一種新型、快速心電P波檢測(cè)算法

【作 者】葉繼倫，孫紀(jì)光，吳躍勝，杜風(fēng)玲，張旭

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，5180002 蚌埠醫(yī)學(xué)院 數(shù)理教研室，蚌埠市，233030

一種新型、快速心電P波檢測(cè)算法

【作 者】葉繼倫1，孫紀(jì)光1，吳躍勝2，杜風(fēng)玲1，張旭1

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，5180002 蚌埠醫(yī)學(xué)院 數(shù)理教研室，蚌埠市，233030

該文提出了一種新的、簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好的多導(dǎo)聯(lián)ECG P波檢測(cè)算法。該方法先檢測(cè)QRS-T波群的范圍，然后消除ECG中QRS-T波群，最后在TQ段利用低通差分法(LPD)和切線法檢測(cè)P波起點(diǎn)和終點(diǎn)，并取兩種方法的平均作為最終結(jié)果。切線法是臨床醫(yī)生T波終點(diǎn)定位所使用的方法，該文首次將其應(yīng)用到P波起點(diǎn)和終點(diǎn)定位。利用CSE數(shù)據(jù)庫對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試，一致性分析發(fā)現(xiàn)本算法檢測(cè)結(jié)果和CSE數(shù)據(jù)庫注解具有較好的一致性，算法檢測(cè)到的P波起點(diǎn)、終點(diǎn)相對(duì)于CSE程序注解的總體平均偏差分別為-2.01 ms、3.94 ms，偏差的標(biāo)準(zhǔn)差分別是4.96 ms、5.86 ms。

ECG；P波；導(dǎo)聯(lián)；低通差分法；切線法

0 引言

在心電圖中P波是心房除極波，反應(yīng)了心房除極的過程[1]。在心電圖分析中，P波的時(shí)限、幅度、形態(tài)、PR間期、P波電軸等是作為心律失常分析的重要判據(jù)，例如P波存在與否是判斷室性早搏和正常心拍的主要判據(jù)之一；PR間期是判斷束支傳導(dǎo)阻滯的重要判據(jù)之一。然而，這些參數(shù)的提取，都依賴于P波起點(diǎn)、終點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。

由于P波低頻、低幅、形態(tài)多樣等原因?qū)е翽波定位非常困難[2]。P波和T波會(huì)發(fā)生重疊，甚至P波與QRS波群發(fā)生融合，這在心電圖中很難區(qū)分[3]。自心電圖自動(dòng)分析技術(shù)應(yīng)用于臨床以來， P波起點(diǎn)、終點(diǎn)自動(dòng)、準(zhǔn)確的定位，一直是心電自動(dòng)分析算法的重點(diǎn)和難點(diǎn)。已有的P波檢測(cè)方法包括：低通差分法(LPD)[4-5]、小波變換法[6-7](WT)、Block Gibbs Sampler[8]、Extended Kalman Filter(EKF)法[9]等，低通差分法是心電圖機(jī)中和心電監(jiān)護(hù)中常采用的方法，該算法簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、但是易受到噪聲的干擾；小波變換法、Block Gibbs Sampler、EKF法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性差，難以應(yīng)用于心電圖機(jī)和心電監(jiān)護(hù)儀。所以，創(chuàng)建一種新的、可靠的、準(zhǔn)確的、實(shí)時(shí)性好的P波檢測(cè)算法是目前心電自動(dòng)分析算法中急需解決的問題。

切線法是臨床上醫(yī)生常用的一種T波終點(diǎn)檢測(cè)方法，本文首次將該方法應(yīng)用于P波的起點(diǎn)和終點(diǎn)的定位，并且結(jié)合了傳統(tǒng)的低通差分法（LPD），取兩種算法檢測(cè)結(jié)果的平均（記為綜合法，用LTA表示法）作為最終結(jié)果。該算法準(zhǔn)確可靠，實(shí)時(shí)性好，對(duì)于改善心電圖機(jī)和心電監(jiān)護(hù)儀P波分析算法具有重要價(jià)值。

1 材料和方法

P波是低頻低幅信號(hào)、直接定位非常困難，算法一般以R波為基準(zhǔn)，向后搜索T波的范圍，將ECG信號(hào)中QRS-T波波群去除，將剩余的區(qū)域進(jìn)行P波檢測(cè)。

在不同導(dǎo)聯(lián)中P、QRS、T波的起點(diǎn)和終點(diǎn)略有差異，在臨床中一般是進(jìn)行多導(dǎo)聯(lián)分析，起點(diǎn)取多導(dǎo)聯(lián)中出現(xiàn)最早的起點(diǎn)、終點(diǎn)取多導(dǎo)聯(lián)中出現(xiàn)最晚的終點(diǎn)。所以在進(jìn)行P、QRS、T波起點(diǎn)和終點(diǎn)檢測(cè)，一般綜合多導(dǎo)聯(lián)心電測(cè)量結(jié)果[1]。

