基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的心電信號(hào)識(shí)別

基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的心電信號(hào)識(shí)別

小波變換的頻率與時(shí)間辨率小波理論的一個(gè)重要結(jié)果是，所有信號(hào)都可以展開為函數(shù)=通過(guò)l（r）的比率和時(shí)間差，函數(shù)公式如下所示。ψ被定義為母小波或基小波，ψa,b被稱作為小波，參數(shù)a,b分別被定義為尺度和位移參數(shù)。設(shè)x(t)∈L2(R)，則x(t)的小波變換定義為：小波變換通常被認(rèn)為正比于頻率帶寬的帶通濾波器組對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。當(dāng)a值較小時(shí)，時(shí)軸上觀察范圍小，在頻域上相當(dāng)于用較高頻率作分辨率較高的分析，即用高頻小波做細(xì)致觀察，當(dāng)a值較大時(shí)，時(shí)軸上考慮范圍大，在頻域上相當(dāng)于用低頻小波做概貌分析，因此小波變換具有較好的低頻頻譜辨析率和高頻的時(shí)間辨析率。小波理論已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在信號(hào)的分類中，一種是通過(guò)小波變換提取信號(hào)的特征值輸入到某種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，另一種就是直接應(yīng)用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)分類。1網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果的描述典型的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于具有一個(gè)隱含層的簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。小波系數(shù)部分被稱作小波節(jié)點(diǎn)，小波函數(shù)作為信號(hào)的小波變換。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第一層部分相當(dāng)于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行特征提取，第二部分相當(dāng)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類。增加了一層感知機(jī)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖1，即增加了圖中O1層，與常規(guī)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比分類性能得到了顯著提高。在本文的研究中，選擇Morlet小波作為母小波，Morlet小波的表達(dá)式為其中?選擇5.33。網(wǎng)絡(luò)分類的輸出結(jié)果表示為：其中輸入向量為x(n),采樣時(shí)間為t,每個(gè)輸入向量的樣點(diǎn)數(shù)為N，小波節(jié)點(diǎn)數(shù)為h,隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為j,輸出層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為k。σ(z)為S型函數(shù)網(wǎng)絡(luò)輸出誤差采用最小方差計(jì)算，定義為:M為要識(shí)別的輸入數(shù)據(jù)樣本數(shù)，dk為期望輸出值。網(wǎng)絡(luò)輸出誤差是通過(guò)反向傳播梯度下降法尋找最小誤差，連接權(quán)的導(dǎo)數(shù)通過(guò)下面式子得到E小波節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)通過(guò)如下算法得到：連接權(quán)和小波節(jié)點(diǎn)通過(guò)以下規(guī)則來(lái)調(diào)整:其中η為學(xué)習(xí)速率，μ為BP學(xué)習(xí)算法中的動(dòng)量系數(shù)。2數(shù)據(jù)來(lái)源及處理小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)驗(yàn)中用于區(qū)分心電信號(hào)的正常心跳和室性期前收縮。偶發(fā)性室性期前收縮，一般無(wú)臨床重要意義。頻繁出現(xiàn)的室性期前收縮其臨床意義應(yīng)視心臟基礎(chǔ)疾病情況而定。1971年Lown及wo1f二氏曾對(duì)220位心肌梗塞后1—24個(gè)月的病人進(jìn)行連續(xù)12小時(shí)的監(jiān)測(cè)。