HHT和HMM在血細胞信號識別中的應用

尹璀++陶凌++龍偉

摘 要： 針對血細胞信號具有多形態、非線性、非平穩的特點，提出將希爾伯特黃變換（HHT）和隱馬爾可夫模型（HMM）相結合的血細胞信號識別方法。該方法采用HHT對血細胞信號進行分析，選取經過經驗模態分解得到的各本質模態函數中相關性較大的分量，以這些分量的能量矩作為信號的特征量，由HMM訓練得到正常人和病患者的模型參數并用做分類識別。實驗結果表明，該方法可以較好地識別正常人和病患者的血細胞信號，綜合準確率達89.13%。

關鍵詞： 信號檢測與分析； 希爾伯特黃變換； 經驗模態分解； 隱馬爾科夫模型； 特征提取； 血細胞信號分析

中圖分類號： TN911.7?34； TP 391.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）23?0058?05

Application of HHT and HMM in blood cell signal recognition

YIN Cui， TAO Ling， LONG Wei

（School of Information Engineering， Nanchang University， Nanchang 330031， China）

Abstract： For the multi?form， nonlinear and non?stationary characteristics of the blood cell signal， the blood cell signal re?cognition method based on Hilbert Huang transform （HHT） and hidden Markov model （HMM） is proposed. The HHT is used in the method to analyze the blood cell signal. The strong dependency components in each intrinsic mode function obtained with empirical mode decomposition are selected， and their energy moments are taken as the signal feature value to achieve the model parameters of healthy people and patient by HMM training for classification and recognition. The experimental results indicate this method can recognize the blood cells signals of the healthy people and patient， and the synthetical accuracy rate can reach up to 89.13%.

Keywords： signal detection and analysis； Hilbert Huang transform； empirical mode decomposition； hidden Markov mo?del； feature extraction； blood cell signal analysis

0 引 言

作為一種非常普遍的檢測方法，血細胞分析在臨床疾病的診斷及健康體檢等方面發揮著重要的作用[1]。一般地，疾病會引起血液中紅細胞、白細胞、血小板等血細胞數量變化，因此通過對血細胞的分類識別有助于臨床上判斷人體健康與否。目前國內外的血細胞分析儀大多采用庫爾特原理采集原始信號，基本原理是懸浮在電解液中的血細胞隨電解液通過小孔管時，會導致小孔管內外兩電極間電阻發生瞬時變化，產生電位脈沖[2]。血細胞的大小和數目會引起脈沖信號的大小和次數的變化。針對血細胞信號多形態、非線性和非平穩的特點，一般需采用短時傅里葉變換（Short?time Fourier Transform，STFT），小波變換（Wavelet Transform，WT）或Wigner?Ville分布等時頻分析的方法，但這些方法分析非平穩信號均有各自的不足，短時傅里葉變換容易受到窗函數的影響，小波變換的結果在很大程度上取決于小波的選擇，Wigner?Ville分布易受到交叉相干擾[3]。本研究采用由Huang提出的希爾伯特黃變換（Hilbert Huang Transform，HHT）方法提取血細胞信號特征向量，以避免上述種種不足[4]，并采用隱馬爾可夫模型對血細胞的特征向量進行分類識別，實現對正常人和病患者的血細胞信號分類識別。

1 希爾伯特黃變換

HHT由兩大主要部分組成：第一部分為經驗模態分解（Empirical Mode Decomposition，EMD），它是由Huang所創立的信號篩選方法[5]；第二部分為Hilbert譜分析（Hilbert Spectrum Analysis，HSA）。EMD是HHT的核心算法，不同于其他的時頻分析方法，HHT具有直接獲得、自適應性等特點，分解的過程是基于原數據獲得的后驗基函數，這一點與小波變換有著很大的不同，同時也是相對于小波變換的巨大優勢，因為不同的小波基函數對小波分析結果的好壞有很大的影響，由于對并不需要固定的基函數，針對不同的待處理信號可以自適應地分解出有限的多個本質模態函數（Intrinsic Mode Function，IMF）。這些IMF在經過Hilbert變換后得到瞬時頻率，最終輸出的Hilbert譜即為所有IMF瞬時頻率的集合。

5 結 語

本文結合HHT和HMM的優點，將非平穩的血細胞信號經驗模態分解為多個IMF分量，選取其中與原信號相關系數較大的分量作為有效分量，分析提取出其關于時間能量的特征向量。而HMM模型又反映出特征向量的隱藏狀態是正常人或病患者之間的聯系，通過實驗分析，獲得了很有效的識別結果。

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