结合小波变换和中值滤波实现肝储备功能分析的信号消噪方法

张 晶， 李居尚， 尹 晶， 蒲 鑫， 崔艳群， 蔡 靖

(1.长春理工大学 光电信息学院 吉林 长春 130012；2.吉林大学 仪器科学与电气工程学院 吉林 长春 130026)

结合小波变换和中值滤波实现肝储备功能分析的信号消噪方法

张 晶1， 李居尚1， 尹 晶1， 蒲 鑫1， 崔艳群1， 蔡 靖2

(1.长春理工大学 光电信息学院 吉林 长春 130012；2.吉林大学 仪器科学与电气工程学院 吉林 长春 130026)

针对无创肝储备功能检测中，光电容积脉搏波带宽有限，频率范围易受到外界干扰和噪声影响的特点，提出利用小波分析方法结合中值滤波算法对光电容积脉搏波消噪处理，滤除系统干扰和噪声，以克服外界环境对肝储备功能测量准确性的干扰和影响.小波滤波算法采用Sym8小波函数，3层分解、重构，以滤除光电容积脉搏波高频干扰和高斯白噪声，同时结合中值滤波算法实现信号突发干扰造成的基线漂移的滤除.实验证明，该方法有效地消除了系统噪声和突发干扰的影响，提高了系统的抗干扰能力和测量精度，保证了肝储备功能测量的准确性和稳定性.

肝储备功能； 光电容积波； 小波分析； 中值滤波

0 引言

肝储备功能是肝脏所有有效肝细胞所储备功能的总和，是肝脏储备的生理活动临床评估的重要参数.当前临床检测肝储备功能的方法主要通过采血光学比色法实现，为有创检测.随着科技的发展，国内外对无创肝储备功能检测进行了大量研究.文献[1]提出了基于脉搏分光光度法的染料密度测量，实现有效肝血流、血浆消失率等肝储备功能参数测量；文献[2-3]研究了基于ICG脉冲分光光度法在肝切除手术过程中的肝储备功能检测，但该方法检查结果受肝脏血流影响较大，某些特殊患者，如黄疸患者就不适合使用；文献[4]研发了基于色素谱分光光度法的无创肝储备功能参数测量方法及装置，并成功应用于医院临床实验与测试.上述文献多采用光电容积波作为测量对象，实现肝储备功能检测，对获得的光电容积脉搏波信号通常采用高阶数字滤波、均值滤波等方法进行消噪处理[5-7]，缺乏对色素谱光电容积波信号的进一步消噪讨论，因此临床应用存在局限性.实际临床无创肝储备功能检测中，光电容积脉搏波信号因其时频域特点，易受到外界干扰和噪声的影响.其中，在测量过程中因病人无意识的肌肉抖动导致的突发干扰对测量结果影响尤为严重，传统的消噪方法，并不能很好解决这个问题，从而难以实现信号的准确检测.

本文提出通过小波变换的方式结合中值滤波算法对肝储备功能分析系统中光电容积波信号的白噪声干扰、突发干扰等干扰进行处理、消噪；与传统消噪方法相比，降低了系统测量误差，保证了实际测量的稳定性，为无创肝储备功能准确检测提供有益的评估和帮助[8-10].

1 光电容积波分析

图1 透射光电容积波测量模型Fig.1 Measurement model of transmission PPG

肝储备功能检测是利用光电容积波(PPG)测量方式，在注入吲哚氰绿ICG色素后，利用红光或者红外光和吲哚氰绿ICG色素敏感波形等波长光信号照射指尖端或者耳尖端，探测微血管的血液容积变化.通过透射或者反射方式获取光电波信号，从而获取肝脏对吲哚氰绿ICG色素代谢的人体生理信息，测量肝储备功能[6-7].其测量示意图如图1所示.

光电容积波采用光电技术检测人体血液容积变化，光电容积波时频域信号含有丰富的人体血液生理信息和血流生理信息[11-12].通过测量805 nm和940 nm处光电容积波交直流分量即可测得对应的ICG色素浓度，通过测量时间域范围内的ICG色素浓度值，获得肝储备功能.

