CN105030233A - 一种心电信号st段的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对滤波后的心电信号，基于R峰采用斜率比极值法准确定位S波和T波，最后实现ST段位移、斜率和长度特征的准确识别。本发明的方法不仅计算简单、易于实现，而且准确率高，为心电信号快速有效识别提供新途径。

Description

一种心电信号ST段的识别方法

技术领域

该发明是一种心电信号ST段数字识别算法，主要针对人体滤波后的心电信号，采用斜率比极值法定位S波和T波，实现ST段的位移、斜率和宽度特征的准确识别。

背景技术

心电信号(Electrocardiogram，ECG)记录了心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随的电能量的变化，其形态变化反映了人体心脏功能，是反应心脏状态的参考依据，准确识别心电信号的变化特征显得至关重要。

心电信号的幅度范围大约在10μV-5mV，频率范围大约在0.05-100Hz。典型的心电信号波形如图1所示：心电信号是由许多特征部分组成，分别为：P波、Q波、R波、S波、T波，其中Q波、R波、S波同属于QRS波群中。QRS波群起点对应于Q波峰之前的第一个斜率突变点，QRS波群的终点对应于S波峰之后的第一个斜率突变点。QRS波群的终点到T波起点的一段称为ST段。

然而，由于T波相对于R波而言具有幅度小、频率低的特点，其有时候很难和噪声信号进行区分；同时，T波的形态也不唯一，具有正向单峰T波、双峰T波和倒向单峰T波这三类T波。这使得ST段特征提取一直都是国内外心电信号监测的重点和难点。目前，尽管已经有时间窗检测法、波形消除检测法、小波分析法、主成分分析法等判别方法识别ST段，但是有的计算大、复杂性高，而有的对于实际非标准的动态心电信号ST段识别效果并不理想，所以，随着心电监护的社会需求日益增加，有必要研究一种新的计算简单、适应性强的ST段识别方法。

发明内容

人体心电信号反映了心肌细胞有规律的除极复极过程，准确识别心电信号特征对了解心脏功能具有重要意义。采用心电检测仪采集出的人体心脏信号S(t)，通常经过滤波方法去除基线漂移、工频干扰、肌电干扰等检测时参杂的干扰信号，可以获得较为清晰的心电信号然后采用特征提取方法提取心电信号特征，以反映心脏功能的强弱。

本发明针对滤波后的心电信号s(t)，在已知R峰位置的前提下，采用斜率比极值法准确定位S波和T波，最后实现ST段位移、斜率和长度特征的准确识别。该方法不仅计算简单、易于实现，而且准确率高，为心电信号快速有效识别提供新途径。

本发明提供一种基于斜率比极值法的心电信号ST段识别方法，在心电信号中，J点和T_on点分别是ST段与S波、T波的交界点，其均为斜率突变点,其中：

根据已知心电信号s(x)，心电信号R波峰点(x_R,y_R)和RR间期T_RR；

在R峰位置x_R之后0.55T_RR的区间内寻找峰点中的最大值，则最大值点x_T处的峰值y_t即为T波峰值，且有T(x_t,y_t)；在R峰之前0.45T_RR的区间内寻找峰点的最大值，则最大值点x_P1处的峰值y_p1即为P波峰，且有P(x_p1,y_p2)；在x_R和x_t之间寻找谷点中的最小值点，则最小值点x_s处的谷值y_s即为S波峰值点S(x_s,y_s)；

设R峰位置x_R之后0.52T_RR处的采样点为x_m1，x_R之后0.58T_RR处的采样点为x_m2，则心电信号基线纵坐标其中y_j为区间[x_m1，x_m2]之间心电信号采样点的幅值；

对于在心电信号S波和T波采样点区间[x_s，x_t]内的点P(x_p,y_p)，判断y_p与f₀、之间的关系，

当y_p>f₀时，P(x_p,y_p)位于T_on到T点之间，

$\mathrm{\λ}=\frac{tan\mathrm{\α}}{tan\mathrm{\β}}=\frac{\frac{y_1}{x_1}}{\frac{y-y_1}{x-x_1}}=\frac{k_1}{\frac{y-k_1{x}_1}{x-x_1}}=\frac{k_1}{\frac{\frac{y}{x_1}-k_1}{\frac{x}{x_1}-1}}=\frac{k_{1}x-k_1{x}_1}{y-k_1{x}_1}=1+\frac{k_{1}x-y}{y-k_1{x}_1}=1+\frac{(k_1-k)x}{y-k_1{x}_1},$

