基于小波的心肌细胞生理信号的提取及检测.pdf

基于小波的心肌细胞生理信号的提取及检测周小华’张建保’一辉2( 1 西安交通大学生物医学工程研究所2 第四军医大学生物医学工程系)摘要：心肌细胞膜电位及胞内钙离子浓度对心肌功能控制起着决定性作用，在心肌生理和病理方面都有很重要的意义，但这些信号的实际测量经常被一些强噪声背景影响，非常有必要对其进行消噪处理本文介绍了一种基于小波的心肌细胞膜电位和胞内钙浓度信号的去噪处理方法该方法的准确性和简单性为, L Y S L 细胞重要生理参数信号的提取和检测带来更多的便利关键字：心肌心肌细胞膜电位钙浓度小波M y o c a r d i a lS i g n a l sP r o c e s s i n gB a s e dO nW a v e l e tZ H o UX i a o - H u a ’Z H A N GJ i a n - B a o ，L I UY i - H u i( 1B i o m e d i c a lE n g i n e e r i n gI n s t i t u t eO f X i ’a n j i a o t o n gU n i v e r s i t y )( 2B i o m e d i c a lE n g i n e e r i n gD e p a r t m e n tO f T h eF o u t hC o l l e g eo f M i l i t a r yM e d u c i n e )A b s t r a c t ：1 1 1 em e m b r a n ep o t e n t i a la n di n t r a c e l l u l a rc a l c i u mo fc a r d i o m y o c y t e sa r ec r u c i a lt oi t sr e g u l a t i o no fc o n t r a c t i l ep e r f o r m a n c ea n dt h e ya r ca l s ov e r yi m p o r t a n tt ou n d e r s t a n dt h ep a t h o l o g ya n dp h y s i o l o g yo f t h eh e a r t ．T h es i g n a l so b t a i n e db ye x p e r i m e n ta r eu s u a l l ys u b m e r g e di nt h eb a c k g r o u n do fn o i s ea n di ti sn e c e s s a r yt op r o c e s st h es i g n a l si no r d e rt ot a k ea l la c c u r a t eo b s e r v a t i o n ．n ea r t i c l ei l l u s t r a t e sh o wt og e tt h es i g n a l sa n dh o wt od e a lw i t ht h e mb a s e do nw a v e l e ta st oe l i m i n a t et h eb a c k g r o u n dn o i s e ．k e yw o r d s ：c a r d i o m y o c y t e ；p o t e n t i a l ；c a l c i u m ；w a v e l e tl引言研究表明，心肌细胞膜电位及胞内钙浓度的控制对心肌收缩强度的调节起着决定性作用【¨。

许多心血管疾病均与这两种信号相关f 孙所以心肌细胞膜电位及胞内钙浓度对心脏生理和病理等方面都有很蕈要的意义但是，试验测得的生理信垮大都被淹没在强噪声背景中．给结果分析工作带来，很大的障碍，为r 得到精确、理想的细胞生理信号，必须对测得信号进行处理，本文对此进行了尝试2 材料与方法2 ．1 心肌细胞的分离显微镜下摘取怀孕1 1 ．5 天的小鼠胚胎心脏，去掉心脏的入口与出口管使用胶原酶分离液与胰蛋白酶液获取心肌细胞，将细胞置于凝胶中浸泡过的盖玻片上，并使用2 0 ％D M E M 培养3 6 - 4 8 h ，后进行细胞电生理与细胞内钙浓度测量2 ．2 电生理测量将载有细胞的盖玻片固定子显微镜下的特制腔内，镜下选取有收缩行为的心肌细胞，通过电压钳或电流钳模式记录细胞膜的电活性，放大器选用E P C ．9 ( H e k ae l e c t r o n i c s , D e r m a n y ) ，测量结果使用P u l s e 软件包( H e k ae l e c t r o n i c s ) 记录，采样频率1 0 k H z 测量过程中使用的细胞内液与细胞外液成分如下( 单位为m M ) ：细胞外液：N a C I1 4 0 ，K C I5 ．6 ，C a C l 23 ．6 。

M g C l 2l ，H e p e s5 ，G l u c o s eI O ：细胞内液：K C I5 ．6 ，C a C l 23 ．6 ，M g C l 2l ，H e p e s5 G l u c o s eI O ：2 ．3 细胞内钙浓度测量使用F u r a - 2 ( 1M i c r o M ) 于室温下在D M E M 溶液中温育细胞3 0 r a i n ，将载有细胞的盖玻片固定于荧光显微镜下的特制腔内，使用正常细胞外液冲洗1 0分钟，而后进行细胞内钙浓度测量激发光波长4 7 0 n m ，细胞内受激辐射的3 4 0 n m ，3 8 0 n m 的荧光强度通过T I L L 数据采集系统记录( T I L LP h o t o n i c s G e r m a n y ) ，细胞内钙浓度的变化使用3 4 0 n m 与3 8 0 n m 的荧光强度比值表示图l 是实际测量得到的细胞内钙浓度( a ) 与细胞膜电位( b ) 可以看到，测得信号含很强的干扰噪声3 3 9图l 细胞内钙离子浓度( a ) 与细胞膜电位( b ) 实测结果3 基于小波的信号检测1 ．小波在信号去噪中的应用小波信号具有良好的时频局部化性质。

