心臟標測信號的頻域相關分析方法技術

本發明專利技術涉及一種心臟標測信號的頻域相關分析方法，具體為：運用心臟標測技術得到心電信號；預處理得到包含主導頻峰的功率譜；將兩路信號的這種功率譜進行相關，得到以頻率為自變量的相關系數函數；分析最大相關系數F?Cmax以及取得該最大值處的頻率?最大相關頻率F?fmax。本發明專利技術既可以用于時間維度上的應用?同一位置不同時間段之間信號節律的關聯程度；也可以用于空間維度的應用?同一時間段不同空間位置處信號節律的關聯程度。本發明專利技術可用于研究心臟不同部位、不同時間段心肌電活動節律之間的關聯特征，可用于分析竇性心律信號或心律失常信號，在電生理機制研究和臨床醫學上均具有一定的應用價值。本方法可推廣至所有的電生理節律信號的量化研究。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種心臟標測信號的頻域相關（F相關）分析方法。
技術介紹
心臟標測技術是利用多電極點采集心臟電信號的一種技術手段，目前標測位點呈現 “大數量、高精度”的發展趨勢，從而更細致地研究和分析心臟的電活動情況。通過分析各標測信號在心律失常期間的變化以及它們之間的關聯與差異，研究者可以細致深入地理解心律失常的電生理機制，從中尋覓與心律失常的觸發和維持機制緊密相連的關鍵因素。節律分析是目前新興的一種心臟標測信號分析方向，旨在研究標測信號所對應心肌細胞群參與心臟電活動的節律性（也即周期性）的狀態。有關主導頻峰（主導節律）的分析方法在節律分析中占有重要的位置。主導頻峰以傅里葉變換為基礎，計算標測信號的功率譜，并以功率譜中的最大峰值作為計算結果，反映心肌細胞群的主導節律。目前，主導頻峰（Dominant frequency，簡寫DF）在尋找房顫異位興奮源和指導射頻消融上面已經發揮著一定的用途。但當信號的規整程度較差時，心臟內可能存在多個異位興奮源，主導頻峰的結果的準確度不高。而且，主導頻峰僅能反映某處信號的主導節律，不能反映兩處不同位置信號節律之間的關系或者同一位置不同時間段信號之間的關聯。相關分析是基于相關函數的一種信號相似度的分析方法，它描述兩路信號在不同時刻的取值之間的相互關聯程度，能夠度量兩個信號之間波形的相似程度以及與相對時間位移之間的關系。心臟不同部位處標測的信號波形各有不同，如果直接研究不同部位處信號的相關分析結果，那么易受到波形因素的影響。而且，相關分析不能反映兩路信號頻域上的關聯程度。盡管相干分析可以用于分析兩路信號在頻域上的關聯程度，但是其應用的局限性較大（對于不同起源位置的信號，各處頻率相干系數均較低），很難用于分析多起源點的復雜心律失常信號（如房顫）。
技術實現思路
為了克服普通相關分析只能反映時域波形的關聯程度，不能反映頻域節律之間的關系；同時為了克服頻域相干分析用于復雜心律失常下的心電信號分析的局限性，本專利技術的目的在于提出一種全新的用于評價節律相關程度的頻域相關分析方法——F相關。此方法以節律分析為基礎，將相關分析從時域延伸至頻域，研究兩路或多路信號間節律的相似程度，可用于分析房顫等復雜心律失常下的心電信號，提供潛在的不易察覺的電生理信息，以供科學研究參考。本專利技術提出的心臟標測信號的頻域相關分析方法（F相關），通過一系列信號預處理步驟，最終得到名為“最大相關系數”和“最大相關頻率”兩個評價指標，用于評價兩路節律信號在頻域上的關聯程度。