基于dcg心電信號的r波檢測新算法

基于dcg心電信號的r波檢測新算法

r波的正確定位有助于預(yù)防和診斷心臟猝死的臨床意義。動態(tài)心電圖（cdg）作為一種診斷心臟疾病的工具，在臨床上沒有創(chuàng)傷性。心跳速率變化分析、心率減速法分析、宮理化率振動分析和t波電交替分析是基于dg的有效報警心律失常方法，這些分析方法取決于正確的r波檢測。非實時的R波檢測方法包括小波分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法,雖然檢測效果較好,但運算量大、原理復(fù)雜,不易重現(xiàn);而實時的R波檢測方法,其檢測效率高、速度快、原理簡單、易于重現(xiàn),已經(jīng)成為近幾年的研究熱點.文獻提出了兩種實時的R波檢測算法——最大值雙重搜索技術(shù)和差分運算方法,兩種算法的共同點是利用心電信號中R波斜率大的特點,以相鄰點之間的斜率為主要特征對R波進行檢測.上述算法對噪聲干擾比較敏感,在檢測R波之前需要對原始信號進行基線漂移校正,對于采樣頻率較低的DCG心電信號的處理效果不夠理想.筆者提出了一種基于DCG心電信號的R波檢測新算法,利用了R波波峰斜率大、幅度高的特點,提取了平均雙向斜率和相對高度兩項特征,對MIT-BIHLong-TermECG數(shù)據(jù)庫中的全部7個樣本實現(xiàn)了R波波峰點坐標的定位.通過與另外兩種實時的R波檢測算法的對比,驗證了本文所提算法的可行性.1r波的準確定位一個正常心電圖的每個心動周期由P波、Q波、R波、S波、T波以及U波組成(如圖1所示).其中特征最為顯著的是R波,它充分反映了心室收縮時心臟的電行為,因此解決心動周期提取問題的關(guān)鍵就是R波的準確定位.觀察發(fā)現(xiàn),QRS波群中的QR波和RS波斜率高、幅度大.利用這兩個特點,對心電信號這兩方面的特征進行提取可以突顯R波波峰的位置,從而達到準確定位R波的目的.1.1斜率步長的設(shè)定在對心電信號的處理中,定義斜率步長為用于求取斜率的兩采樣點間的采樣點間隔.設(shè)N(i)為心電圖中采樣點i的縱坐標(i點對應(yīng)的電壓值),f為心電信號的采樣頻率.采樣點i和采樣點j之間的斜率為由于采樣頻率f是一個定值,因此相鄰采樣點間的時間間隔相等,于是式(1)可以簡化為在式(2)中,采樣點i和j的斜率步長就是i-j.因為DCG心電信號的采樣頻率較小,如果斜率步長設(shè)置得不夠合理,容易誤將偽R波(如圖2(a)所示)或畸形T波(如圖2(b)所示)誤識為R波.為了防止這兩種情況的發(fā)生,需要對斜率步長進行合理設(shè)定.本文所采用的MIT-BIHLong-TermECG數(shù)據(jù)庫所有心電信號的采樣頻率均為128,Hz,文獻表明,一般QRS波的時間是0.06,s左右,也就是說QR斜率步長與RS斜率步長的和大約在7個采樣點左右(0.06÷(1÷128)=7.68),為突顯QR斜率和RS斜率高的同時保持R波的對稱性,QR坡的斜率步長和RS坡的斜率步長統(tǒng)一取3.1.2平均雙向斜率的計算為突顯出R波兩側(cè)斜率高的特性,本文定義了前向斜率、后向斜率以及平均雙向斜率3個概念.設(shè)t為斜率步長.對采樣點i而言,點i與點i-t之間的斜率k1(i)為點i的前向斜率,即而點i與點i+t之間的斜率的相反數(shù)k2(i)為點i的后向斜率,即點i的前向斜率k1(i)和后向斜率k2(i)的平均值m(i)為點i的平均雙向斜率,即將式(3)和式(4)代入式(5),得由于對每個點i而言t都相等,因此在計算平均雙向斜率時,式(6)可簡化為如圖3所示,在平均雙向斜率序列中,R波波峰的位置更加突出,識別起來更加容易.1.3初始平均雙向斜率閾值的確定定位第1個R波波峰是定位全部R波前需要解決的首要問題.只有確定了第1個R波波峰的位置才能獲得R波形態(tài)特征的閾值,進而迭代地把R波檢測進行下去.第1個R波波峰的定位依賴于初始平均雙向斜率閾值的確定:首先在信號開頭的至少含有2個R波的信號段中求取最大平均雙向斜率x;然后選擇一個合適的閾值r(如0.6),以xr為平均雙向斜率的閾值重新搜索這一段信號,可以定位第1個最大平均雙向斜率的位置loc.在該點附近(loc-5~loc+5)搜索到的最大峰值top(如式(8)所示)就是第1個R波波峰的位置.1.4相對高度序列為突顯R波幅度特性的同時又能克服某些具有基線漂移(如圖4(a)和4(b)所示)的信號在R波檢測中的干擾,本文定義前向相對高度、后向相對高度以及相對高度的概念.