專利名稱：心電監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層心電信號綜合檢測算法實現(xiàn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到心電監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層心電信號各波形 成分的綜合檢測問題，基于小波變換技術(shù)構(gòu)建一系列檢測方法、檢測準則和閾值參數(shù)，檢測 和識別QRS波群、P波、T波的具體形態(tài)和位置。
背景技術(shù)：
物聯(lián)網(wǎng)是將傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)等感知技術(shù)，通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等傳輸技術(shù)，以及智 能運算、智能處理技術(shù)融為一體的連接物理世界的網(wǎng)絡(luò)。從架構(gòu)上來說，物聯(lián)網(wǎng)由感知層、 網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三部分組成。最底層是感知層，由傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)組成；中間層是網(wǎng)絡(luò) 層，主要由移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)組成；最上層是應(yīng)用層，是指智能運算與智能處理。心電醫(yī)療監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)感知層由監(jiān)護病人身上佩戴的心電監(jiān)護傳感器節(jié)點，傳感器 網(wǎng)關(guān)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，主要完成心電監(jiān)護病人節(jié)點以自組織形式構(gòu)成無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)，通過單跳或多跳方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到傳感器網(wǎng)關(guān)，完成心電信息的采集。網(wǎng)絡(luò)層由互聯(lián) 網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、信息中心和管理中心等構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)層將感知層獲取的信息借助無線通信或 有線通信的方式傳送到心電信息管理中心進行傳遞和處理。應(yīng)用層實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的智能處 理，醫(yī)護工作人員利用計算機或PDA隨時查看病人的心電數(shù)據(jù)，根據(jù)實際情況對病人采取 相應(yīng)措施。心電醫(yī)療監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層需要解決心電信號各波形成分的綜合檢測問題，通 過心電自動分析技術(shù)對心電數(shù)據(jù)進行自動分析處理，給醫(yī)生或病人提供治療依據(jù)。本發(fā)明 基于小波變換、希爾伯特變換和改進包絡(luò)構(gòu)建了一系列檢測方法、檢測準則和閾值參數(shù)，檢 測和識別QRS波群、P波、T波的具體形態(tài)和位置。心電信號的分析和檢測是診斷心臟疾病的重要方法，通過實現(xiàn)對心電信號的自動 分析和診斷可極大減輕醫(yī)務(wù)人員的負擔，同時也可實現(xiàn)對病人的實時監(jiān)護。心電信號的檢 測和處理對信號處理方法和波形識別定位等都提出了技術(shù)挑戰(zhàn)，目前，它已經(jīng)成為信號處 理領(lǐng)域一個比較熱門的研究課題，國內(nèi)外每年都有大量的相關(guān)論文發(fā)表。人們借鑒各種信 號處理方法和模式識別技術(shù)去分析、識別心電波形，使心電分析的診斷技術(shù)水平得到很大 的提高。但是，至今仍沒有一種十全十美的方法對所有正常和異常的心電波形都能做出完 全準確無誤的判別或診斷。本發(fā)明解決心電監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層心電信號各波形成分的綜合檢測問題，基于小 波變換技術(shù)構(gòu)建一系列檢測方法、檢測準則和閾值參數(shù)，檢測和識別QRS波群、P波、T波的 具體形態(tài)和位置?？傮w設(shè)計方案流程示意圖如圖1所示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決心電監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層心電信號各波形成分的綜合檢測 問題，基于小波變換技術(shù)構(gòu)建一系列檢測方法、檢測準則和閾值參數(shù)，提出一種基于小波變 換、希爾伯特變換和改進包絡(luò)對心電信號進行變換的檢測算法，檢測和識別QRS波群、P波、 T波的具體形態(tài)和位置。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是通過小波變換的多分辨率和多尺度，利用不同能量 分布及其信號頻譜來消除在特殊小波尺度的與噪聲相對應(yīng)的無用的部分，選取的母小波為 墨西哥草帽小波。對經(jīng)過小波變換后的信號再進行希爾伯特變換使R點重新成為最高點。 為了加強QRS并減弱噪聲和不需要的P/T波，提出一個改進的包絡(luò)。本發(fā)明的效果和益處是檢測算法具有較好的魯棒性，能夠較好的抑制或消除基 線漂移、高頻干擾等外部因素，心電信號綜合檢測算法經(jīng)MATLAB仿真與MIT-BIH數(shù)據(jù)庫標 注比較，誤檢率為0.89%。


