一種心電信號(hào)r波定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 該發(fā)明是一種心電信號(hào)R波定位方法，主要針對(duì)人體濾波后的心電信號(hào)，采用多 項(xiàng)式擬合心電曲線，并對(duì)擬合曲線進(jìn)行兩次微分以增強(qiáng)心電信號(hào)的峰值，從而確定R波的 位置，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)R波的準(zhǔn)確定位，以及R波峰值和RR間期特征的識(shí)別。
【背景技術(shù)】
[0002] 心電信號(hào)（Electrocardiogram，ECG)記錄了心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)、 心房、心室相繼興奮，伴隨的電能量的變化，其形態(tài)變化反映了人體心臟功能，是反應(yīng)心臟 狀態(tài)的參考依據(jù)，準(zhǔn)確識(shí)別心電信號(hào)的變化特征顯得至關(guān)重要。
[0003] 心電信號(hào)的幅度范圍大約在10yV-5mV，頻率范圍大約在0. 05-100Hz。典型的心 電信號(hào)波形如圖1所示：心電信號(hào)是由許多特征部分組成，分別為：P波、Q波、R波、S波、T 波，其中Q波、R波、S波同屬于QRS波群中。QRS波群起點(diǎn)對(duì)應(yīng)于Q波峰之前的第一個(gè)斜率 突變點(diǎn)，QRS波群的終點(diǎn)對(duì)應(yīng)于S波峰之后的第一個(gè)斜率突變點(diǎn)。QRS波群的終點(diǎn)到T波起 點(diǎn)的一段稱為ST段。在心電信號(hào)特征波形的定位與檢測過程中，QRS復(fù)合波群在心電圖中 表現(xiàn)為其R波波峰峰值明顯大于其他位置幅值，且其在心電信號(hào)中占據(jù)時(shí)間短。通常QRS波 群的定位是心電特征提取的關(guān)鍵，而QRS波群的確定首先要先識(shí)別R波的波峰，R波是QRS 波群中的正向波峰，相較于P波和T波，具有幅值高、上升下降斜率大的特點(diǎn)。R波作為心電 信號(hào)最顯著特征，其定位正確與否直接關(guān)系到QRS波群、ST段位移、T波等其它特征的正確 提取。
[0004] 目前常見的R波定位方法差分閾值法、峰值檢測法、可變斜率閾值法等，這類方法 簡單易于實(shí)現(xiàn)，但是由于檢測時(shí)干擾的存在和預(yù)先設(shè)定閾值的不準(zhǔn)確，通常R波錯(cuò)誤識(shí)別 率較高。此外，現(xiàn)在還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、模板匹配等先進(jìn)的信號(hào)處理方法用于R波的 定位，但是這些方法都比較復(fù)雜，計(jì)算量大，不適合心電信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。對(duì)于實(shí)際非標(biāo)準(zhǔn) 的動(dòng)態(tài)心電信號(hào)R波識(shí)別效果并不理想，所以，隨著心電監(jiān)護(hù)社會(huì)的需求日益增加，有必要 研究一種新的計(jì)算簡單、適應(yīng)性強(qiáng)的R波定位方法，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)特征的快速準(zhǔn)確識(shí)別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 人體心電信號(hào)反映了心肌細(xì)胞有規(guī)律的除極復(fù)極過程，準(zhǔn)確識(shí)別心電信號(hào)特征對(duì) 了解心臟功能具有重要意義。采用心電檢測儀采集出的人體心臟信號(hào)S(t)，通常經(jīng)過濾波 方法去除基線漂移、工頻干擾、肌電干擾等檢測時(shí)參雜的干擾信號(hào)，可以獲得較為清晰的心 電信號(hào)A/),然后采用特征提取方法提取心電信號(hào)特征，以反映心臟功能的強(qiáng)弱。
[0006] 本發(fā)明針對(duì)濾波后的心電信號(hào)A/).通過采用多項(xiàng)式對(duì)人體心電信號(hào)進(jìn)行擬合， 并通過對(duì)擬合曲線的兩次微分增強(qiáng)心電信號(hào)的峰值，由此確定R波的位置。最后實(shí)現(xiàn)R波 的準(zhǔn)確定位，R波峰值和RR間期特征的提取，為心電信號(hào)其它特征的識(shí)別奠定基礎(chǔ)。該方 法不僅計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)，而且準(zhǔn)確率高，也為心電信號(hào)快速有效識(shí)別提供了新途徑。
[0007] 本發(fā)明提供一種基于多項(xiàng)式擬合曲線二次微分的心電信號(hào)R波定位方法，其中：