對采樣點i而言,點i與點i-t之間的縱坐標之差h1(i)為點i的前向相對高度,即點i與點i+t之間的縱坐標之差h2(i)為點i的后向相對高度,即點i的前向相對高度h1(i)與后向相對高度h2(i)的平均值H(i)為點i的相對高度,即將式(9)和式(10)代入式(11),得如圖4(b)和4(c)所示,相對高度序列不僅突出了R波波峰的位置,而且有效解決了基線漂移的干擾.2第1個r波波峰的定位本文算法的流程大致可分為3部分:雙向斜率和相對高度的計算;第1個R波波峰的定位;迭代地依次定位R波.圖5給出了該算法的算法流程,圖6給出了基于平均雙向斜率和相對高度的R波檢測算法以及相關(guān)過程的偽代碼.2.1波峰的確定和同化作用以當前已經(jīng)檢測出的R波波峰a的平均雙向斜率M(a)和相對高度H(a)為標準,選擇合適的閾值d、dr和ur,在一定的范圍(dmin~dmax)內(nèi)搜索,滿足下列條件的采樣點i即為下一個R波波峰.(1)控制平均雙向斜率的條件為(2)控制相對高度的條件為(3)判斷是否是波峰的條件為2.2算法的基本過程尋找下一個R波波峰疑似點是在R波定位中需要解決的另一問題.當定位的“R波”是由噪聲等干擾產(chǎn)生的偽R波(如圖7所示)或在搜索范圍內(nèi)未能定位出R波時,就需要識別并排除偽R波,繼而定位后續(xù)信號中的R波波峰疑似點,以便于再次迭代搜索時進行篩選和判斷.本文的算法分為兩種情況進行處理.(1)搜索時出現(xiàn)異常波峰(如圖7所示).若H(i)>urH(a),需立即排除該點,并將i+1~i+dmax范圍內(nèi)的平均雙向斜率最大值點s1(如式(16)所示)作為R波波峰疑似點,并以該點為起點開始下一輪迭代.(2)在搜索范圍內(nèi)未能搜索到符合閾值的波峰.在a+1~a+dmax范圍內(nèi)未能搜索到滿足式(16)的s1作為R波波峰疑似點,應(yīng)將a+dmax+1~a+2dmax范圍內(nèi)的平均雙向斜率最大值點s2(如式(17)所示)作為R波波峰疑似點,并以該點為起點開始下一輪迭代.在每輪迭代之前需要對該疑似點進行式(13)、式(14)和式(15)3項條件的審核以避免誤識的情況發(fā)生,若未通過審核,則判定該疑似點為偽R波波峰并再次搜索,直到搜索到通過審核的疑似點為止.3dcg心信號編碼針對MIT-BIHLong-TermECG數(shù)據(jù)庫中的全部7個心電信號記錄——10446、14134、14149、14157、14172、14184和15814,以每個心電信號第1導(dǎo)的前50個R波波峰坐標的實際位置為標準,運用本文算法以及文獻和文獻算法進行測試,檢測結(jié)果如表1所示.正確率AR的計算式為式中:TP為心拍數(shù);FP為漏檢數(shù);NP為誤檢數(shù).實驗中所采用的MIT-BIHLong-TermECG數(shù)據(jù)庫的全部7個樣本涵蓋了DCG心電信號中可能出現(xiàn)的各種波形.15814號樣本存在基線漂移和畸形T波(如圖和圖4所示);14134和14172號樣本存在一定的噪聲干擾(如圖8和圖9所示);14157號樣本存在倒置的T波(如圖10所示).在這些波形的影響下,文獻的誤檢個數(shù)較多,而文獻的漏檢和誤檢個數(shù)都較多(如圖11所示,其中的星狀點為各算法檢測出的R波波峰點,圖11(b)和11(c)中的黑點為漏檢的波峰位置).這主要是由于兩種算法在求取斜率時只考慮了相鄰采樣點間的單向斜率,而本文算法求取的是平均雙向斜率,加上相對高度的協(xié)調(diào)控制,能夠排除各種波形的干擾,達到準確定位的目的.在檢測精度方面,將本文算法檢測出的R波位置與心電信號中R波的實際位置相對照,其誤差不大于1個采樣點(其中約99.7%能準確定位),具有相當高的定位精度.為進一步驗證本文算法在多組心電信號數(shù)據(jù)中檢測的穩(wěn)定性,針對哈爾濱醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院心內(nèi)科提供的24例心肌梗死后患者的Holter記錄(采樣頻率為125,Hz),同樣以每個心電信號第1導(dǎo)的前50個R波波峰坐標的實際位置為標準,運用本文算法以及文獻和文獻算法進行測試,檢測結(jié)果如表2所示.檢測結(jié)果表明在多組Holter數(shù)據(jù)的測試中,本文算法依然可以保持很高的準確率,而另兩種方法則略顯遜色.這說明本算法既具有準確性高的特點,同時具有很強的穩(wěn)定性.4偽r波波峰檢測算法(1)利用平均雙向斜率和相對高度雙重特征進行定位的策略,使得