1.1 材料

ECG信號(hào)的獲?。和讲杉?2導(dǎo)心電信號(hào)（包括I、II、V1、V2、V3、V4、V5、V6）。根據(jù)AHA推薦標(biāo)準(zhǔn)、信號(hào)的采樣率必須大于或等于500 Hz。導(dǎo)聯(lián)III、AVR、AVL、AVF、可以通過I、II導(dǎo)聯(lián)計(jì)算得到[1]。

1.2 方法

1.2.1 R波定位

Pan&Tompkins算法[10-11]是一種簡(jiǎn)單的R波檢測(cè)方法，它是通過對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行帶通、差分、平方來消弱P、T波成份和噪聲、突出QRS波群成份，然后設(shè)置閾值檢測(cè)大于閾值的波峰。單通道的R波檢測(cè)容易受到噪聲的干擾，導(dǎo)致漏檢和錯(cuò)檢，本算法利用多導(dǎo)聯(lián)同步ECG信號(hào)的絕對(duì)值之和，作為Pan&Tompkins算法的輸入信號(hào)。這樣即綜合了多導(dǎo)聯(lián)心電，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠，同時(shí)避免了同步12導(dǎo)聯(lián)R波檢測(cè)，減小了計(jì)算量。

其中，y(k)是疊加后的信號(hào)；x(i, k)是導(dǎo)聯(lián)i的第k個(gè)采樣點(diǎn)；M是導(dǎo)聯(lián)數(shù)。

1.2.2 QRS波群起點(diǎn)和終點(diǎn)

本文采用12導(dǎo)聯(lián)差分信號(hào)絕對(duì)值之和，并進(jìn)行30 ms平滑，然后以R波為基準(zhǔn)，前后設(shè)置閾值搜索小于閾值的點(diǎn)，作為QRS波群起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置。如圖1：心電信號(hào)記為ECGSig；ECGSig的差分記為ECGDer；12導(dǎo)ECGDer的絕對(duì)值之和記為ECGDerSum；R波的位置記為Rpos，QRS波群起點(diǎn)位置記為QRSBeg；QRSEnd是QRS波群終點(diǎn)位置；ThBeg是QRSBeg的搜索閾值，ThEnd是QRSEnd的搜索閾值。

和文獻(xiàn)[4-5]中低LPD法相比，該方法不需要先檢測(cè)起點(diǎn)和終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的差分峰，不需要進(jìn)行12導(dǎo)聯(lián)分析，算法更加簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，準(zhǔn)確可靠。

差分采用的是單純M次差分，它是一種低通差分，見公式(2)。

其中，y(k)是差分信號(hào)，x(k)是輸入信號(hào)，k是采樣點(diǎn)的序列，M是常數(shù)。M越大低通濾波器的截止頻率越低，M不能過大，在本算法中M取20 ms。

圖1 QRS波群起點(diǎn)和終點(diǎn)檢測(cè)Fig.1 Detection of the QRS complex onset and offset by our algorithm

1.2.3 T波終點(diǎn)定位

T波終點(diǎn)的定位，心電自動(dòng)分析算法中最常用的是LPD法[4-5,12]。如圖2(a)，它是在ECG差分信號(hào)ECGDer中以R波位置Rpos為基準(zhǔn)，往后一定范圍內(nèi)搜索T波下降支所對(duì)應(yīng)的差分峰(記為peak)，再根據(jù)peak設(shè)置搜索閾值和范圍，往后搜索小于閾值點(diǎn)即T波終點(diǎn)（記為Tend）。

在臨床中，醫(yī)生最常采用的是切線法檢測(cè)T波終點(diǎn)的位置[13-14]。它是過T波下降支中斜率最大值的點(diǎn)做切線，然后取零參考電位水平和切線的交點(diǎn)，作為T波終點(diǎn)的位置。如圖2(b)所示，在ECGSig中過T波下降支斜率最大值點(diǎn)peak，做切線Tangenitial Line。根據(jù)QRSbeg往前20 ms信號(hào)段平均值作為零參考電位Ref Baseline[1,15]。切線Tangenitial Line和參考電位Ref Baseline的交點(diǎn)，即是T波終點(diǎn)Tend。

圖2 差分法和切線法檢測(cè)T波終點(diǎn)的示意圖Fig.2 Detection of the T wave offset by LPD method and tangent method