據(jù)此資料,按“危險(xiǎn)性”對(duì)患者所發(fā)生的室性早搏出現(xiàn)的形式進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)室性早搏的頻繁程度和形態(tài)分為以下6級(jí)：0級(jí)：無(wú)期前收縮。I級(jí)：偶發(fā)，每小時(shí)少于30次或每分鐘少于1次。II級(jí)：頻發(fā)，每小時(shí)多于30次或每分鐘多于6次。III級(jí)：多源性室性期前收縮。IVA級(jí)：成對(duì)的室性期前收縮，反復(fù)出現(xiàn)。IVB級(jí)：成串的室性期前收縮(三個(gè)或三個(gè)以上室性期前收縮)反復(fù)出現(xiàn)。v級(jí)：期前收縮的R波落在前一個(gè)竇性激動(dòng)的T波上。Lown及wolf的文章發(fā)表后曾為不少心臟病學(xué)者所引用，認(rèn)為分級(jí)越高，預(yù)后越差，“猝死”的機(jī)會(huì)越多。因此自動(dòng)識(shí)別和分類室性期前收縮對(duì)于心臟病人的監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的.本文使用的數(shù)據(jù)來(lái)至MIT-BIHArrhythemiaDatabase(mitdb)。選擇要分析的記錄是記錄106,106是一個(gè)典型的室性期前收縮病人的心電圖，信號(hào)的采樣率為360Hz。數(shù)據(jù)的選取方法是根據(jù)文獻(xiàn)。選取的ECG信號(hào)段相當(dāng)于對(duì)要分析的信號(hào)加上持續(xù)時(shí)間為250ms的時(shí)間窗,QRS聯(lián)合體之前的100ms,之后的150ms，即R波頂點(diǎn)之前36點(diǎn)，之后54點(diǎn)。輸入信號(hào)被標(biāo)準(zhǔn)化到區(qū)間[-1,1]，輸入到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的選?。罕疚倪x取的小波節(jié)點(diǎn)數(shù)為15，隱含層為14,網(wǎng)絡(luò)的輸出節(jié)點(diǎn)選取2ㄢ小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最后的分類性能在很大程度上依賴于連接權(quán)的初始化值。因此選擇適當(dāng)?shù)某跏蓟椒@得尤為重要，小波節(jié)點(diǎn)的初始化參考文獻(xiàn)的方法，并對(duì)該方法有所改進(jìn)。本文采用的小波尺度L為4，最小尺度的小波數(shù)H1=2L-1為8ㄢ1.位移的初始化采用其中：HL=HL-1/2,...,H2=H1/2,T取1在此位移初始值依次選取為2.尺度參數(shù)的初始化，ahn=T(n)-1，其中n為第n個(gè)小波節(jié)點(diǎn)。3.連接權(quán)whj,vjk初始化為[-1,1]區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)值。實(shí)驗(yàn)選取了20個(gè)樣本訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),其中8個(gè)正常心電數(shù)據(jù),12個(gè)室前收縮心電數(shù)據(jù),包含連續(xù)室前收縮的第一個(gè)第二個(gè)以及第三個(gè)異位心跳的心電數(shù)據(jù)。取η=0.9,μ=0.2，最大允許均方誤差為0.002時(shí)，網(wǎng)絡(luò)誤差曲線如圖3所示。從可以看出網(wǎng)絡(luò)收斂速度很快。3結(jié)果3.1正常心功能分類通常分類結(jié)果的表達(dá)為，TP(truepositive)表征正常的心跳被正確的分類成正常的心跳，TN(truenegative)表征室前收縮被分類成室前收縮，F(xiàn)P(falsepositive)表征室前收縮被錯(cuò)誤的分類成正常心跳，F(xiàn)N(falsenegative)表征正常心跳被錯(cuò)誤的分類成室前收縮。另外靈敏性sensitivity(SE)和特異性specificity(SP)被定義為SE=TN/(TN+FP),SP=TP/(TP+FN)，具體的分類結(jié)果如表1所示。3.2隱蔽層節(jié)點(diǎn)的選取隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的選取,是通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得到的。隱含層節(jié)點(diǎn)的選取對(duì)網(wǎng)絡(luò)收斂性的影響如圖4所示。基本上，隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)接近小波節(jié)點(diǎn)數(shù)的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)的分類效果更好。4提高了心電阻自動(dòng)分類的準(zhǔn)確性本文通過(guò)改進(jìn)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始化方法，使網(wǎng)絡(luò)收斂速度加快，將該初始化方法具體應(yīng)用到增加了一層感