基于熵的信號異常檢測方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于熵的信號異常檢測方法及裝置，其中，所述信號為包含多個(gè)信號點(diǎn)的時(shí)間序列，所處長度為包含信號點(diǎn)的個(gè)數(shù)，所述方法包括：采用預(yù)定長度的時(shí)間窗口，在所述信號上以信號點(diǎn)為單位進(jìn)行移動，并計(jì)算初始位置的時(shí)間窗口以及每次移動后的時(shí)間窗口所覆蓋的信號段的熵，將各信號段的熵與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，如果信號段的熵大于設(shè)定閾值，則確定該信號段出現(xiàn)異常。本發(fā)明實(shí)施例提供的基于熵的信號異常檢測方法及裝置，采用了以點(diǎn)為單位進(jìn)行時(shí)間窗口移動，并逐數(shù)據(jù)段計(jì)算對應(yīng)數(shù)據(jù)段的熵，這樣，能夠更加準(zhǔn)確地檢測出整個(gè)信號范圍中的異常情況。
【專利說明】基于熵的信號異常檢測方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于熵的信號異常檢測方法及裝 置。

【背景技術(shù)】
[0002] 樣本熵/近似熵是衡量信號的時(shí)間序列復(fù)雜性的一種度量，只需要比較短的數(shù)據(jù) 就能估計(jì)出比較穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)值，信號越復(fù)雜，越隨機(jī)，該統(tǒng)計(jì)值越大。近年來，樣本熵/近似 熵廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是在房顫上，例如通過計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的RR間隔的樣 本熵/近似熵的值，能夠根據(jù)該值的范圍來確定該段時(shí)間內(nèi)是否發(fā)生房顫，此外樣本熵/近 似熵也可以用于噪音的檢測。
[0003] 傳統(tǒng)的樣本熵/近似熵的計(jì)算復(fù)雜度為0(N*N)，其中，0表示復(fù)雜度的計(jì)算函數(shù)。 判斷某一信號是否存在噪音，可以逐段計(jì)算樣本熵/近似熵，如果加入整個(gè)數(shù)據(jù)段的長度 為L，則計(jì)算的復(fù)雜度為0(N*N*L/N) = 0(N*L)。例如一段時(shí)間窗口包含100個(gè)點(diǎn)，則只能計(jì) 算第1-100個(gè)點(diǎn)、第101-200個(gè)點(diǎn)....的樣本上/近似熵，而無法計(jì)算第50-150個(gè)點(diǎn)，或第 2-101個(gè)點(diǎn)、第3-102個(gè)點(diǎn)等連續(xù)時(shí)間窗口的樣本熵/近似熵。也就是說這樣的計(jì)算方式會 漏掉任意兩段時(shí)間窗口之間的噪音，即突發(fā)的，持續(xù)比較短的噪音的判定。因而比較有效地 方式是以一個(gè)點(diǎn)為中心，分別計(jì)算該點(diǎn)兩邊隔N/2長度的樣本熵/近似熵，然后移動到下一 個(gè)點(diǎn)。這樣整個(gè)信號長度的檢測時(shí)間復(fù)雜度就為〇(N*N*L)。Y. Jiang等人通過K-D數(shù)的方 式將長度為N的一段數(shù)據(jù)的樣本熵的計(jì)算復(fù)雜度降為0(N*l〇g(N))，GaSpor Fele-Sorg 等人根據(jù)skip list等方法進(jìn)行熵的快速計(jì)算。在實(shí)現(xiàn)上述熵值的計(jì)算的過程中，發(fā)明人 發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在如下問題：首先計(jì)算復(fù)雜度高，例如當(dāng)N較小，例如4000的情況 下，所估計(jì)的統(tǒng)計(jì)值效果不明顯，其次上述方法只是對一段數(shù)據(jù)的樣本熵/近似熵的計(jì)算， 而不是對連續(xù)時(shí)間窗口的樣本熵的計(jì)算。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的實(shí)施例提供一種基于熵的信號異常檢測方法及裝置，用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度 低，且能夠?qū)B續(xù)時(shí)間窗口的熵進(jìn)行計(jì)算，能夠基于所計(jì)算出的熵快速的判斷所輸入的信 號是否異常。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種基于熵的信號異常檢測方法，其中，所述信號為包含多個(gè)信號點(diǎn)的時(shí)間序列， 所處長度為包含信號點(diǎn)的個(gè)數(shù)，所述方法包括：