2 小波分解与消噪

2.1 小波变换

其重构变换为

2.2 SymN小波函数

SymN小波函数是属于SymletsA函数系的近似对称的紧支集双正交小波，它是db函数的改进形式,SymN系列小波没有具体的表达式和小波基[13].小波分解的方式是一类小波函数与待分解函数的近似逼近，小波形态与分解函数的近似性越好，其逼近效果越好，因此选择Sym8小波函数实现小波分解与消噪，Sym8小波函数和尺度函数如图2所示.

图2 Sym8小波函数和尺度函数

2.3 小波消噪

肝储备功能分析系统前端传感检测光电容积波的主要噪声和干扰有：白噪声干扰、突发干扰、随机噪声干扰等，其主要体现在时域波形的基线漂移、波形突变以及波形“毛刺”突出等方面，其中因病人无意识扰动产生的干扰，对测量准确性影响最大.带有突发干扰的肝储备功能光电容积波940 nm、805 nm透射波形如图3所示.

图3 光电容积波原始信号Fig.3 PPG original signal

图4 940 nm光电容积脉搏波原始信号频谱图Fig.4 940 nm PPG original signal frequency spectrogram

由快速傅里叶变换(FFT变换)，940 nm光电容积脉搏波信号频谱图如图4所示.

由图4可知，经肝储备功能分析系统前端传感检测光电容积波，其主要能量成分集中在6 Hz以下，由光电容积波原始信号可以看出，其白噪声干扰和高频干扰存在于原始信号全部时间周期中；肝储备功能测量过程中病人的无意识肌肉抖动，造成的突发干扰如图5a所示，出现在7～12 s光电容积波信号区间内，采用Sym8小波3层分解，其结果如图5c～5e所示.

图5 Sym8小波3层分解结果

图6 小波重构信号波形Fig.6 Graphs of wavelet reconstruction

由图5可知第3层分解的近似系数波形与原始波形形态最为近似，因此采用极值阈值估计法原理的阈值选取规则，以硬阈值方式，重构Det1、Det2、Det3，阈值选取为Det1th1=2.506 3, Det1th2=2.406 3, Det1th3=2.206 3，选取第3层近似系数波形重构[16-18]，如图6所示.

2.4 中值滤波

图7 基线信号及去除基线漂移信号

实验获得效果采用信噪比和均方误差作为评价手段，信噪比SNR计算公式和均方误差RMSE计算公式为：

图8 滤波后频谱图Fig.8 Graphs of filtered frequency spectrogram

小波SNRRMSESym812.13452.4814db312.02992.5115db912.08502.4956coif311.08082.4968Haar10.13573.1235

分别采用db3小波、db9小波、coif3小波和Haar小波进行消噪处理，获得的信噪比SNR和均方误差RMSE如表1所示.

由表1可知，采用Sym8小波函数分解，重构实现肝储备功能测量系统中的光电容积脉搏波信号的消噪滤波效果较好.

3 结语

Sym8小波函数作为近似对称的紧支集双正交小波，具有优秀的信号时-频域分析特性，采用Sym8小波函数结合均值滤波算法对肝储备功能光电容积波信号滤波处理，有效地消除了噪声干扰，与传统的滤波消噪算法相比，其消噪效果更加有效，满足检测要求，对肝储备功能的无创精确检测提供了帮助.

[1] IIJIMA T, AOYAGI T,IWAO Y,et al. Cardiac output and circulating blood volume analysis by pulse dye-densitometry[J]. Journal of clinical monitoring，1997，13(2)：87-89.

[2] OKOCHI, OKOCHI O, KANEKO T,et al. ICG pulse spectrophotometry for perioperative liver function in hepatectomy[J].Journal of surgical research，2002,103(1)：109-113.

[3] 李宝亮,穆毅,蒋力,等. Child-Pugh分级联合ICG与肝瞬时弹性值评估肝部分切除术肝细胞癌患者肝储备功能[J]. 中国肝脏病杂志(电子版),2013,5(3):5-8.

[4] 张晓枫，刘光达，辛桂杰，等.结合近红外光谱法的肝血流参数测量[J].光学精密工程，2012,20(10)：2140-2146.

