第l9卷 第23期 电子设计工程 2011年12月 V01.19 No.23 Electronic Design Engineering Dec.201l 基于小波变换的QRS波群检测 卢菲.高振斌 (河北5-业大学通信与信息系统,天津300401) 摘要:提出了一种基于小波多分辨分析的算法,对心电信号进行特征提取和识别。通过小波变换对常规心电图信号 进行分解去噪和特征提取,并利用动态自适应阈值和删除多检点,补偿漏检点对QRS波检测进行优化。实验结果表 明该方法在QRS波形不失真的情况下,提高了一部分MIT—BIH数据库信号中QRS波识别的准确率,并且对于较低 准确率的心电信号的原因进行了分析。 关键词:心电信号;小波变换;QRS波;特征提取;正确率 中图分类号:TN911.72 文献标识码:A 文章编号:1674—6236(2011)23—0046—04 QRS wave detection based on wavelet transform LU Fei,GAO Zhen—bin (Communication and Information System,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China) Abstract:Propose a method based on wavelet multiresolution analysis algorithm for ECG feature extraction and recognition, through the wavelet transform of conventional ECG signal decomposition denoising and feature extraction,and the use of dynamic adaptive threshold and the deletion of multiple point,compensation detection point to QRS wave detection was optimized.The experimental results show that the method in the QRS waveform distortion in the case raiss a portion of the MIT- BIH database in QRS wave signal recognition accuracy and the low accuracy of the ECG signals are analyzed. Key words:ECG signal;wavelet transform;QRS wave;feature extraction;accuracy rate QRS波群是心电信号最重要的组成成分,反映了心室收 定R波位置,否则将进一步计算下一个相邻尺度的小波变 缩时心脏内的电流活动情况。其发生时间和波形提供了许多 换,再用类似比较的方法。这样提高了准确率,但仅仅是对于 关于心脏状态的信息,比如最基本的心率。因此,在心电信号 R波检测。文中应用小波变换进行对心电信号的去噪以及对 的自动诊断技术中,QRS波群的检测变得非常重要。其中R QRS波进行检测分析,在QRS波形不失真的情况下,提高了 波是QRS波群中最为突出的部分.因此通常通过检测R波 QRS波识别的准确率。 峰值位置来获悉QRS波群的位置。所以R波检测就成为心 电信号自动诊断算法实现的关键,成为区分正、异常心律的 1方法介绍 基础。对于QRS波的检测一般使用的方法包括等值、差分、模 1.1基本理论 板、曲线拟合等方法,这些方法在实际使用中.对心电信号中 小波变换是将信号分解成由一个母小波经过平移、尺度 出现的强工频干扰,尤其是对运动心电信号中较强的肌电干 伸缩得到的一系列小波的叠加,小波变换是一种时频分析方 扰、严重的基线漂移,波形的形态变异等.均在不同的程度上 法,它在低频的部分具有比较低的时间分辨率和比较高的频 存在着波形失真、识别的准确率不高等弱点。 率分辨率,而在高频部分则与之相反,并具有对信号的自适 小波变换方法是通过直接检测某些特征尺度的模极大 应性.它的这一特性特别适合处理心电信号。 值来实现R波的定位。Cuiwei Lit ]采用的是二次样条小波对 小波变换中,信号f ̄x)连续小波变换 lf,电信号进行了5尺度的分解,通过对含有较强QRS波的 2、3尺度模极大值对的检测.同时运用正、负极大值的幅度阈 ( ) ) ( )= f,(£) (竺 )dr (1) 、/S一 值判断,从而实现R波l的检测。在检测过程中运用了幅度和 斜率阈值可变、忽略、回找等优化措施进一步提高了检测的 其中,s为尺度因子,t为平移因子, (竺 )是对基 V s 准确率。