用于分析和重建具有低采樣速率的可變脈寬信號的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于分析和重建具有低采樣速率的可變脈寬信號的系統(tǒng)和 方法
[0001] 相關(guān)申請案的奪叉參考
[0002] 本申請案主張2012年3月16日申請的第61/611，739號美國臨時申請案和2013 年3月13日申請的第13/800,754號美國申請案的優(yōu)先權(quán)，這兩個申請案的全文以應(yīng)用的 方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及用于對波形的離散傅里葉變換的系數(shù)應(yīng)用預(yù)定義函數(shù)形狀的系統(tǒng)和 方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 數(shù)字參數(shù)化廣泛地用于信號處理、存儲、發(fā)射和分析?？赡茏畛Ｒ姷氖鞘褂媚慰?斯特速率采樣，其中通過離散時間的一組采樣信號值來表示連續(xù)時間域信號。只要原始連 續(xù)信號被頻帶限制成采樣速率的至多一半，所述組樣本就可以用于通過使用（舉例來說） sine內(nèi)插算法來重建完整信號。在這個常見實例中，通過一組離散的參數(shù)來表示信號，所述 參數(shù)是可以存儲、發(fā)射和在任何時間使用以完整地重建原始信號的樣本值。
[0005] 近些年來，已經(jīng)用其它方式使有實際利益的一些未受頻帶限制的信號參數(shù)化。雖 然這些信號可能含有任意大的頻率分量，但是通過限制每個單位時間的"創(chuàng)新速率"的特 性為這些信號建模，使得所述信號可以用有限的一組值來參數(shù)化，從所述值中可以重建原 始信號。于是，要解決的問題是，如何從原始信號導(dǎo)出合適的一組參數(shù)值，以及如何使所 述過程逆轉(zhuǎn)以僅使用導(dǎo)出的參數(shù)來重建完整信號。基于有限創(chuàng)新速率（FRI)的信號分析 的現(xiàn)有技術(shù)是分析信號的一種此方法，并且在下面的參考文獻(xiàn)中予以描述：[1]M.維特利 (M. Vetterli)、P.馬茲利奧（P. Marziliano)、T.布魯（T. Blu)，"使用有限創(chuàng)新速率對信號 進(jìn)行米樣（Sampling Signals with Finite Rate of Innovation)"，《IEEE 信號處理通訊 (IEEE Transactions on Signal Procesing)》，第 50 卷，第 6 期，第 1417-1428 頁，2002 年 6 月；[2]?\ 布魯 CL Blu)、P. L 德拉格迪（P. L Dragotti，）、Μ·維特利（M Vetterli)、Ρ·馬茲 利奧（P. Marziliano)、和L.克魯特（L Coulot)，"對信號創(chuàng)新的稀疏采樣：理論、算法和性 能限制（Sparse Sampling of Signal Innovations ：Theory,Algorithms,and Performance Bounds)"，《IEEE 信號處理雜志（IEEE Signal Processing Magazine)》，第 25 卷，第 2 期， 第 31-40 頁，2008 年 3 月；[3] Υ·郝（Y. Hao)、Ρ·馬茲利奧（P. Marziliano)、Μ·維特利 (M. Vetterli)、Τ.布魯（T.Blu)，"將ECG壓縮成具有有限創(chuàng)新速率的信號（Compression of ECG as a Signal with Finite Rate of Innovation)"，2005 年 IEEE 醫(yī)學(xué)與生物工程第 27 屆年會會干1J (Proc. of the 2005IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference)，中國上海，2005年9 月 1-4 日，第 7564-7567 頁；[4]馬茲利奧（Marziliano)、 Μ.維特利（EVetterli)和T.布魯（T. Blu)，"具有加性散粒噪聲的受頻帶限制的信號的 米樣和確切重建（Sampling and Exact Reconstruction of Bandlimited Signals With Additive Shot Noise) "，《IEEE 信息理論通訊(IEEE Transactions on Information Theory)》，第52卷，第5期，第2230-2233頁，2006年5月。