圖1是總體設(shè)計方案流程示意圖；圖2是心電信號的變換步驟示意圖；圖3是R波檢測算法流程示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的最佳實施例。本發(fā)明解決心電監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層心電信號各波形成分的綜合檢測問題，基于小 波變換技術(shù)構(gòu)建一系列檢測方法、檢測準則和閾值參數(shù)，檢測和識別QRS波群、P波、T波的 具體形態(tài)和位置，具體實施步驟是1、心電信號變換和改進包絡(luò)QRS復(fù)合波的絕大部分能量在3-40HZ，ECG噪聲的主要部分包括基線漂移 (0. 15-0. 3Hz)、50/60Hz工頻干擾、肌電干擾(2_5Hz)、人工影響(7Hz以下)和周圍環(huán)境干 擾，而P/T波的主要能量在IOHz以下。通過小波變換的多分辨率和多尺度，我們可以利用 不同能量分布及其信號頻譜來消除在特殊小波尺度的與噪聲相對應(yīng)的無用的部分。本發(fā)明 選取的母小波為墨西哥草帽小波。根據(jù)小波變換的理論，當以平滑函數(shù)的導(dǎo)數(shù)作為母小波進行小波變換時，信號的 奇異點對應(yīng)小波變換的一個正模極大值和一個負模極大值的極值對，信號奇異點的位置對 應(yīng)于極值對的交叉點。因此，本身波峰R點經(jīng)過小波變換后被變?yōu)檫^零點。但經(jīng)驗告訴我 們，檢測最高點比檢測過零點要容易，因此對經(jīng)過小波變換后的信號再進行希爾伯特變換 使R點重新成為最高點。給定時序序列x(t)，則對x(t)可用下式進行希爾伯特變換y(t)=H[x(t)]=~(1)
π Jt-τ假設(shè)分析信號ζ (t)由χ (t)和y (t)組成z(t) = x(t)+jy(t)(2)為了加強QRS并減弱噪聲和不需要的P/T波。一個改進的包絡(luò)被引進如式(3)，可 以解決經(jīng)過兩次變換后的信號與原信號時間相差數(shù)毫秒的問題。心電信號變換步驟如圖2 所示。E(t) = |x(t) |3+|y(t) |3(3)2、QRS波波峰檢測策略
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由于不同被檢測者之間信號幅度差異很大，同一被檢者QRS波的幅度和間隔也可 能在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈的變化，所以本發(fā)明提出了以斜率為閾值的檢測方法并對R-R間隔 閾值進行自適應(yīng)變化。為了更好地防止漏檢、誤檢等發(fā)生，本發(fā)明進一步提出了一系列行之 有效的檢測策略，包括(I)QRS波波峰點初始時一般按照經(jīng)驗?zāi)Ｊ皆O(shè)定閾值來檢測QRS波波峰點，但閾值 過大可導(dǎo)致很長時間內(nèi)檢測不到第一個QRS波波峰點，這不符合心電規(guī)律，所以提出了初 始長時間檢測不到R波時降低閾值重新檢測的策略。(2)初始R-R的波峰間隔要作為以后檢測的閾值，并采取自適應(yīng)變化的方法。因 此，若初始R-R間隔因漏檢或錯檢導(dǎo)致偏差較大，會對以后檢測產(chǎn)生影響，所以提出了對初 始R-R間隔結(jié)合生理特性進行判定的策略。(3)偽跡判定和回檢。用RR表示代表已經(jīng)檢測出的QRS波群間期加權(quán)平均值，即 可變閾值，rr表示當前檢測到的R點與上一個R點的距離，因為生理醫(yī)學上認為相鄰前后 RR間期的范圍為40-166%，且MIT/BIH心律不齊數(shù)據(jù)庫中兩R波間距大于400ms，故采用以 下方法以實現(xiàn)對R點更加精確地檢測①因變換后信號中，噪聲、P波和T波被極大地抑制，其幅度通常小于QRS波幅度， 所以檢測到一個R點后，在其后的340ms內(nèi)檢測是否存在幅度更大的波形。若存在，說明當 前R點為一個偽跡點，而用后來檢測到的R點取代此R點。②當rr彡1.66 X RR時，說明上一個QRS波群與當前R點之間距離過大，有漏檢的 R波。這時要降低檢測斜率閾值為原來的一半，在上一個QRS波群與此R點之間重新進行檢 測。在確認了檢測到的R點后，可以跳過其后的360ms來檢測下一個R點位置，這樣可 以避免大T波和部分噪聲的影響。通過對檢測結(jié)果的分析可得，采用的策略取得了較好的 效果。R波的檢測算法流程如圖3所示。 3、QRS起點和終點的檢測算法檢測到R點位置R. peak后，在[R. peak-100ms, R. peak]期間內(nèi)求各點斜率的絕對 值，在這段時間內(nèi)當連續(xù)四點的斜率漸增，且相隔一個點的兩點的斜率絕對值的增加大于4 倍時，可認為這四點中的起點為QRS波的起點。對終點的檢測則在[R. peak,R. peak+100ms] 內(nèi)采用相同方法檢測。4、P波和T波的檢測算法檢測到R點位置后，我們同樣在小波變換尺度4的希爾伯特變化上檢測T波和P 波，因為該尺度上τ波和P波的成分得到表現(xiàn)和增強。雖然在尺度5和6上T波和P波的成 分更為突出，但這些尺度存在不同程度的基線漂移，T波和P波被濾波的過于平滑和放大， 位置誤差較大。令R點的位置為R. peak,則在[R. peak_250ms，R. peak_30ms]范圍內(nèi)檢測P波，而 在[R.peak+170ms，R.peak+240ms]內(nèi)檢測T波。選擇區(qū)間內(nèi)斜率絕對值大于0. 01，且其后 四點連續(xù)遞增的點，然后在其后30點中選極大值作為P/T波頂點；當沒有斜率的絕對值大 于0. 1時，說明P/T波不存在。當檢測到的頂點前面三點中有兩點斜率為負時，說明P/T波倒置。5、實驗仿真與比較