当y_p＝f₀时，P(x_p,y_p)位于J点到T_on之间，

$\mathrm{\λ}=\frac{tan\mathrm{\α}}{tan\mathrm{\β}}=\frac{1}{\frac{y}{y_1}-1}(\frac{x}{x_1}-1),$

当y_p<f₀时，P(x_p,y_p)位于S点到J点之间，

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{tan\mathrm{\&alpha;}}{tan\mathrm{\&beta;}}=\frac{\frac{y-y_2}{x-x_2}}{\frac{y_2}{x_2}}=\frac{1}{\frac{\frac{y_2}{x_2}}{\frac{y-y_2}{x-x_2}}}=\frac{1}{1+\frac{k_{2}x-y}{y-k_2{x}_2}}=\frac{1}{1+\frac{(k_2-k)x}{y-k_2{x}_2}},$

逐点计算斜率比λ；

在心电信号采样点区间[x_s，x_t]内分别找出斜率比λ最小的点x_J和λ最大的点x_Ton点，则x_J为J点位置，其对应的心电信号幅值为y_J，而x_Ton为T_on的位置，其对应幅值为y_Ton；

求取心电信号的ST段宽度L_ST＝x_Ton-x_J。

此外，还可以求取ST段位移D_ST＝y_J-f₀，ST段斜率k_ST＝(y_Ton-y_J)/(x_Ton-x_J)。

本发明的方法不仅计算简单、易于实现，而且准确率高，为心电信号快速有效识别提供新途径。

附图说明

附图1为典型心电信号波形；

附图2为本发明的标准心电信号ST段示意图；

附图3为本发明的心电信号ST段抽象模型I；

附图4为本发明的心电信号ST段抽象模型II；

附图5为本发明的心电信号ST段抽象模型III。

具体实施方式

人体心电信号反映了心肌细胞有规律的除极复极过程，采用心电检测仪采集出人体心脏信号S(t)，并经过滤波方法去除基线漂移、工频干扰、肌电干扰等检测时参杂的干扰信号，获得较为清晰的心电信号然后采用特征提取方法提取心电信号QRS波、RR间期、S波、T波、ST段位移、ST段斜率等特征，以反映心脏功能的强弱。

如图1所示，心电信号中QRS波群的终点J到T波起点T_on的一段被称为ST段，而对于ECG信号ST段识别的问题，可以转换为对于ECG信号J点和T_on点的检测。通常对于ST段位移特征按照R+X，J+X等方法进行提取，但这种方法依然受噪声影响很大，甚至可能出现很大偏差。所以，本发明提出一种新的斜率比极值检测法对ECG信号ST段中的J点和T_on点进行定位，从而实现ST段的快速准确识别。

标准心电信号ST段示意图如图2所示。在标准的ECG信号中，J点和T_on点分别是ST段与S波、T波的交界点，其均为斜率突变点。以ST段作为水平线，可以将图2抽象为图3所示的ST段模型。

图3中P点为心电信号ST曲线中不与点S和点T重合的任意一点，连接PT以及PS，并如图3所示分别做直角三角形ΔPBT和ΔPAS，令线段TB长度为y₁，PB为x₁，SA为y₂，PA为x₂，连线ST斜率为k，T_onT斜率为k₁，JS斜率为k₂。设x＝x₁+x₂，y＝y₁+y₂，则当心电信号的点S(x_s,y_s)和点T(x_t,y_t)确定后，k＝(y_t-y_s)/(x_t-x_s)，x＝x_t-x_s，y＝y_t-y_s，且k、x、y均不变。再设直线PT的斜率为tanα，PS的斜率为tanβ，则PT和PS的斜率比λ为：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{tan\mathrm{\&alpha;}}{tan\mathrm{\&beta;}}=\frac{\frac{y_1}{x_1}}{\frac{y_2}{x_2}}---\left(1\right)$