在這種方法中，分析波形或波 形的衍生物以識別用于定義偽周期內(nèi)的信號區(qū)段的邊界的信號特征或標(biāo)記的狄拉克函數(shù) (本質(zhì)上無限窄的脈沖）的位置和振幅?？梢越又褂眠m當(dāng)?shù)牟ㄐ涡螤罨驑訔l來重建信號 或信號區(qū)段。現(xiàn)有技術(shù)中描述的這些模型（其可以稱為狄拉克FRI模型）限制為脈沖描述 的兩個參數(shù)（振幅和在周期內(nèi)的位置（對于偽周期性信號）），并且將其局限于單個脈沖形 狀以用于重建。因此，這些模型使含有變化的寬度的脈沖的信號參數(shù)化的能力是有限的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的系統(tǒng)、方法和裝置各自具有若干方面，其中沒有哪一單個方面單獨負(fù)責(zé) 其期望的屬性。下面將簡要論述一些特征，但并不限制所附權(quán)利要求書所表達(dá)的本發(fā)明的 范圍。在考慮本論述之后，并且尤其是在閱讀了標(biāo)題為"【具體實施方式】"的部分之后，將理 解本發(fā)明的特征如何提供包含定義和參數(shù)化含有可變寬度的脈沖的信號或系統(tǒng)響應(yīng)的模 型的優(yōu)點。所述參數(shù)可以定義信號，并且因此可以用作原始信號的壓縮版本。作為信號的 壓縮版本存儲參數(shù)會需要較少的存儲空間，從而使得信號存儲更有存儲器效率。
[0007] 在一個實施方案中，從壓縮的原始時間域波形重建時間域波形的計算機(jī)實施的方 法包括：通過處理器接收定義所述原始時間域波形的壓縮形式的參數(shù)；用所述處理器從所 述參數(shù)產(chǎn)生離散傅里葉變換（DFT)系數(shù)；用所述處理器調(diào)整所述產(chǎn)生的DFT系數(shù)中的至少 一些的振幅以便將所述產(chǎn)生的DFT系數(shù)中的所述至少一些的所述振幅更加緊密地擬合到 預(yù)定義的函數(shù)形狀；用所述處理器對包含所述經(jīng)調(diào)整的DFT系數(shù)的一組DFT系數(shù)執(zhí)行逆離 散傅里葉變換（IDFT)以產(chǎn)生重建時間域波形。在一些實施方案中，預(yù)定義的函數(shù)形狀是對 數(shù)標(biāo)度上的拋物線。在一些實施方案中，所述波形至少部分地是基于心電圖（ECG)。在一些 實施方案中，所述參數(shù)是從原始信號的時間域樣本導(dǎo)出的，并且時間域樣本可以間隔小于 120Hz〇
[0008] 在另一方面中，一種處理設(shè)備包括：存儲器，其中存儲有定義原始時間域波形的 壓縮形式的參數(shù)；處理器，其經(jīng)配置以：檢索所述參數(shù)；從所述參數(shù)產(chǎn)生離散傅里葉變換 (DFT)系數(shù)；以及調(diào)整所述產(chǎn)生的DFT系數(shù)中的至少一些的振幅以便將所述產(chǎn)生的DFT系 數(shù)中的所述至少一些的所述振幅更加緊密地擬合到預(yù)定義的函數(shù)形狀。所述處理器還經(jīng)配 置以對包含所述經(jīng)調(diào)整的DFT系數(shù)的一組DFT系數(shù)執(zhí)行逆離散傅里葉變換（IDFT)以產(chǎn)生 重建時間域波形。
[0009] 在另一方面中，揭示了一種非暫時性計算機(jī)可讀媒體，其包括在執(zhí)行時致使處理 器執(zhí)行包括下面的操作的方法的指令：在處理器中接收定義原始時間域波形的壓縮形式的 參數(shù)；用所述處理器從所述參數(shù)產(chǎn)生離散傅里葉變換（DFT)系數(shù)；用所述處理器調(diào)整所述 產(chǎn)生的DFT系數(shù)中的至少一些的振幅以便將所述產(chǎn)生的DFT系數(shù)中的所述至少一些的所述 振幅更加緊密地擬合到預(yù)定義的函數(shù)形狀；用所述處理器對包含所述經(jīng)調(diào)整的DFT系數(shù)的 一組DFT系數(shù)執(zhí)行逆離散傅里葉變換（IDFT)以產(chǎn)生重建時間域波形。
【附圖說明】
[0010] 圖IA到IC說明具有羅倫茲脈沖總和的ECG波形的重建。
[0011] 圖2是使含有可變脈寬的波形參數(shù)化的方法的流程圖。
[0012] 圖3是ECG波形的頻譜的曲線圖。
[0013] 圖4是使用用圖2的方法產(chǎn)生的參數(shù)的信號重建方法的流程圖。
