CN103876732A

CN103876732A - 一种基于稀疏成分分析的j波提取方法

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Publication number: CN103876732A
Application number: CN201410130756.8A
Authority: CN
Inventors: 李灯熬; 张桂敏; 赵菊敏
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-04-02
Also published as: CN103876732B

Abstract

本发明涉及J波的提取方法，具体为一种基于稀疏成分分析的J波提取方法，本发明先对观测信号进行预处理，去除干扰和噪声，之后估计混合矩阵，由于运用K均值聚类方法不能完全估计出混合矩阵，因此进行了改进，在恢复出一个源信号的基础上，估计混合矩阵的另一列，从而恢复出第二个源信号，即提取出了J波；本发明与现有技术相比，在源信号不充分稀疏情况下，估计出了混合矩阵，进而由混合矩阵提取出了J波；能够提取出发生在正常心电信号ST段不同形状的J波，提高了J波的提取精度。

Description

一种基于稀疏成分分析的J波提取方法

技术领域

本发明涉及J波的提取方法，具体为一种基于稀疏成分分析的J波提取方法。

背景技术

心电图中QRS（磁共振血管造影）综合波与ST段之间的连接点称为J点，表示除极结束、复极开始，在心脏正常情况下，心室最后除极和心室最早复极存在共同过渡区，在人体重叠时间约10ms，倘若J点从基线移位则称J点偏移。J波是一种正常的心电图变异，当J波经过在时域、频域等分析，从中提取J波的特性，医生再结合上临床病例，可进一步准确诊断室速、室颤、致命性的恶性心律失常，医生还可结合J波诊断猝死。因此为减少猝死的发生，猝死无创性预警方法的研究备受重视，并已取得长足进展。对猝死的心电图预警指标，目前多数集中在心室的复极指标，J波作为心电图心室复极的新指标越来越受到临床的重视。

J波综合征包括Brugada（布鲁戈登）综合征、特发性心室颤动和早期复极综合征，早期复极综合征一般被评为良性的J波。低温可诱导出J波，部分或全部埋藏于QRS波中的小J波会随着温度的降低而“长”出来，J波被看作是低温在心电图上的特有的一个病理标记。频率依赖性：当心率加快时，所对应的J波随之减小，反之，当特性作用心率减慢时，J波也随之增大，是由于当心率加快时，Ito（瞬时外向钾电流）从失活状态恢复慢，可使Ito减小，从而降低J波幅度。

J波可以作为医生诊断室速、室颤、致命性的恶性心律失常、猝死等的心电图预警指标，因此提取J波非常重要，但是J波不完全满足稀疏性，而现有的提取信号的方法，如稀疏成分分析（SCA）方法是在基于信号充分满足稀疏性的基础上提取信号的，根据K-means（K均值聚类）算法只能估计出混合矩阵的一列，从而得到正常心电信号，但是J波仍然无法提取出来。

发明内容

本发明为了解决现有的信号提取方法在估计混合矩阵方面的不足进而无法提取出J波的问题，提供了一种基于稀疏成分分析的J波提取方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于稀疏成分分析的J波提取方法，包括以下步骤：

从体表获取两路由正常心电信号和J波叠加组成的观测信号；

滤除观测信号中的干扰信号和噪声；

对观测信号运用K均值聚类方法，估计出混合矩阵的某一列，得到正常心电信号；

定位正常心电信号的QRS波，得到S点的位置；

寻找S点两侧幅值相同的点，然后将观测信号中和S点的两侧幅值相同的点的位置相同的点的列向量作差，列向量作差后得到的向量的斜率值即为混合矩阵的剩余一列中元素的比值，由此得到混合矩阵；

根据估计出的混合矩阵，提取得到J波。

从人体体表获得的观测信号由在正常心电信号的QRS波的S点位移后的J波和正常心电信号叠加后形成，也就是观测信号可表示成由混合矩阵和源信号（由正常心电信号和J波单纯的组合形成，即源信号中的正常心电信号和J波没有叠加关系）相乘得到的，所以能够得到混合矩阵就能提取J波，而现有方法只能提取混合矩阵中的其中一列，因此本发明在正常心电信号的QRS波的S点的位置的两侧先找到幅值相同的点，再将混合信号的对应位置的点列向量作差，作差后得到的向量的斜率值即为混合矩阵的剩余一列中元素的比值，由此得到混合矩阵，由混合矩阵的逆矩阵和混合信号相乘，便可得到J波，医生便可以结合J波和临床病例，对室速、室颤、致命性的恶性心律失常、猝死等作出精确的判断；同时运用本方法能将不同形态的J波（J波有三种形态）提取出来，提高了J波的提取精度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

在源信号不充分稀疏情况下，估计出了混合矩阵，进而由混合矩阵提取出了J波；

能够提取出发生在正常心电信号ST段不同形状的J波，提高了J波的提取精度。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