[5] 齐蓓蓓,吴效明,黄岳山. 基于MATALAB的脉搏波信号的实时处理[J]. 微计算机信息，2009,25(10)： 184-185.

[6] 董锋. 基于脉搏波特征的连续血压测量方法研究[D].昆明：云南大学,2015.

[7] 陈雪峰. 脉搏波特征提取算法及其应用研究[D].大连：大连理工大学,2006.

[8] 刘光达，黄敬涛，卢蒙蒙，等. 无创检测肝储备功能的脉搏色素密度法[J]. 吉林大学学报(工学版)，2012，43(5):1427-1432.

[9] ZHA Y T，LIU G D，ZHOU R D. EEMD-ICA applied in signal extraction in functional near-infrared spectroscopy[J]. Spectroscopy and spectral analysis，2015，35(10):2746-2751.

[10]孔玲军.MATLAB小波分析超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2014.

[11]李苗苗.基于小波去噪的微型脉搏波监测仪[D].广州：广东工业大学，2012.

[12]RUHI M, BASHIR I M. Unsupervised eye blink artifact denoising of EEG data with modied multiscale sample entropy, kurtosis, and wavelet-ICA[J]. Biomedical and informatics,2015,19(1):2168-2194.

[13]朱玉清,卫艳荣,程正兴.具有整数伸缩因子的多变量向量值双正交多小波包[J]. 郑州大学学报(理学版),2012,44(3):61-65.

[14]TEMESGHEN T, NOURHAN B, HANI S, et al. Adaptive ECG interval extraction[C]//IEEE International Symposium on Circuits and Systems, ISCAS. Portugal, 2015: 998-1001.

[15]DAS A B, BHUIYAN M I H, ALAM S M S. Classification of EEG signals using normal inverse Gaussian parameters in the dual-tree complex wavelet transform domain for seizure detection [J]. Signal, image and processing，2016,10(2):259-266.

[16]NAVARRO X, PORÉE F, BEUCHÉE A,et al.Denoising preterm EEG by signal decomposition and adaptive filtering: a comparative study[J]. Medical engineering and physics,2015，37(3)：315-320.

[17]CUI H L, LIU Y, YU M，et al. Application of wavelet denoising in distributed optical fiber interferometric vibration detection and location system[J].Optics and engineering,2015,23(10z):71-76.

[18]ZENG K H, HUANG J, ZHEN T, et al. White noise energy and SNR estimation based on Haar wavelet decomposition for heart sound and electrocardiogram signals[J]. Lecture notes in electrical engineering,2014,309(1): 589-594.

(责任编辑：王浩毅)

A Signal De-noising Method Based on Wavelet Transform and Median Filter for Hepatic Reserve Function Analysis

ZHANG Jing1， LI Jushang1， YIN Jing1， PU Xin1， CUI Yanqun1， CAI Jing2

(1.CollegeofOpticalandElectronicalInformationChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130012，China; 2.CollegeofInstrumentation&ElectricalEngineering，JilinUniversity，Changchun130026,China)

The wavelet analysis combined with median filtering algorithm to eliminate interference and noises of the system was used to overcome the interference and influence of the external environment on the measurement of liver reserve function. The system took Sym8 wavelet function and median filtering algorithm to effectively decrease the high-frequency interference, Gaussian white noise of PPG and baseline drift interference of signal. The experimental results showed that the anti-interference ability and accuracy of this method in measurement of liver reserve function, and the veracity and stability of liver reserve function measurement were increased.

hepatic reserve function; PPG; wavelet analysis; median filter

2016-07-10

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究规划重点项目(440020031134)；吉林省教育厅“十三五”社会科学研究项目(吉教科文合字[2015]第581号).

张晶(1973—)，女，吉林长春人，副教授，主要从事医学信号检测研究，E-mail:zj021202@163.com；通信作者：李居尚(1984—)，女，吉林长春人，讲师，主要从事电子技术研究，E-mail：1262090009@qq.com.

TP371.76

A

1671-6841(2017)03-0079-05

10.13705/j.issn.1671-6841.2016187