專利名稱：基于標準化柵條投影標準差的可電擊復律心律識別算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種心電信號(ECG)識別方法，特別涉及一種可改進現(xiàn)有 的心電監(jiān)護儀和自動體外除顫器性能的可電擊復律心律(Shockable Rhythm, ShR)識別算法。
背景技術(shù)：
心臟性猝死(SCD)是指由于心臟原因引起的突然發(fā)生的自然死亡。 造成心臟性猝死的原因大部分是在各類心血管病變基礎(chǔ)上發(fā)生的一時性 功能障礙和電生理改變，并引起惡性室性心律失常如室性心動過速(簡稱 室速，VT)、心室纖維顫動(簡稱室顫，VF)等。電擊除顫是終止多數(shù) 快速性惡性室性心律失常的首選有效方法。
1997年，美國心臟協(xié)會(AHA)在循環(huán)(Circulation)雜志上發(fā)表了 一份與自動體外除顫器(AED)算法性能報道相關(guān)的建議《用于公共場合 除顫的自動體外除顫器對說明和匯報心律失常分析算法的性能、包含新 的波形和提高安全性的建議》(《Automatic External Defibrillators for Public Access Defibrillation: Recommendations for Specifying and Reporting Arrhythmia Analysis Algorithm Performance, Incorporating New Waveforms, and Enhancing Safety.》)。
該建議將心律分為以下三大類可電擊復律心律(shockable rhythms, ShR)，不可電擊復律心律(nonshockable rhythms, NShR)和中間心律 (Intermediate rhythms)。
目前文獻報道的可電擊復律心律識別算法存在著各種問題，如由于室 顫時心電圖的形態(tài)會發(fā)生很大的變化，各種基于心電圖R波識別的算法 不適用于可電擊復律心律的判別；相空間重建(Phase Space Reconstruction Algorithm, PSR)算法、信號比較算法(Signal Comparison Algorithm, SCA)等雖然有很高的特異性，但靈敏度卻很差；而一些基于各種變換和復雜度
分析的算法計算復雜，對硬件的要求較高。所以，已有的可電擊復律心律 的判別算法仍存在靈敏度和特異性不能兼顧，或計算復雜等問題，例如，
作為典型的例子，HILB算法應用亍疾病的診治的儀器或裝置中也同樣存 在這樣的一些缺點，HILB算法使用了在分析非線性信號時經(jīng)常使用的方 法-希爾伯特變換法構(gòu)建相空間。假設(shè)心電信號為^)，對它做希爾伯特 變換后得到^《)，如果用^)表示x軸坐標，用XH(O表示y軸坐標，就構(gòu)造 出了一個二維的相空間。在這樣一個相空間中，混沌信號的軌跡會比規(guī)律 信號的軌跡雜亂。Anoton、 Robert和Karl等人發(fā)現(xiàn)VF信號的相空間軌 跡比SR (竇性心律)信號的相空間軌跡要雜亂。所以，他們假設(shè)VF信號 是混沌的，而SR信號是規(guī)律的。他們將構(gòu)建出來的相空間劃分成40x40 個相同大小的格子，并統(tǒng)計心電信號的相空間軌跡經(jīng)過的格子點數(shù)。由于 SR信號是規(guī)律的，VF信號是混沌的，所以與SR信號的相空間軌跡相比， VF信號的相空間軌跡會經(jīng)過更多的格子。
為了減小計算量，還需要對信號做降采樣。
HILB算法的詳細過程如下
1. 對信號以50Hz降采樣。
2. 心電信號x(t)的希爾伯特變換為XH(t)，構(gòu)建40x40格的相空間， 計算(x(t)， XH(t))在所構(gòu)建的相空間中所占的格數(shù)visited boxes。
3. 定義"=,并取閾值為d0，
如果d〉d0，則判為VF;
如果d〈二d0，則判為SR。

發(fā)明內(nèi)容
由上述可見，為心電監(jiān)護儀和自動體外除顫器提供判別準確性高且運 算速度快的可電擊復律心律識別算法，乃是本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題。 為此，本發(fā)明的目的在于提供一種識別準確、計算簡單、能滿足應用要求 的、基于標準化柵條投影標準差的可電擊復律心律識別算法，以改進現(xiàn)有的需要使用可電擊復律心律識別方法的儀器設(shè)備的性能。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下
根據(jù)本發(fā)明提出的標準化柵條投影標準差的可電擊復律心律識別算 法，其步驟如下
首先，對心電信號進行心臟停搏心律的識別 如果是心臟停搏心律，則判為NShR; 如果不是心臟停搏心律，則進行后面的步驟。 計算標準化柵條投影標準差；
根據(jù)標準化柵條投影標準差來判別NShR和ShR，
判別標準為
如果標準化柵條投影標準差〉=閾值，則判為NShR;
如果標準化柵條投影標準差 < 閾值，則判為ShR。
上述識別心臟停搏心律的具體過程為