[0007] 采用預(yù)定長度的時(shí)間窗口，在所述信號上以信號點(diǎn)為單位進(jìn)行移動，并計(jì)算初始 位置的時(shí)間窗口以及每次移動后的時(shí)間窗口所覆蓋的信號段的熵，將各信號段的熵與預(yù)設(shè) 的閾值進(jìn)行比較，如果信號段的熵大于設(shè)定閾值，則確定該信號段出現(xiàn)異常。
[0008] -種基于熵的信號異常檢測裝置，其中，所述信號為包含多個(gè)信號點(diǎn)的時(shí)間序列， 所處長度為包含信號點(diǎn)的個(gè)數(shù)，所述裝置包括：
[0009] 窗口移動模塊，用于以預(yù)定長度的時(shí)間窗口在所述信號上以信號點(diǎn)為單位進(jìn)行移 動；
[0010] 熵計(jì)算模塊，用于計(jì)算初始位置的時(shí)間窗口以及每次移動后的時(shí)間窗口所覆蓋的 信號段的熵；
[0011] 信號段異常確定模塊，用于將各信號段的熵與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，如果信號段 的熵大于設(shè)定閾值，則確定該信號段出現(xiàn)異常。
[0012] 本發(fā)明實(shí)施例提供的基于熵的信號異常檢測方法及裝置，采用了以點(diǎn)為單位進(jìn)行 時(shí)間窗口移動，并逐數(shù)據(jù)段計(jì)算對應(yīng)數(shù)據(jù)段的熵，這樣，能夠更加準(zhǔn)確地檢測出整個(gè)信號范 圍中的異常情況。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為發(fā)明實(shí)施例的信號結(jié)構(gòu)以及時(shí)間窗口移動的示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的近似熵的計(jì)算流程示意圖。
[0015] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的基于熵的信號異常檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0017] 實(shí)施例1
[0018] 在發(fā)明本實(shí)施例中，信號為包含多個(gè)信號點(diǎn)的時(shí)間序列，信號的長度定義為包含 信號點(diǎn)的個(gè)數(shù)，例如圖1所示，整個(gè)信號的長度為P，即包含P個(gè)信號點(diǎn)。
[0019] 本發(fā)明實(shí)施例的基于熵的信號異常檢測方法包括：采用預(yù)定長度的時(shí)間窗口，在 信號上以信號點(diǎn)為單位進(jìn)行移動，并計(jì)算初始位置的時(shí)間窗口以及每次移動后的時(shí)間窗口 所覆蓋的信號段的熵，將各信號段的熵與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，如果信號段的熵大于設(shè)定 閾值，則確定該信號段出現(xiàn)異常。時(shí)間窗口是沿著時(shí)間序列進(jìn)行移動的窗口，主要作用是選 定用來計(jì)算熵的信號段，如圖1所示，時(shí)間窗口的長度設(shè)定為N，時(shí)間窗口以點(diǎn)為單位移動， 每次移動多個(gè)點(diǎn)，但是，在本發(fā)明實(shí)施例中，優(yōu)選為每次移動一個(gè)點(diǎn)，這樣能夠更加精確地 對信號的變化進(jìn)行判斷，從而能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)異常信號段。
