بخشی از مقاله
چکیده:
نوار قلب ضبط شده اغلب توسط میزان زیادي از نویز میتواند خراب شود که با فیلتر و الگوریتمهاي مشخص میتوان سیگنالهاي نویزدار را تشخیص داده و نویز را حذف نمود. مدل پیشنهادي ما یک سیستم کاهش نویز وفقی نرمال شده و بدون بایاس است که شامل روشی براي حذف نویز انحراف خط زمینه با استفاده از یک فیلتر میانگین دو مرحلهاي، فیلترینگ شانهاي تداخل خط برق با پاسخ ضربهي نامحدود و ژنراتور نویز سفید افزودنی براي تست عملکرد سیستم از نظر نسبت سیگنال به نویز بوده که براي تخمین نویزي که از سیگنال نوار قلب نویزي حذف شده است، استفاده میگردد.
این مدل بایاس واحد را ندارد و ضرایب به صورت وفقی با استفاده از الگوریتم شدیدا نزولی به روز میشوند. فرآیند وفقی براي به حداقل رساندن خطاي لحظهاي بین توان سیگنال تخمین زده شده و توان سیگنال بدون نویز مطلوب طراحی شده است. در این مقاله با نتایج حاصل از مطالعهي همگرایی نرخ یادگیري سیستم کاهش نویز وفقی نرمال شده و بدون بایاس نشان میدهیم که این سیستم میتواند نویز تصادفی را در هنگام ثبت نوار قلب، حذف کرده و منجر به بهبودي بیشتر نسبت سیگنال به نویز در مقایسه با سیستمهاي مشابه استفاده کننده از فیلتر رایج حداقل میانگین مربعات گردد.
-1 مقدمه
بیماريهاي قلب و عروق از بیماريهاي شایع در جهان و یکی از سه عامل اصلی مرگ و میر میباشند. به طور کلی بیماران قلبی قبل از هر چیز نیاز به انجام یک تست الکتروکاردیوگرام - ECG - دارند. سیگنال ECG نمایش الکتریکی از فعالیت قلب است. تجزیه و تحلیل کامپیوتري ECG به طور گسترده اي به عنوان یک روش قابل اعتماد براي تشخیص بیماري هاي قلبی و عروقی استفاده میشود و سیگنال ECG پر کاربردترین سیگنال پزشکی در اعمال بالینی 2]و[1 می باشد.
شکل1 سیگنال اولیه ECG بدون وجود نویز خط زمینه را نشان میدهد. با توجه به اینکه، ثبت ECG سرپایی با قرار دادن الکترود روي سینه فرد به دست میآید، به ناچار توسط انواع مختلفی از نویزها آلوده میگردد. نویزهاي پیش روي معمول شامل نویز انحراف خط زمینه [3]، تداخلات خط برق شهر، سیگنالهاي فیزیولوژیکی تولید شده توسط دیگر اندامهاي بدن و یا ناشی از انقباضات عضلانی مرتبط با تنفس و نویز تصادفی فرکانس بالا میباشد. شکل2 سیگنال اولیه ECG آلوده به نویز را نشان میدهد.
استخراج سیگنال ECG با وضوح بالا از ECG ثبت شده آلوده به نویز پس زمینه یک مسئله مهم در [4] تحقیقات می باشد. هدف بهبود سیگنال ECG، جدا کردن اجزاي معتبر سیگنال و حاوي اطلاعات از نویزهاي ناخواسته است، به طوري که موجب تفسیر آسان و دقیق ECG شود
در سالهاي اخیر، فیلتر وفقی به یکی از روش هاي موثر براي پردازش و تجزیه و تحلیل ECG و دیگر سیگنالهاي حیاتی تبدیل شده است .[1] اصول پایهي فیلتر وفقی براي حذف نویز توسط Widrow و همکارانش توصیف شده است .[6] براي سیگنالهاي ایستا، فیلتر وینر، یک روش فیلترینگ خطی مطلوب در سنجش خطاي حداقل میانگین مربع است.
