CN111685759A - 一种心电信号的p、t特征波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种心电信号P、T特征波的检测方法，包括以下步骤：a、获取人体的心电信号进行预处理；b、通过平稳小波变换对其P、T特征波待检段尺度下的信号进行平滑处理；c、利用极大极小值原理进行心电数据P、T特征波峰值点检测；d、根据时移修正原则对心电数据P、T特征波峰值点位置进行修正；e、通过计算P、T特征波检测的误差率e _r 、敏感度S _e 、正确预测度P _p 三个指标对检测结果进行评价。经本发明方法处理，平滑处理后的心电信号不但有效的滤除了噪声，且恢复了心电信号低频特征波，保留了心电信号的有效信息。

Description

一种心电信号的P、T特征波检测方法

技术领域

本发明涉及心电信号的分析与自动检测技术，具体地说是一种心电信号的P、T特征波检测方法。

背景技术

近年来，我国的心脑血管疾病的发病率和死亡率位居各类疾病的首位，已经成为人类健康的头号杀手，全球十大致死原因中缺血性心脏病人数位居第一。针对于心电信号的检测，心电图无疑是目前心血管疾病诊断最为有效的手段。

其P、T波代表了心室的复极化，可以对心室颤动和心源性猝死等重大心脏疾病进行有效预测。但是由于P、T波所在位置低频成分较多，噪声较大，加之P、T波形态多变，虽然现有的算法在检测P、T波检测中取得一定效果，但由于ECG信号在采集过程中受到外界各种噪声以及工频干扰，导致ECG信号的特征波的波峰附近会有细小的毛刺，这些毛刺的频段与P、T波频段重叠，因此仅通过频域特性对信号滤波并不能去除这种毛刺，从而无法获得光滑的P、T波待检测段，导致峰值点的判断不准确，进而影响心血管疾病的诊断。

发明内容

本发明的目的就是提供一种心电信号的P、T特征波检测方法，以解决现有方法出现的毛刺干扰、过零点错位等问题。

本发明是这样实现的：一种心电信号的P、T特征波检测方法，包括以下步骤：

a、获取人体的心电信号进行预处理；

b、通过平稳小波变换对其P、T特征波待检段尺度下的信号进行平滑处理；

c、利用极大极小值原理进行心电数据P、T特征波峰值点检测；

d、根据时移修正原则对心电数据P、T特征波峰值点位置进行修正；

e、通过计算P、T特征波检测的误差率e_r、敏感度S_e、正确预测度P_p三个指标对检测结果进行评价。

步骤a的具体过程为：

a-1、采集人体的心电信号，确定输入ECG信号样本；

a-2、对输入的ECG信号进行连续小波变换，利用小波系数优势，将噪声信号和有用信号进行有效区分；

a-3、保留有用信号，去除噪声信号并进行ECG信号重构，消除ECG信号本身存在的工频干扰和基线漂移；

a-4、对ECG信号进行R波峰值点检测，提供ECG信号P、T特征波检测区间。

步骤b的具体过程为：

b-1、选取ECG信号P、T特征波所在频段区间下，P、T特征波待检段尺度下的信号f(x)；

b-2、未平滑信号f(x)输入到平稳小波变换中，利用平稳小波变换提高f(x)信号的整体平滑程度，平滑处理信号表达式为：

其中，f*θ_j表示光滑函数θ_j(x)按尺度j对f(x)进行平滑处理，

和

表示消除毛刺突变部分而保留大尺度下缓慢变化的有效特征。

步骤c的具体过程为：

c-1、在平滑的基础上对P、T特征波进行奇异点检测，利用R波模极值对的位置来判定P、T特征波模极值对的位置区间，位置区间表达式为：

P_area＝R_L+RR_interal*1/3

T_area＝R_R+RR_interal*1/2

P_area和T_area分别表示P、T特征波位置区间，R_L和R_R表示R波位置的左右方向，RR_interal表示RR间隔长度；

c-2、在P_area和T_area区间内检测P、T特征波所对应的模极值对；

c-3、在P、T波模极值对的左右各添加100ms检测窗口，此窗口内检测是否存在正负性极值对，在存在正负性极值对的情况下，通过去掉模极值对较小的极值，保留其明显的一对极值对，此极值对视为两个极值点，在其极值点前后选取7个采样点，检测是否有同极值点，在对其极值点进行修正，修正后的极值点更新了该极值对，此极值对间的过零点为特征波峰值点。

