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，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

對心電信號進行檢測分析時，首先要對提取到的心電信號進行去噪處理，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)是完成波形特征點參數(shù)值的確定，將模擬的心電信號進行數(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，其實質(zhì)就是用小波變換對采集到的心電信號進行分解處理，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但必須保證這個點在模極大值對的位置區(qū)間內(nèi)，將這個點作為R波頂點。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波群起點檢測研究

確定QRS波的起點和終點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)鍵點判斷時間過長等缺點，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波的頂點位置，然后根據(jù)心電信號的時序特征，在R波頂點位置的附近，找到各波形的區(qū)域范圍，最后利用差分分析法準確得到QRS波波形的關(guān)鍵點。

（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波頂點坐標值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，將R波頂點坐標值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，其中，RT為心電周期的平均值。確定完P(guān)波頂點后開始尋找P波起始點，具體思路是，從確定的P波頂點位置開始，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)的第一個拐點就是P波起點，P波終點也用同樣的方法得到，只是搜索方向為從P波頂點開始向時間軸右側(cè)搜索。

（5）T波檢測研究

首先要找到T波頂點，然后在T波頂點的基礎(chǔ)上搜索T波的起點和終點。

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波頂點范圍大概為RP+0.1 RT ～RP+0.5 RT。查找到T波頂點后，在T波終點開始向S波方向搜索，找到的第一個拐點為T波起點，然后假設(shè)T波對稱，找到T波終點。

3 小結(jié)

本文利用小波變換及小波對奇異點的檢測特性，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)鍵點的檢測。

參考文獻：

[1]魏超.基于小波變換的心電信號自動分析技術(shù)[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2011.

[2]朱 洪 俊.心 電 信 號 波 群 的 小 波 精 確 識 別 法 [J].西 南 科 技 大 學(xué) 學(xué)報 ， 2007，22（02）：33-39.

[3]于學(xué)鴻，許小漢等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的波形檢測方法[J].物醫(yī)學(xué)工志，2000，17（01）：59-62.

[4]王俊杰.傳感器與檢測技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2011（04）.

[5]高彩虹.心電信號臨床信息的自動識別研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)， 2010.