CN106650609B - 基于调q小波变换和高阶累积量的j波检测及分类方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及J波检测及分类方法,具体为基于调Q小波变换和高阶累积量的J波检测及分类方法。本发明首先通过心电图机进行心电数据采集,获取正常信号和J波信号两种类型,应用平稳小波变换进行R峰值点检测,截取R点后128个点作为初始数据样本。应用平稳小波变换和调Q小波变换对初始样本进行分解,提取特征向量。将特征向量输入至集成C4.5决策树。然后对测试样本按上述流程提取特征向量,输入至训练好的集成C4.5决策树,得到测试样本的类别属性。本发明通过串行融合经快速ICA降维后可以更为简单、方便地获取对原信号具有高度代表性的较低维数的特征向量,将其输入至集成决策树分类器,可以快速、高效地实现J波信号的准确分类。
Description
技术领域
本发明涉及J波检测及分类方法,具体为基于调Q小波变换和高阶累积量的的J波检测及分类方法。
背景技术
J波是Tomashewski在1938年首次发现的,它是J点(QRS波结束与ST段起始的结合点)附近产生的一种顿挫。目前临床上将J波引发的恶性室性心律失常、晕厥、猝死等疾病统称为J波综合征。更为具体来说,其分为获得性和遗传性两类,获得性J波综合征包括缺血性J波和低温性J波,遗传性包括早期复极综合征(Early Repolarization Syndrome,ERS)和Brugada综合征(Brugada Syndrome,BrS)。
大量临床分析表明,J波与心律失常、急性心肌梗死、变异心绞痛、猝死等心血管疾病具有重大关联:冠心病患者中与J波相关疾病的发生率在23%~42%,其中缺血性J波发生率高达70.12%。如今异常J波和某些类型的J波综合征已经被列为心脏性猝死检测的高危预警指标。提高心电信号中J波信号的检测识别分类对预防相关高危疾病,减少医生诊断压力,降低J波疾病引发的致死率具有现实的临床意义和重大的实用价值。
调Q小波变换(tunable Q-factor wavelet transform,TQWT)是离散二进制小波结构基础上的一种改进的时频分析方法。其针对传统小波变换基函数选取缺乏理论支撑的不足,引入描述信号中心频率与带宽比值的品质因数Q,克服了传统小波变换品质因子恒定不变的劣势。其可以根据信号自身的振荡特性,实现小波基函数的自适应,达到和分析信号更好的匹配度,从而获取更为有效目标成分。应用此方法最大优势在于可避免为筛选小波基而进行大量实验,算法可简单、快速、高效地实现特征提取。
高阶累积量(Higher-order Cumulant)属于高阶统计方法之一,其包含了原始信号幅度和相位的丰富信息,应用于生物医学信号的非线性、非确定性、非平稳性等固有特性分析时具有一定优势。因为其具有变元可加、对称等性质,应用简单、方便,尤其在使用其三、四阶累积量信息统计时可以获取一、二阶累积量无法提取的有用信息。
本发明研究了基于调Q小波和高阶累积量技术的检测方法,在理论分析的基础上,给出了具体实现J波信号识别和分类的基本步骤,为J波疾病的临床诊断、治疗提供一定参考依据。
发明内容
本发明的主要目的是弥补现有J波信号检测准确度低的不足,提供一种基于调Q小波变换和高阶累积量的J波检测及分类方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的:基于调Q小波变换和高阶累积量的J波检测及分类方法,包括以下步骤:
(1)首先通过心电图机进行心电数据采集,获取心电信号,包括正常信号和J波信号两种类型;
(2)采用平稳小波变换检测心电信号的R峰值点,截取R峰值点后128个点作为初始数据样本;
(3)应用平稳小波变换对初始数据样本进行4尺度小波分解,获取4层小波系数,计算4层小波系数的相对能量作为特征向量;
(4)应用调Q小波变换对初始数据样本进行4层小波分解,提取第3层的细节系数,获取细节系数的3阶累积量估计值的主成分和4阶累积量估计值的主成分并作为特征向量;
(5)将上述提取的特征向量输入至集成C4.5决策树,对集成C4.5决策树进行训练;
(6)将待分类的心电信号进行步骤(2)、(3)、(4)得到特征向量,将特征向量输入到集成C4.5决策树,即得到心电信号的类型。