[0008]設(shè)函數(shù)s(x)為濾波后的心電信號(hào)，采樣點(diǎn)時(shí)間，f$采樣點(diǎn)Xi心電信號(hào)幅 值，其中i= 〇, 1，2. ..，N，
[0009] 基于多項(xiàng)式擬合曲線二次微分的心電信號(hào)R波定位方法具體步驟如下：
[0010]設(shè)X為心電信號(hào)當(dāng)前采樣點(diǎn)時(shí)間，心電信號(hào)采樣時(shí)間間隔為At，采樣時(shí)間點(diǎn)X1、X2 分別表示X+At、x+2At，Xi、X2為分別表示X-At、X-2At，fi、f2、fpf2分別為時(shí)間Xi、 x2、X2對(duì)應(yīng)心電信號(hào)的幅值，采用插值多項(xiàng)式s(x)擬合心電信號(hào)S(X)可得：
[0011] S (X)=L2(X)f2+Li(X)f!+L1(X)!^+L2(X)f2，
[0012] 其中
[0024] 設(shè)s' (X)在時(shí)間叉^"心知對(duì)應(yīng)心電信號(hào)的斜率為廣2，f'i，f'i，f' 2， 對(duì)心電信號(hào)斜率曲線s' (x)進(jìn)行多項(xiàng)式插值計(jì)算并求取斜率，從而獲得心電信號(hào)S(X)經(jīng) 過二次插值計(jì)算和微分后的峰值增強(qiáng)曲線s" (X):
[0025]s" (X)=人2f' 2+Axf'j+ A Jfr1+A2f,2,
[0026]設(shè)定R波峰值閾值為0，當(dāng)s" (x)曲線采樣點(diǎn)Xi的幅值s"(x;) > 9時(shí)，乂;便 可確定為R峰的位置xR。
[0027] 此外，為了簡化微分計(jì)算，令實(shí)驗(yàn)采樣點(diǎn)時(shí)間為：
[0028] Xi=i?At,
[0029] 貝Ij
[0035] 本發(fā)明的方法不僅計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)，而且準(zhǔn)確率高，為心電信號(hào)快速有效識(shí)別 提供新途徑。
【附圖說明】
[0036] 附圖1為典型心電信號(hào)波形。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 人體心電信號(hào)反映了心肌細(xì)胞有規(guī)律的除極復(fù)極過程，采用心電檢測儀采集出人 體心臟信號(hào)S(t)，并經(jīng)過濾波方法去除基線漂移、工頻干擾、肌電干擾等檢測時(shí)參雜的干擾 信號(hào)，獲得較為清晰的心電信號(hào)<?(0，然后采用特征提取方法提取心電信號(hào)QRS波、RR間 期、S波、T波、ST段位移、ST段斜率等特征，以反映心臟功能的強(qiáng)弱。
[0038] 人體心電信號(hào)反映了心肌細(xì)胞有規(guī)律的除極復(fù)極過程，采用心電檢測儀采集出人 體心臟信號(hào)S(t)，并經(jīng)過濾波方法去除基線漂移、工頻干擾、肌電干擾等檢測時(shí)參雜的干擾 信號(hào)，獲得較為清晰的心電信號(hào)然后采用特征提取方法提取心電信號(hào)QRS波、RR間 期、S波、T波、ST段位移、ST段斜率等特征，以反映心臟功能的強(qiáng)弱。
[0039] 本發(fā)明主要針對(duì)濾波后心電信號(hào)的R波位置、R波波峰的特征提取提出了新方法， 采用對(duì)多項(xiàng)式擬合心電曲線，并對(duì)擬合曲線進(jìn)行二次微分，以增強(qiáng)QRS波群，并減弱P波和 T波，然后根據(jù)斜率大點(diǎn)確定QRS波群位置，最后實(shí)現(xiàn)R波定位、R波波峰和RR間期特征識(shí) 另IJ。這種方法既沒有使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，又容易實(shí)現(xiàn)。具體過程如下：
[0040] 設(shè)S(X)為濾波后的人體心電信號(hào)，\為采樣點(diǎn)時(shí)間，fi為采樣點(diǎn)Xi心電信號(hào)幅 值，i= 0, 1，2. ..，N?；诙囗?xiàng)式擬合曲線二次微分的心電信號(hào)R波定位方法具體步驟如 下：
[0041 ] ①設(shè)X為心電信號(hào)當(dāng)前采樣點(diǎn)時(shí)間，心電信號(hào)采樣時(shí)間間隔為At，采樣時(shí)間點(diǎn)XpX2分別表示X+At、x+2At，同樣地，Xi、x2為分別表示X-At、x_2At;再設(shè)f 分別為時(shí)間XpX2、Xl、X2對(duì)應(yīng)心電信號(hào)的幅值。采用插值多項(xiàng)式S(X)擬合心電信號(hào)S(X) 可得：
[0042]s(x) =L2 (x)f2+L!(x)f!+L1 (x)f!+L2 (x)f2 (I)
[0043] 其中