[0014] 圖5是比較原始時間域信號與使用VPW-FRI參數(shù)的信號重建的曲線圖。
[0015] 圖6是在頻率域中比較圖5的時間域波形的曲線圖。
[0016] 圖7A和7B說明原始時間域ECG波形和使用下采樣信號的波形重建。
[0017] 圖8是在頻率域中比較圖7A和7B的時間域波形的曲線圖。
[0018] 圖9是比較圖7A的頻率域波形與用于重建的經(jīng)調(diào)整頻率域波形的曲線圖。
[0019] 圖IOA和IOB說明原始時間域ECG波形和使用圖9的經(jīng)調(diào)整頻率域波形的波形重 建。
[0020] 圖11是包含DFT系數(shù)調(diào)整的信號重建方法的流程圖。
[0021] 圖12A-12C說明利用本發(fā)明的信號參數(shù)化的系統(tǒng)的實施例。
[0022] 圖13說明利用本發(fā)明的信號參數(shù)化的系統(tǒng)的實施例。
【具體實施方式】
[0023] 下文中參照附圖更完整地描述新穎系統(tǒng)、設(shè)備和方法的各種方面。所述教示可以 體現(xiàn)為許多不同形式，并且不應(yīng)理解為限于本發(fā)明各處呈現(xiàn)的任何具體結(jié)構(gòu)或功能。實際 上，提供這些方面是為了使得本發(fā)明將透徹并且完整，并且將把本發(fā)明的范圍完整地傳達(dá) 給所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員?；诒疚闹械慕淌?，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的范圍意 在涵蓋本文中揭示的新穎系統(tǒng)、設(shè)備和方法的任何方面，無論是獨立于本發(fā)明的任何其它 方面實施還是與本發(fā)明的任何其它方面組合實施的。舉例來說，可以使用本文中闡述的許 多方面來實施一種設(shè)備或?qū)嵺`一種方法。此外，本發(fā)明的范圍意在涵蓋補(bǔ)充或替代本文中 闡述的本發(fā)明的各種方面的其它結(jié)構(gòu)、功能性或結(jié)構(gòu)和功能性實踐的此設(shè)備或方法。應(yīng)理 解，可以通過權(quán)利要求的一或多個要素來實現(xiàn)本文中揭示的任何方面。
[0024] 雖然本文中描述了特定方面，但是對這些方面的許多更改和置換屬于本發(fā)明的范 圍內(nèi)。雖然提到了優(yōu)選方面的一些益處和優(yōu)點，但是本發(fā)明的范圍不意在限于特定益處、用 處或目的。實際上，本發(fā)明的方面意在廣泛地適用于不同系統(tǒng)，其中的一些在圖中和下面對 優(yōu)選方面的詳細(xì)描述中舉例說明。詳細(xì)描述和圖式只是說明本發(fā)明而非限制，本發(fā)明的范 圍由所附權(quán)利要求書及其等效物來定義。
[0025] 本發(fā)明的方法可以適用于各種系統(tǒng)。舉例來說，本發(fā)明可以特別適用于例如心電 圖（ECG)數(shù)據(jù)庫等信號存儲數(shù)據(jù)庫。在一個方面中，本文中的方法可以用于使ECG信號參數(shù) 化，并且接著將那些參數(shù)存儲在ECG數(shù)據(jù)庫中。這可能會大幅減少存儲ECG信號所必需的 成本和資源，因為存儲數(shù)據(jù)所必需的存儲器分配大幅減少。此ECG信號數(shù)據(jù)庫提供了用于 患者評估和治療的信息。此外，醫(yī)院可能必需作為患者醫(yī)療記錄的存儲裝置的一部分的此 些ECG數(shù)據(jù)庫。因此，事實可能證明，本文中描述的系統(tǒng)和方法對于醫(yī)療領(lǐng)域是有價值的。
[0026] 本文中描述的許多方法克服了現(xiàn)有技術(shù)的困難，方法是通過在模型中引入定義模 型的脈沖形狀的寬度和不對稱性并且擴(kuò)展FRI分析的數(shù)學(xué)和方法的參數(shù)。此外，本發(fā)明定 義了用于執(zhí)行所述分析以根據(jù)數(shù)據(jù)估計這些參數(shù)的裝置。其將FRI的模型一般化成四個參 數(shù)的脈沖模型，所述脈沖模型可以將波形表示成重疊脈沖（由模型中的復(fù)極點定義）的總 和，其中的每一者由位置、對稱分量振幅、不對稱分量振幅和寬度來表征。這個一般化所提 供的增加的自由度，極大地擴(kuò)展了可以被建模的信號的范圍和類別，而且它準(zhǔn)許表示脈沖 的重疊，而不是波形區(qū)段的級聯(lián)。
[0027] 概算本文中描述的參數(shù)