將幅度小于80uV的心電信號判為心臟停搏心律。
上述計算標準化柵條投影標準差的具體過程為
首先，將一段心電數(shù)據(jù)按相同時間間隔分成小段，每一小段稱為一個
柵條(bar)，每一個時間間隔稱為柵條寬度(barwidth);
然后，計算心電圖在每個柵條內(nèi)覆蓋的幅度范圍，就是在柵條y軸上 的投影(shadow);
接著，計算所有柵條投影的標準差(shadow一std);
最后，對shadow—std標準4t，艮卩shadow_std/mean(shadow)， f尋至(J豐示 準化柵條投影標準差(shadow—stdnor)。
由于采用了以上技術(shù)方案，提高了識別可電擊復律心律的靈敏度和特 異性，滿足應用要求。另外也簡化了算法的計算復雜度。本發(fā)明可應用于 心電監(jiān)護儀和自動體外除顫器(AED)等需要根據(jù)體表心電圖識別可電擊復律心律的儀器設(shè)備。


圖1是本發(fā)明的主體流程圖。
圖2是本發(fā)明主體流程圖中"S1預處理"步驟的流程圖。 圖3是本發(fā)明主體流程圖中"S3計算標準化柵條投影標準差"步驟 的流程圖。
具體實施例方式
下面通過具體的實施例對本發(fā)明作進一步的描述。
本實施例是本發(fā)明在個人計算機(PC)和矩陣實驗室(Matrix Laboratory, Matlab)平臺上一種可能的實現(xiàn)，并在由美國麻省理工大學心 律失常數(shù)據(jù)庫(MITDB)、美國克萊登大學室性心律失常數(shù)據(jù)庫(CUDB)、 美國麻省理工大學惡性室性心律失常數(shù)據(jù)庫(VFDB)三個標準數(shù)據(jù)庫構(gòu) 成的測試數(shù)據(jù)集上進行測試和比較。本實施例具體步驟如下
1. 對心電信號進行預處理
a) 使用一個5階的滑動平均濾波器，濾除散布噪聲和肌電噪聲等高頻 噪聲；
b) 使用一個截止頻率為1Hz的高通濾波器，抑制基線漂移；
c) 使用一個截止頻率為30Hz的巴特沃思低通濾波器，進一步濾除無 關(guān)的高頻成分。
2. 對心電信號進行心臟停搏心律的識別
如果心電信號的幅度小于80uV，則認為是心臟停搏心律，判為NShR; 如果心電信號的幅度大于或等于80uV，則認為不是心臟停搏心律， 繼續(xù)后面的步驟。
3. 計算標準化柵條投影標準差
a)將一段心電數(shù)據(jù)按相同時間間隔分成小段，每一小段稱為一個柵條 (bar)，每一個時間間隔稱為柵條寬度(barwidth) 。 barwidth取為20ms (當采樣率為250Hz時，對應為5個采樣點)；b) 計算心電圖在每個柵條內(nèi)覆蓋的幅度范圍，就是在柵條y軸上的投 影(shadow);
c) 計算所有柵條投影的標準差(shadow—std);
d) 對shadow—std標準化，即shadow—std/mean(shadow)，得到標準化 柵條投影標準差(shadow—stdnor);
4.根據(jù)標準化柵條投影標準差來判別NShR和ShR: 判別標準為
如果標準化柵條投影標準差>-閾值T，則判為NShR; 如果標準化柵條投影標準差 < 閾值T，則判為ShR。
本實施例使用的軟硬件配置如下
-硬件戴爾奔4電腦，主頻226GHz， 512兆內(nèi)存(DellOPTIPLEX GX270, Pentium(R)4 (2,26 GHz) and 512 MB DDR SDRAM)
-軟件MATLABR13,"信號處理工具箱"版本6.0("Signal Processing Toolbox" version 6.0)
在如下測試條件下，對本實施例和已有技術(shù)希爾伯特(HILB)算法WW
進行了測試和比較
測試數(shù)據(jù)集為MITDB、 CUDB、 VFDB三個標準數(shù)據(jù)庫的所有數(shù)據(jù)， 以8s為一個片斷(樣本數(shù)據(jù))，相鄰兩個片斷起始時間相差ls。
心律分類的金標準(Golden Standard):
a) 根據(jù)數(shù)據(jù)庫自帶的參考注釋(reference annotation)，對數(shù)據(jù)片斷 進行心律分類。
b) ShR:心律(rhythm)類注釋信息標注為VF、 VT的心電數(shù)據(jù)， NShR:其他所有心律；
c) 含有混合心律的片斷不使用。
測試結(jié)果如下表:
8算法名稱AUC標準誤差95%置1(言區(qū)間計算時間
下界上界毫秒
HILB0. 9650. 0010. 9640. 9674. 6152
本實施例0. 9790. 0010. 9770. 9801. 4327
其中，AUC是指接收操作特性曲線(ROC)下的面積[3][4]，是綜合反映靈敏度和特異性的指標。
由表中可見，本實施例的AUC(0.979)大于HILB算法的AUC( 0.965)，并且該差異統(tǒng)計意義上顯著(z= l0.965 — 0.971^ 9,90〉 2.57)。說明本實施
Vo.ooi2 +0細2
例的分類性能優(yōu)于HILB算法。而且本實施例的計算時間也少于HILB算法。若閾值T取為0.95，本實施例中基于標準化柵條投影標準差的可電擊