為了提高T波終點(diǎn)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)12導(dǎo)心電信號(hào)分別進(jìn)行LPD法和切線法檢測(cè)，12導(dǎo)LPD法的中值和12導(dǎo)切線法的中值，兩者的平均值作為T波終點(diǎn)位置，記為Toff。

1.2.4 QRS-T波群的消除

心電信號(hào)ECGSig，QRS-T波被QRS波群起點(diǎn)和T波終點(diǎn)之間的電壓的均值取代，這個(gè)波群成為等電位區(qū)域。處理后的信號(hào)記為ecgSig。

1.2.5 綜合法定位P波起點(diǎn)和終點(diǎn)

P波相對(duì)于QRS波是低頻低幅波、P波起點(diǎn)和終點(diǎn)的檢測(cè)極易受到噪聲的干擾。為了提高P波算法的準(zhǔn)確率，本文采用了LPD法和切線法兩者相結(jié)合的方法來檢測(cè)P波（LTA法）。LPD法檢測(cè)P波[4-5]和本文中采用的T波終點(diǎn)定位算法原理相同，不同的是搜索范圍和閾值設(shè)置。切線法是臨床上醫(yī)生常用的一種T波終點(diǎn)檢測(cè)方法[13-14]，本文首次將其應(yīng)用到P波檢測(cè)。

綜合法（LTA）檢測(cè)P波起點(diǎn)和終點(diǎn)的算法過程如下：

（1） LPD法初步檢測(cè)P波的起點(diǎn)和終點(diǎn)：利用12導(dǎo)ecgSig信號(hào)，同步進(jìn)行LPD法檢測(cè)P波的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并取中值作為檢測(cè)結(jié)果，分別記為Pbeg、Pend。

（2）篩選出P波明顯的3個(gè)導(dǎo)聯(lián)：在12導(dǎo)ecgSig信號(hào)中，在 [Pbeg-0.03 s，Pend+0.03 s]范圍內(nèi)搜索最大值，記為MaxPvalue(i)(i=1, 2,…12)，并從maxPvalue(i)篩選出最大的3個(gè)值所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)聯(lián)，記為Maxlead(k)(k =1, 2, 3)。

（3）在Maxlead(k)(k=1, 2, 3)導(dǎo)聯(lián)中，根據(jù)切線法進(jìn)行P波起點(diǎn)、終點(diǎn)的檢測(cè)。并取3導(dǎo)聯(lián)檢測(cè)結(jié)果的中值，作為最終結(jié)果，記為Pon、Poff。

（4）取切線法和LPD法結(jié)果的均值——Pbeg和Pon的均值作為P波起點(diǎn)的位置，Pend和Poff作為P波終點(diǎn)的位置。

（5）如果P波幅值小于15 μV，則認(rèn)為P波不存在。

注：搜索范圍取[Pbeg—0.03 s，Pend+0.03 s]是因?yàn)長PD法檢測(cè)的P波區(qū)域存在偏差，為了保證搜索范圍有P波波峰的存在，增大搜索范圍。零參考電位參考了CSE標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行P波起點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，以Pbeg往前20 ms ECGSig的均值；P波終點(diǎn)檢測(cè)是以Pend往后20 ms ECGSig的均值。

圖3 一個(gè)心電周期中各特征點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Each feature point detected by our method in an ECG cycle

2 算法測(cè)試結(jié)果分析

CSE數(shù)據(jù)庫是12導(dǎo)或15導(dǎo)心電數(shù)據(jù)庫，CSE數(shù)據(jù)庫源于歐盟的心電圖共同標(biāo)準(zhǔn)(Common Standards for quantitative Electrocardiography，CSE)項(xiàng)目，是最常用的心電數(shù)據(jù)庫之一。為了評(píng)估算法檢測(cè)P波起點(diǎn)和終點(diǎn)的準(zhǔn)確性，本文利用CSE數(shù)據(jù)庫MA1系列數(shù)據(jù)作為算法輸入，該數(shù)據(jù)庫包含了125個(gè)心電記錄，這些記錄包含了125個(gè)程序注解和25例人工注解，其中125個(gè)記錄中排除14例P波不存在的記錄（程序注解記為Pann，人工注解記為Aann）[16]。CSE數(shù)據(jù)庫注解Pann和Aann之間存在偏差，并不完全相同。這些注解包含了每個(gè)記錄ECG信號(hào)的 P、QRS波群的起點(diǎn)、終點(diǎn)，以及T波終點(diǎn)位置，以便對(duì)算法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

