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信号中的能量包检测

aqhs 发表于 2022/09/12 11:34:12 2022/09/12

【摘要】在随机信号中经常存在信号幅度变化大小交替出现的情况，幅度变化较大的时段称之为能量包，在信号中寻找能量包发生时段的起止时间称之为能量包检测。在生物医学信号处理中能量包的检测时常遇到，如心电、脉搏波、呼吸波等信号中就存在这样的能量包检测普遍性问题。在其他信号处理中也有可能遇到类似情况。在给定能量包宽度范围、包峰间最小距离以及幅度门限的基础上，以通用方法实现能量包检测具有普遍的实际意义。

信号中的能量包检测

在随机信号中经常存在信号幅度变化较大的和变化较小的时段交替出现情况，幅度变化较大的时段称之为能量包(energy envelope)，在信号中寻找这些能量包发生时段的起止时间称之为能量包检测。在生物医学信号处理中能量包的检测时常会遇到，如心电、脉搏波、呼吸波、体动、眼动等信号中就存在这样的能量包检测普遍性问题。在其他信号处理中也有可能遇到类似情况。因此信号中的能量包检测是从实际信号处理目的出发而提出来的，在给定能量包宽度范围、包峰间最小距离以及幅度门限的基础上，以通用方法实现能量包检测具有普遍的实际意义。

（1）能量包

在信号时间序列中，经常遇到的情况是，幅度变化较大的和幅度变化较小的信号段交替出现，有时呈现准周期性，信号幅度变化较大的时段经过绝对积分后就是一个向上凸起的鼓包，幅度变化较小的就变得相对平坦，我们把这种鼓包叫做能量包。心电QRS波，脉搏波、呼吸波、语音、鼾声、体动、加速度等信号经过适当的积分变换都可以产生能量包。

以脉搏波为例说明能量包的形态，表达能量包的参数有包峰位置、包峰间距，包峰宽度。能量包也可以叫做事件段，是在信号中具有特殊意义的一系列小段信号。

其他包含能量包的信号举例

（2）信号局部积分变换

有些信号在滑动窗口内经过局部积分变换后产生光滑的鼓包形态，可以更加容易地检测出能量包，滑动窗口的长度由用户根据信号的实际情况给出，以下用几个信号的例子来说明局部积分变换的效果。

（2.1）以下是一段心电信号通过局部积分变换前后的波形，变换后的信号更加突出心电QRS波群的能量包，便于进一步进行能量包检测。变换时滑动窗口的长度为0.1秒，N是滑动窗口长度，m=N/2。

（2.2）以下是一段Snore信号的局部积分变换前后波形，滑动窗口长度0.3s。

（2.3）以下是一段声音信号的局部积分前后波形，滑动窗口长度为0.1s，信号采样率为11025Hz。

（2.4）以下是一段体动信号的局部积分变换前后波形，滑动窗口长度为2s，采样率为100Hz。

（2.5）以下是腿动信号的局部积分变换前后波形，滑动窗口长度为1.5s，采样率100Hz。

（3）能量包检测

根据信号的特点，通过设置合适的参数来检测信号中的能量包(energy envelope)。菜单操作：《分析》→ 《能量包检测》，出现如下对话框，由用户输入合适参数。

能量包检测结果以波峰位置或者事件段标记在波形中，或者在趋势图中体现出来。选择“趋势”将检测结果在趋势图第21通道中显示，选择“体动”认为检测结果是体动并在趋势图中第16通道显示，选择“鼾声”认为检测结果是鼾声并在趋势图第15通中显示。通常心电、脉搏波、呼吸波等这样准周期信号以波峰的形式标记在波形中，而鼾声、体动等这样的能量包检测结果可以在趋势图中表达，声音中的能量包检测结果可以用波形中的事件形式表达。

输入参数需要用户根据信号中能量包的特性来确定，当局部积分选项打上勾时表明在提取能量包之前进行积分变换预处理，并且积分计算时的滑动窗长度为输入值；如果局部积分选项未勾上，则不进行积分预处理且输入滑动窗长度没有意义。

输入幅度门限取值范围为0-100，该门限输入值越大检测出来的能量包个数就越少。根据信号能量包的特点输入能量包检测参数：事件最小长度，事件最大长度，相邻两个事件的极大值之间的最小距离，滑动窗长度，幅度门限，是否进行局部积分预处理，以及检测结果表达形式。例如：

（3.1）对于心电信号可选择如下参数：滑动窗长度0.06s，最短事件长度0.05s，最长事件长度为0.3s，能量包的峰值间距为0.24s，幅度门限为20，进行局部积分预处理，呈现形式为波峰标记，如下图所示。

（3.2）对于脉搏波可选择如下参数：滑动窗长度为0.2s，最短事件长度为0.1s，最长事件长度为0.3s，最小峰间距为0.24s，幅度门限为20，不进行局部积分预处理，以波峰的形式标记检测结果。由于脉搏波的能量包比较明显，不需要进行局部积分预处理，因此滑动窗的长度设置也就无关紧要。

（3.3）对于呼吸波可选择如下参数：滑动窗长度为1s，最短事件长度为1s，最长事件长度为5s，最小峰间距为2s，幅度门限为20，不进行局部积分预处理，以波峰的形式标记检测结果。由于呼吸波的能量包比较明显，不需要进行局部积分预处理，因此滑动窗的长度设置也就无关紧要。但是如果呼吸波出现了饱和情况，则可以先进行平滑预处理。以下是一段饱和呼吸波平滑前后情况，平滑时滑动窗口长度为1秒，信号平滑菜单操作：《处理》→ 《奇数点平均滤波》。

（3.4）脑电信号中眼动(EOG)检测。脑电导联为Fp1，采样率为1000Hz，首先对信号进行平滑，滑动平均长度为0.1秒，然后用平滑后信号通过能量包检测获取眼动(EOG)事件，检测参数设置为：滑动窗长度为0.1s，最短事件长度为0.1s，最长事件长度为0.5s，最小峰间距为0.5s，幅度门限为50，局部积分预处理，以波形中事件的形式标记检测结果，如下图所示。