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心电图QRS波检测方法全概述.doc

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：16.50M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘要
    1 背景
    2 方法综述
    I差分滤波方法
    II滤波器组方法
    III小波变换方法
    IV人工神经网络方法
    V自适应滤波方法
    VI模板匹配方法
    VII数学形态学方法
    VIII MAP方法
    IX长度变换方法
    X 最大斜率方法
    XI遗传算法
    XII 零交点计数方法
    XIII 基于双正交样条小波的 QRS 波检测
    XIV 基于下采样检测QRS波
    XV 二叉树法
    XVI 支持向量机方法
    XVII 联合自适应阈值法
    XVIII 基于经验模式分解的QRS波检测
    XIX Slope Vector Waveform (SVW)算
    XX 泊松变换和root moments
    XXI 改进的p周期频谱检测QRS
    XXII 卡尔曼滤波器
    XXIII K-means算法
    XXIV 短时傅里叶变换法
    XXV 希尔伯特变换方法
    XXVI 延时坐标映射(Delay-Coordinate Mapping)
    XXVII 基于句法
    XXVIII 基于频数直方图
    4 结果与讨论
    参考文献
    目录 摘要..................................................................................................................................................1 1 背景............................................................................................................................................ 1 2 方法综述..................................................................................................................................2 I 差分滤波方法......................................................................................................................3 II 滤波器组方法.................................................................................................................... 4 III 小波变换方法...................................................................................................................6 IV 人工神经网络方法...........................................................................................................7 V 自适应滤波方法................................................................................................................9 VI 模板匹配方法.................................................................................................................11 VII 数学形态学方法........................................................................................................... 12 VIII MAP 方法.......................................................................................................................13 IX 长度变换方法.................................................................................................................14 X 最大斜率方法.................................................................................................................15 XI 遗传算法.........................................................................................................................16 XII 零交点计数方法.......................................................................................................... 