结合小波变换对心电信号中RR间期检测的一种新方法.pdf

《结合小波变换对心电信号中RR间期检测的一种新方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《结合小波变换对心电信号中RR间期检测的一种新方法.pdf（3页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、1 1 6 中国临床康复第 1 0 着 第 1 3 C h i n e s e J o u r n a l o f C l i n i c a l R e h a b i l i t a t i o n , A p r i l 1 0 期2 0 0 6 - 0 4 - 1 0出版 2 0 0 6 V o l . 1 0 No . 1 3 羡础 研究 结 合 小 波 变 换 对心电 信 号中R R 间 期 检 测的 一种 新 方 法 袁静 ， 和卫星 ， 邓雪云2 ， 吉奕 ， 吴秋明 ， 江苏大学电气信息工程学院， 江苏省镇江市2 1 2 0 1 3 ; x 南京航空航天 大学民航学院， 江苏

2、省南京市2 1 0 0 1 6 袁静， 女， 1 9 8 2年生， 河南省淇县人， 汉族， 江苏大学电气信息工程 学院在读硕士， 主要从事生物号检浏与处理的研究。 中图分类号: R 3 1 9 收稿日 期: 2 0 0 5 - 1 1 - 2 8 认事生物信提 文献标识码: A文章编 修回日期:2 0 0 5 - 1 2 - 1 6 号: 1 6 7 1 - 5 9 2 6 ( 2 0 0 6 ) 1 3 - 0 1 1 6 -03 ( 0 5 - 5 0 - 9 - 7 7 5 6 / W- Q A n e w d e t e c t i o n me t h o d f o r R- R

3、i n t e r v a l s o f e l e c t r o c a r d i o g r a p h s i g n a l s w i t h w a v e l e t t r a n s f o r m Y u a n J i n g , H e W e i- x in g , D e n g X u e - y u n 2 , J i Y i, Wu Q i u - m i n g C o l l e g e o f E l e c t ro n i c a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g , J i a n

4、 g s u U n i v e r s i t y , Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 , J ia n g s u P r o v i n c e , C h i n a ; C C o l l e g e o f C i v i l A v i a t i o n , N a n j i n g U n iv e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t ro n a u t i c s , N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 , J i a n g s u P r o v i n c e

5、, C h i n a Y u a n J in g ，S t u d y i n g f o r m a s t e r s d e gr e e , C o l l e g e o f E l e c t r o n i c a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g , J i a n g s u U n i v e r s i t y , Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 , J i a n g s u P r o v i n c e , C h i n a R e c e i v e d : 2 0 0

6、 5 - 1 1 - 2 8 A c c e p t e d : 2 0 0 5 - 1 2 - 1 6 号 1 0 5 . d a t ， 无噪声干扰的正常心电信号 2 1 3 . d a t ， 心动过速的心电信号 2 1 7 .d a t) a 利用小波变化方法结合M a l l a t 算法对含有噪声的心电信号 进行多尺度分析和信号重构， 并利用R波的自身波形特点， 采用相对周 期极大值法来进行R波位置检测， 进而计算R R间期序列值。 结果: 利用小波变换对含有噪声的信号进行噪声消除可以达到在很大程 度保留原始信号的波形特征的同时又取得良好消噪效果的目的。能够 显著减小工频干扰、基线

7、漂移和肌电干扰等噪声对判别的影响。通过 M I T / B I H数据库中四组有代表性特征的心电信号进行研究，发现采用相 对周期极大值检测法可以显著减少检侧中易出现的漏检和误检现象， 快 速而准确的获得R R间期的序列值。 结论: 小波变换法能够显著减少噪声对信号的干扰， 特别是离散小波的 应用使数字信号的处理由理论走向实际， 结合M a l l a t 快速算法， 使得小 波变换完全走向实用化。周期极大值法对心率变异信号中R R间期的 检测有较好的精确度和快速性。 主题词: 心电描记术; 心率; 心脏/ 生理学 Ab s t r a c t A I M: T o i n v e s t i

8、g a t e t h e m e t h o d o f d e c r e a s i n g t h e n o i s e d i s t u r b a n c e i n e l e c t r o c a r d i o s i g n a l a n d i m p r o v e t h e t e s t p r e c i s i o n o f R R i n t e r v a l i n h e a rt r a t e v a r i a b i l i t y ( H R V ) s i g n a l s . MET HODS : i n t e r n a

9、t i o n a l T h e M I T / B I H d a t a b a s e s w h i c h w a s u s e d a b o a r d i n t a k e n i n t e r v a l s i n H R V s i g n a l s a s t h e i n v e s t i g a t e o b j e c t t o d e a l w i t h t h e R - R a n d e x p e r i m e n t a n a l y s i s w a s c o n d u c t e d w i t h t h e s

