基于耳后脑电信号的心电提取方法和装置与流程

本发明涉及脑机接口，尤其涉及一种基于耳后脑电信号的心电提取方法和装置。

背景技术：

1、在生理信号检测与可穿戴健康监测领域，同时获取脑电（eeg）和心电（ecg）信号对于评估人体神经与心血管系统的协同状态具有重要意义。传统的胸部ecg或心率带虽然能直接测量心脏电活动，但需要在胸部或躯干布置电极，佩戴舒适性差且使用场景受限，难以与耳后eeg设备形成一体化监测。耳后或耳内光电容积脉搏波（ppg）传感器虽佩戴便捷，但其通过光学方式间接反映血流变化，受皮肤灌注、佩戴松紧、运动及环境光干扰较大，无法稳定识别每个心跳周期，也难以提取真实的心电波形及r峰等特征。腕部ppg/ecg设备同样面临运动伪迹、低灌注以及需双手接触形成回路等问题，不适合连续无感监测。另一方面，常规eeg处理通常将混入的心电成分视为伪迹，并利用独立成分分析（ica）等方法予以剔除，其目标仅限于清除干扰以纯化脑电信号，缺乏对心电远场成分的识别、重构、质量评价以及心率/心率变异性（hrv）输出的机制。

2、因此，如何在无需额外增加胸部电极或光学传感器的前提下，从耳后多导eeg信号中连续、便捷且较准确地提取心电相关波形及心搏信息，实现脑电-心电多模态同步监测，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于耳后脑电信号的心电提取方法和装置，以解决上述至少一个技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术手段：

3、一种基于耳后脑电信号的心电提取方法，所述方法包括：

4、在耳后区域布置多个采集电极，采集多导脑电（eeg）信号；

5、对所述多导脑电信号进行预处理，以去除噪声和伪迹；

6、对预处理后的多导脑电信号进行独立成分分析（ica），分离得到多个独立成分；

7、对每个独立成分进行时频分析，得到时频图，并从所述时频图中提取预设频带内的时频能量矩阵；

8、对每个独立成分的时频能量矩阵进行奇异值分解（svd），提取多个候选子成分；

9、对每个候选子成分进行频域分析，计算其时间激活序列的功率谱；

10、根据预设的心电判别规则对所述候选子成分进行判别，当候选子成分同时满足存在倍频结构、主频功率与倍频功率占比大于预设阈值、且主频对应的心率在预设心率范围内时，判定该候选子成分为心电（ecg）相关候选成分；

