一种二氧化碳信号与气流流速信号分离方法技术

本发明专利技术属生物医学工程领域，涉及一种二氧化碳信号与气流流速信号分离方法，该方法对由红外传感器采集的ＣＯ２检测信号进行低通滤波处理后，采用迭代算法从混合信号中的二氧化碳信号和气流流速信号进行分离，提取ＣＯ２气体对应的原始信号。本发明专利技术可以消除由呼吸气流影响造成的信号干扰等噪声，更精确地得到二氧化碳浓度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属生物医学工程领域，涉及一种二氧化碳测量系统中二氧化碳信号与气流 流速信号分离方法。
技术介绍
二氧化碳分析仪系统用于测量患者，在临床医学中起到关键作用，可以反映人体 呼吸过程中氧气和二氧化碳的代谢，针对旁流式二氧化碳测量系统中的棘手问题，主流式 二氧化碳测量系统已经出现，并且作为非分散红外技术的发展和应用在医疗中有了广泛的 运用。气体分子对一定波长的红外线的吸收服从Lambert-Beer吸收定律，所以二氧化 碳可以吸收特定波长的红外辐射。如果气体进入检测室，并用传感器一侧的红外光源照射， 而传感器的另一侧则可以测得红外辐射的衰减，这样，就可以通过测量信号的衰减得到二 氧化碳浓度的变化。由于呼吸气体是不同气体的混合，而每种入射光对特定气体的吸收系数是不同 的，吸收光线和气体之间的关系可以用下式表示I = I0exp (_ Σ μ ^iL)其中Ici 入射光强度；I 紧急光照强度；μ :气体吸收系数；C 气体浓度；L 气体厚度常规呼吸气体分子的吸收系数是不同的。二氧化碳吸收峰值对应的光波长为 4. 26 μ m,如果只有近似4. 26 μ m波长的光线，则气体对光的吸收刻印描述为I=I0 exp(-/"c02Cc02I)根据这一原理可以实现在患者呼吸主通道内实时、连续的检测呼吸中二氧化碳的 浓度信号。一种典型的主流式二氧化碳测量装置如图1所示，红外光源1和测量端3分别位 于主气体通道2的两侧。红外光源1发出的红外光经过4. 26 μ m窄带滤波后的光线，被测 量端的红外传感器所采集。在人的呼吸作用中，气流是影响传感器检测的一个重要因素，同时气流是实时变 化且难以精确控制，只通过检测装置的结构设计很难达到控制呼吸气流的作用。在此基础 上，有必要进一步处理信号，消除由呼吸气流影响造成的信号干扰等噪声。因此，需要引入 统计和信号处理的技术来对原始信号和气流流速信号分量进行分解，最终得到能准确反应 C02浓度值或分压的值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种对主流式二氧化碳测量装置采集的信号中的二氧化碳 信号和气流流速信号进行分离的一种方法，利用经过本专利技术提出的分离方法获得的二氧化 碳信号，可以消除由呼吸气流影响造成的信号干扰等噪声，更精确地得到二氧化碳浓度。为此，本专利技术采用如下的技术方案，包括下列步骤(1)对由红外传感器采集的信号进行滤波处理，滤除20HZ以上的信号；(2)设经过滤波处理的混合信号为X = {xl(t),x2(t),…，xn(t)}，未知的相互独 立信号源为=S = {sl(t)，s2(t)，…，sm(t)}，设 S = WtX ；(3)采用下列的迭代方法求取W (a)初始化 W(O)，令 I |ff(0) Il =l,Sk=l；(b)代入 W(k) = E (X(WtQi-I) X) 3)-3W(k_l)式，式中，E (X (Wt (k_l) X) 3)为矩阵 Wt(Ii-I)X的第3个元素的期望值，该期望值由X向量的采样点计算得出；(C)用I |ff(k) I I去除W(k)后的值再赋值给W(k)；(d)如果|Wt(k)W(k-l) I与1的差值大于一个足够小的预设阈值，那么置k = k+1， 返回至(b)；否则，结束迭代；(4)WtGOX为分离出的C02气体对应的原始信号。本专利技术用ICA方法将传感器采集到的信号中含有的气流影响分量从中分离出来， 迭代次数很少，能快速分离出C02气体对应的原始信号，从而还原真正C02气体对应的原始 信号。本专利技术提出的方法能够削弱不稳定的气流流速对二氧化碳检测精度的影响，提高二 氧化碳检测装置的检测精度。附图说明图1 一种典型的主流式二氧化碳浓度测量装置。 具体实施例方式二氧化碳的实际信号是一种突变的短时过程，可以通过频率分析观察得到能量主 要分布在IOHz区域内，对采集的信号进行预处理，首先需要通过窄带滤波器来滤除20Hz以 上的信号。