具體步驟如下：(1)利用心臟標測技術采集心電信號，所述心電信號包括體表標測信號、心內膜標測信號與心外膜標測信號；(2)將步驟（1）采集到的心電信號通過帶通濾波器進行帶通濾波，控制帶通濾波器的通帶頻率范圍為20-100Hz；(3)對步驟（2）得到的經過帶通濾波的心電信號取絕對值；(4)計算步驟（3）得到的心電信號的功率譜密度G(f) ，得到頻譜波形，所述頻譜波形包括直流成分、主導頻峰和諧波成分；(5)剔除步驟（4）得到的直流成分，只保留步驟（4）得到的功率譜密度G(f) 中頻率范圍為0.2-20Hz的部分，得到頻率范圍為0.2-20Hz的低頻段功率譜密度G'(f) ，所述低頻段功率譜密度中含有主導頻峰和有限個諧波成分的頻率；(6)任意選取i路和j路兩路心電信號，通過步驟（1）至（5）得到步驟（5）中定義的i路、j路的頻率范圍為0.2-20Hz的低頻段功率譜密度Gi'(f) 和Gj'(f) ，計算Gi'(f) 和Gj'(f)的互相關，公式如下： 其中：ω 和f 都是頻率自變量，FC 代表頻域互相關，FCij(f)表示i路、j路的頻率范圍為0.2-20Hz的低頻段功率譜密度Gi'(f) 和Gj'(f) 的頻域互相關；(7)通過步驟（6）的互相關計算得到最大相關系數F-Cmax以及最大相關頻率F-fmax，分析和研究步驟（6）中的互相關結果；最大相關系數F-Cmax：反映了兩路心電信號預處理后0.2-20Hz的頻譜波形的最大相似程度，在0.2-20Hz內的頻譜波形中，主導頻峰（DF）是最大的峰（若主導頻峰<10Hz還會有主導頻峰的諧波成分），F-Cmax則正好反映的就是由這兩個DF主導的波形的最大相似程度，當兩路心電信號的節律越相似，F-Cmax則越大（越接近1）；最大相關頻率F-fmax：主要反映了兩個主導頻峰之間的頻率差ΔDF。本專利技術提出的方法，首先是基于節律（特別是主導節律）信號，其次是在頻域上再進行相關分析。上述步驟中，步驟(2)和(3)是為了更好地得到信號的主導節律以及諧波成分。步驟(4)中所得信號的功率譜密度，其中最大值是0Hz（步驟(3)取絕對值后直流成分增大），次大的就是主導頻峰（DF）。主導頻峰DF反映了信號的主導節律。步驟(5)中G'(f)的峰值就是主導頻峰，它剔除了直流成分的影響，并且包含了主導頻峰和有限個諧波成分。步驟(6)中，將Gi'(f) 和Gj'(f) 當作兩路新的信號來處理，計算它們的互相關，得出的互相關函數是以頻率f 作為自變量，而不再是以時間t 作為自變量。由于G'(f) 的波形主要由主導頻峰和其諧波決定，所以這種互相關能夠反映節律之間的關系，特別是兩路信號的主導頻峰之間的關聯。本專利技術中提出的F相關方法，主要有兩個分析指標：最大相關系數，記作F-Cmax；以及該最大系數處的頻率——最大相關頻率F-fmax。最大相關系數F-Cmax：反映了兩個信號預處理后0.2-20Hz的頻譜波形的最大相似程度。在0.2-20Hz內的頻譜中，主導頻峰DF是最大的峰，若DF<10Hz還會有DF的諧波成分，所以0.2-20Hz的頻譜形狀跟DF有著密切的關聯。而F-Cmax則正好反映的就是由這兩個DF主導的波形的最大相似程度，兩路信號的節律越相似，F-Cmax則越大（越接近1）。最大相關頻率F-fmax：主要反映了兩個主導頻峰之間的頻率差ΔDF。由于0.2-20Hz內的頻譜波形在很大程度上由主導頻峰決定，所以，最大相關頻率F-fmax的值能反映這兩個最大峰（DF）的頻率之差。本專利技術具有以下有益效果：1. 本專利技術的F相關分析方法，避免了不同標測部位波形不一致對結果的影響，是將相關分析從時域延伸至頻域的一種方法。同時它克服了頻域的相干分析難以用于復雜心律失常信號分析的問題。2. F相關反映了兩處信號的節律關聯程度，能夠用于時間維度——同一標測位點處前后不同時間段的兩段信號之間的節律關聯性?；跁r間維度的應用，可以用于竇性心律監測、易顫性分析等等。3. 本專利技術的F相關分析方法能夠用于空間維度，即研究同一時間不同的標測位點處信號之間的節律關聯性?；诳臻g的應用，結合偽彩圖，可以研究不同部位節律的關聯程度。4. 本方法的應用范圍可推廣至所有的電生理節律信號的量化研究，如腦電和肌電等。