专利名称：信号基线处理装置及处理方法
信号基线处理装置及处理方法
技术领域：
本发明涉及信号的处理装置和处理方法，尤其涉及信号基线的处理装 置和处理方法。背景技术：
在进行测量时，由于外界的干扰，信号的基线会产生波动，在对信号 中脉冲特性的信号的幅度进行识别时，缓慢波动的基线会影响信号中脉冲 特性的信号的幅度的准确识别。例如在粒子检测系统(例如血液细胞分析 仪)中，根据识别出的脉冲的峰值判断粒子的体积。当粒子(例如血液细 胞)流经传感器(宝石孔)时，会在计数信号中产生一个幅度与粒子(血 液细胞)体积成正比的电脉冲信号，如图l所示，计数信号经放大、滤波、 模数转换后，成为数字计数信号，数字计数信号再经过数据压縮、存储、 脉冲峰值识别后，就得到了血液细胞的体积信息。
由于外界的干扰，粒子计数信号中存在基线波动，基线波动对系统性 能的影响体现在
1. 波动的基线叠加在计数信号上，抬升或拉低脉冲的峰值，影响数 字计数信号中脉冲峰值的准确识别，如图2所示；
2. 波动的基线影响对数字计数信号的压縮效率；
a) 数字计数信号中粒子脉冲较窄，需要以高采样率进行采样才能获 得粒子脉冲的足够信息；同时为获取足够脉冲样本，需要较长采样时间， 因此数字计数信号的数据量很大，需要压縮；
b) 如图3所示，粒子脉冲间的间隔相对于细胞脉冲宽度很大，而 其对脉冲峰值识别是无用的，可通过压縮，去掉这部分信息，再传送给CPU 进行存储和识别。
压縮方式可以是设定一个固定的输出门限，大于此输出门限的数据输 出，否则丢弃，以此去掉细胞脉冲间的间隔。当存在基线波动时，输出门 限选择过高会损伤数字计数信号中脉冲的幅度，过低则压縮效果变差，如 图4所示，如选择门限2，无法去除脉冲1到脉冲4之间的间隔，如选择 门限l，则会损伤脉冲2、 3、 4的幅度。 并且基线可能波动到输出门限以下，这时，计数信号中的脉冲会有部 分由于低于输出门限而不被输出，导致脉冲幅度受到损伤，幅度较低的脉 冲甚至可能丢失。
现有技术中准确识别基线依赖于对脉冲持续时间的准确判断；识别出 基线后，再用数字计数信号减去基线，进行脉冲识别。这样就有一个矛盾， 基线的准确识别需要对脉冲持续时间的准确判断；而脉冲的准确识别又需 要基线的准确识别。因此，现有基线识别技术的缺点是
1. 通用性较差:计数信号特性的变化会对脉冲持续时间的判断产生 影响，从而影响基线的识别，进而影响脉冲峰值的准确识别；
2. 基线的识别和脉冲特征值(包括脉冲起始点、峰值、结束点等) 的识别互相影响，导致处理方法复杂，调试难度大。
发明内容
本发明的主要目的就是解决现有技术中的问题，提供一种信号基线处 理装置及处理方法，将粒子计数信号中的基线较完整的去除，消除其对脉 冲峰值甄别准确程度及数据压縮效率的不良影响。
为实现上述目的，本发明提供一种信号基线处理装置，包括
A/D采样单元，用于对计数信号进行采样，得到采样数据；
基线提取单元，输入采样数据，用于按照采样顺序每次对N个采样数 据按照大小进行排序，并输出该N个采样数据中数值小于或等于中间值的 任一个采样数据A (如按数值从小到大排在N个采样数据中第N / 2-P的数 据，P可以为大于等于0小于N/2的整数，但在整个处理过程中，P不能改 变)，其中，所述N个采样数据在数字计数信号中的分布宽度远大于数字计 数信号中的单个脉冲宽度、小于基线漂移的宽度、且大于在该分布宽度内 的所有脉冲宽度总和的2倍；
相位补偿单元，用于输入采样数据，并按照先入先出的顺序输出采样 数据B，所述相位补偿单元的宽度为M，所述M二1/2N;
第一减法器，用于输入采样数据A和采样数据B,并将采样数据B减 去采样数据A后作为去基线数据输出。