步骤d的具体过程为：

为防止过零点错位，按照2^j-1-1规则进行平移，j表示分解尺度，在检测P、T特征波时j＝4，根据规则进行修正，修正后的过零点为P、T特征波的波峰。

6、根据权利要求5所述的心电信号的P、T特征波检测方法，其特征是，步骤e的具体过程为：计算误差率、敏感度、正确预测度：

误差率计算公式：

敏感度计算公式：

正确预测度计算公式：

其中，F_N为没有检出的P、T特征波峰值点个数，F_P为错检P、T特征波峰值点个数，N为心拍个数，R_d为正检P、T特征波峰值点个数。

经本发明方法的处理，平滑后的干净心电信号不但有效地滤除了噪声、毛刺，且恢复了心电信号低频特征波，保留了心电信号的有效信息。本发明检测主要分为对心电数据进行平滑处理和心电信号P、T特征波的峰值点检测及修正。经本发明方法的处理，充分利用了两者的各自优势解决了心电信号P、T特征波检测不准确所面临的的问题，实现了心电信号的P、T特征波检测。

附图说明

图1是本发明方法实施过程流程图。

图2是经过平滑处理前、后心电信号P、T特征波检测结果示意图。

图3是经过时移修正前、后心电信号P、T特征波检测结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容实现本发明。本发明未提及的具体处理方式均按本领域常规操作进行。

本实例在Intel Xeon CPU E5-2697@2.70GHz，内存为128.00GB，Win7，64位操作系统的计算机中实现，整个心电信号自动分类算法采用Matlab语言实现。

结合附图1、2、3，本发明的实施过程如下：

A)获取人体的心电信号，并进行滤波处理，检测滤波后的心电信号的R波：

①信号采集：以1000Hz的采集频率采集人体心电原始信号，并存储为TXT文档的数据形式，然后用Matlab软件将所述TXT文档存储的心电原始信号数据读取到电脑中；

②对所述心电原始信号数据进行处理：

通过小波分解对ECG信号采用db1小波进行3层分解，并在第2、3层高频系数中取一段数据计算两个尺度上的检测阈值，然后在第三层高频系数中检测超出阈值的模极大值点，并通过第2层高频系数找到数值符合阈值要求的点作为该模极值是否对应R波的条件，对此时得到的R波峰值预测点进行筛查，将不满足条件的去除，从而得到R波峰值点的准确位置。

小波母函数选择表达式：

保留R波峰值点的满足条件公式：

0.4*RR_mean<RR<1.6*RR_mean

此时，得到的R波的位置可为后续P、T波检测提供检测区间。

B)P、T波待检段尺度下的信号平滑处理：

①尺度选取：

不同尺度包含不同频段信号，经小波分解后，第四层的低频小波系频带范围为5.76～22.5Hz，第五层低频小波系数频带范围为5.625～11.25Hz。

P、T波在其第四尺度下表现最为明显，本模型选取第四尺度分别进行ECG信号的平滑处理和峰值点检测。

②平滑处理：

平滑处理经平稳小波变换对P、T波待检段尺度下的信号f(x)与光滑函数θ_j的卷积得到。

平滑处理信号表达式：

其中f(x)为P、T波待检段尺度下的信号，式中f*θ_j(x)表示光滑函数θ_j(x)按尺度j对f(x)进行平滑处理，消除毛刺突变部分而保留大尺度下缓慢变化的有效特征，提高f(x)信号的整体平滑程度。

C)P、T特征波峰值点检测：

①峰值点检测：

在P_area和T_area区间内检测P、T特征波所对应的模极值对，所检测的模极值对间过零点对应其P、T特征波原始信号峰值点；

位置区间表达式：

P_area＝R_L+RR_interal*1/3

T_area＝R_R+RR_interal*1/2

其中P_area和T_area表示P、T波位置区间，R_L和R_R表示R波位置左右方向，RR_interal表示RR间隔长度；

②极值点筛选：

在P、T波模极值对的左右添加100ms检测窗口，检测是否存在正负性极值对。若存在，通过去掉模极值对较小的极值，保留其明显的一对极值对。在其极值点前后选取7个采样点，检测是否有同极值点，对其极值点进行修正，修正后的极值点更新了该极值对，此极值对间的过零点为特征波峰值点。