小波技术对信号去噪有很好的应用效果，已成为信号去噪的主要方法之一4 J 【7 J一个含噪声的一位信号的模型可以表示成如下的形式【6 】：s ( z ) = 厂( f ) + 仃·P ( f ) ，f _ 0 ，1 ，⋯，n 一1其中，f 【i ) 为真实信号，e C i ) 为噪声．s ( i ) 为含噪声的信号存实际的丁程中，又用信号通常表现为低频信号或是一些比较平稳的信号所以消噪过程可按如下方法进行处理；首先对信号进行小波分解【”( 如进行两层分解，分解过程如图2 所示) ，则噪声部分通常包含在c D l 、c D 2 中，因而，可以以门限阈值等形式对小波系数进行处理，然后对信号进行重构即可以达到消噪的目的，对信号s ( i ) 消噪的目的就是要抑制信号中的噪声部分，从而在s ( j ) 中恢复出真实信号R i ) 对信号的消噪实质上是抑制信号中的无用部分，恢复信号中的有用部分的过程图2 信号s ( i ) 的小波分解模型一维信号的消噪过程可分为如下三个步骤进行：S t e p I ．一维信号的小波分解：选择一个小波并确定一个小波分解的层次N ，然后对信号s ( i ) 进行N层小波分解。

S t e p 2 ，小波分解高频系数的闽值璧化；对第l到第N 层的每一层高频系数，选择一个阈值进行软阚值量化处理S t e p 3 ．一位小波的重构：根据小波分解的第N3 4 0层的低频系数和经过量化处理后的第l 层到第N 层的高频系数，进行一维信号的小波重构在上面三个步骤中，最关键的就是如何选取阈值和如何进行阙值的量化【6 l ，从某种程度上说，它直接关系到信号消噪的质量利用小波进行消噪处理一般有三种方法：默认阈值消噪处理；给定闽值消噪处理( 这种阈值比默认闽值更具有可信度) ：强制消噪处理( 简单且消噪后的信号比较t P 滑．但易丢失信号中的有用成分) 在用一维小波进行信号的消噪过程中，阈值选取规则基于基本模型y = f 【I ) + e ，其中e 足白噪声N ( O ，1 ) ，对十方差术知的噪声或非白噪声口丁以晕新调节输出闽值T H R 町以选择以下几种阈值：‘r i g r s u r e ’：是一种基于史坦的无偏似然估汁( 二次方程) 原理的自适应阈值选择对一个给定的闽值t ，得到它的似然估计，再将非似然t 最小化，就得到了所选的阂值，它是一种软件阈值估计器：‘s q t w o l o g ’：采用的是固定的阂值形式，产生的阂值大小是s q r t ( 2 * l o g ( 1 e n g t h ( X ) ) ；‘h c u r s u r e ’：是前面两种阈值的综合．是最优预测变量阂值选择。

如果信噪比很小，S U R E 估计有很大的噪声如果有这种情况，就采用这种固定的阀值‘m i n i m a x i ’：采用的也是一种固定的阈值，它产生一个最小均方误差的极值，I 酊小足尢误差相：统计学h 这种极值腺埋用于设计估汁器I 丈J 为被消嗓的信号可以看作o j 朱知列归函数的估计式相似，这种极值估计器可以在一个给定的函数集中实现最大均方误差最小化信号检测实现：：据上词的原理，利用一维小波变换实现对试验测得含噪信号去噪处理p Ⅱ4 】f 5 】图3 所示为对测量得前5 0 0 0 个数据进行处理前后的信号波形( 其中图a 和图b 分别对应细胞内钙浓度和细胞膜电位) ，此时可以明显看到去噪效果图3 小波处理结果3 4 l一08四口邑拦蜒嚣芷蒜4 结论本文主要对心肌细胞的两个重要生理信号——心肌细胞膜电位信号和胞内钙浓度变化信号进行，提取和处理其中信号提取基于细胞生理学相关理论原理，对信号的处理检测则应用了一维小波变换的相关知识通过试验提取并处理后得到的信号基本与理论相符．这说明将小波去噪原理应用于对心肌细胞膜电位信号和胞内钙浓度变化信号的处理的方法是行之有效的，而且简单易实现，具有很高的使用价值。

但是同样应该注意到，选择不同的小波，选取不同的阈值，去噪效果都大有不同，正确地选取小波和去噪阙值非常重要参考文献：【1 】E i s n e rD A C h o iH S ，D i a zM Ec ta 1 ．T r a f f o r dI n t e g r a t i v eA n a l y s i so f C a l c i u mC y c l i n gi nC a r d i a cM u s c l e ．C i r cR e s2 0 0 0 ；8 7 ：1 0 8 7 ～1 0 9 4【2 】C a m m a n nH ，M i c h e lJ ，H o wt oa v o i dm i s i n t e r p r e t a t i o no fh e a r tr a t ev a r i a b i l i t yp o w e rs p e c t r a ? C o m p u t e rM e t h o d sa n dP r o g r a m si nB i o m c d i c i n e ．2 0 0 0 ；6 8 ：l5 —2 3C 3 】SM a l l a t ，At h e o r yf o rm u l t i r e s o l u t i o ns i g n a ld e c o m p o s i t i o n ：t h ew a v e l c tr e p r e s e n t a t i o n ．I E E EP a a e mA n a l ．a n dM a t 。