在另一个实施例中，信号基线处理装置还包括历史记录FIFO (先入先 出存储器)，所述历史记录FIFO用于输入采样数据，且在输入第N+X个采 样数据后输出第X个采样数据C给基线提取单元，所述基线提取单元还用 于在接收到历史记录FIFO输出的第X个采样数据C后将其内的与采样数据 C相同的一个采样数据删除。在一个优选实施例中，所述基线提取单元包括处理器和存储器，所述 处理器用于每次接收一个采样数据，且将该采样数据的数值作为存储器中
的存储空间地址，将存储空间中的存储值加1，当输入N个数据后，所述 处理器用于将存储空间从最低地址开始往高地址方向对其存储值进行数据 累加，确定累加值大于或等于1/2N的当前累加地址N1，所述输出的采样 数据A选自于地址等于或大于当前累加地址N1的存储空间中的任一个存储 空间的地址，所述处理器还用于在接收到历史记录FIFO输出的采样数据C 后令地址与采样数据C的数值相同的存储空间中的存储值减1，在新输入 采样数据D后控制地址与新输入采样数据D的数值相同的存储空间中的存 储值加1 。
其中，所述采样数据A优选为将该N个采样数据按照大小排序后的中 间值。
还进一步包括第二减法器和比较器，所述第二减法器分别输入第一减 法器输出的去基线数据和门限值，并将去基线数据减去门限值后作为去门 限数据输出到比较器，所述比较器用于将去门限数据和O进行比较，并将 大于0的去门限数据输出。
更进一步包括与比较器输出端相连的输出FIF0。
本发明同时提供一种信号基线处理方法，包括以下步骤
Al、对计数信号进行采样，得到采样数据；
Bl、按照采样顺序对N个采样数据按照大小进行排序，并输出该N个 采样数据中小于或等于中间值的任一个采样数据A，其中，所述N个采样 数据在计数信号中的分布宽度远大于计数信号中的单个脉冲宽度、小于基 线漂移的宽度、且大于在该分布宽度内的所有脉冲宽度总和的2倍；
Cl、在N个采样数据中选择按照采样顺序为第1/2N位的采样数据B， 并将釆样数据B减去采样数据A后作为去基线数据输出。
在一个优选实施例中，步骤B1包括以下步骤
Bll、将该N个待排序的采样数据的数值作为存储空间地址，将相同数 值的数据的个数作为存储空间对应地址的存储值，将待排序的采样数据存 入该存储空间中；
B12、将存储空间从最低地址开始往高地址方向对其存储值进行数据 累加，确定累加值等于1/2N-P的当前累加地址N1，其中P为大于或等于0 且小于1/2N的整数；
B13、将当前累加地址N1作为采样数据A输出。
当输入一个新的采样数据后还包括以下步骤将地址与该N个采样数 据中的第一个采样数据的数值相同的存储空间中的存储值减1，将地址与 新输入采样数据的数值相同的存储空间中的存储值加1。
本发明的有益效果是1)本发明将采样数据通过中值滤波算法输出基 线值，将计数信号减去基线值，消除基线对脉冲幅值的影响，以脉冲的真 正幅度作为识别对象，从而将基线的处理和脉冲的识别分离开来，基线的 识别和脉冲特征值的识别不会相互影响，因此易于调试。2)通用性好，通 过对待排序的采样数据的个数N的设置，可以适应各种信号特性的变化。3) 运算效率高。普通的中值滤波算法在保证实时性的条件下，待排序的采样 数据的个数N通常只能做到10以下；在同样的运算资源条件下，本发明通 过构造的存储空间，把具有相同数据的采样数据作为一个整体进行排序， 可轻易做到数千个采样点的中值滤波，适合高速信号采样系统。