10、e l e c t e d r e p r e s e n t a t i v e d a t e s . N o r m a l s i n u s r h y t h m s i n t e r f e re d b y b a s e l i n e e x c u r s i o n 1 0 1 . d a t , v e n t r i c u l a r fi b r i l l a t i o n ( V F ) 1 0 5 .d a t ，n o r m a l s i n u s r h y t h m s ( N S R ) 2 1 3 .d a t , v e n t r

11、 ic u l a rt a c h y c a r d ia ( V T ) 2 1 7 .d a t . T h e w a v e l e t t r a n s f o r m w a s u s e d t o d e a l w i t h t h e n o i s e d E C G s i g n a l s b y u s i n g t h e M a l l a t a l g o r i t h m t o d e c o m p o s e t h e s i g n a l i n t o m u l t i - s c a l e s a n d r e c o

12、 n s t r u c t i t o n s e l e c t e d s c a l e s . T h e n b y t h e d e t e c t i o n m e t h o d o f c h a n g e d t e r m s c o m b i n e d t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e v a l u e o f R w a v e r e l a t i v e a m p l i t u d e w a s d e t e c t e d s o a s t o c a l c u l a t e t

13、 h e s e r i a l v a l u e s o f R R i n t e r v a l s . R E S U L T S : T h e r e s u l t o f w a v e l e t t r a n s f o r m u s e d i n d e n o i s i n g t h e s i g n a l s w a s a p p r o x i m a t e d t h e e x p e c t a t i o n v a l u e b y d e c r e a s e t h e n o i s e s s u c h a s p o w

14、 e r - l i n e i n t e rf e r e n c e , t h e b a s e - l i n e i n t e r f e r e n c e , t h e e l e c t r o m y o g r a p h y ( E M G ) i n t e rf e r e n c e , e t c ., s i m u l t a n e i t y , t h e w a v e l e t t r a n s f o r m c o u l d r e s e r v e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f

15、t h e o r i g i n a l s i g n a l s i n g r e a t d e g r e e . B y i n v e s t i g a t i n g t h e f o u r g r o u p s o f c h a r a c t e r i s t i c d a t a s e l e c t e d f r o m t h e M I T / B I H d a t a b a s e . I t f o u n d t h a t t h e d e t e c t i o n m e t h o d o f c h a n g e d t

16、e r m s c o m b i n e d t h e c h a r a c t e r i s t ic s o f t h e v a l u e o f R w a v e c o u l d re d u c e t h e p h e n o m e n a o f m i s s - c h e c k s T h e R R i n t e r v a l s c o u l d b e g o t t e n e x a c t l y a n d q u i c k l y . C O N C L U S I O N : T h e w a v e l e t t r

17、a n s f o r m c a n r e d u c e t h e n o i s i n g i n t e rf e r e n c e d i s t i n c t l y . E s p e c i a l l y , t h e d i s c r e t e w a v e l e t t r a n s f o r m m a k e t h e d i g i t a l s i g n a l s a n a l y s e s f r o m t h e o ry i n t o p r a c t i c e s场 u s i n g t h e M a l l

18、 a t a l g o r i t h m ; t h e d e t e c t i o n m e t h o d o f c h a n g e d t e r m s c o m b i n e d t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e v a l u e o f R w a v e c a n m a k e t h e d e t e c t i o n m o r e a c c u r a c y a n d m o r e q u i c k l y . Y u a n J , H e W X , D e n g X Y ,

19、 J i Y , W u Q M .A n e w d e t e c t io n m e t h o d f o r R - R i n t e r v a ls o f e le c tr o c a r d io g r a p h s ig n a ls w it h w a v e le t t ra n s f o r m .Z h o n g g u o L i n c h u a n g K a n gr u 2 0 0 6 ; 1 0 ( 1 3 ) :1 1 6 - 8 t C h in a ) 袁静， 和卫星， 邓雪云， 吉奕， 吴秋明 结合小波变换对心电信号中R R

20、间期检测的 一种新方法U l . 中国III 床康复， 2 0 0 6 , 1 0 ( 1 3 ) : 1 1 6 - 8 tw w w .z g lc k f .c o m l 摘要 目的: 探讨改善心电信号噪声干扰的方法， 提高对心率变异信号中的R R 间期检测精度。 方法: 采用国际上通用的M I T / B I H数据库作为研究心率变异信号中 R R间期的研究对象， 选取其中的代表性数据组进行实验分析( 受严重 基线漂移影响的正常心电信号 1 0 1 . d a t ， 大量室性期前收缩的心电信 0 引言 由于心电图可以反映大量的心脏信息，所以在 临床上对于心脏方面疾病，医生首选的诊断

