基于小波變換的心電信號特征檢測算法

摘 要：本文提出了基于連續(xù)小波變換的心電信號QRS波識別算法。采用高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)作為小波基函數(shù)，其中QRS波中R波頂點(diǎn)范圍的確定利用小波變換相應(yīng)層次中的模極大值對的位置； R波頂點(diǎn)位置確定后，利用已有的平均心電周期，實現(xiàn)了P、T波提取的一種新方法—搜索窗口寬度自適應(yīng)法，在這個新的窗口中利用原信號的差分值，找到P、T波的一些關(guān)鍵點(diǎn)，最終檢測提取出完整的心電波形。

關(guān)鍵詞：小波變換；QRS波識別；自適應(yīng)窗口；心電波形

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.104

1 引言

對心電信號進(jìn)行檢測分析時，首先要對提取到的心電信號進(jìn)行去噪處理，包括去除基線漂移、去除50Hz工頻干擾等。然后提取識別心電信號的各種波形，其主要任務(wù)是完成波形特征點(diǎn)參數(shù)值的確定，將模擬的心電信號進(jìn)行數(shù)字化描述[1]。近些年來，對心電信號特征參數(shù)的提取涌現(xiàn)出了各種各樣的算法，本文選擇基于小波分析的方法對心電信號特征檢測進(jìn)行研究，該研究包括對QRS波群、P、T波等心電信號的典型波形特征和形態(tài)進(jìn)行分析識別。

2 QRS波群檢測研究

本文利用小波變換的方法檢測信號的奇異點(diǎn)，其實質(zhì)就是用小波變換對采集到的心電信號進(jìn)行分解處理，得到不同頻率成分的信號。而這個過程中首先要做的也是最重要的任務(wù)就是選擇合適的小波函數(shù)。

（1）選擇合適的小波函數(shù)

小波函數(shù)的選取方法多種多樣，目前用于心電信號特征提取的小波函數(shù)有db5、haar、mexican-hat和二次樣條[2]。本文在參考這些方法的基礎(chǔ)上選用了具有一階消失矩的小波函數(shù)，經(jīng)過該小波函數(shù)的變換后，QRS波群正好對應(yīng)相應(yīng)的模極大值對，以此檢測出QRS波。為了讓模極值對的幅值更明顯，小波函數(shù)應(yīng)盡量選取平滑函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)（即具有一階消失矩），為滿足上述要求本文選取高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)作為小波函數(shù)。

（2）R波峰值點(diǎn)的檢測研究

利用具有一階消失矩的小波函數(shù)分解變換心電信號后，得到一系列小波系數(shù)。在得到的小波系數(shù)中找到模極大值對的位置，同時找到原心電信號中峰值最高的那個點(diǎn)但必須保證這個點(diǎn)在模極大值對的位置區(qū)間內(nèi)，將這個點(diǎn)作為R波頂點(diǎn)。若極值對中先出現(xiàn)極小值再出現(xiàn)極大值，則說明R波是正向的，若極值對先出現(xiàn)極大值再出現(xiàn)極小值，則說明R波是倒置的。確定好R波后，跳過200毫秒（心電信號不應(yīng)期時間），繼續(xù)分析檢查后面的小波系數(shù)以此得到下一個R波。

（3）QRS波群起點(diǎn)檢測研究

確定QRS波的起點(diǎn)和終點(diǎn)的常用方法有差分法，小波分析結(jié)合差分法[3]等，為了解決這些算法中存在的對干擾比較敏感，關(guān)鍵點(diǎn)判斷時間過長等缺點(diǎn)，本文利用小波變換剔除干擾信號，除去大部分肌電干擾和基線漂移。通過采用小波分析的模極大值對判斷方法獲得Q波的頂點(diǎn)位置，然后根據(jù)心電信號的時序特征，在R波頂點(diǎn)位置的附近，找到各波形的區(qū)域范圍，最后利用差分分析法準(zhǔn)確得到QRS波波形的關(guān)鍵點(diǎn)。

（4）P波檢測研究

P波在時間軸上出現(xiàn)在QRS波群中Q波的左側(cè)，一般利用P波的寬度在心電周期（RR間期）的寬度中所占的比列，得到P波的搜索范圍[4]。通常將R波頂點(diǎn)坐標(biāo)值RP減去心電波形中PR段的最小寬度（即RP-0.06RT）作為搜索P波的起點(diǎn)，將R波頂點(diǎn)坐標(biāo)值RP減去心電波形中PR段的長度（RP-0.205RT）作為搜索P波的終點(diǎn)，其中，RT為心電周期的平均值。確定完P(guān)波頂點(diǎn)后開始尋找P波起始點(diǎn)，具體思路是，從確定的P波頂點(diǎn)位置開始，向時間軸的左側(cè)搜索大概一個P波寬度的區(qū)域，搜索過程中出現(xiàn)的第一個拐點(diǎn)就是P波起點(diǎn)，P波終點(diǎn)也用同樣的方法得到，只是搜索方向為從P波頂點(diǎn)開始向時間軸右側(cè)搜索。

（5）T波檢測研究

首先要找到T波頂點(diǎn)，然后在T波頂點(diǎn)的基礎(chǔ)上搜索T波的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

T波搜索方法幾乎與P波搜索方法相同。首先確定T波頂點(diǎn)位置的區(qū)間，主要依據(jù)T波信號的時寬性質(zhì)和心電周期，在T波可能出現(xiàn)的大概范圍內(nèi)找到小波系數(shù)中的模極值對。然后在模極值對的相應(yīng)范圍內(nèi)確定T波頂點(diǎn)位置，但要區(qū)分T波是倒置的還是正向的兩種情況。最后根據(jù)心電的QT間期和QRS間期的時間長度，得到T波頂點(diǎn)范圍大概為RP+0.1 RT ～RP+0.5 RT。查找到T波頂點(diǎn)后，在T波終點(diǎn)開始向S波方向搜索，找到的第一個拐點(diǎn)為T波起點(diǎn)，然后假設(shè)T波對稱，找到T波終點(diǎn)。

3 小結(jié)

本文利用小波變換及小波對奇異點(diǎn)的檢測特性，選擇的小波函數(shù)為具有一階消失矩的高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)。利用該函數(shù)對采集到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的小波分析處理，再根據(jù)原信號的差分值和小波變換得到的一系列小波函數(shù)，完成了基于連續(xù)小波變換分析的方法對QRS波群、P波和T波關(guān)鍵點(diǎn)的檢測。

參考文獻(xiàn)：

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