一种应用于超声波检测中的自相关算法

　　在时域上分析信号,除了分析信号的强弱外,还要分析信号前后相联和相似程度,因此要进行自相关函数分析。在工程上,自相关函数法常用来检测淹没的随机信号,利用自相关法检测信号周期主要是利用了自相关函数的2个性质[1]:

　　(1)周期信号的相关函数也是周期的,且周期和信号的周期相同;

　　(2)噪声的自相关函数随相关间隔的增大而衰减很快。

　　心率检测在临床诊断中具有重要的意义,尤其是围产期胎心率的监测对提高胎儿分娩质量,降低胎儿畸形率和死亡率有着重要的意义。超声波多谱勒心率检测法由于具有灵敏度高,无损伤性和操作简单等优点,得到了广泛的应用。但是由于人体是一个复杂的运动环境,尤其是围产期胎儿本身的心跳就比较弱,再加上母体环境的干扰,超声回波信号成分比较复杂,干扰大。因此从超声心率回波信号中检测心率周期具有重要的意义和实际应用价值。

　　目前在对超声回波信号的处理中,一般都采用自相关函数来检测心率周期。自相关法可以很好地抑制回波信号中的噪声,检测出有用信号的周期。但是自相关函数法在计算心率周期时,存在着运算量和误差互相矛盾的问题,即在窗函数的长度(即截取要进行分析的信号的长度)一定时(主要由信号最大周期决定,要求长度要不小于信号最大周期),信号采样的频率大,结果误差较小,但处理的数据量大,自相关处理运算量(主要是乘法运算量)大,对硬件要求高,不太适合实时处理;信号采样的频率小,处理的数据量少,自相关处理运算量小,但结果的误差大,满足不了实际应用的要求。

　　本文针对超声心率检测中自相关处理法的缺点进行分析,提出一种改进的自相关处理超声心率计算方法。

　　1　自相关法的原理及其处理超声心率检测的缺陷

　　超声波多普勒回波信号从严格意义上说不是平稳信号,但工程实际中,由于他的非平稳变化不太快,因此在一小段时间内可以看成是平稳的。在分析回波信号时,为了便于能比较准确地检测30～240次/min范围内的心率,则每次分析信号的窗函数长度至少为2 s,即确保分析的信号至少包括一个心跳周期。

　　应用自相关函数从噪声中检测周期的基本原理如下:设输入信号(经A/D转换后)的离散数字序列为x(n),假定x(n)由有用信号s(n)和噪声信号u(n)组成,即x(n)=s(n)+u(n)。那么x(n)的自相关函数的无偏估计为:

　　式中rsu(m),rus(m)是s(n)和u(n)的互相关函数,一般,噪声可以假定为随机的,和有用信号s(n)无相关性,因此这两项很小,ru(m)是噪声的自相关函数,一般主要集中在m=0处有值,并且随着m的增大衰减很快。因此若有用信号s(n)是以M为周期的,那么rx(m)也应是周期的,且周期为M。因此可根据rx(m)来确定输入信号x(n)的周期[2]。在进行心率计算时,利用心动信号两拍之间的“相似性”,实际上是确定一个延时,在这个延时上,两段信号最相似,从而使相关的累积效应最强,在相关函数的曲线上出现一个峰值,由这个延时,即相关峰的位置定出两拍之间的时间间隔。