21、方式就 是心电图记录。一个正常的心电波形， 由P 波、 Q R S 波群、 T 波组成， 这些波按照窦房结产生的兴奋脉冲 周期性重复。 心率变异则是指心电图中连续心跳间期的微小涨 落， 由于Q R S 复合波中以R波的相对幅值较大， 斜率 较陡。 所以实际分析中常采用逐拍 R波间期来表示的 心率变异信号。 由心率变异的定义知， 心率变异分析的关键在于 R波位置的准确获取， 继而才可以获得对应的R R间 期序列值。 近年来， 大多数的算法重心主要放在了对R 波的精确检测上1 - 3 1 。 基于数学形态学的方法和利用小 波变换技术对信号进行多尺度检测的方法1 ,2 。 利用自 适应神经网络来实现

22、对心电图的检测是近年来一个 研究的热点3 1 。随着计算机的发展， 对心电信号进行实 时准确的分析已有了 很大程度的提高 4 1， 由不相容定 理可知， 当一个系统复杂性增大的时候， 其精确化的 能力就会减少; 当达到一定阂值时， 复杂性跟精确性 就会相互排斥。而心律失常的发生通常是偶然的， 因 此， 心率变异的检测是力争在实时性与精确性之间找 到一个平衡点， 才有可能发挥出检测算法的实际应用 价值。 本文中采用变周期检测极大值法来获取心率变异 信号中的R R间期。首先将含噪声的心电信号经过小 波滤波后得到重构信号。 而后利用变周期算法对M I T / B I H数据库中的不同数据进行检测。经

23、实验证明准确 度高， 且过程简单易于实时检测的实施。 I S S N 1 6 7 1 - 5 9 2 6 二 .z g l c k f c o m C N 2 1 - 1 4 7 0 / R 袁静 等 结合小波变换对心电信号中R R 间期检测的一种新方法 2 小波变换理论其 小波 变 换是 通 过时间 和 频 率的 局 部 变 换 ， 实现了号，d ot 时频两域的高分辨率局部定位， 具有良好的时频局域 化特性。适当选择基本小波， 可使小波在时、 频两域都 具有表征信号局部特征的能力。 2 . 1 小波理论及多尺度分析小波变换的基本思想 是用一族函数去表示或逼近一信号或函数， 这一族函 数称为

24、小波函数系， 它通过一基本小波的平移和伸缩 构 成 。 设x ( t ) 。 若 ( R ) ， 则 x ( t ) 的 小 波 变 换 定 义 为 : 知道h o 史P ) ( k ) 代 表 “ 一 “ ， 下 的 离 散 概 貌 信 ， ( 月代 表 a = 2 下 的 离 散 细 节 信 号， 只 要 1 4的 值就可以 求出x f 的的二进小t l ir- W T X ( a , ,r ) 一 1 _f 二 ( t ) t - T l 、 ， v a 一“/ 其中 W a r 0 t 一 z 、 V/ “/ 和尺度伸缩， : 代表位移平移， a y / E L 2 ( R ) 满 足

25、 可 允 许 条 件 : 是基本小波的位移 代表尺度伸缩。如果 一 f IV ( 。 ) I2 七 _ =. a 山 1 . 5 a v T )， 则判别为漏检， 随后再次建立窗口对采样信号中该点 对应的相邻区域进行检测。找到在该区域内的相对极 大值点， 作为一个内插的R波位置， 计算与前后R波的 间期值。 本文采用 M I T / B I H的标准数据库中的数据对T M 算法进行检测， 并与实际R R间期数据进行了对比。 采 样频率为3 6 0 H z / s ， 取3 0 0 0 0 个采样点， 以含有大量 室性期前收缩的心电 信号 1 0 5 .d a t 为例。 图4 信号 1 0 1

26、 . d a t 4ocZoc姗删溯4002oc。 撼令艇黛米名度宜 图5 信号 2 1 7 . d a t 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 L 一一-. - 一 图3 信号 1 0 5 . d a t 图3为了更为直观的看到到检测方法所得结果 与实际结果的差异。将其分开显示， 其中， 上层曲线为 采取固定周期检测法所测的R R间期序列值( 实际R R 间期值大小等于图中对应Y值减去6 0 0 ) ， 中间曲线为 采用T M法所测结果 ( 实际R R间期值大小等于图中 对应Y值减去3 0 0 ) ，最下方的曲线是 1 0 5 . d a t