Shubha Kadambe ̄21等采用与上述相似的方法,但不同 本小波Os( )进行伸缩平移所得。由于小波基函数与连续变 点是选取了两个连续尺度.当两个尺度模极大值数目一致 化的尺度参数及位移参数具有很大的相关性,因此信号厂(t) 时,根据位置差异的不同,直接或者忽略不应期的方法来确 的连续小波变换系数的信息量是冗余的,为了在不丢失原信 收稿日期:2011-09—27 稿件编号:201109164 号信息的前提下,尽量减少小波变换系数的冗余度,因此,在 作者简介:卢菲(1987一),女,河北衡水人,硕士研究生。研究方向:通信信号处理。 -46- 卢菲。等 基于小波变换的QRS波群检测 实际应用中一般将连续小波离散化,常用的为二进制离散,即 5)检测出QRS波起点和终点。 令s=2J(j∈Z),这样的小波变换称为厂(6)删除多检点,补偿漏检点。 .x)Z进制小波变换。 对于心电信号厂(n),用Mallat算法进行二进制小波变换, 原始心电信号 其形式为: 进行 ̄allat算法分解(1,2,3,4,5) s ,(n)=Y h ̄S ,(n一 k) (2) 在w(3)上检测正负极大值对 ,(n)=2g ̄S2J,,(n一2卜 k) (3) 其中 厂(n)是待处理心电信号, 厂(n)是信号的二进 .爰赣奕藿奈季 负极大值小于闽值s l匝 L= 制小波变换,h gk为正交数字低通滤波器H(W)和高通滤波 墨. 雨 器G(埘)的系数 。 1.2基于小波变换的去噪方法 是l减小19值,在这一段中 检测正一负极值对 基于小波变换的去噪是根据有用信号和噪声信号在不同 尺度的小波系数上有不同的统计特性来进行去噪的。有用信 求正一负极值对过零点 号通过小波变换后。它的小波系数在各尺度上具有较强的相 时移修正 关性,并且当尺度逐渐增大时,信号也会增大或保持不变:而 l堡 坚盛l 噪声信号经过小波变换后产生的系数在各尺度上是不相关或 图1小波变换检测QRS波的流程图 弱相关的,并且会随尺度的增大而减小,分散在小波变换后的 Fig.1 Flow chart of wavelet transform detection of QRS wave 所有系数中。因此当变换尺度较小时,认为信号的小波系数主 1.4 QRS波检测算法优化 要由噪声组成,当变换尺度较大时,小波系数主要由有用信号 在用小波变换检测QRS波中,为了提高检测率,采用动 的小波系数所控制。所以去噪即是消除由噪声产生的系数,保 态自适应阈值和补偿方法。 留有用信号系数,最后由所得到的小波系数进行信号重构,得 1)动态自适应阈值 到原始信号的去噪后的信号L4j。 ECG信号中QRS波的幅度随生理或检测情况的变化常 小波分解与重构去噪算法介绍 有较大变化。因此,小波变换3尺度上的正极大值阈值S。和 1)根据信号的特性选择小波基确定分解层数,文中采用 负极小值阈值S 也应该是自动可变的。本文将ECG信号(1 000 ‘db5’小波进行5层分解; 个采样点)划分为4段,求每一段数据上对应的正极大值A。、 2)对带噪信号进行小波5分解; A 2、』4,、』4 ,取A为这些正极大值的中值,负极大值曰 、曰:、 、 3)对噪声信号和有用信号进行处理。即将噪声信号所处 日 ,取 为这些负极小值的中值。 的频带置零,仅提取有用信号所在的频带; 设采样点内最大值为 ,最小值为Ⅳ,则本段极值点检测 4)对处理后的频带进行小波重构,重构信号就是去噪后 的信号。 ) (4) ‘L 1.3基于小波变换的QrS波检测 1 心电信号在进行多尺度分解时,可明显看出QRS波在尺 32= 1=(0.7 0.3B) (5) 斗 度3下最为明显.无论尺度变大或变小.牵 阈值分别为: 1 S。= 1=(0.7肌0.QRS波的能量都会 当大的T波或者大的P波出现时。可能幅值大于R波峰 逐渐减小,同时干扰能量却逐渐变大,因此可知在尺度3上 值,所以检测需要删除多检点,补偿漏检点,方法是加上RR QRS波的能量最大,对于QRS波的检测也在尺度3上进行。 间期作为依据.当两个R波之间间隔小于0.4RR时,去掉值 R波会在尺度上会产生一对模极大值.即一个正极大值一负极 小的R波,当两个R波之间间隔大于1.6RR时,减小阈值,在 小值对。R波峰取值就对应于这一正极大值一负极小值对的过 这一段中检测R波。 零点。而且同时R峰点与该过零点有较稳定的时移,所以在 L5 QrS波中起点、终点的检测 检测出R波峰是要进行一定的时移调整I5-71。ECG信号的小波 QRS波的起点(Q波)位置是在R波对应的模极大值对 变换检测R峰点的方法如图1所示。 之前的第一个模极大值点,QRS波的终点(S波)位置是由R 检测算法具体步骤如下: 波对应的模极大值对之后的第二个模极值对中靠后的极值 1)对原始ECG信号进行5层小波分解。 点。