如表1，LPD法和切線法檢測(cè)P波起點(diǎn)相對(duì)于Pann偏差（LDP～Pann、Tangent～Pann）的sd分別是5.37和6.27，而LTA法（LTA～Pann）的sd是4.96，說明LTA法的檢測(cè)結(jié)果和參考值的一致性有所提高。LPD法和切線法檢測(cè)P波終點(diǎn)相對(duì)于Pann偏差（LDP～Pann、Tangent～Pann）的sd是6.73、6.89，綜合法（LTA～Pann）是5.86，說明了LTA法檢測(cè)結(jié)果和參考值的一致性有所提高。

如表1，LTA法檢測(cè) P波起點(diǎn)位置相對(duì)于注解Pann（LTA～Pann）的mean±sd是-2.01±4.96，而Aann和Pann注解之間（Aann～Pann）的mean±sd是1.28±5.03，說明LTA法檢測(cè)P波起點(diǎn)和注解Pann的一致性，接近Aann和Pann的一致性。同樣的，LTA法檢測(cè)P波終點(diǎn)位置相對(duì)于Pann（LTA～Pann）的mean±sd是3.94±5.86，而Aann和Pann注解之間（Aann～Pann）的mean±sd是-1.2±5.26，說明LTA法檢測(cè)P波終點(diǎn)和注解Pann，接近CSE數(shù)據(jù)庫Aann和Pann的一致性。說明了算法檢測(cè)結(jié)果，已經(jīng)接近CSE數(shù)據(jù)庫注解的水平。

表1 LPD法、切線法(Tangent)、LTA法檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Result comparison by LPD, Tangent methed and LTA

3 討論

LTA法和小波變換法(WT)[6]進(jìn)行對(duì)比，如表2。LTA法檢測(cè)P波起點(diǎn)相對(duì)于Pann的mean±sd是-2.01±4.96，而WT法mean±sd是4.9±5.4，說明LTA法檢測(cè)P波起點(diǎn)和Pann的一致性更好。LTA法檢測(cè)P波終點(diǎn)相對(duì)于Pann雖然mean=3.94 ms，但LTA法的sd和WT法的sd相比更小，說明LTA法測(cè)量結(jié)果和Pann偏差的波動(dòng)性小，說明LTA算法檢測(cè)效果比WT算法更加準(zhǔn)確。EKF[9]、Block Gibbs Sampler[8]法等并未直接給出CSE數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果，難以直接比較。

表2 基于CSE數(shù)據(jù)庫111個(gè)注解的LTA法和WT法的對(duì)比Tab.2 Algorithm performance comparison between LTA and WT based on CSE referees

WT算法復(fù)雜、計(jì)算量大，難以滿足心電監(jiān)護(hù)和心電圖機(jī)實(shí)時(shí)性要求，而LTA法簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好，檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。對(duì)于心電圖機(jī)和心電監(jiān)護(hù)儀中心電P波自動(dòng)分析具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

本文提出的綜合法（LTA）檢測(cè)P波起點(diǎn)和終點(diǎn)算法，和CSE數(shù)據(jù)庫Pann注解有一致性，接近Pann和Aann兩注解之間的一致性，說明LTA算法檢測(cè)效果接近CSE注解水平。綜合法LTA和WT算法相比，相對(duì)于Pann偏差的波動(dòng)性更小，說明LTA算法檢測(cè)效果比WT算法更加準(zhǔn)確。

本文提出的綜合法（LTA）檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時(shí)性好。對(duì)于應(yīng)用于改善心電圖機(jī)和心電監(jiān)護(hù)P波分析具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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A Novel and Fast P Wave Detection Algorithm in ECG Signals

【W(wǎng)riters】YE Jilun1, SUN Jiguang1, WU Yuesheng2, DU Fengling1, ZHANG Xu1
1 Biomedical Engineering Department, Medical College, Shenzhen university, Shenzhen, 518000
2 Mathematics & Physics Department, Bengbu Medical College, Bengbu, 233030

This paper presents a new, simple and fast algorithm of automated P wave detection in multi-lead ECG Signals. Range of QRS-T complex is detected firstly. Then QRS-T complex is eliminated. Finally, P wave’s onset and offset are detected by using the average of low-pass difference method and tangent method. Tangent method is always used to locate the offset of T Wave but it will firstly be used to locate the P wave onset and offset in this paper. The proposed algorithm is tested by the annotated CSE database. Result shows that algorithm test result has a good consistency with BIS CSE annotation. Compared with the mean and standard deviation of P wave onset and offset, our algorithm and CSE annotation is -2.01 ms, 3.94 ms and 4.96 ms, 5.86 ms.

ECG, P wave, lead, low-pass difference (LPD), tangent method

R318.08

A

1671-7104(2017)01-0013-04

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.01.004

2016-08-01

葉繼倫，E-mail:yejilun@126.com

吳躍勝，E-mai: yuesheng_wu@sina.com