图1是粒子通过宝石孔引起的脉冲波形示意图2是基线的缓慢漂移示意图3是脉冲间隔示意图4是对脉冲设置门限的示意图； 图5是本发明实施例一的结构示意图； 图6是中值滤波算法原理示意图； 图7、 8、 9是窗口宽度设置示意图； 图10是采样数据排序后的数据分布示意图； 图11是含基线的计数信号示意图； 图12是计数信号中提取的基线示意图； 图13是去掉基线后的计数信号示意图； 图14是本发明实施例二的结构示意图； 图15是本发明实施例三的结构示意图； 图16是本发明实施例三的中值滤波流程图； 图17是本发明实施例三中存储空间地址/数值分布示意图。
具体实施方式
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。 实施例一
请参考图5，基线处理装置包括A/D采样单元、基线提取单元、相位 补偿单元、第一减法器、第二减法器和比较器。A/D采样单元用于对计数
信号进行采样，得到采样数据；基线提取单元输入采样数据，用于按照采 样顺序对N个采样数据按照大小进行排序，并输出该N个采样数据中小于 或等于中间值的任一个采样数据A，其中，所述N个采样数据在数字计数
信号中的分布宽度远大于数字计数信号中的单个脉冲宽度、小于基线漂移 的宽度、且大于在该分布宽度内的所有脉冲宽度总和的2倍；相位补偿单 元用于输入采样数据，并按照先入先出的顺序输出采样数据B，所述相位 补偿单元的宽度为M，可缓存M个采样数据，且M二1/2N;第一减法器用于 输入采样数据A和采样数据B，并将采样数据B减去采样数据A后作为去 基线数据输出，第二减法器分别输入第一减法器输出的去基线数据和门限 值，并将去基线数据减去门限值后作为去门限数据输出到比较器，所述比 较器用于将去门限数据和0进行比较，并将大于0的去门限数据输出。
在基线提取单元中采用中值滤波算法对待排序的采样数据进行处理， 中值滤波算法从待处理的数据的数据头开始，顺序取出固定长度数列(如 图6中虚线框所示)，对此数列按大小进行排序，输出大小为中间值的数 据。此固定长度即中值滤波算法的窗口宽度，窗口从数据头开始，向数据 尾逐步移动，就完成了对数据的处理。
对于数字计数信号，将数字计数信号窗口内的数据按大小排序成一个 数列，输出数列中大小为中间值的数，通过窗口从数据头到数据尾的逐步 移动，完成数据的处理，在不损伤宽度远小于窗口的脉冲前提下，可有效 去除宽度远大于窗口的基线。
数字计数信号中主要成分的宽度从大到小依此是基线、气泡脉冲、 粒子脉冲、高频噪声。需要在去掉基线的同时，、保留数字计数信号中的粒 子脉冲和气泡脉冲，因此在本发明中，待排序的N个采样数据在计数信号 中的分布宽度(即窗口宽度)的设置很重要，要求窗口宽度满足-
1. 窗口宽度远大于粒子脉冲宽度，如图7所示，这样当窗口包含脉冲 持续点时，窗口中脉冲持续点(即指脉冲上的采样点)都排在窗口数列中 比较大的一端；
2. 窗口宽度远小于基线的波动宽度，因此当窗口移动到数字计数信号 的某一个位置时，相当于对数字计数信号的基线进行采样，输出结果和数 字计数信号中这一点的基线值很接近，如图8所示；
3. 在数字计数信号的各点，窗口宽度内粒子脉冲的宽度总和不超过窗 口宽度的1/2,否则使用中值滤波算法对数字计数信号处理时，可能输出 脉冲持续点的数值，造成基线虚高，损伤脉冲的幅值。如图9所示，当选 择窗口2时，窗口内四个脉冲的宽度总和超过了窗口 2宽度的1/2，这样， 输出的结果不是真正的基线，而是脉冲持续点的数值，识别出的基线比实 际高。而当选择窗口 1时，窗口内四个脉冲的宽度总和不超过窗口 1宽度 的1/2，可以准确识别基线；
根据粒子通过宝石孔的流速可知粒子的脉冲宽度，根据经验，可知粒 子流过宝石孔的时间分布情况，根据以上三个条件可确定窗口宽度。
气泡是数字计数信号中的有用信息，需保留，但不要求无损，因此要 求窗口宽度大于气泡脉冲宽度的两倍，当窗口包含气泡时，气泡上的点都 排在窗口数列中比较大的一端，不超过数列的中点，因此中值滤波不会输 出气泡上的点的数值，去基线后，气泡信息被保留。