متاسفانه، فیلتر وینر نمیتواند نتایج خوبی را در حین فیلترینگ سیگنال نویزي ECG، با توجه به ماهیت غیر ایستاي سیگنال قلبی و همچنین نویز موجود ارائه دهد. مطالعات مختلف شامل روشهاي فیلترینگ وفقی جایگزین هستند که در چندین برنامه عملی استفاده شده است. اگر چه مزایاي استفاده از فیلترهاي وفقی براي تجزیه و تحلیل ECG به طور گسترده اي پذیرفته شده است، بسیاري از این الگوریتمها نیاز به مطالعه دقیق ویژگیهاي سیگنال ECG، به عنوان مثال، تقسیم بندي موجهايP-QRS-T [7]، کمپلکسهاي QRS، تعیین نویزها [8]، و یا بازسازي فیلتر باند دارند
این روشها، زمان زیادي براي مدلسازي صرف میکنند و از یک بیمار و شرایط خاصی نسبت به بیمار و شرایط دیگر فرق میکنند. در این مقاله، یک سیستم کاهش نویز وفقی نرمال شده و بدون بایاس - - UNANR براي حذف کارآمد نویز تصادفی فرکانس بالا در ثبت ECG سرپایی معرفی میگردد.
شکل.1 سیگنال اصلی ECG بدون وجود نویز
شکل.2 سیگنال اصلی ECG آلوده به نویز
ادامهي مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است:
بخش2 شرحی از سیستم کاهش نویز وفقی و الگوریتم وفقی مدل UNANR فراهم میکند. در بخش 3 آزمایشها و نتایج حاصله بیان شده است. بخش 4 تجزیه و تحلیل همگرایی پارامتر نرخ یادگیري UNANR را ارائه میدهد، همچنین در مورد اثرات ناشی از مقادیر مختلف نرخ یادگیري بر عملکرد سیستم بحث میکند. بخش 5 نتیجهگیري تحقیق و برنامههاي کاربردي بالقوه با سیستم UNANR پیشنهادي را ارائه میکند. ما از ECG ثبت شماره 101 دیتابیس استاندارد آریتمی MIT-BIH به منظور ارزیابی عملکرد سیستم پیشنهادي استفاده کردیم.
-2 سیستم کاهش نویز وفقی نرمال شده و بدون بایاس
شکل 3، نماي کلی از سیستم UNANR پیشنهادي را نشان می-دهد. این سیستم شامل روش هایی براي پردازش سیگنال بوده که شامل یک فیلتر میانگین دو مرحلهاي براي از بین بردن انحراف خط زمینه و فیلتر شانهاي پاسخ ضربهاي نامحدود - - IIR براي از بین بردن تداخل خط برق، است .[9] یک مولد نویز قبل از مدل UNANR در سیستم قرار می گیرد تا خودمان نویز تصادفی را اضافه کنیم، چرا که تمرکز این مقاله بر کاهش نویز تصادفی در ثبت ECG نویزي سرپایی است.
رابطه f s بدست می آوریم که در آن فرکانس نمونه برداري یعنی برابر 360 هرتز و f0 برابر 60 هرتز در نظر گرفته شده است، پس مرتبه فیلتر 6 و فاکتور Q با مقدار 30، پاسخ فرکانسی نشان داده شده در شکل 4 را فراهم میکنند که یک فیلتر شانهاي با باندهاي حذف حدود 60، 120 و 180 هرتز را نشان میدهد. پاسخ ضربهي فیلتر شانه IIR مرتبهي ششم در شکل 5 نشان داده شده است، از این شکل می توان نتیجه گرفت که این فیلتر بهره نویز بالایی ندارد.
شکل.3 - الف - : مدل UNANR پیشنهادي - ب - :جزئیات ساختار مدل UNANR
-2-1 حذف انحراف خط زمینه با فیلتر متحرك میانگین
در فیلتر متحرك میانگین [4]، طولهاي پنجره میانگین مرحله اول و دوم به صورت 1/3 و 2/3 طول سیگنال ورودي در نمونهها - بهطوريکه سیگنال ورودي در 10000 میلی ثانیه رسم شده است - ، تنظیم میگردد. این فیلتر براي مشخص کردن خط زمینه و جا دادن سیگنال خروجی بر خط ایزوالکتریک ثبت ECG استفاده میشود.
-2-2 فیلترینگ شانهاي با فیلتر شانه IIR
تابع انتقالی فیلتر شانهاي IIR با ضرایب مشخص به طول 4 رقم اعشاري به صورت زیر است:
براي ثبت ECG نمونهبرداري شده، مرتبه فیلتر شانه اي را از
- ب - شکل .4 پاسخ فرکانسی فیلتر شانهاي مرتبه 6 با فاکتور کیفیت 30 - الف - : پاسخ دامنه، - ب - : پاسخ فاز
شکل .5 پاسخ ضربهي فیلتر شانه IIR مرتبه 6