11、输出所述ecg相关候选成分，以用于心电监测。

12、在一些实施例中，在耳后区域布置多个采集电极，采集多导脑电（eeg）信号，具体包括：

13、在左侧耳后乳突及其周边区域布置至少两个采集电极，在右侧耳后乳突及其周边区域布置至少两个采集电极，形成至少8导脑电采集通道；

14、设置参考电极和接地电极，采用单极参考导联方式进行信号采集。

15、在一些实施例中，对所述多导脑电信号进行预处理，具体包括：

16、对原始脑电信号进行去均值处理以消除直流偏置，并采用高通滤波去除低频基线漂移，其中高通截止频率设置为1hz；

17、计算各通道信号在滑动时间窗内的峰峰值，当峰峰值超过预设阈值或检测到信号饱和、导联脱落及运动伪迹时，将对应时间段标记为异常片段并予以剔除；

18、采用有限冲激响应（fir）数字带通滤波器对信号进行1~45hz频带滤波，并采用零相位双向滤波方式以避免相位畸变；

19、针对电网工频干扰，采用陷波滤波器在50hz处进行滤波处理，陷波带宽设置为49~51hz。

20、在一些实施例中，对预处理后的多导脑电信号进行独立成分分析（ica），分离得到多个独立成分，具体包括：

21、对预处理后的多导脑电数据的每个通道去均值，得到中心化数据；

22、对中心化数据进行白化处理，得到白化后的数据；

23、采用fastica算法对白化后的数据进行独立成分分离，得到独立成分矩阵；

24、其中，独立成分的数量与采集通道数量相同。

25、在一些实施例中，对每个独立成分进行时频分析，得到时频图，并从所述时频图中提取预设频带内的时频能量矩阵，具体包括：

26、对每个独立成分进行短时傅里叶变换（stft），得到时频图，其中短时傅里叶变换采用hann窗，窗长取0.5秒，重叠率取50%；

27、从所述时频图中选取8-40hz频段，得到qrs相关时频能量矩阵。

28、在一些实施例中，对每个独立成分的时频能量矩阵进行奇异值分解（svd），提取多个候选子成分，具体包括：

29、对第i个独立成分的8-40hz时频能量矩阵进行svd分解，展开为多个奇异值分量之和；

30、取前10个候选子成分作为后续分析对象，每个候选子成分由对应的奇异值、左奇异向量和右奇异向量重构得到。

31、在一些实施例中，对每个候选子成分进行频域分析，计算其时间激活序列的功率谱，具体包括：

32、沿频率方向计算每个候选子成分在每个时间窗内的能量，得到时间激活序列；

33、对所述时间激活序列进行傅里叶变换，计算其功率谱密度。

34、在一些实施例中，预设的心电判别规则具体包括：

35、主频换算为心率后位于50-180bpm范围内，即主频在0.83-3.00hz之间；

36、在主频的二倍频、三倍频附近检测到局部峰值，且倍频峰值功率达到主频功率的预设比例，所述预设比例的取值范围为0.6-0.9；

37、所述倍频结构、主频及倍频功率占比的判别基于时间激活序列的功率谱进行。

38、本发明还提供一种基于耳后脑电信号的心电提取装置，包括：

39、采集模块，用于在耳后区域布置多个采集电极，采集多导脑电（eeg）信号；

40、预处理模块，用于对所述多导脑电信号进行预处理，以去除噪声和伪迹；

41、源分离模块，用于对预处理后的多导脑电信号进行独立成分分析（ica），分离得到多个独立成分；

42、时频分析模块，用于对每个独立成分进行时频分析，得到时频图，并从所述时频图中提取预设频带内的时频能量矩阵；

43、候选提取模块，用于对每个独立成分的时频能量矩阵进行奇异值分解（svd），提取多个候选子成分；

44、判别模块，用于对每个候选子成分进行频域分析，计算其时间激活序列的功率谱，并根据预设的心电判别规则对所述候选子成分进行判别，当候选子成分同时满足存在倍频结构、主频功率与倍频功率占比大于预设阈值、且主频对应的心率在预设心率范围内时，判定该候选子成分为心电（ecg）相关候选成分；

45、输出模块，用于输出所述ecg相关候选成分。

46、本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述方法的步骤。

47、在上述一种或几种具体实施方式中，本发明所提供的基于耳后脑电信号的心电提取方法和装置，至少具有以下技术效果：

48、本发明通过采集耳后对称布置的多导eeg信号，利用心电远场成分在耳后区域的天然混入特性，首先进行去直流、带通滤波、异常片段剔除及工频陷波等预处理以提升信号质量，随后通过独立成分分析（ica）分离出多个独立成分，并对各独立成分进行时频分析提取预设频段（例如8-40hz）的时频能量矩阵，再经奇异值分解（svd）进一步分离出候选子成分，最后基于主频范围（对应心率50-180bpm）、倍频结构以及主频与倍频功率占比大于80%的组合判别规则，准确识别出心电相关候选成分。该方法无需额外设置胸部心电电极或光学传感器，佩戴方便且能够实现连续无感监测，在减少传统ecg佩戴不便的同时，实现了脑电与心电的高集成度多模态同步监测，可直接提取出包含r峰等特征的心电波形，较光学间接测量具有更高的时间精度和抗运动干扰能力，从而为动态心率监测、情绪识别及神经心血管联合分析提供了可靠的技术支持。