当窗口宽度选择合适时,N个采样数据中的脉冲持续点都排在窗口数 列中比较大的一端，因此中值滤波的输出不受脉冲持续点数值的影响，如 图10所示，从而粒子检测系统的数字计数信号中的粒子脉冲被无损的输 出，气泡脉冲信息被保留、基线被去除，如图11、图12、图13，图11 是含有基线的计数信号，脉冲的幅值被拉高，图12是提取出的基线，图 13是减去基线后的计数信号，可见，基线对脉冲的影响被消除了。
A/D釆样单元对模拟计数信号进行采样后，将采样数据同时输入基线 提取单元和相位补偿单元。基线提取单元将输入的数据进行排序，当输入 N个点的采样数据后，基线提取单元输出这N个点的数列中，大小为中间 点的数值，即采样数据A。相位补偿单元通常采用先入先出存储器(即 FIF0)，该相位补偿FIFO的宽度为M， M=N/2，当输入N个点的数据后，前 N/2个点的数据已被输出，此时相位补偿FIFO输出的数(即采样数据B) 就是N个采样点中的第N/2个点的采样数据，采样数据B减去基线提取单 元输出的采样数据A，即得到第N/2个点的去基线数据。
本实施例中，本领域技术人员应该理解，基线提取单元输出的采样数 据A还可以是小于中间值的任意一个采样数据，如图IO所示，即可以将由 大到小排列在中间值之后的任意一个采样数据作为基线值输出。当采样数 据B减去采样数据A后，得出的是采样数据B所处位置的点的去基线数据。
相位补偿FIFO输出的数减去基线提取单元输出的数得到的结果通过 第二减法器减去输出门限，再将去门限数据通过比较器和0比较，大于0 的就通过输出FIFO输出该点的去门限数据。
完成这一系列的动作后，A/D芯片会再输入下一个点的数据，基线提 取单元将输入的第一个采样数据删除，重复以上动作，以输出下一个点的
基线。
实施例二
请参考图14，基线处理装置包括A/D采样单元、基线提取单元、相位 补偿单元、历史记录FIF0、第一减法器、第二减法器、比较器和输出FIF0。 历史记录FIFO宽度为N，其作用是存放需要丢弃的数据，当输入N个点的 采样数据、基线提取单元采用中值滤波法计算完第N/2点的基线后，A/D 采样单元会输出第N+1个点的数据给基线提取单元、相位补偿单元和历史 记录FIF0，历史记录FIFO中输出数字计数信号中第一个采样数据C给基 线提取单元，基线提取单元在接收到历史记录FIFO输出的第一个采样数据 C后将其内的与第一个采样数据C相同的一个采样数据删除，以便在下次 排序时不包括该采样数据。然后，基线提取单元再对数字计数信号中第2 到第N+1个点进行排序，输出第N/2+l个点的基线。可按照与实施例一相 同的方法得到去基线数据和去门限数据。
本实施例可很好地控制基线提取单元删除N个采样数据中的第一个采 样数据。
实施例三-
请参考图15，本实施例是在实施例一、二的基础上更优选的实施例， 基线提取单元包括处理器和存储器。处理器用于接收N个采样数据，且将 该N个待排序的采样数据中的数据的数值作为存储器中的存储空间地址， 将相同数值的数据的个数作为存储空间对应地址的存储值，将待排序的采 样数据存入该存储空间中，所述处理器用于将存储空间从最低地址开始往 高地址方向对其存储值进行数据累加，确定累加值等于(1/2N-P)的当前累 加地址Nl， P可以根据信号的特性选大于等于0且小于1/2N的整数，但在 整个处理过程中不能改变，所述采样数据A等于当前累加地址N1，当Pi 时，相当于采样数据A为将N个采样数据按照大小排序后的中间值，当P〉0 时，相当于采样数据A为在N个采样数据中按从小到大排在1/2N-P的一个 采样数据。