一种基于稀疏成分分析的J波提取方法，包括以下步骤：

从体表获取两路观测信号

(\begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \end{matrix}) = X = (X_{1}, \cdot \cdot \cdot X_{p}) = (\begin{matrix} x_{11}, x_{12} \cdot \cdot \cdot x_{1 p} \\ x_{21}, x_{22} \cdot \cdot \cdot x_{2 p} \end{matrix}) = (\begin{matrix} a_{11}, a_{12} \\ a_{21}, a_{22} \end{matrix}) (\begin{matrix} s_{1} \\ s_{2} \end{matrix}) = (\begin{matrix} a_{11}, a_{12} \\ a_{21}, a_{22} \end{matrix}) (\begin{matrix} s_{11} \cdot \cdot \cdot s_{1 p} \\ s_{21} \cdot \cdot \cdot s_{2 p} \end{matrix}) = (A^{1}, A^{2}) (\begin{matrix} s_{11} \cdot \cdot \cdot s_{1 p} \\ s_{21} \cdot \cdot \cdot s_{2 p} \end{matrix});

式中：代表观测信号行向量表示法，(X1,…XP)代表观测信号列向量表示法，

是观测信号的矩阵，

[A¹,A²]表示混合矩阵，表示源信号，

滤除观测信号

X = (X^{1}, X^{2} \cdot \cdot \cdot X^{p}) = (\begin{matrix} x_{11}, x_{12} \cdot \cdot \cdot x_{1 p} \\ x_{21}, x_{22} \cdot \cdot \cdot x_{2 p} \end{matrix})

中的干扰信号和噪声，干扰信号和噪声包括工频干扰、基线漂移和肌电干扰等；

对观测信号

X = (X^{1}, X^{2} \cdot \cdot \cdot X^{p}) = (\begin{matrix} x_{11}, x_{12} \cdot \cdot \cdot x_{1 p} \\ x_{21}, x_{22} \cdot \cdot \cdot x_{2 p} \end{matrix})

运用K均值聚类方法，估计出混合矩阵的某一列，得到正常心电信号：观测信号

X = (X^{1}, \cdot \cdot \cdot {, X}^{p}) = [A^{1}, A^{2}] = (\begin{matrix} s_{11} \cdot \cdot \cdot s_{1 p} \\ s_{21} \cdot \cdot \cdot s_{2 p} \end{matrix}),

当源信号

s = (\begin{matrix} S_{1} \\ S_{2} \end{matrix}) = (\begin{matrix} s_{11} \cdot \cdot \cdot s_{1 p} \\ s_{21} \cdot \cdot \cdot s_{2 p} \end{matrix})

中某一时刻只有一个信号（如只有s₁，s₁是指正常心电信号和J波其中一个）起作用时，观测信号

即x₁=a₁₁s₁，x₂=a₂₁s₁，它在m维空间中是一条直线，斜率取决于矩阵的列矢量，

或者

A^{1} = \frac{a_{21}}{a_{11}};

定位正常心电信号的QRS波，得到S点的位置；

寻找S点两侧幅值相同的点，然后将观测信号中和S点的两侧幅值相同的点的位置相同的点的列向量作差，列向量作差后得到的向量的斜率值即为混合矩阵的剩余一列中元素的比值，由此得到混合矩阵：观测信号

X = [X^{1}, \cdot \cdot \cdot, X^{p}] = (\begin{matrix} x_{11}, x_{12} \cdot \cdot \cdot x_{1 p} \\ x_{21}, x_{22} \cdot \cdot \cdot x_{2 p} \end{matrix}) = [A^{1}, A^{2}] (\begin{matrix} s_{11} \cdot \cdot \cdot s_{1 p} \\ s_{21} \cdot \cdot \cdot s_{2 p} \end{matrix});

X^{i} = (\begin{matrix} x_{1 i} \\ x_{2 i} \end{matrix}) = (\begin{matrix} a_{11} s_{1 i} + a_{12} s_{2 i} \\ a_{21} s_{1 i} + a_{22} s_{2 i} \end{matrix}) = (\begin{matrix} a_{11} \\ a_{21} \end{matrix}) s_{1 i} + (\begin{matrix} a_{12} \\ a_{22} \end{matrix}) s_{2 i} = A^{1} s_{1 i} + A^{2} s_{2 i},

X^{j} = (\begin{matrix} x_{1 j} \\ x_{2 j} \end{matrix}) = (\begin{matrix} a_{11} s_{1 j} + a_{12} s_{2 j} \\ a_{21} s_{1 j} + a_{22} s_{2 j} \end{matrix}) = (\begin{matrix} a_{11} \\ a_{21} \end{matrix}) s_{1 j} + (\begin{matrix} a_{12} \\ a_{22} \end{matrix}) s_{2 j} = A^{1} s_{1 j} + A^{2} s_{2 j},

X^{j} - X^{i} = (\begin{matrix} X_{1 j} \\ X_{2 j} \end{matrix}) - (\begin{matrix} X_{1 i} \\ X_{2 i} \end{matrix}) = (\begin{matrix} a_{12} \\ a_{22} \end{matrix}) (s_{2 j} - s_{2 i}) = A^{2} (s_{2 j} - s_{2 i}) (s_{1 i} = s_{1 j},

s_1j和s_1i是幅值相同的点），第二列A²的方向和X^j-Xⁱ的方向相同，即A²的值为X^j-Xⁱ的斜率值；

根据估计出的混合矩阵，提取得到J波：根据X=AS，S=A^-1X得到S，由此可得到J波。

Claims

1.一种基于稀疏成分分析的J波提取方法，其特征在于包括以下步骤：

从体表获取两路由正常心电信号和J波叠加组成的观测信号；

滤除观测信号中的干扰信号和噪声；

定位正常心电信号的QRS波，得到S点的位置；

根据估计出的混合矩阵，提取得到J波。