基于dcg心電信號(hào)的r波檢測(cè)新算法

基于dcg心電信號(hào)的r波檢測(cè)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(dòng)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(dòng)分析和t波電交替分析是基于dg的有效報(bào)警心律失常方法，這些分析方法取決于正確的r波檢測(cè)。非實(shí)時(shí)的R波檢測(cè)方法包括小波分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法,雖然檢測(cè)效果較好,但運(yùn)算量大、原理復(fù)雜,不易重現(xiàn);而實(shí)時(shí)的R波檢測(cè)方法,其檢測(cè)效率高、速度快、原理簡(jiǎn)單、易于重現(xiàn),已經(jīng)成為近幾年的研究熱點(diǎn).文獻(xiàn)提出了兩種實(shí)時(shí)的R波檢測(cè)算法——最大值雙重搜索技術(shù)和差分運(yùn)算方法,兩種算法的共同點(diǎn)是利用心電信號(hào)中R波斜率大的特點(diǎn),以相鄰點(diǎn)之間的斜率為主要特征對(duì)R波進(jìn)行檢測(cè).上述算法對(duì)噪聲干擾比較敏感,在檢測(cè)R波之前需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行基線漂移校正,對(duì)于采樣頻率較低的DCG心電信號(hào)的處理效果不夠理想.筆者提出了一種基于DCG心電信號(hào)的R波檢測(cè)新算法,利用了R波波峰斜率大、幅度高的特點(diǎn),提取了平均雙向斜率和相對(duì)高度兩項(xiàng)特征,對(duì)MIT-BIHLong-TermECG數(shù)據(jù)庫(kù)中的全部7個(gè)樣本實(shí)現(xiàn)了R波波峰點(diǎn)坐標(biāo)的定位.通過與另外兩種實(shí)時(shí)的R波檢測(cè)算法的對(duì)比,驗(yàn)證了本文所提算法的可行性.1r波的準(zhǔn)確定位一個(gè)正常心電圖的每個(gè)心動(dòng)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(shí)心臟的電行為,因此解決心動(dòng)周期提取問題的關(guān)鍵就是R波的準(zhǔn)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(gè)特點(diǎn),對(duì)心電信號(hào)這兩方面的特征進(jìn)行提取可以突顯R波波峰的位置,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位R波的目的.1.1斜率步長(zhǎng)的設(shè)定在對(duì)心電信號(hào)的處理中,定義斜率步長(zhǎng)為用于求取斜率的兩采樣點(diǎn)間的采樣點(diǎn)間隔.設(shè)N(i)為心電圖中采樣點(diǎn)i的縱坐標(biāo)(i點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值),f為心電信號(hào)的采樣頻率.采樣點(diǎn)i和采樣點(diǎn)j之間的斜率為由于采樣頻率f是一個(gè)定值,因此相鄰采樣點(diǎn)間的時(shí)間間隔相等,于是式(1)可以簡(jiǎn)化為在式(2)中,采樣點(diǎn)i和j的斜率步長(zhǎng)就是i-j.因?yàn)镈CG心電信號(hào)的采樣頻率較小,如果斜率步長(zhǎng)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(shí)為R波.為了防止這兩種情況的發(fā)生,需要對(duì)斜率步長(zhǎng)進(jìn)行合理設(shè)定.本文所采用的MIT-BIHLong-TermECG數(shù)據(jù)庫(kù)所有心電信號(hào)的采樣頻率均為128,Hz,文獻(xiàn)表明,一般QRS波的時(shí)間是0.06,s左右,也就是說QR斜率步長(zhǎng)與RS斜率步長(zhǎng)的和大約在7個(gè)采樣點(diǎn)左右(0.06÷(1÷128)=7.68),為突顯QR斜率和RS斜率高的同時(shí)保持R波的對(duì)稱性,QR坡的斜率步長(zhǎng)和RS坡的斜率步長(zhǎng)統(tǒng)一取3.1.2平均雙向斜率的計(jì)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(gè)概念.設(shè)t為斜率步長(zhǎng).對(duì)采樣點(diǎn)i而言,點(diǎn)i與點(diǎn)i-t之間的斜率k1(i)為點(diǎn)i的前向斜率,即而點(diǎn)i與點(diǎn)i+t之間的斜率的相反數(shù)k2(i)為點(diǎn)i的后向斜率,即點(diǎn)i的前向斜率k1(i)和后向斜率k2(i)的平均值m(i)為點(diǎn)i的平均雙向斜率,即將式(3)和式(4)代入式(5),得由于對(duì)每個(gè)點(diǎn)i而言t都相等,因此在計(jì)算平均雙向斜率時(shí),式(6)可簡(jiǎn)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(shí)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(gè)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(gè)R波波峰的位置才能獲得R波形態(tài)特征的閾值,進(jìn)而迭代地把R波檢測(cè)進(jìn)行下去.第1個(gè)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(hào)開頭的至少含有2個(gè)R波的信號(hào)段中求取最大平均雙向斜率x;然后選擇一個(gè)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(hào),可以定位第1個(gè)最大平均雙向斜率的位置loc.在該點(diǎn)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(gè)R波波峰的位置.1.4相對(duì)高度序列為突顯R波幅度特性的同時(shí)又能克服某些具有基線漂移(如圖4(a)和4(b)所示)的信號(hào)在R波檢測(cè)中的干擾,本文定義前向相對(duì)高度、后向相對(duì)高度以及相對(duì)高度的概念.