[0020] 進(jìn)一步地，在計(jì)算初始位置的時(shí)間窗口（如圖1所示，當(dāng)時(shí)間窗口處于數(shù)據(jù)段的 最左邊的位置，當(dāng)然也可以選擇數(shù)據(jù)段中的任何位置作為初始位置）所覆蓋的數(shù)據(jù)段的熵 后，在之后的窗口移動中，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)段的計(jì)算就可以采用相對簡便的計(jì)算方法了。具體 地，在計(jì)算移動后的時(shí)間窗口所覆蓋的信號段的熵時(shí)，從移動前的時(shí)間窗口所覆蓋的信號 段的數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的用于計(jì)算熵的第一運(yùn)算數(shù)據(jù)中，去除在時(shí)間窗口移動的過程中移除掉的 數(shù)據(jù)點(diǎn)所對應(yīng)的第一子運(yùn)算數(shù)據(jù)，補(bǔ)入新加入的數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的第二子運(yùn)算數(shù)據(jù)，生成第二 運(yùn)算數(shù)據(jù)，基于該第二運(yùn)算數(shù)據(jù)計(jì)算移動后的時(shí)間窗口所覆蓋的信號段的熵。
[0021] 簡單地來說，以每次移動一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為例，由于在計(jì)算初始位置的時(shí)間窗口對應(yīng) 的數(shù)據(jù)段的熵的過程中，已經(jīng)對該數(shù)據(jù)段中的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)（用于熵計(jì)算的中間 數(shù)據(jù)）進(jìn)行了計(jì)算，因此，在時(shí)間窗口的移動過程中，只需要在這些中間數(shù)據(jù)中，去除掉那 些移除掉的數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的中間數(shù)據(jù)，加入新加入的數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的中間數(shù)據(jù)即可，在此基礎(chǔ) 上再進(jìn)行熵的計(jì)算。由此，能夠大幅減少數(shù)據(jù)計(jì)算量，提高時(shí)間窗口移動過程中的計(jì)算效 率。
[0022] 在本發(fā)明實(shí)施例的基于熵的信號異常檢測方法中，熵可以具體為近似熵或樣本 熵，下面將分別說明在這兩種情況下的計(jì)算處理，其中，定義信號的長度為P，定義時(shí)間窗口 的預(yù)定長度為N，其中，N小于P，定義模式維數(shù)為m，相似容限為r。
[0023] 1、近似熵
[0024] 1)如圖2所示，當(dāng)時(shí)間窗口位于初始位置時(shí)，可以按照如下步驟計(jì)算該時(shí)間窗口 所覆蓋的初始的信號段的近似熵：
[0025] 步驟11 :將該初始的信號段所包含的信號點(diǎn)按照順序組成N-m+1個(gè)m維矢量，后 一個(gè)矢量相對前一個(gè)矢量移動一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。
[0026] 步驟12 :計(jì)算每個(gè)m維矢量相對于自身以及其他m維矢量的多個(gè)距離值，在該步 驟中，可以具體采用如下公式計(jì)算：
[0027] 基于下式計(jì)算信號段中的矢量Xi和Xj之間的距離(![X i, Xj]，

【權(quán)利要求】
1. 一種基于熵的信號異常檢測方法，其特征在于，所述信號為包含多個(gè)信號點(diǎn)的時(shí)間 序列，信號的長度為包含信號點(diǎn)的個(gè)數(shù)，所述方法包括： 采用預(yù)定長度的時(shí)間窗口，在所述信號上以信號點(diǎn)為單位進(jìn)行移動，并計(jì)算初始位置 的時(shí)間窗口以及每次移動后的時(shí)間窗口所覆蓋的信號段的熵，將各信號段的熵與預(yù)設(shè)的閾 值進(jìn)行比較，如果信號段的熵大于設(shè)定閾值，則確定該信號段出現(xiàn)異常。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在計(jì)算移動后的時(shí)間窗口所覆蓋的信號 段的熵時(shí)，從移動前的時(shí)間窗口所覆蓋的信號段的數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的用于計(jì)算熵的第一運(yùn)算數(shù) 據(jù)中，去除在時(shí)間窗口移動的過程中移除掉的數(shù)據(jù)點(diǎn)所對應(yīng)的第一子運(yùn)算數(shù)據(jù)，補(bǔ)入新加 入的數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的第二子運(yùn)算數(shù)據(jù)，生成第二運(yùn)算數(shù)據(jù)，基于該第二運(yùn)算數(shù)據(jù)計(jì)算所述移 動后的時(shí)間窗口所覆蓋的信號段的熵。