[0048] 為增強(qiáng)心電信號(hào)峰值，根據(jù)公式（1)計(jì)算多項(xiàng)式近似曲線s(x)的斜率s' (x):
[0061] ②由于R峰是心電信號(hào)QRS波群的斜率變化最劇烈的地方，為對(duì)R峰進(jìn)行準(zhǔn)確定 位，設(shè)s'(X)在時(shí)間Xi、X2、Xi、X2對(duì)應(yīng)心電信號(hào)的斜率為f' 2,f'W W 2,再根 據(jù)公式（2)對(duì)心電信號(hào)斜率曲線s' (X)進(jìn)行多項(xiàng)式插值計(jì)算并求取斜率，從而獲得心電信 號(hào)S(X)經(jīng)過二次插值計(jì)算和微分后的峰值增強(qiáng)曲線S" (X):
[0062] s"(X)=人 2f' 2+Axf'j+AJfr1+A2f,2 (4)
[0063] 并由此獲得采樣點(diǎn)x。處二次峰值增強(qiáng)后幅值為：
[0065] ③設(shè)定R波峰值閾值為Q，當(dāng)s" (x)曲線采樣點(diǎn)Xi的幅值s"(x;) >9時(shí)，Xi 便可確定為R峰的位置xR，從而在心電信號(hào)s(X)中找到其對(duì)應(yīng)的R峰峰值fR，以及兩個(gè)R 峰之間的時(shí)間間隔，即RR間期Trr。
[0066] 上述說明示出并描述了本發(fā)明的若干優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并非局限于本 文所披露的形式，不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除，本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫 離本發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于多項(xiàng)式擬合曲線二次微分的心電信號(hào)R波定位方法，其特征在于： 設(shè)函數(shù)S(x)為濾波后的心電信號(hào)，Xl為采樣點(diǎn)時(shí)間，fi為采樣AXl心電信號(hào)幅值，其 中i= 0, 1，2. ? ?，N， 基于多項(xiàng)式擬合曲線二次微分的心電信號(hào)R波定位方法具體步驟如下： 設(shè)x為心電信號(hào)當(dāng)前采樣點(diǎn)時(shí)間，心電信號(hào)采樣時(shí)間間隔為At，采樣時(shí)間點(diǎn)Xl、^分 別表示x+At、x+2At，xi、x2為分別表示X-At、x_2At，f丨、f2、f2分別為時(shí)間x丨、x2、 Xl、x2對(duì)應(yīng)心電信號(hào)的幅值，采用插值多項(xiàng)式s(x)擬合心電信號(hào)s(x)可得： S(X)= L2 (X) f2+L i(X) fi+Li(X)fi+I^(x) f2， 其中為增強(qiáng)心電信號(hào)峰值，計(jì)算多項(xiàng)式近似曲線s(x)的斜率S' (X):設(shè)s' (X)在時(shí)間義^^心知對(duì)應(yīng)心電信號(hào)的斜率為廣2，f' i，f' i，f'2，對(duì)心 電信號(hào)斜率曲線S' (X)進(jìn)行多項(xiàng)式插值計(jì)算并求取斜率，從而獲得心電信號(hào)S(x)經(jīng)過二 次插值計(jì)算和微分后的峰值增強(qiáng)曲線S" (X): s" (x)= \ 2f'2+Axf'j+ A jfr1+A2f, 2, 設(shè)定R波峰值閾值為0，當(dāng)s" (X)曲線采樣點(diǎn)Xi的幅值S" (Xi) > 0時(shí)，Xi便可確 定為R峰的位置XR。2.如權(quán)利要求1所述的心電信號(hào)R波定位方法，其特征在于： 令實(shí)驗(yàn)米樣點(diǎn)時(shí)間為： Xi=i?At? 則所以，獲得采樣點(diǎn)X(]處心電擬合曲線的斜率為：采樣點(diǎn)&處二次峰值增強(qiáng)后幅值為：
【專利摘要】本發(fā)明針對(duì)濾波后的心電信號(hào)，通過采用插值多項(xiàng)式法對(duì)人體心電信號(hào)進(jìn)行擬合，并通過兩次曲線微分增強(qiáng)心電信號(hào)的峰值，由此確定R波的位置。本發(fā)明的方法不僅計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)，而且準(zhǔn)確率高，為心電信號(hào)快速有效識(shí)別提供新途徑。
【IPC分類】A61B5/0456
【公開號(hào)】CN105078447
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510398092
【發(fā)明人】何宏, 王爭, 譚永紅, 王月霞, 閆曉雯
【申請(qǐng)人】上海師范大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年7月8日