17 XIII 基于双正交样条小波的 QRS 波检测................................................................... 18 XIV 基于下采样检测 QRS 波...........................................................................................21 XV 二叉树法.................................................................................................................... 24 XVI 支持向量机方法.........................................................................................................25 XVII 联合自适应阈值法................................................................................................... 27 XVIII 基于经验模式分解的 QRS 波检测........................................................................ 28 XIX Slope Vector Waveform (SVW)算法.......................................................................... 30 XX 泊松变换和 root moments...........................................................................................31
    XXI 改进的 p 周期频谱检测 QRS....................................................................................32 XXII 卡尔曼滤波器........................................................................................................... 35 XXIII K-means 算法.........................................................................................................36 XXIV 短时傅里叶变换法..................................................................................................38 XXV 希尔伯特变换方法................................................................................................... 39 XXVI 延时坐标映射(Delay-Coordinate Mapping)........................................................... 40 XXVII 基于句法.................................................................................................................42 XXVIII 基于频数直方图................................................................................................... 44 3 采用的方法..........................................................................................错误！未定义书签。 改进联合自适应阈值........................................................................... 错误！未定义书签。 4 结果与讨论.......................................................................................................................... 46 参考文献.....................................................................................................................................47
    心电图 QRS 波检测方法概述 摘要 心电图的 QRS 波检测是分析心电图的基础，因为它反映了心脏收缩过程中心脏的内部 电行为，它的形状和发生的时间也包含了大量心脏目前状态的信息[1]。然而由于心电信号夹 杂着肌电、基线漂移等噪声的影响，给心电图的 QRS 波检测和分析带来很大的困难。其中 运动伪影是一种特殊的基线变化，它是基线漂移瞬间变化的部分，主要是由病人皮肤的运动 造成电极的移动造成的[2]。如何去除心电图中的噪声进行精确的 QRS 波检测成了国内外众 多专家学者共同面对的难题。经过众多专家学者的不懈努力，提出了许多在去除心电图信号 噪声、检测 QRS 波的有效算法。目前,QRS 波检测算法已经出现了三个明显的特点: 1)传统 QRS 波检测思想仍然在发挥光芒; 2)基于各种新理论的新算法层出不穷; 3)当前 QRS 波检测 算法更多的表现为各种技术的交叉融合[3]。本文从心电图发展现状和存在的问题开始，并 QRS 检测算法进行回顾和探讨，接着对在实习期间确定采用的方法进行分析和探讨，最后 是对 QRS 波检测的总结和讨论。 关键词：心电图 基线漂移 运动伪影 QRS 波检测 1 背景 图 1 心电信号能量谱 1