a.当P(x_p,y_p)位于J点到T_on之间时(如图3)有：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{tan\mathrm{\&alpha;}}{tan\mathrm{\&beta;}}=\frac{1}{\frac{y}{y_1}-1}(\frac{x}{x_1}-1)---\left(2\right)$

x₁＝x_t-x_p，y₁＝y_t，此时x、y、y₁均为常数，则只与x₁值有关，x₁越大，斜率比越小；x₁越小，斜率比越大。从而，在J点到T_on点之间，J点是斜率比极小值点，T_on点是斜率比极大值点。

b.当P(x_p,y_p)位于T_on到T点之间时(如图4)有：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{tan\mathrm{\&alpha;}}{tan\mathrm{\&beta;}}=\frac{\frac{y_1}{x_1}}{\frac{y-y_1}{x-x_1}}=\frac{k_1}{\frac{y-k_1{x}_1}{x-x_1}}=\frac{k_1}{\frac{\frac{y}{x_1}-k_1}{\frac{x}{x_1}-1}}=\frac{k_{1}x-k_1{x}_1}{y-k_1{x}_1}=1+\frac{k_{1}x-y}{y-k_1{x}_1}=1+\frac{(k_1-k)x}{y-k_1{x}_1}---\left(3\right)$

x₁＝x_t-x_p，y₁＝y_t-y_p，k₁＝(y_t-y_p)/(x_t-x_p)，此时k₁、k、x、y均为常数，x₁越大，斜率比越大；x₁越小，斜率比越小。从而，在T_on到T点之间，斜率比极大值点为T_on点。

c.当P(x_p,y_p)位于S点到J点之间时(如图5)有：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{tan\mathrm{\&alpha;}}{\tan \mathrm{\&beta;}}=\frac{\frac{y-y_2}{x-x_2}}{\frac{y_2}{x_2}}=\frac{1}{\frac{\frac{y_2}{x_2}}{\frac{y-y_2}{x-x_2}}}=\frac{1}{1+\frac{k_{2}x-y}{y-k_2{x}_2}}=\frac{1}{1+\frac{(k_2-k)x}{y-k_2{x}_2}}---\left(4\right)$

x₂＝x_p-x_s，y₂＝|y_s|-|y_p|，k₂＝(|y_s|-|y_p|)/(x_p-x_s)，此时k₂、k、x、y均为常数，x₂越大，斜率比就越小；x₂越小，斜率比就越大。从而，在S点到J点之间时，斜率比极小值点为J点。

通过以上分析可以知道，在心电信号S点到T点之间的采样点中，每个采样点与T波峰和S波谷连线的斜率比λ的极大值点为T_on点，极小值点为J点。因此，在心电信号的点S和点T确定后，根据斜率比公式(1)-(4)可以对J点和Ton点准确定位，从而得到ST段特征值。

在R峰和RR间期T_RR已知的情况下，基于斜率比极值法的心电信号ST段特征识别方法具体步骤如下：

(1)S波和T波定位

i.对滤波后的心电信号S(x)检测所有的峰点和谷点，采用的基本判别标准为：令y_-1、y₀、y₁分别为采样点x_-1、x₀、x₁的幅值，若存在y_-1<y₀且y₀>y₁，则认为y₀为峰点；反之，若存在y_-1>y₀且y₀<y₁，则认为y₀为谷点；

ii.然后根据心电信号特征范围经验值，以R峰为基准，在R峰位置x_R之后0.55T_RR的区间内寻找峰点中的最大值，则最大值点x_T处的峰值y_t即为T波峰值，且有T(x_t,y_t)；在R峰之前0.45T_RR的区间内寻找峰点的最大值，则最大值点x_P1处的峰值y_p1即为P波峰，且有P(x_p1,y_p2)；

iii.在x_R和x_t之间寻找谷点中的最小值点，则最小值点x_s处的谷值y_s即为S波峰值，且有S(x_s,y_s)。

(2)ST段特征识别

i.根据心电信号TP间期平稳无波动心电信号范围经验值，设R峰位置x_R之后0.52T_RR处的采样点为x_m1，x_R之后0.58T_RR处的采样点为x_m2，则心电信号基线纵坐标其中y_j为区间[x_m1，x_m2]之间心电信号采样点的幅值；