本检测技术中应用的特征主要包含两类:其一平稳小波变换提取的信号能量特征,其二调Q小波变换和高阶累积量提取的信号非线性特征。两者通过串行融合经快速ICA降维后可以更为简单、方便地获取对原信号具有高度代表性的较低维数的特征向量,将其输入至集成决策树分类器,可以快速、高效地实现J波信号的准确分类。
附图说明
图1为本发明的流程图。
注:A、B为输入集成C4.5决策树的17个特征向量,A表示调Q小波第3层细节系数对应3、4阶累积量主成分组成的16个特征向量,B表示平稳小波4层分解所得系数的相对能量RWE1、RWE2、RWE3、RWE4串行融合所得的一个特征向量。
具体实施方式
基于调Q小波变换和高阶累积量的J波检测及分类方法,包括以下步骤:
(1)通过心电图机获取所需的心电信号,包括正常信号(NS)和J波信号(JS)两种类型。因为心电图机带有噪声滤除模块,所以可以直接获得去除噪声后的心电信号。
(2)由于J波主要突显在心电图的ST段,有时也会出现在QRS的下降支,为提高检测效率,降低计算复杂度,采用平稳小波变换检测心电信号的R峰值点,并截取R峰值点后的128个样本点作为初始数据样本。
(3)对初始数据样本分别应用平稳小波变换和调Q小波变换进行4层分解,提取下面两类特征向量。
其一,对初始数据样本进行4层平稳小波变换分别获取4层长度相等小波系数,设Cj(k)代表第j层小波系数,应用公式1进行小波系数相对能量提取,分别记为RWE1、RWE2、RWE3、RWE4,使用串行融合方法将其组合为一个特征向量。
其二,首先,对初始数据样本进行4层调Q小波变换,提取第3层小波细节系数序列{x1,x2,...,xn},应用公式2、3分别获取3阶累积量的估计值和4阶累积量的估计值
其中代表信号的K阶矩,τ表示延迟时间,E[·]表示均值运算。
其次,在获取3阶累积量的估计值和4阶累积量的估计值后应用基于负熵的快速ICA进行降维,提取估计值的主成分。其主要过程为:
第一步:对估计值和去均值处理,使它的均值为0,即
第二步:利用PCA进行白化操作,去除特征之间的相关性,增强算法收敛性,即
第三步:适当选择需要估计的分量的个数和迭代次数;
第四步:随机选择一个初始权矢量W;
第五步:以W=E{Xg(WTX)}-E{Xg'(WTX)}W更新权值,其中E{·}为均值运算,g(·)为非线性函数,这里取g(y)=yexp(-y2/2);
第六步:对更新后的权值进行规范化W=W/||W||;
第七步:是否收敛?如果否,转向第五步,如果收敛,结束。
最后,选取降维后共16个特征向量与相对能量融合而成的特征向量组成样本特征集。
(4)将数据D分为互不相交的两个子集,组成训练样本组S和测试样本组T,其含有数据比例为7:3,其中训练样本组S中一定要包含NS和JS两种类型信号样本。
(5)取训练样本组S,对每个训练样本按照步骤(2)、(3)分别提取17个特征向量,输入至集成C4.5决策树,对集成C4.5决策树进行训练。
取测试样本组T,对其进行步骤(2)、(3)处理,提取17个特征向量,将其输入训练好的集成C4.5决策树,由输出结果得出测试数据的类别属性,即判断为NS和JS的哪一种。
Claims (1)
1.基于调Q小波变换和高阶累积量的J波检测及分类方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)首先通过心电图机进行心电数据采集,获取心电信号,包括正常信号和J波信号两种类型;
(2)采用平稳小波变换检测心电信号的R峰值点,截取R峰值点后128个点作为初始数据样本;
(3)应用平稳小波变换对初始数据样本进行4尺度小波分解,获取4层小波系数,计算4层小波系数的相对能量作为特征向量;
(4)应用调Q小波变换对初始数据样本进行4层小波分解,提取第3层的细节系数,获取细节系数的3阶累积量估计值的主成分和4阶累积量估计值的主成分并作为特征向量;
(5)将上述步骤(3)、(4)提取的特征向量输入至集成C4.5决策树,对集成C4.5决策树进行训练;
(6)将待分类的心电信号进行步骤(2)、(3)、(4)得到特征向量,将特征向量输入到集成C4.5决策树,即得到心电信号的类型。
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