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述信號的長度為P，所述時(shí)間窗口的預(yù) 定長度為N,其中，N小于P,定義模式維數(shù)為m,相似容限為r,所述熵為近似熵， 當(dāng)時(shí)間窗口位于初始位置時(shí)，按照如下步驟計(jì)算該時(shí)間窗口所覆蓋的初始的信號段的 近似熵： 將該初始的信號段所包含的信號點(diǎn)按照順序組成N-m+1個(gè)m維矢量，后一個(gè)矢量相對 前一個(gè)矢量移動一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)； 計(jì)算每個(gè)m維矢量相對于自身以及其他m維矢量的多個(gè)距離值； 將每個(gè)m維矢量對應(yīng)的多個(gè)距離值分別與r進(jìn)行比較，并統(tǒng)計(jì)距離值小于r的個(gè)數(shù)作 為該m維矢量對應(yīng)的第一統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)<(r)，其中，i為矢量編號，i = 1，2,. . .，N-m+1 ; 將m值加1后，重復(fù)上述處理計(jì)算每個(gè)m+1維矢量對應(yīng)的第二統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)Wf+1O); 根據(jù)如下公式計(jì)算該初始的信號段的近似熵：
當(dāng)時(shí)間窗口位于初始位置以外的位置時(shí)，按照如下步驟計(jì)算該時(shí)間窗口所覆蓋的非初 始的信號段的近似熵，其中，所述第一運(yùn)算數(shù)據(jù)為移動前的時(shí)間窗口所覆蓋的信號段的各 個(gè)m維矢量對應(yīng)的<(/·)和<+1(r): 計(jì)算新加入點(diǎn)所在的m維矢量和m+1維矢量所對應(yīng)的<\r)和; 將該新加入點(diǎn)對應(yīng)的《,w(r)和<H+1(r)加入到所述第一運(yùn)算數(shù)據(jù)中，并從所述第一運(yùn) 算數(shù)據(jù)中去掉移除的點(diǎn)對應(yīng)的《,"(r)和<μ(γ)，生成所述第二運(yùn)算數(shù)據(jù)，然后基于該第二 運(yùn)算數(shù)據(jù)通過上述公式計(jì)算該非初始的信號段的近似熵。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述信號的長度為Ρ，所述時(shí)間窗口的預(yù) 定長度為Ν,其中，N小于Ρ,定義模式維數(shù)為m,相似容限為r,所述熵為樣本熵， 當(dāng)時(shí)間窗口位于初始位置時(shí)，按照如下步驟計(jì)算該時(shí)間窗口所覆蓋的初始的信號段的 樣本熵： 將該初始的信號段所包含的信號點(diǎn)按照順序組成Ν-m+l個(gè)m維矢量，后一個(gè)矢量相對 前一個(gè)矢量移動一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)； 計(jì)算每個(gè)m維矢量相對于其他m維矢量的多個(gè)距離值； 將每個(gè)m維矢量對應(yīng)的多個(gè)距離值分別與r進(jìn)行比較，并統(tǒng)計(jì)距離值小于r的個(gè)數(shù)作 為該m維矢量對應(yīng)的第一統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)〇)，其中，i為矢量編號，i = 1，2,. . .，Ν-m+l ; 將m值加1后，重復(fù)上述處理計(jì)算每個(gè)m+1維矢量對應(yīng)的第二統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)<H+1(r); 根據(jù)如下公式計(jì)算該初始的信號段的樣本熵：
