula see original document page 10</formula>，對以的，可如下计算X和频率为/的正弦函数之间的相关性<formula>formula see original document page 10</formula>.这两个相关性提供 方程组，用于计算干扰信号S的振幅和相移 A cos p = — (" s(t) sin (2;rft) dt ，禾口<formula>formula see original document page 10</formula>.对于离散信号，对于樹可给定的谐波m，，的用于振幅和相移的方程被<formula>formula see original document page 10</formula> 其中模拟方程中的t内的积分被g为n个样本内的^S1，且t被g为n/fs。，斜瞎N一/15样本的帧内进行，其等于^相应分量干扰信号的四个 频率周期。帧长度可以依照系统可允许的延，行变化。使用更大的帧能够更 精确地确定振幅和相位，但是由于需要累积更多的样本，因此增加了输出延迟。在干扰信号谐波的振幅和相移被计算之后，如上，伪影处理器54可以修改 振幅值，以便限制i^t随时间的变化率。可施加该限制以便防止两个连续的振幅ii^间的突，干扰信号的振幅值和振幅的移动平均值之间的突变。由上面的相，方程(1)和(2)， WH皆波的振幅可以依照如下方,行 计算[,)]2 = sin伊(")了 +cos伊'w]2.为确^t振幅值的限制，伪影处理器54计算残留信号^的标准化的均方 根(RMS)振幅l^(")了，如下L 」 iV60,av ^TJ在一些实施例中，对于0(m)]2的给定值，MRMS振幅[^了的基础上 相差了现有的依经验确定的阈值以上，^W的值被紧接在前的^^值取代。该限制确保ECG信号的较髙频率分量，例如QRS复体(complex)的峰值，不影 响干扰估计精确度。发明A^JM阈值设置为RMS振幅[户)了的21%能得到 好的结果，而其他阈值也可以對!^tk使用。可选地，ECG监视器24的使用者能 够调节该阈值。在微实施例中，伪影鹏器54计算,)与紧接在前的 之间的差， 如果二者;tM大于阈值，例如在前值的10%，贝ij保留紧接在前的il^代替更新 的值。ffi!51伪影^S器54^S干扰信号之后，力PMt莫块(aggregate subtraction module) 58对干扰信号的所有谐波^Sl，且从原始ECG信号减去该和，以提供 干净的，经线路^^波的ECG信号，y"<formula>formula see original document page 12</formula>顶其中m-l, 2，…是干扰信号的谐、^t干净的ECG信号，随后可传输至啦制屏幕30上的显示的显示驱动器60。 图3A-3D ^意性,出^m本发明的实施例的在皿ECG M器28的鹏的不同阶段的信号的信号图。图3A示出了原始ECG信号，例如aVR信号。该信号的典型量级^^文大之前可以超lj几毫伏。可以看出，该信号包括基本干扰分量。i!31以上结合图2描述的方法隔离原始ECG信号上弓胞的分量干扰信号。 由残留发生器50产生的残留信号是后来产生的分量干扰信号的前驱。图3B示 出了残留信号的例子。该信号不仅包括干扰分量，还包括ECG信号的高频分量。相关器52和伪影，器54处理残留信号，以产生与线路干扰频率的旨 谐波相关的干扰信号。图3C示出了干扰信号的例子。如图3D所示，从原始ECG 信号减去该分量干扰信号得到经线路微的信号。虽然本发明的，实施例特别W^及从ECG信号中消除线路干扰，但是本 发明的原理也可以适用于从生物医学信号的范围，如EEG， EMG以及多种电和 测信号，消除多种种类的干扰。另外，本发明的原理可以同样皿用于其他环境和Xik应用的情况下。因此可以认识到，J^实施例Jim^/示例的方式被引用的，本发明并不限 律ij于&i:文中所特别示出和描述的内容。进一步，本发明的范围包括上文中所 描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员M:阅读在前的说明书 會辦进行的和在现有技术中未公幵的更改和^M。
权利要求
