一种基于去噪自动编码器的BCG信号降噪方法及装置制造方法及图纸

技术编号:21522753 阅读:47 留言:0更新日期:2019-07-06 16:23
一种基于去噪自动编码器的BCG信号降噪方法及装置,方法包括:S1,堆叠多个去噪自动编码器,形成堆叠自动编码器,包括一输入层、多个隐含层以及一输出层;S2,采集平静状态下的BCG信号得到目标样本,以及对应的干扰状态下BCG信号的输入样本;S3,将部分输入样本输入堆叠自动编码器,部分输入样本在编码函数中进行编码、在多个隐含层中逐级进行特征提取,并在解码函数进行解码,并输出重构样本;S4,根据重构样本和目标样本的重构误差确定编码函数和解码函数中的参数,得到训练完成的堆叠自动编码器;S5,将待降噪的BCG信号输入训练完成的堆叠自动编码器,实现BCG信号的降噪。只需将待测BCG信号输入堆叠自动编码器即可实现降噪,简单方便。

A Noise Reduction Method and Device for BCG Signal Based on Denoising Automatic Encoder

【技术实现步骤摘要】
一种基于去噪自动编码器的BCG信号降噪方法及装置
本专利技术涉及生理参数检测
,尤其涉及一种基于去噪自动编码器的BCG信号降噪方法及装置。
技术介绍
近年来,心冲击信号(ballistocardiogram,BCG)作为一种非侵入式方式监测心跳搏动引起研究者的重视。BCG信号是心脏泵血通过主动脉引起力学振动的图示,其与心电图(electrocardiogram,ECG)有强相关性,波形特征能够反映人体心血管系统的健康状况,为心血管疾病的预防和治疗提供充足的诊断参考数据,有利于人们及时了解自身的身体缺陷及病变,以便进行及时的治疗,特别是针对老年群体的身体的实时监护尤为重要。此外,与传统的心血管监测系统相比,BCG可以为心率监测提供一种不引人注意的、低成本、舒适的替代方案,极大地方便了人们日常诊断和监护。BCG可通过压电薄膜、光纤、射频反射、加速度计等方式采集,操作简单,但易受到体动、呼吸和周围环境振动干扰,影响心率的准确性和间期提取的精度,受干扰后的BCG信号信噪比低,无法从信号的时域上提取特征进行深入研究。传统的去噪方式多以滤波器设计、小波分解重构、经验模式分解重构为主,算法成熟且在干扰较小时具有一定降噪效果,但在干扰较大时降噪效果差,波形仍存在较大的噪声。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题基于上述问题,本专利技术提供了一种基于去噪自动编码器的BCG信号降噪方法及装置,通过设计一个由多个去噪自动编码器组成的堆叠自动编码器,只需将待测BCG信号输入堆叠自动编码器即可实现降噪,简单方便。(二)技术方案第一方面,本专利技术提供了一种基于去噪自动编码器的BCG信号降噪方法,方法包括:S1,堆叠多个去噪自动编码器,形成堆叠自动编码器,堆叠自动编码器包括一输入层、多个隐含层以及一输出层,其中,输出层包括编码函数,输出层包括解码函数;S2,采集平静状态下的BCG信号得到目标样本,以及对应的干扰状态下BCG信号的输入样本;S3,将部分输入样本输入堆叠自动编码器,部分输入样本在编码函数中进行编码、在多个隐含层中逐级进行特征提取,并在解码函数进行解码,并输出重构样本;S4,根据重构样本和目标样本的重构误差确定编码函数和解码函数中的参数,得到训练完成的堆叠自动编码器;S5,将待降噪的BCG信号输入训练完成的堆叠自动编码器,实现BCG信号的降噪。可选地,编码函数的表达式为:y=f(x)=Sf(Wx+by)其中,x={x1,x2,x3,…,xn}为部分输入样本,y={y1,y2,y3,…,ym}为经过编码函数得到的编码样本,by为编码过程中的偏移向量,W为权重矩阵。可选地,解码函数的表达式为:z=g(y)=g[f(x)]=Sg(W′y+bz)其中,z为重构样本,W′=WT,bz为解码过程中的偏置向量,可选地,步骤S4中所述根据所述重构样本和目标样本的重构误差确定所述编码函数和解码函数中的参数具体为:S41,确定重构样本和目标样本的重构误差函数;S42,以重构误差函数最小化为目标确定编码函数和解码函数中的参数。可选地,重构误差函数J为:其中,θ={W,by,bz},xi为第i个输入样本,为第i个目标样本,L为交叉熵损失函数,可选地,步骤S4还包括:多次随机选取部分输入样本中的部分样本依次执行步骤S3~S4,以更新编码函数和解码函数中的参数。可选地,采用随机优化函数更新编码函数和解码函数中的参数,随机优化函数的表达式为:其中,为学习效率。