检测过程中,在R波峰对应的过零点前后的一段时间窗 2)检测第3级小波变换的模极值对(差分)。 I:1内寻找模极大值,进而获得QRS波的起点或终点。如果Q 3)筛选模极值对。 波或S波不存在时,即在该时间窗口内找不到一个模极大值 4)综合多尺度的模极值对,确定其零交叉点位置,反馈 点,那么R波生成的模极大值对中极小值前、后的第一个拐 到原始ECG信号,并进行一定的时移调整,得到精确的QRS 点就是QRS波的起点和终点嘲。 波群位置。 仿真结果如图2和图3所示,选取MIT—BIH心电数据库 -47- 《电子设计工程)2011年第23期 中115,快速分解其心电信号,并检测R波峰及QRS波群。图 3中圆圈所标为R波峰,方框所标为QRS的起点和终点。 尺度3下小波系数的模极大值点 图2尺度3下小波系数的模极大值点 Fig.2 Scale wavelet coefifcients modulus maxima ECG信号的R波峰值及QRS波波段 r }} 6 『 ’ J }一 、} i j √ } 一一£ ・ I il l 』 1 { {0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 图3 ECG的R波峰值及QRS波波段 Fig.3 ECG peak value of R wave and QRS wave band 2检测结果 文中采用db5小波将心电信号进行尺度分解,得出模极 大值对的过零点,然后用于R波的标定和QRS波的检测。在 MATLAB平台下。把该检测方法用于M1T—BIH心律失常库的 48个记录进行检验。该库共有109 428次心跳。选择每个记 录的第一导数据进行检测。 常用的计算心律失常算法准确率的公式为: + (6) 其中 表示该心拍被正确检测出的个数; 表示该心 -48- 拍被错检的个数。TP+FP即为总心拍数[91。 文中选用MIT-BIH中从100到232之间48个的数据进 行正确率检测,每组数据选用65 0000个采样点进行检测.结 果如图4所示。 】00 】∞ lll ¨O 122 202 209 215 222 232 匹囹 图4本文算法对MIT.BIH数据库文件的R波检测结果 Fig.4 ThealgorithmontheMIT-BIHdatabasefileRwavedetectionresults 如图4所示,本文算法在104,114,203,207,228上有着 较差的准确率,其中140存在严重高频噪声,从而会使R波 形严重失真,114,228号QRS波群不明显,很容易造成漏检, 203号心电信号主要受到噪声的影响,并且QRS波出现变 异,心电信号出现变形,导致检测结果并不理想,207号心电 信号波形存在正向和倒向R波,而且倒向R波严重变形会造 成误判【 。 使用相同的样本用不同的方法对与R波进行检测,并做 对比实验.从表1中可以判断出本文算法对于准确率的提高 有一定作用。 表1 R波检测方法对比实验表 Tab.1 Comparison experiment table of R wave detection method 结果显示文中提出的运用db5小波分析方法在R波峰、 QRS波起点终点的标定有很好的效果。通过对比可以看出小 波变换方法相较与差分法等有着较高的准确率,虽然在个别 心电信号的正确率较低。但本文算法仍不失为一种行而有效 的心电信号检测算法。这对于进一步计算很多重要的参数如 RR间期、QRS宽度、P波、T波位置及波幅等心电图信号的重 要特征有很好的提示作用。 3结束语 通过运用db5小波进行小波去噪。运用小波进行R波 峰、QRS波起点终点的标定并对其准确率和其他方法进行比 较。实践证明该方法检测的准确率达到了良好的程度。该算 法运用动态自动阈值进行优化达到较高正确率,并对一些特 定的准确率较低的心电信号进行了原因分析。 参考文献: 【1]LI Cui—wei,ZHENG Chong-xun.Detection of ECG characteristic points using wavelet transforms[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,1995,42(1):21-28. 【2】Kadambf S,Murray R,Fay G.Wavelet transform—based QRS complex detector[J].IEEE Trans BME,1999,46(7):838—848. f31苏丽敏,戴启军,王杰.基于B一样条双正交小波R波的标定 卢菲,等 基于小波变换的QRS波群检测 和QRS波检测[J1.中国组织工程研究与临床康复,2009,13 (9):1657—1660. 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