復律心律識別算法的靈敏度為92.0%、特異性為95%，達到AHA所建議
的靈敏度90%，特異性95%的性能要求。*本發(fā)明參考文獻 DI Robert Tratnig. Reliability of New Fibrillation DetectionAlgorithms for Automated External Defibrillators[D]. Dornbirn, Austria:Technische Universit"at Graz， 2005. A. Amann, R. Tratnig， K. Unterkofler. A new ventricular fibrillationdetection algorithm for automated external defibrillators [J]. Computers inCardiology, 2005: 559-562. JP Marques著，吳逸飛譯.模式識別—-原理、方法及應用[M].清華大學出版社，2002: 113-115.宇傳華，徐勇勇.非參數(shù)法估計ROC曲線下面積[J].中國衛(wèi)生統(tǒng)計，1999， 16(4): 241-244. Richard E. Kerber, Chair MD, Lance B. Becker, et al. AutomaticExternal Defibrillators for Public Access Defibrillation: Recommendationsfor Specifying and Reporting Arrhythmia Analysis Algorithm Performance,Incorporating New Waveforms, and Enhancing Safety [J]. Circulation, 1997，95(6): 1677-1682.
權(quán)利要求
1. 一種基于標準化柵條投影標準差的可電擊復律心律識別算法，適用于疾病的診治儀器或裝置，包括步驟S1. 對采集到的心電信號進行預處理；S2. 對心電信號進行心臟停搏心律識別，若為心臟停搏心律，則判為不可電擊復律心律；若為非心臟停搏，則進行后續(xù)步驟S3和S4；S3. 計算標準化柵條投影標準差；S4. 根據(jù)標準化柵條投影標準差來判別不可電擊復律心律和可電擊復律心律。若標準化柵條投影標準差>＝閾值，則判為不可電擊復律心律；若標準化柵條投影標準差<閾值，則判為可電擊復律心律。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于標準化柵條投影標準差的可電擊復律心律 識別算法，其特征在于，所述的心電信號預處理，包括步驟(511. 使用一個5階的滑動平均濾波器，濾除高頻噪聲；(512. 使用一個截止頻率為1Hz的高通濾波器，抑制基線漂移；(513. 使用一個截止頻率為30Hz的巴特沃思低通濾波器，進一步濾除 無關(guān)的高頻成分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的標準化柵條投影標準差的可擊復律心律識別算 法，其特征在于，步驟S11使用的滑動平均濾波器濾除高頻噪聲包括濾除散 布噪聲和肌電噪聲。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的標準化柵條投影標準差的可電擊復律心律識別 算法，其特征在于，S2中所指的心臟停搏為心電信號幅度小于80uV。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的標準化柵條投影標準差可電擊復律心律識別算 法，其特征在于，所述的計算標準化柵條投影標準差包括步驟(531. 將一段心電數(shù)據(jù)按相同時間間隔分成小段，將每一小段稱之為柵 條，將每一時間間隔稱為柵條寬度；(532. 計算心電圖在每一個柵條內(nèi)覆蓋的幅度范圍，就是柵條在y軸上的 投影；(533. 計算所有柵條投影的標準差；S34.對柵條投影的標準差進行標準化處理，得到標準化柵條投影標準
全文摘要
一種基于標準化柵條投影標準差的可電擊復律心律識別算法，適用于疾病診治的儀器或裝置，包括步驟S1.對心電信號進行預處理；S2.對心電信號進行心臟停搏心律的識別若為心臟停搏心律，則判為不可電擊復律心律；若不是心臟停搏心律，則繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)步驟S3，S4；S3.計算標準化柵條投影標準差；S4.根據(jù)標準化柵條投影標準差來判別不可電擊復律心律和可電擊復律心律。本發(fā)明提高了識別可電擊復律心律的靈敏度和特異性，也簡化了算法的計算復雜度，可應用于現(xiàn)有的心電監(jiān)護儀和自動體外除顫器等需要根據(jù)體表心電圖識別可電擊復律心律的儀器設(shè)備。
文檔編號A61B5/0452GK101474069SQ20091004515
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月12日
發(fā)明者宋海浪, 方祖祥, 鄔小玫 申請人:復旦大學