可选地,步骤S1还包括:在堆叠自动编码器中加入至少一层Dropout层可选地,采集平静状态下的BCG信号得到目标样本,以及对应的干扰状态下BCG信号的输入样本具体为:采集平静状态下不同年龄层、不同体重和性别的人体在仰卧、左侧卧、右侧卧以及俯卧的BCG信号作为目标样本,以及采集加入干扰因素的对应状态下的BCG信号作为输入样本。第二方面,本专利技术提供了一种基于去噪自动编码器的BCG信号降噪装置,包括:堆叠模块,用于堆叠多个去噪自动编码器,形成堆叠自动编码器,堆叠自动编码器包括一输入层、多个隐含层以及一输出层,其中,输入层包括编码函数,输出层包括解码函数;采集模块,用于采集平静状态下的BCG信号得到目标样本,以及对应的干扰状态下BCG信号的输入样本;第一输入模块,用于将部分输入样本输入堆叠自动编码器,部分输入样本在编码函数中进行编码、在多个隐含层中逐级进行特征提取,并在解码函数进行解码,并输出重构样本;参数确定模块,用于根据重构样本和目标样本的重构误差确定编码函数和解码函数中的参数,得到训练完成的堆叠自动编码器;第二输入模块,用于将待降噪的BCG信号输入训练完成的堆叠自动编码器,实现BCG信号的降噪。(三)有益效果本专利技术提供了一种基于去噪自动编码器的BCG信号降噪方法及装置,通过堆叠多个去噪自动编码器,形成堆叠自动编码器,并采用重构误差最小化实堆叠自动编码器中参数的确定,同时在堆叠自动编码器的多个隐含层之间加入dropout层,减少过拟合现象,在一定程度上达到正则化的效果,实现多个去噪自动编码器去噪的有效性,最后直接将待降噪BCG信号直接输入训练完成的多个去噪自动编码器即可实现降噪。附图说明图1示意性示出了本公开实施例的基于去噪自动编码器的BCG信号降噪方法步骤图;图2示意性示出了本公开实施例的去噪自动编码器的训练示意图;图3示意性示出了本公开实施例的堆叠自动编码器的示意图;图4示意性示出了本公开实施例的Dropout层工作原理示意图;图5示意性示出了本公开实施例的基于去噪自动编码器的BCG信号降噪装置的结构框图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本专利技术进一步详细说明。第一方面,本专利技术提供了一种基于去噪自动编码器的BCG信号降噪方法,参见图1,方法包括:S1,堆叠多个去噪自动编码器,形成堆叠自动编码器,堆叠自动编码器包括一输入层、多个隐含层以及一输出层,其中,输出层包括编码函数,输出层包括解码函数;S2,采集平静状态下的BCG信号得到目标样本,以及对应的干扰状态下BCG信号的输入样本;S3,将部分输入样本输入堆叠自动编码器,部分输入样本在编码函数中进行编码、在多个隐含层中逐级进行特征提取,并在解码函数中进行解码,并输出重构样本;S4,根据重构样本和目标样本的重构误差确定编码函数和解码函数中的参数,得到训练完成的堆叠自动编码器;S5,将待降噪的BCG信号输入训练完成的堆叠自动编码器,实现BCG信号的降噪。具体的以下将以具体的实施例进行详细解释。S1,堆叠多个去噪自动编码器,形成堆叠自动编码器,所述堆叠自动编码器包括一输入层、多个隐含层以及一输出层,其中,输出层包括编码函数,输出层包括解码函数;具体的,去噪自动编码器(denoisingautoencoder,DAE)是一类接受损坏数据作为输入,并训练来预测原始未被损坏数据作为输出的自编码器,因此,去噪自动编码器能够学习到能反映输入数据的本质特征,对含噪声的“腐坏”样本心冲击信号(ballistocardiogram,BCG)去除重构信噪比高的信号。如图2所示,每一去噪自动编码器均包括输入层、输出层以及隐含层,原始输入样本输入编码器进行编码,而后输入解码器进行解码得到重构数据,重构数据和目标数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于去噪自动编码器的BCG信号降噪方法,所述方法包括:S1,堆叠多个去噪自动编码器,形成堆叠自动编码器,所述堆叠自动编码器包括一输入层、多个隐含层以及一输出层,其中,所述输出层包括编码函数,所述输出层包括解码函数;S2,采集平静状态下的BCG信号得到目标样本,以及对应的干扰状态下BCG信号的输入样本;S3,将部分所述输入样本输入所述堆叠自动编码器,所述部分输入样本在所述编码函数中进行编码、在所述多个隐含层中逐级进行特征提取,并在所述解码函数中进行解码,并输出重构样本;S4,根据所述重构样本和所述目标样本的重构误差确定所述编码函数和解码函数中的参数,得到训练完成的堆叠自动编码器;S5,将待降噪的BCG信号输入所述训练完成的堆叠自动编码器,实现所述BCG信号的降噪。