當(dāng)時(shí)間窗口位于初始位置以外的位置時(shí)，按照如下步驟計(jì)算該時(shí)間窗口所覆蓋的非初 始的信號段的樣本熵，其中，所述第一運(yùn)算數(shù)據(jù)為移動前的時(shí)間窗口所覆蓋的信號段的各 個(gè)m維矢量對應(yīng)的《 f (r)和<+1(Γ): 計(jì)算新加入點(diǎn)所在的m維矢量和m+1維矢量所對應(yīng)的《了〇)和; 將該新加入點(diǎn)對應(yīng)的《Τ0)和^r1O)加入到所述第一運(yùn)算數(shù)據(jù)中，并從所述第一運(yùn) 算數(shù)據(jù)中去掉移除的點(diǎn)對應(yīng)的和《'廣1Cr),生成所述第二運(yùn)算數(shù)據(jù)，然后基于該第 二運(yùn)算數(shù)據(jù)通過上述公式計(jì)算該非初始的信號段的樣本熵。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算每個(gè)m維矢量相對于自身以及其 他m維矢量的多個(gè)距離值的處理包括： 基于下式計(jì)算所述信號段中的矢量Xi和\之間的距離（![Xi, Xj]， 列尤，?=?I ，其中，Xi = [xi，Xi+1，…，xi+m-i]，Xj = [X^ i = 1，2,...，N-m+1，j = 1，2，…，N_m+l〇
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算每個(gè)m維矢量相對于其他m維矢 量的多個(gè)距離值的處理包括： 基于下式計(jì)算所述信號段中的矢量Xi和\之間的距離（![Xi, Xj]， d[XnXj} = A jnax Jx,.+i -xy+i| 其中，Xi = [XilXw,... ,XpnriLxj = [Xj, xJ+1，…，Xpni-J, ， i = 1，2, · · ·，N-m+1，j = 1，2，…，N-m+1，i # j〇
7. 根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述信號為心電信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7任一所述的方法，其特征在于，采用預(yù)定長度的時(shí)間窗口，在所 述信號上以信號點(diǎn)為單位進(jìn)行移動的處理包括：采用預(yù)定長度的時(shí)間窗口，在所述信號上 以信號點(diǎn)為單位進(jìn)行移動，每次移動一個(gè)信號點(diǎn)。
9. 一種基于熵的信號異常檢測裝置，其特征在于，所述信號為包含多個(gè)信號點(diǎn)的時(shí)間 序列，信號的長度為包含信號點(diǎn)的個(gè)數(shù)，所述裝置包括： 窗口移動模塊，用于以預(yù)定長度的時(shí)間窗口在所述信號上以信號點(diǎn)為單位進(jìn)行移動； 熵計(jì)算模塊，用于計(jì)算初始位置的時(shí)間窗口以及每次移動后的時(shí)間窗口所覆蓋的信號 段的熵； 信號段異常確定模塊，用于將各信號段的熵與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，如果信號段的熵 大于設(shè)定閾值，則確定該信號段出現(xiàn)異常。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述熵計(jì)算模塊包括： 初始窗口熵的計(jì)算模塊，用于計(jì)算初始窗口的熵； 非初始窗口熵的計(jì)算模塊，用于計(jì)算非初始窗口的熵，具體處理包括：從移動前的時(shí)間 窗口所覆蓋的信號段的數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的用于計(jì)算熵的第一運(yùn)算數(shù)據(jù)中，去除在時(shí)間窗口移動 的過程中移除掉的數(shù)據(jù)點(diǎn)所對應(yīng)的第一子運(yùn)算數(shù)據(jù)，補(bǔ)入新加入的數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的第二子運(yùn) 算數(shù)據(jù)，生成第二運(yùn)算數(shù)據(jù)，基于該第二運(yùn)算數(shù)據(jù)計(jì)算所述移動后的時(shí)間窗口所覆蓋的信 號段的熵。
【文檔編號】G06F19/00GK104392137SQ201410722381
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】侯桂文 申請人:北京海思敏醫(yī)療技術(shù)有限公司