附圖說明圖1是心房標測電信號的示意圖（竇性心律信號（a）和房顫信號（b））；圖2是竇性心律信號的預處理和頻譜示意圖；其中：（a）為某一標測位點處的一段5s時長竇性心律信號，（b）為信號（a）的頻譜，（c）為信號（a）通過20-100Hz的帶通濾波器后得到的波形，（d）為（c）的頻譜，（e）為（c）取絕對值得到的波形，（f）為（e）的頻譜。圖3是竇性心律情況本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種心臟標測信號的頻域相關分析方法，其特征在于具體步驟如下：(1)利用心臟標測技術采集心電信號，所述心電信號包括體表標測信號、心內膜標測信號與心外膜標測信號；(2)將步驟（1）采集到的心電信號通過帶通濾波器進行帶通濾波，控制帶通濾波器的通帶頻率范圍為20?100Hz；(3)對步驟（2）得到的經過帶通濾波的心電信號取絕對值；(4)計算步驟（3）得到的心電信號的功率譜密度G(f)?，得到頻譜波形，所述頻譜波形包括直流成分、主導頻峰和諧波成分；(5)剔除步驟（4）得到的直流成分，只保留步驟（4）得到的功率譜密度G(f)?中頻率范圍為0.2?20Hz的部分，得到頻率范圍為0.2?20Hz的低頻段功率譜密度G'(f)?，所述低頻段功率譜密度中含有主導頻峰和有限個諧波成分的頻率；(6)任意選取i路和j路兩路心電信號，通過步驟（1）至（5）得到步驟（5）中定義的i路、j路的頻率范圍為0.2?20Hz的低頻段功率譜密度Gi'(f)?和Gj'(f)?，計算Gi'(f)?和Gj'(f)?的互相關，公式如下：其中：ω?和f?都是頻率自變量，FC?代表頻域互相關，FCij(f)表示i路、j路的頻率范圍為0.2?20Hz的低頻段功率譜密度Gi'(f)和Gj'(f)的頻域互相關；(7)通過步驟（6）的互相關計算得到最大相關系數F?Cmax以及最大相關頻率F?fmax，分析和研究步驟（6）中的互相關結果；最大相關系數F?Cmax：反映了兩路心電信號預處理后0.2?20Hz的頻譜波形的最大相似程度，在0.2?20Hz內的頻譜波形中，主導頻峰（DF）是最大的峰，若主導頻峰<10Hz還會有主導頻峰的諧波成分，F?Cmax則正好反映的就是由這兩個DF主導的波形的最大相似程度，當兩路心電信號的節律越相似，F?Cmax則越大，即越接近1；最大相關頻率F?fmax：主要反映了兩個主導頻峰之間的頻率差ΔDF。...

【技術特征摘要】
1.一種心臟標測信號的頻域相關分析方法，其特征在于具體步驟如下：(1)利用心臟標測技術采集心電信號，所述心電信號包括體表標測信號、心內膜標測信號與心外膜標測信號；(2)將步驟（1）采集到的心電信號通過帶通濾波器進行帶通濾波，控制帶通濾波器的通帶頻率范圍為20-100Hz；(3)對步驟（2）得到的經過帶通濾波的心電信號取絕對值；(4)計算步驟（3）得到的心電信號的功率譜密度G(f) ，得到頻譜波形，所述頻譜波形包括直流成分、主導頻峰和諧波成分；(5)剔除步驟（4）得到的直流成分，只保留步驟（4）得到的功率譜密度G(f) 中頻率范圍為0.2-20Hz的部分，得到頻率范圍為0.2-20Hz的低頻段功率譜密度G'(f) ，所述低頻段功率譜密度中含有主導頻峰和有限個諧波成分的頻率；(6)任意選取i路和j路兩路心電信號，通過步驟（1）至（5）得到步驟（5）中定義的i路、j路的頻率范圍為0.2-20H...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊翠微，李文海，辛毅，王彥磊，王德璽，張輕舟，李章俊，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：上海;31