【技术特征摘要】
1.一种基于去噪自动编码器的BCG信号降噪方法,所述方法包括:S1,堆叠多个去噪自动编码器,形成堆叠自动编码器,所述堆叠自动编码器包括一输入层、多个隐含层以及一输出层,其中,所述输出层包括编码函数,所述输出层包括解码函数;S2,采集平静状态下的BCG信号得到目标样本,以及对应的干扰状态下BCG信号的输入样本;S3,将部分所述输入样本输入所述堆叠自动编码器,所述部分输入样本在所述编码函数中进行编码、在所述多个隐含层中逐级进行特征提取,并在所述解码函数中进行解码,并输出重构样本;S4,根据所述重构样本和所述目标样本的重构误差确定所述编码函数和解码函数中的参数,得到训练完成的堆叠自动编码器;S5,将待降噪的BCG信号输入所述训练完成的堆叠自动编码器,实现所述BCG信号的降噪。2.根据权利要求1所述的BCG信号降噪方法,所述编码函数的表达式为:y=f(x)=Sf(Wx+by)其中,x={x1,x2,x3,...,xn}为部分所述输入样本,y={y1,y2,y3,...,ym}为经过所述编码函数得到的编码样本,by为编码过程中的偏移向量,W为权重矩阵。3.根据权利要求2所述的BCG信号降噪方法,所述解码函数的表达式为:z=g(y)=g[f(x)]=Sg(W′y+bz)其中,z为重构样本,W′=WT,bz为解码过程中的偏置向量,4.根据权利要求3所述的BCG信号降噪方法,所述步骤S4中所述根据所述重构样本和目标样本的重构误差确定所述编码函数和解码函数中的参数具体为:S41,确定所述重构样本和目标样本的重构误差函数;S42,以所述重构误差函数最小化为目标确定所述编码函数和解码函数中的参数。5.根据权利要求4所述的BCG信号降噪方法,所述重构误差函数J为:其中,θ={W,by,bz},x...

【专利技术属性】
技术研发人员:方震汤敏芳赵荣建陈贤祥杜利东赵湛
申请(专利权)人:中国科学院电子学研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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