27、的真实 R R间期序列值。可以直观的看出， T M法在很大程度 上改进了固定周期法所造成的漏检与误检的情况。但 由于对同一数据组所采用的检测周期是不变的， 所以 出现漏检的现象时无法避免的， 为此算法需要做进一 步的改进。 3 . 2 算法验证为了进一步显示 T M检测法的有效 性。 作者在M I T / B I H心电数据库中选取了3 个典型信 号， 对该算法进行验证。同样取 3 0 0 0 0个采样点作为 研究对象， 采样频率为3 6 0 H z / s ， 其中1 0 1 . d a t 为受严 重基线漂移影响的正常心电信号， 2 1 7 .d a t 为使用心脏 起博器的心律心电信号。

28、所用检测信号均通过小波滤 波后得到相应的采样信号。对不同数据组所得检测结 果比较见图4 , 5 0 ( X轴为R R间期序列，Y轴为相应 R R间期值的大小) 通过以上图形中检测值与标准值的直观比较， 可以 发现T M法在很大程度减少了漏检和误检的现象， 这 4 总结 小波变换法能够减小工频干扰、基线漂移和肌电 干扰等噪声对判别的影响。 小波分析的M a l l a t 算法， 保 证了其有效的运算速度，使得小波变换完全走向实用 化; 其多分辨率特性， 保证非常好的刻画了信号的非平 稳性。本文针对心率变异信号中R R间期的获取采取 了将小波分析与R R周期自身的生理特征结合在一起 的变周期模极

29、大值法( T M法) 。通过M I T / B I H数据库 典型数据的验证，可以快速而准确的获得R R间期的 序列值。 本文的改进之处在于没有局限在单独 R波的精 确定位上，而是采用先检测后反馈再处理的方法来获 取R R间期序列值。不足之处在于T M法因采样点固 定， 而无法保证有整数个采样周期窗口， 所以在用T M 法时， 序列值的末端会产生错误的值， 而且由于该算法 依据是R波相对幅值较大的特征， 所以易受高P 波的 影响。为此算法需做进一步的完善和改进。 5 参考文献 1冯劲松. 用数学形态学的Q R S 复合波检测方法 J . 国外医学: 生物医学工程 分册， 1 9 9 4 , 1

30、 7 ( 6 ) ; 3 4 5 - 5 0 2 L i C , Z h e n g C , T a i C . D e t e c t i o n o f E C G c h a r a c t e r i s t ic p o in t s u s i n g w a v e l e t t r a n s f o r m s .I E E E T r a n s a c t i o n s o n B i o m e d i c a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 5 ; 4 2 ( 1 ) : 2 1 - 8 3李昌青， 王淑艳. 基于自 适应小波神经网络的

31、心电图检测法 J . 生物医学工 程学杂志， 2 0 0 2 , 1 9 ( 3 ) : 4 5 2 - 4 4戚建新， 卞正中， 杨强基于微机的心电信号实时自 动分析系统 J ， 北京生物 医学工程, 1 9 9 7 , 1 6 ( 3 ) : 1 4 1 5 M a l l a t S , Z h o n g S . C h a r a c t e r i z a t i o n o f S i g n a l f r o m M u l t i - s c a l e E d g e s , I E E E T r a n s . o n P a t t e r n a n a l y

32、s i s a n d m a c h i n e i n t e l l ig e n c e 1 9 9 2 ; 1 4 ( 7 ) : 7 1 0 - 2 3 6 Y u B C . A n o n l i n e a r d i g i t a l f i l t e r f o r Q R S - c o m p l e x d e t e c t i o n . P r o c e e d i n g s o f t h e S e v e n t h A n n u a l C o n f e r e n c e o f t h e I E E E / E n g i n e e

33、 r i n g i n M e d i c i n e a n d B i o l o g y S o c i e t y . F r o n t i e r s o f E n g i n e e r i n g a n d C o m p u t i n g i n H e a l t h C a r e - 1 9 8 5 ( C a t . N o . 8 5 C H 2 1 9 8 - 0 ) ; 1 2 9 5 : 8 4 5 7 X u e Q , Y u H H, T o m p k i n s WJ . N e u r a l - n e t w o r k - b a s

34、 e d a d a p t i v e m a t c h e d f i l t e r i n g f o r Q R S d e t e c t i o n . I E E E T r a n s a c t i o n s o n B i o m e d i c a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 2 ; 3 9 ( 4 ) : 3 1 7 - 2 9 8 I . a s t L N u g e n t C D S O w e n s F i M u l t i c o m p o n e n t b a s e d c r o s s c o r r e l a t i o n b e a t d e t e c t i o n i n e l e c t r o c a r d i o g r a m a n a l y s i s . B i o m e d E n g O n l i n e 2 0 0 4 ; 3 ( 1 ) : 2 6 绷冷城耸帐名胜宜