由于设计的窗口宽度比较高(例如待排序的N个采样数据可高达4096 点)，需要采用一种快速的中值滤波算法，图16为此算法流程图(以N等 于1024点为例)，其核心思想是把具有相同数值的数据作为一个整体进行 排序。构造一块存储空间，将待排序数列中的数据的数值作为存储空间的 地址，将相同数值的数据的个数作为存储空间对应地址的存储值，将待排 序数列放入这个存储空间中。
下面以N等于1024为例进行说明。
存储空间可看作一个横轴为数据的数值(与采样精度相关，如精度为 12bit，则横轴为0-4096)，纵轴为数据的个数(如N等于1024，则纵轴数 据和为1024)的数据分布直方图。图17中横轴为1106处的数值为12， 就是说待排序数列中，数值为1106的数共有12个，横轴为1108处的数值 为20，表示待排序数列中，值为1108的数共有20个。
要计算窗口数列中从小到大的第512个数的数值E，可对图17中的直 方图进行积分，把存储空间从最低地址O往高地址方向进行数据累加，直 到加上某一个当前累加地址N1中的数据后，累加值大于或等于512，那么 中值E就等于地址N1。
采样是持续进行的，每周期需要在数列中增加一个新数，同时去掉数 列中最老的数据。当删除第一个采样数据C时，将存储空间中地址为C的 存储值减一；当插入一个新的采样数据D时，将存储空间的地址为D的存 储值加一。因此一个周期内只要执行两次对存储空间的读出/写入操作，即 可完成排序，不需要任何比较器资源。
可以将本发明中的基线提取单元、相位补偿单元、历史记录寄存器、 第一减法器、第二减法器和比较器制作在FPGA中，基线提取单元中的存储 空间可以在FPGA外或FPGA内部。在A/D采样的一个周期内，完成一个点 的基线运算，输出基线，并将数据送给CPU进行处理，因此，本发明是一 种实时的基线处理方法，不增加测量的时间。
本发明可应用到所有通过使用传感器测量脉冲信号以进行粒子体积识 别的仪器包含但不限于血液细胞分析仪、尿液分析仪、骨髓分析仪、流 式细胞仪等医疗器械和实验室分析仪器等，也可应用于去掉脉冲特性的噪 声，输出缓慢变化的信号。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种信号基线处理装置，其特征在于包括A/D采样单元，用于对计数信号进行采样，得到采样数据；基线提取单元，用于输入采样数据，每次按采样顺序对N个采样数据按大小进行排序，输出该N个采样数据中数值小于或等于中间值的某一个采样数据A，其中，所述N个采样数据在计数信号中的分布宽度远大于计数信号中的单个脉冲宽度，小于基线漂移的宽度，且大于在该分布宽度内所有脉冲宽度总和的2倍；相位补偿单元，用于输入数字信号，并按照先入先出的顺序输出采样数据B，相位补偿单元的宽度为M，且M＝N/2；第一减法器，用于输入采样数据A和采样数据B，并将采样数据B减去采样数据A后作为去基线数据输出。
2. 如权利要求1所述的信号基线处理装置，其特征在于还包括历 史记录FIFO,所述历史记录FIFO用于输入采样数据，且在输入第N+X个 采样数据后输出第X个采样数据C给基线提取单元，所述基线提取单元还 用于在接收到历史记录FIFO输出的第X个采样数据C后将其内的与采样 数据C相同的一个采样数据刪除。