MIT/BIH數(shù)據(jù)庫包含了各種心律失常病例，并且相當多的病例中還有基線漂移、高 頻干擾、電極滑動脫落等干擾，其中第105號數(shù)據(jù)因包含嚴重噪聲，且最難檢測，被絕大多 數(shù)研究者用來測試算法性能，故采用105號數(shù)據(jù)來驗證算法。通過對105號數(shù)據(jù)的2572個R波進行檢測，共檢測出了 2578個，其中假陽性(FP) 為5，假陰性(FN)為1，檢測出現(xiàn)偏差點為9個。根據(jù)檢測點與實際點相差10毫秒以上記 為偏差，因采樣率為360Hz，所以偏差4點以上記為偏差點，一個偏差點代表一個FP點和一 個FN點。經(jīng)觀察知檢測到的FN點為數(shù)據(jù)末尾的未標注點，是多檢測的一個點，而非假陰性 點，故刪去，F(xiàn)N = 0，然后將偏差點數(shù)分別加到FP和FN,即FP為14，F(xiàn)N為9，檢測錯誤率為 (FP+FN)/2572 = 0.89%。本發(fā)明所提算法對QRS波的的檢測結(jié)果優(yōu)于已發(fā)表的算法。
權(quán)利要求
一種心電監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層心電信號綜合檢測算法實現(xiàn)方法，其特征在于基于小波變換技術(shù)構(gòu)建一系列檢測方法、檢測準則和閾值參數(shù)，檢測和識別QRS波群、P波、T波的具體形態(tài)和位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的心電監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層心電信號綜合檢測算法，其特征在 于通過小波變換的多分辨率和多尺度，利用不同能量分布及其信號頻譜來消除在特殊小 波尺度的與噪聲相對應(yīng)的無用的部分，選取的母小波為墨西哥草帽小波，對經(jīng)過小波變換 后的信號再進行希爾伯特變換使R點重新成為最高點，為了加強QRS并減弱噪聲和不需要 的P/T波，采用一個改進的包絡(luò)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的心電監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層心電信號綜合檢測算法，其特征在 于以斜率為閾值的檢測方法并對R-R間隔閾值進行自適應(yīng)變化，采取初始長時間檢測不 到R波時降低閾值重新檢測的策略；初始R-R的波峰間隔作為以后檢測的閾值，并采取自適 應(yīng)變化的方法；偽跡判定和回檢。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的心電監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層心電信號綜合檢測算法，其特征在 于檢測到R點位置R. peak后，在[R. peak-100ms, R. peak]期間內(nèi)求各點斜率的絕對值， 在這段時間內(nèi)當連續(xù)四點的斜率漸增，且相隔一個點的兩點的斜率絕對值的增加大于4倍 時，可認為這四點中的起點為QRS波的起點，對終點的檢測則在[R. peak,R. peak+100ms]內(nèi) 采用相同方法檢測。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的心電監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層心電信號綜合檢測算法，其特征在 于檢測到R點位置后，在小波變換尺度4的希爾伯特變化上檢測T波和P波，令R點的位 置為 R. peak,則在[R. peak_250ms，R. peak_30ms]范圍內(nèi)檢測 P 波，而在[R. peak+170ms, R. peak+240ms]內(nèi)檢測T波，選擇區(qū)間內(nèi)斜率絕對值大于0. 01，且其后四點連續(xù)遞增的點， 然后在其后30點中選極大值作為P/T波頂點，當沒有斜率的絕對值大于0. 1時，說明P/T 波不存在；當檢測到的頂點前面三點中有兩點斜率為負時，說明P/T波倒置。
全文摘要
一種心電監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層心電信號綜合檢測算法的實現(xiàn)，屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明主要是為解決心電監(jiān)護物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層心電信號各波形成分的綜合檢測問題，基于小波變換技術(shù)構(gòu)建一系列檢測方法、檢測準則和閾值參數(shù)，提出了一種基于小波變換、希爾伯特變換和改進包絡(luò)對心電信號進行變換的檢測算法，檢測和識別QRS波群、P波、T波的具體形態(tài)和位置。本發(fā)明提出的檢測算法具有較好的魯棒性，能夠較好的抑制或消除基線漂移、高頻干擾等外部因素，心電信號綜合檢測算法經(jīng)MATLAB仿真與MIT-BIH數(shù)據(jù)庫標注比較，誤檢率為0.89％。
文檔編號A61B5/0452GK101947112SQ201010286888
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者于曉剛, 李鴻強, 王嘉慶, 田文濤, 苗長云 申請人:天津工業(yè)大學