为了准确提取C02信号值，系统采用独立分量分析的办法，独立分量分析属于信 号优化问题，即如何使分离出的各独立分量更好地逼近各源信号。设检测端信号采集的混合信号经过窄带滤波预处理后的信号为X= {xl(t),x2(t),…，xn(t)}，混合信号由未知的相互独立信号源和流速信号组 成。设未知的相互独立信号源为S= {sl(t)，s2(t)，…，sm(t)}，ICA的线性组合模型如下面的矩阵所示 以上可描述为X = AS(3)S = A^1X = WtX (4)从该式中，可以清楚地知道，要想求出源信号S，求未知的混合矩阵W是关键。本专利技术采用了一种快速定点算法，本专利技术采用的W的递推公式如(5)式W (k) =E (X (Wt (k-1) X) 3) -3W (k-1) (5)具体的算法实现如下(a)初始化 W(O)，令 I |ff(0) | | = 1，置 k = 1 ；(b)代入(5)式求W(k)，其中的期望值可由大量X向量的采样点计算出来；(C)用 I |W(k) I I 去除 w(k)；(d)如果|Wt(k)W(k-l) I不是足够接近1，那么置k = k+l，返回至(b)；否则，输出向量.本专利技术最后给出的向量W(k)等于正交混合矩阵中的一列，在信号分离中意味着分离了其中的一个非高斯信号，即WtGOX,X= {xl(t),x2(t),…，xn(t)}等于其中的一个 源信号。本专利技术显著的特性是迭代次数非常少，能快速分离出C02气体对应的原始信号，从 而还原真正C02气体对应的原始信号。权利要求，包括下列步骤(1)对由红外传感器采集的信号进行滤波处理，滤除20HZ以上的信号；(2)设经过滤波处理的混合信号为X＝{x1(t)，x2(t)，…，xn(t)}，未知的相互独立信号源为S＝{s1(t)，s2(t)，…，sm(t)}，设S＝WtX；(3)采用下列的迭代方法求取W(a)初始化W(0)，令||W(0)||＝1，置k＝1；(b)代入W(k)＝E(X(Wt(k-1)X)3)-3W(k-1)式，式中，E(X(Wt(k-1)X)3)为矩阵Wt(k-1)X的第3个元素的期望值，该期望值由X向量的采样点计算得出；(c)用||W(k)||去除W(k)后的值再赋值给W(k)；(d)如果|Wt(k)W(k-1)|与1的差值大于一个足够小的预设阈值，那么置k＝k+1，返回至(b)；否则，结束迭代；(4)Wt(k)X为分离出的CO2气体对应的原始信号。全文摘要本专利技术属生物医学工程领域，涉及，该方法对由红外传感器采集的CO2检测信号进行低通滤波处理后，采用迭代算法从混合信号中的二氧化碳信号和气流流速信号进行分离，提取CO2气体对应的原始信号。本专利技术可以消除由呼吸气流影响造成的信号干扰等噪声，更精确地得到二氧化碳浓度。文档编号G01N21/35GK101876635SQ20101021649公开日2010年11月3日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日专利技术者李 杰, 杨嘉琛, 梁琼, 武强一, 王斌, 范超伟, 韦娜 申请人:天津大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二氧化碳信号与气流流速信号分离方法，包括下列步骤：（１）对由红外传感器采集的信号进行滤波处理，滤除２０ＨＺ以上的信号；（２）设经过滤波处理的混合信号为Ｘ＝｛ｘ１（ｔ），ｘ２（ｔ），…，ｘｎ（ｔ）｝，未知的相互独立信号源为：Ｓ＝｛ｓ１（ｔ），ｓ２（ｔ），…，ｓｍ（ｔ）｝，设Ｓ＝Ｗ↑［ｔ］Ｘ；（３）采用下列的迭代方法求取Ｗ：（ａ）初始化Ｗ（０），令｜｜Ｗ（０）｜｜＝１，置ｋ＝１；（ｂ）代入Ｗ（ｋ）＝Ｅ（Ｘ（Ｗ↑［ｔ］（ｋ－１）Ｘ）３）－３Ｗ（ｋ－１）式，式中，Ｅ（Ｘ（Ｗ↑［ｔ］（ｋ－１）Ｘ）３）为矩阵Ｗ↑［ｔ］（ｋ－１）Ｘ的第３个元素的期望值，该期望值由Ｘ向量的采样点计算得出；（ｃ）用｜｜Ｗ（ｋ）｜｜去除Ｗ（ｋ）后的值再赋值给Ｗ（ｋ）；（ｄ）如果｜Ｗ↑［ｔ］（ｋ）Ｗ（ｋ－１）｜与１的差值大于一个足够小的预设阈值，那么置ｋ＝ｋ＋１，返回至（ｂ）；否则，结束迭代；（４）Ｗ↑［ｔ］（ｋ）Ｘ为分离出的ＣＯ２气体对应的原始信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨嘉琛，王斌，梁琼，李杰，武强一，韦娜，范超伟，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]