3. 如权利要求2所述的信号基线处理装置，其特征在于所述基线 提取单元包括处理器和存储器，所述处理器用于每次接收一个采样数据， 且将该采样数据的数值作为存储器中的存储空间地址，将存储空间中的存 储值加l，当输入N个数据后，所述处理器用于将存储空间从最低地址开 始往高地址方向对其存储值进行数据累加，确定累加值大于或等于1/2N 的当前累加地址Nl，所述输出的釆样数据A选自于地址等于或大于当前累 加地址N1的存储空间中的地址，所述处理器还用于在接收到历史记录FIFO 输出的采样数据C后令地址与采样数据C的数值相同的存储空间中的存储 值减1，在新输入采样数据D后控制地址与新输入采样数据D的数值相同 的存储空间中的存储值加l。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的信号基线处理装置，其特征在 于所述采样数据A为该N个采样数据中按照大小排序后的中间值。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的信号基线处理装置,其特征在 于还包括第二减法器和比较器，所述第二减法器分别输入第一减法器输 出的去基线数据和门限值，并将去基线数据减去门限值后作为去门限数据输出到比较器，所述比较器用于将去门限数据和o进行比较，并将大于o的去门限数据输出。
6. 如权利要求5所述的信号基线处理装置，其特征在于还包括与比较器输出端相连的输出FIF0。
7. —种信号基线处理方法，其特征在于包括以下步骤-Al、对计数信号进行采样，得到采样数据；Bl、按照采样顺序每次取N个采样数据按照大小进行排序，并输出该 N个采样数据中数值小于或等于中间值的任一个采样数据A，其中，所述N个采样数据在计数信号中的分布宽度远大于计数信号中的单个脉冲宽度、 小于基线漂移的宽度、且大于在该分布宽度内的所有脉冲宽度总和的2倍； C1、在N个采样数据中选择按照采样顺序位于第1/2N位的采样数据B， 并将采样数据B减去采样数据A后作为去基线数据输出。
8. 如权利要求7所述的信号基线处理方法，其特征在于在步骤 Bl中包括以下步骤Bll、将该N个待排序的采样数据的数值作为存储空间地址，将相同 数值的数据的个数作为存储空间对应地址的存储值，将待排序的采样数据 存入该存储空间中；B12、将存储空间从最低地址开始往高地址方向对其存储值进行数据 累加，确定累加值等于1/2N-P的当前累加地址N1，其中P为大于或等于0 且小于1/2N的整数；B13、将当前累加地址N1作为采样数据A输出。
9. 如权利要求8所述的信号基线处理方法，其特征在于当输入一 个新的采样数据后还包括以下步骤将地址与该N个采样数据中的第一个 采样数据的数值相同的存储空间中的存储值减1，将地址与新输入采样数 据的数值相同的存储空间中的存储值加1。
10. 如权利要求8或9所述的信号基线处理方法，其特征在于所述 采样数据A为将N个采样数据按照大小排序后中间值。
全文摘要
本发明公开了一种针对包含分布不均匀的脉冲和变化缓慢的基线的信号的基线处理装置，此装置包括A/D采样单元，用于对计数信号进行采样，得到采样数据；基线提取单元，用于输入采样数据，当输入的采样数据个数≥N后，每次按采样顺序对N个采样数据按大小进行排序，输出该N个采样数据中大小等于中间值的任一采样数据A，其中，所述N个采样数据的宽度远大于数字信号中的单个脉冲宽度，小于基线漂移的宽度，且大于在该分布宽度内所有脉冲宽度总和的2倍；相位补偿单元，用于输入数字信号，并按照先入先出的顺序输出采样数据B，相位补偿单元的宽度为M，且M＝N/2；第一减法器，用于输入采样数据A和采样数据B，并将采样数据B减去采样数据A后作为去基线数据输出。
文档编号G01N15/10GK101344475SQ20071007588
公开日2009年1月14日 申请日期2007年7月13日 优先权日2007年7月13日
发明者兴 史, 欢 祁, 赵天锋, 黄大欣 申请人:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司