③过零点修正：

在P、T波模极值对间过零点按照2^j-1-1规则进行平移，其中j为分解尺度，向右平移7个采样点得到最终的过零点，此过零点为修正后的P、T波波峰。

D)验证：

①数据：

实验数据选用MIT-BIH心律失常数据库中的100号、101号、103号、105号、106号、108号、111号、112号、113号、115号、116号、117号、118号、119号、121号、122号、123号、124号、200号、201号、202号、205号、209号、212号、214号、220号、222号、223号、230号、231号和234号31组数据。

②验证参数：

本文采用误差率、敏感度、正确预测度等三项指标对P、T特征波峰值点检测结果进行验证。

误差率计算公式：

敏感度计算公式：

正确预测度计算公式：

其中，F_N为没有检出的P、T波峰值点个数，F_P为错检P、T波峰值点个数，N为心拍个数，R_d为正检P、T波峰值点个数。

经以上处理后结果如图2、3所示，经本发明方法处理，三个验证参数都达到较好的效果，心电信号P、T特征波峰值点可以有效的检测到，而且还保留了心电信号的有效信息。

Claims (6)

1.一种心电信号P、T特征波的检测方法，其特征是，包括以下步骤：

a、获取人体的心电信号进行预处理；

b、通过平稳小波变换对其P、T特征波待检段尺度下的信号进行平滑处理；

c、利用极大极小值原理进行心电数据P、T特征波峰值点检测；

d、根据时移修正原则对心电数据P、T特征波峰值点位置进行修正；

e、通过计算P、T特征波检测的误差率e_r、敏感度S_e、正确预测度P_p三个指标对检测结果进行评价。

2.根据权利要求1所述的心电信号的P、T特征波检测方法，其特征是，步骤a的具体过程为：

a-1、采集人体的心电信号，确定输入ECG信号样本；

a-2、对输入的ECG信号进行连续小波变换，利用小波系数优势，将噪声信号和有用信号进行有效区分；

a-3、保留有用信号，去除噪声信号并进行ECG信号重构，消除ECG信号本身存在的工频干扰和基线漂移；

a-4、对ECG信号进行R波峰值点检测，提供ECG信号P、T特征波检测区间。

3.根据权利要求2所述的心电信号的P、T特征波检测方法，其特征是，步骤b的具体过程为：

b-1、选取ECG信号P、T特征波所在频段区间下，P、T特征波待检段尺度下的信号f(x)；

b-2、未平滑信号f(x)输入到平稳小波变换中，利用平稳小波变换提高f(x)信号的整体平滑程度，平滑处理信号表达式为：

其中，f*θ_j表示光滑函数θ_j(x)按尺度j对f(x)进行平滑处理，

和

表示消除毛刺突变部分而保留大尺度下缓慢变化的有效特征。

4.根据权利要求3所述的心电信号的P、T特征波检测方法，其特征是，步骤c的具体过程为：

c-1、在平滑的基础上对P、T特征波进行奇异点检测，利用R波模极值对的位置来判定P、T特征波模极值对的位置区间，位置区间表达式为：

P_area＝R_L+RR_interal*1/3

T_area＝R_R+RR_interal*1/2

P_area和T_area分别表示P、T特征波位置区间，R_L和R_R表示R波位置的左右方向，RR_interal表示RR间隔长度；

c-2、在P_area和T_area区间内检测P、T特征波所对应的模极值对；

c-3、在P、T波模极值对的左右各添加100ms检测窗口，此窗口内检测是否存在正负性极值对，在存在正负性极值对的情况下，通过去掉模极值对较小的极值，保留其明显的一对极值对，此极值对视为两个极值点，在其极值点前后选取7个采样点，检测是否有同极值点，在对其极值点进行修正，修正后的极值点更新了该极值对，此极值对间的过零点为特征波峰值点。

5.根据权利要求4所述的心电信号的P、T特征波检测方法，其特征是，步骤d的具体过程为：

为防止过零点错位，按照2^j-1-1规则进行平移，j表示分解尺度，在检测P、T特征波时j＝4，根据规则进行修正，修正后的过零点为P、T特征波的波峰。

6.根据权利要求5所述的心电信号的P、T特征波检测方法，其特征是，步骤e的具体过程为：计算误差率、敏感度、正确预测度：

误差率计算公式：

敏感度计算公式：

正确预测度计算公式：

其中，F_N为没有检出的P、T特征波峰值点个数，F_P为错检P、T特征波峰值点个数，N为心拍个数，R_d为正检P、T特征波峰值点个数。

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