    1895 年荷兰生理学家爱因妥芬(W.Einthoven)首次从体表记录到代表心脏完整的除、复 极过程的心电波形,并以 P、Q、R、S、T 来标志不同的、可区分的棘波,还给这类心脏电活 动命名为心电图(Eleetroeardio-gram)。 在目前的科技水平和社会发展水平下，心电图技术取得了很大的进步，但是仍然存在一 些问题，比如由于基线漂移，造成 R 波振幅降低或消失，容易错误的识别为心动过缓或停 搏；由于心电波形包含的干扰太大，容易错误的识别为心动过速或室性早搏等，Valtino X. Afonso[4]把心电图中的一些噪声用能量谱表示出来，如图 1 所示。在这个图中显示了各种信 号频率-能量的关系，对去除心电信号中的噪声有很好的指导意义。 本文中将会对心电图 QRS 波的检测算法进行一些探讨，以期能对以后的工作有更深的认 识和指导意义。 2 方法综述 心电信号在不同情况下有多种类型的噪音，如：1）60HZ（50HZ）电线干扰。尽管心电 信号测量的接地线接地良好，但仍然会产生干扰，（如图 2a）。60HZ（50HZ）的频谱伴随 着谐波。2）基线漂移。它主要是由患者的呼吸、坏的电极和电极位置不恰当而引起的，（如 图 2b）。它的频率范围通常低于 0.5HZ。3)肌电干扰。它是由肌电活动产生。在心电信号中， 肌电信号的干扰的产生是由于肌电信号快速波动的改变的速度快于心电图检查波(如图 2c)。 4）运动伪影。它产生于电极相对于病人皮肤的运动。在心电图中它能产生较大幅度的信号 (如图 2d),它的持续时间约为 100 - 500ms。 图 2 – 心电信号的噪音: (a)60Hz 电线干扰；(b)基线漂移；(c)肌电干扰；(d)运动伪影。 在对心电信号 QRS 波检测和自动分析的过程中，这些噪声都要在考虑的范围内。如何降低和消除这些 噪声在心电信号 QRS 波检测和自动分析的影响，许多研究者对此进行了深入的研究并提出了很多优秀的算 法和思想。 2
    I 差分滤波方法 QRS 复合波主要成分的频率是 10-25Hz，所以几乎所有的 QRS 波检测算法都在真正进 行 QRS 波检测前使用滤波器对心电信号进行预处理来削弱其他信号成分和噪声。图 3 所示 一般 QRS 波检测的基本步骤。 图 3 一般 QRS 检测算法步骤 一般地，在预处理阶段低通滤波器和高通滤波器是级联使用的，选择低通和高通滤波器 合适的截止频率组合形成 10-25Hz 的带通滤波器，达到对信号预处理的目的。在很多算法中， 高通滤波器和低通滤波器是分开使用的，[5,6,7,8]中仅仅使用了高通滤波器，滤波后的信号作 为特征信号通过对比固定或自适应阈值检测 QRS 波的发生。 Pan and Tompkins[9]等人提出的滤波器预处理阶段由图 4 框图所示，在框图中所示的低 通滤波器由 Lynn[10]给出的，用以下迭代式表示： 式中 T 表示的事样本的采样周期，n 表示的事任意整数。高通滤波器由以下的迭代等式表示： 框图中导数的差分等式表示为： 图 4 QRS 检测滤波阶段。Xn 是 ECG 信号的差分信号；Yn 是 ECG 信号通过带通滤波器的输出信号； Zn 是时间平均信号。 非线性平方函数对每一个输出值平方计算，然后通过窗宽为 32 的滑动窗，把最近的 32 个样本点相加然后除以 32 平均得到 Zn。图 5 显示了 ECG 信号处理的各个步骤结果。 3
    图 5 ECG 信号处理结果。由上到下分别为原始信号，低通滤波信号，带通滤波信号和时间平均信号。 滤波方法实现简单，但是由于噪声和有效信号之间的频率存在着混叠，所以一般的滤波 方法和频率分析很难对混叠的噪声进行有效的滤除。 II 滤波器组方法 滤波器组方法的实现是采用与小波变换法相类似的思想, 其原理是基于小波变换, 将信 号分解为多个频率的信号然后进行分析[11,12]。滤波器组的方法实现比小波变换更灵活, 并且 速度要快。 图 6 滤波器组的示意图与理想幅频响应 如图 6 所示,一个滤波器组[12]包括 M 个通道长度为 L 的分析滤波器和综合滤波器。分析 滤波器,l=0,1，…，M-1, 将信号分解为 M 个具有唯一带宽的频带： ,l=0,1，…，M-1 的有效带宽是,所以可以通过降采样来减少总的采样率，采样的过程保持从 M 个样本中取 1 4
    个值，采样后的信号为： ,l=0,1，…，M-1 其中,子带和是输入信号的带通信号，而且比采样率低。通过降采样这个滤波过程可以有效 地把信号降低到的输入信号频率。上采样是通过对每个输入信号后面增加 M-1 个零形成子 带信号， ,l=0,1，…，M-1 信号通过综合滤波器,l=0,1，…，M-1，产生子带信号,因为在子带信号中至少有 M-1 个值是 为零的，在综合滤波器中最多有 L/M 个系数和信号中的非零信号重叠，所以综合滤波器的 计算将会非常地有效率。 ,l=0,1，…，M-1 然后子带信号通过点对点地加和产生输出信号, 上面的式子可以重新排序为： ，其中 这样可以把看成是输入信号的平移的组合。由于分析滤波器和综合滤波器不是理想的滤波 器，所以他们会引入一定的混叠，这些混叠可以移除通过对任意的输入信号，当且仅当： 如果输出信号的混叠成分被移除，那么输出信号可以表示为： 在滤波器组中, 分析滤波器是将心电信号分解为特征最明显的多个频带, 后续的处理可 以在每个单独的频带进行, 也可以结合几个频带输出的信号共同判断心拍、ECG 分类、噪声 警报等。图 7 给出了滤波器组检测 QRS 波群的过程。通过将心电信号分解到多个特征频率 段, 如 5.16～11.12Hz、11.12～16.19Hz、16.19～22.15Hz 等频带进行判别, 可以减少漏判和 错判的数目, 实现准确的判别。 5
    图 7 滤波器组分解 QRS 波群在各频带结果 III 小波变换方法 小波变换是时间—尺度分析和多分辨分析的一种新技术。与 Fourier 变换相比，小波 变换是空间(时间)和频率的局部变换，因而能有效地从信号中提取信息。通过伸缩和平 移等运算功能可对函数或信号进行多尺度的细化分析，小波变换的定义如下式所示： 其中表示的事小波函数的共轭，变换产生的时间-尺度表示和短时傅里叶变换（STFT） 变换产生的时间-频率表示的相类似。但是和 STFT 不同的是小波变换用一组在不同的频率 带允许一个时间和频率分辨率变量的分析函数。这组分析函数都是由小波母函数推导得到： 其中 a,b 分别为小波变化的尺度和平移参数。对于离散的小波变换，其离散的尺度和平 移参数分别可以表示为：a=,b=n;其中 j 和 n 为整数，a 和 b 的选择形成了二进制小波变换 （dyadic DWT，DyWT）。 ,其中 j,nZ. 根据小波变换的理论, 信号的奇异点对应于其小波变换的一个正模极大值和一个负模 极大值对,其位置对应于正、负模极大值的过零点, 具体算法是基于小波变换的模最大值 当 计算的信号模大于一定阈值时, 就判定为 QRS 波群。同时, 这个阈值也是随着计算结果自适 应更新的。在判定为 QRS 波群后, 再检测过零点则可判定具体的 R 波位置。 Schuck[13]通过分析 ECG 信号功率谱密度的特点, 以及小波变换的尺度和信号频率间的 关系, 可以发现 QRS 波群的能量大多集中在尺度上, 在大于尺度上则大大减小, 而运动伪 6
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