ii.对于在心电信号S波和T波采样点区间[x_s，x_t]内的点P(x_p,y_p)，通过判断y_p>f₀、y_p＝f₀还是y_p<f₀，确定P点在T_onT间、JT_on间还是在SJ间，并分别根据公式(3)、(2)、(4)，逐点计算斜率比λ；

iii.在心电信号采样点区间[x_s，x_t]内分别找出斜率比λ最小的点x_J和λ最大的点x_Ton点，则x_J为J点位置，心电信号幅值为y_J，而x_To为T_on的位置，幅值为y_To；

iv.最后求取心电信号的ST段宽度L_ST＝x_Ton-x_J，ST段位移D_ST＝y_J-f₀，ST段斜率k_ST＝(y_Ton-y_J)/(x_Ton-x_J)。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于斜率比极值法的心电信号ST段识别方法，在心电信号中，J点和T_on点分别是ST段与S波、T波的交界点，其均为斜率突变点,其特征在于：

根据已知心电信号s(x)，心电信号R波峰点(x_R,y_R)和RR间期T_RR；

在R峰位置x_R之后0.55T_RR的区间内寻找峰点中的最大值，则最大值点x_T处的峰值y_t即为T波峰值，且有T(x_t,y_t)；在R峰之前0.45T_RR的区间内寻找峰点的最大值，则最大值点x_P1处的峰值y_p1即为P波峰，且有P(x_p1,y_p2)；在x_R和x_t之间寻找谷点中的最小值点，则最小值点x_s处的谷值y_s即为S波峰值点S(x_s,y_s)；

设R峰位置x_R之后0.52T_RR处的采样点为x_m1，x_R之后0.58T_RR处的采样点为x_m2，则心电信号基线纵坐标其中y_j为区间[x_m1，x_m2]之间心电信号采样点的幅值；

对于在心电信号S波和T波采样点区间[x_s，x_t]内的点P(x_p,y_p)，判断y_p与f₀、之间的关系，

当y_p>f₀时，P(x_p,y_p)位于T_on到T点之间，

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{tan\mathrm{\&alpha;}}{tan\mathrm{\&beta;}}=\frac{\frac{y_1}{x_1}}{\frac{y-y_1}{x-x_1}}=\frac{k_1}{\frac{y-k_1{x}_1}{x-x_1}}=\frac{k_1}{\frac{\frac{y}{x_1}-k_1}{\frac{x}{x_1}-1}}=\frac{k_{1}x-k_1{x}_1}{y-k_1{x}_1}=1+\frac{k_{1}x-y}{y-k_1{x}_1}=1+\frac{(k_1-k)x}{y-k_1{x}_1},$

当y_p＝f₀时，P(x_p,y_p)位于J点到T_on之间，

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{tan\mathrm{\&alpha;}}{tan\mathrm{\&beta;}}=\frac{1}{\frac{y}{y_1}-1}(\frac{x}{x_1}-1),$

当y_p<f₀时，P(x_p,y_p)位于S点到J点之间，

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{tan\mathrm{\&alpha;}}{tan\mathrm{\&beta;}}=\frac{\frac{y-y_2}{x-x_2}}{\frac{y_2}{x_2}}=\frac{1}{\frac{\frac{y_2}{x_2}}{\frac{y-y_2}{x-x_2}}}=\frac{1}{1+\frac{k_{2}x-y}{y-k_2{x}_2}}=\frac{1}{1+\frac{(k_2-k)x}{y-k_2{x}_2}},$

逐点计算斜率比λ；

在心电信号采样点区间[x_s，x_t]内分别找出斜率比λ最小的点x_J和λ最大的点x_Ton点，则x_J为J点位置，其对应的心电信号幅值为y_J，而x_Ton为T_on的位置，其对应幅值为y_Ton；

求取心电信号的ST段宽度L_ST＝x_Ton-x_J。

2.如权利要求1所述的心电信号ST段识别方法，其特征在于：求取ST段位移D_ST＝y_J-f₀，ST段斜率k_ST＝(y_Ton-y_J)/(x_Ton-x_J)。