1.一种用于监测对象的心电图(ECG)信号的方法，包括从附着于对象的至少一个第一ECG电极数字采样平均信号；确定该平均信号的平均干扰频率；从附着于对象的至少一个第二ECG电极数字采样和缓冲原始ECG信号；滤波该原始ECG信号以生成包括在和高于平均干扰频率的频率分量的残留信号；基于该残留信号，计算在平均干扰频率的主要干扰信号的第一振幅和第一相移以及在相应多个平均干扰频率的一个或多个谐波干扰信号的第二振幅和第二相移；以及从原始ECG信号数字减去该主要干扰信号和该一个或多个谐波干扰信号，以便生成和输出干净的ECG信号。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，平均信号包括威尔逊中心端(WCT) 信号。
3. 如权利要求1所述的方法，还包括在从原始ECG信号减去主要干扰信号 之前对第一振幅的变化5勤鹏制。
4. 如权利要求3戶脱的方法，其中，弓勧鹏伟抱括设魏一振幅等于第一振 幅的在前值，响应we确定第一振幅已经相对于该在itr值改变了预定因子以上。
5. 如权利要求3所述的方法，其中，3勧,伟抱^i十算残留信号的平均值以 及基于该平均值计算阀值。
6. 如权利要求3戶脱的方法，其中，对第一振幅的变化的限帝伪第一限制且 包括皿原始ECG信号减去该一个或多^i皆波干扰信号之前对第二振幅的变化 働碟二限制。
7. 如权利要求1所述的方法，其中，滤波原始ECG信号包括为原始ECG信 号施加移动平均滄波器，以及其中，生成残留信号包括从原始ECG信号减去该 移动平均i^波器的输出。
8. 如权利要求1所述的方法，其中，计算第一振幅和第一相移包括发I鹏留 信号和具有与平均干扰频率相等的频率的周期函数之间的相关性。
9. 如权利要求1戶腿的方法，其中，计算第二振幅和第1移包括发5鹏留信号和具有与多^F均干抓频,等的频率的周期函lfct间的相关性。
10. 用于监测膽的心电图(ECG)信号的縫，包括多个ECG电极，其包括附^，的至少一个第一电极和一个第二 ECG 电极；以及 1器，其被配置以从该至少一个第一ECG电^^样平均信号，以确定平 均信号的平均干扰频率，从该至少一个第二 ECG电极数字采样和缓冲原始ECG 信号，滤波该原始ECG信号以生成包括在和高于平均干扰频率的频率分量的残 留信号，基于该残留信号，计算在平均干扰频率的主要干扰信号的第一振幅和 第一相移以及在相应多个平均干扰频率的一个或多个谐波干扰信号的第二振幅 和第1目移，以iU^始ECG信号减去该主要干扰信号和该一个或多^W波干扰信号以便^;和输出干净的ECG信号。
11. 々敝利要求10戶腐的錢，其中平均信号包括威尔逊中心端(WCT) 信号。
12. 如权利要求10所述的装置，其中处理器被设置为抓原始ECG信号减 去主要干扰信号之前对第一振幅的变化 勧卩限制。B.如权利要求12所述的錢，其中,鹏^l皮體为ffiil下舰强加限制: 设置第一振幅等于第一振幅的在前值，响应地来确定第一振幅已经相对于该在前值e^了预定因子以上。R如权利要求12所述的體，其中，鹏M體为M:计算残留信号的平均值以3yi3is于该平均值计算阈ii^强加限制。
13.
14.
15. 如权利要求12所述的錢，其中,对第一振幅的变化的限制为第一限制， 且其中^S親皮设置为員原始ECG信号减去该一个或多个谐波干扰信号之前对第二振幅的变化弓勤口第二限制。
16. 如权利要求10戶服的體，其中，鹏繊體为舰为原始ECG信 号提供移动平均滄波器来滄波原始ECG信号，以及其中处理驗體为ffim 原始ECG信号减去该移动平均i^波器的输出而生成残留信号。
17.如权利要求io所述的驢，其中，处理親皮體为舰发I鹏留信号和 具有与平均干扰频率相等的频率的周期函数之间的相关性来计算第一振幅和第 一相移。
18.如权利要求10所述的驢，其中，舰:^皮體为舰发5鹏留信号和具有与多个平均干扰频率相等的频率的周期函数之间的相关性来计算第二振幅 和第二相移。
全文摘要
本发明涉及ECG中相干信号的抑制。一种用于监测物体的心电图(ECG)的方法，包括从至少一个第一ECG电极数字采样平均信号，确定平均干扰频率，以及从至少一个第二ECG电极数字采样和缓冲原始ECG信号。该方法进一步包括滤波该原始ECG信号以生成残留信号；基于该残留信号，计算在平均干扰频率的主要干扰信号的第一振幅和第一相移以及在相应多个平均干扰频率的一个或多个谐波干扰信号的第二振幅和第二相移；以及从原始ECG信号数字减去该主要干扰信号和该一个或多个谐波干扰信号，以便生成和输出干净的ECG信号。
文档编号A61B5/0428GK101297754SQ200810127719
公开日2008年11月5日 申请日期2008年4月30日 优先权日2007年5月2日
发明者D·拉赞斯基, M·巴塔尔 申请人:韦伯斯特生物官能公司