對(duì)采樣點(diǎn)i而言,點(diǎn)i與點(diǎn)i-t之間的縱坐標(biāo)之差h1(i)為點(diǎn)i的前向相對(duì)高度,即點(diǎn)i與點(diǎn)i+t之間的縱坐標(biāo)之差h2(i)為點(diǎn)i的后向相對(duì)高度,即點(diǎn)i的前向相對(duì)高度h1(i)與后向相對(duì)高度h2(i)的平均值H(i)為點(diǎn)i的相對(duì)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(duì)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(gè)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(duì)高度的計(jì)算;第1個(gè)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(duì)高度的R波檢測(cè)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(dāng)前已經(jīng)檢測(cè)出的R波波峰a的平均雙向斜率M(a)和相對(duì)高度H(a)為標(biāo)準(zhǔn),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(diǎn)i即為下一個(gè)R波波峰.(1)控制平均雙向斜率的條件為(2)控制相對(duì)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(gè)R波波峰疑似點(diǎn)是在R波定位中需要解決的另一問題.當(dāng)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(shí),就需要識(shí)別并排除偽R波,繼而定位后續(xù)信號(hào)中的R波波峰疑似點(diǎn),以便于再次迭代搜索時(shí)進(jìn)行篩選和判斷.本文的算法分為兩種情況進(jìn)行處理.(1)搜索時(shí)出現(xiàn)異常波峰(如圖7所示).若H(i)>urH(a),需立即排除該點(diǎn),并將i+1~i+dmax范圍內(nèi)的平均雙向斜率最大值點(diǎn)s1(如式(16)所示)作為R波波峰疑似點(diǎn),并以該點(diǎn)為起點(diǎn)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(diǎn),應(yīng)將a+dmax+1~a+2dmax范圍內(nèi)的平均雙向斜率最大值點(diǎn)s2(如式(17)所示)作為R波波峰疑似點(diǎn),并以該點(diǎn)為起點(diǎn)開始下一輪迭代.在每輪迭代之前需要對(duì)該疑似點(diǎn)進(jìn)行式(13)、式(14)和式(15)3項(xiàng)條件的審核以避免誤識(shí)的情況發(fā)生,若未通過審核,則判定該疑似點(diǎn)為偽R波波峰并再次搜索,直到搜索到通過審核的疑似點(diǎn)為止.3dcg心信號(hào)編碼針對(duì)MIT-BIHLong-TermECG數(shù)據(jù)庫(kù)中的全部7個(gè)心電信號(hào)記錄——10446、14134、14149、14157、14172、14184和15814,以每個(gè)心電信號(hào)第1導(dǎo)的前50個(gè)R波波峰坐標(biāo)的實(shí)際位置為標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)用本文算法以及文獻(xiàn)和文獻(xiàn)算法進(jìn)行測(cè)試,檢測(cè)結(jié)果如表1所示.正確率AR的計(jì)算式為式中:TP為心拍數(shù);FP為漏檢數(shù);NP為誤檢數(shù).實(shí)驗(yàn)中所采用的MIT-BIHLong-TermECG數(shù)據(jù)庫(kù)的全部7個(gè)樣本涵蓋了DCG心電信號(hào)中可能出現(xiàn)的各種波形.15814號(hào)樣本存在基線漂移和畸形T波(如圖和圖4所示);14134和14172號(hào)樣本存在一定的噪聲干擾(如圖8和圖9所示);14157號(hào)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(xiàn)的誤檢個(gè)數(shù)較多,而文獻(xiàn)的漏檢和誤檢個(gè)數(shù)都較多(如圖11所示,其中的星狀點(diǎn)為各算法檢測(cè)出的R波波峰點(diǎn),圖11(b)和11(c)中的黑點(diǎn)為漏檢的波峰位置).這主要是由于兩種算法在求取斜率時(shí)只考慮了相鄰采樣點(diǎn)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(duì)高度的協(xié)調(diào)控制,能夠排除各種波形的干擾,達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的.在檢測(cè)精度方面,將本文算法檢測(cè)出的R波位置與心電信號(hào)中R波的實(shí)際位置相對(duì)照,其誤差不大于1個(gè)采樣點(diǎn)(其中約99.7%能準(zhǔn)確定位),具有相當(dāng)高的定位精度.為進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法在多組心電信號(hào)數(shù)據(jù)中檢測(cè)的穩(wěn)定性,針對(duì)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(gè)心電信號(hào)第1導(dǎo)的前50個(gè)R波波峰坐標(biāo)的實(shí)際位置為標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)用本文算法以及文獻(xiàn)和文獻(xiàn)算法進(jìn)行測(cè)試,檢測(cè)結(jié)果如表2所示.檢測(cè)結(jié)果表明在多組Holter數(shù)據(jù)的測(cè)試中,本文算法依然可以保持很高的準(zhǔn)確率,而另兩種方法則略顯遜色.這說明本算法既具有準(zhǔn)確性高的特點(diǎn),同時(shí)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性.4偽r波波峰檢測(cè)算法(1)利用平均雙向斜率和相對(duì)高度雙重特征進(jìn)行定位的策略,使得