12导联心电图P波检测算法

第2l卷 第 2期 2002年 6月 北京生物医学 Beljit~ Biomedical En~neefing V0】2l N0．2 Jun 2002 12导联心电图 P波检测算法 扬海威 詹永麒 胡伟国 夏恒超 闰润强 张永缸 摘 要 本文提出了一种心电信号中 P波检测方法 首先分析了小波变换方法和翼形函数 (wings function) 方法检测 P渡的特点，然后提出了一种应用小波变挺初步判定有无 P渡后，在原始信 号上再应用翼形函数方法 精确椅测 P渡峰点、判定 P波形态的方{击，最后结出 P被单导联和 t2导联整体起点、终点的确定方{击。经上海 |仃第六人民医院随机采样的 320倒心电图检测验证 ，P渡正确捡率达到98％。 关键词 心电信号 P波检测 小渡变换 翼形函数 中固分粪号 TP3ll 52 ／1540．4l 文献标 识码 A 文章编号 Io02—3208(2002)啦一0102—04 Algorithm of P W ave Detection in 12·Lead ECG Signals Mm'hanicalEng．， Shanghai Jiootong ㈣ 髓 n _儿 cqf of Stulnghai 200233 E4NGHaiwei ．ZHAN~ngqi。．H ~iguo et 1 School of 200030；2 Departmer~ofCardio&gy，theSia-thPeop~’sltospi一 【Abstract】 1n th[ pape⋯ P wa⋯det fio口algorithm is Pmpo~d Fist，the h r tm of wavelet trand~ ati。n mid w{ 5 ftt~'tion f肿 def牌f 雄 ECG P⋯ avalysed 1k⋯ alg~Athm⋯1ha1 s wavaletⅡ o删 fj0D tD deter whether P⋯ exists r not aod p 口 y de、 t~m]ines peaks and sh e PwⅡ me＆『嗡 ~iagsfunction Oilthe 0。 ECG signal，isintroduced Finally，t methodto deterr01nethe On 8n and Offset ofP⋯ ein sin出 lend andl2一leadis given．By usingthismethod，a~cu~le detection Tm of P is 98％for 320⋯ of ECG Sban ai Sixtl~e Peopk’8 H~pltal 【Key words】 ECG si~]aI P w detection Wa*-elet tmnstom'~ Wings fimctio口 心电图计算机分析研究始于 2O世纪 50年代 末，目前国际上应用晟广泛的是 12导联 同步心 电 图的 自动检测 ，我 国现在 正在推广 l2导联 同步心 电图自动检测技术。在心电信号中，由于 P波幅度 小 、频率低 ，一般容易混人干扰，精确检测 P渡比 较困难 。通常 P波检 测是在 QRS定位后进行 ，在 Qss波起点前一定时问窗内检测 P波 一些学者对 P波的识别进行了研究，最初采用幅值与一阶导数 结合法、一阶导数法、一阶导数与二阶导数结合 法 。这类方法简便易行，但对变异较大的 P波 检测不准，并易受噪声干扰 资料 [3：、[4：把已 经检 出的 QRS波和 T波 当作 噪声 ，从 原始信号 中 减去该噪声后再检测 P波 ，这种方法 能突出 P波， 但对高频噪声不敏感。9O年代以来 ，一 些心 电学 者应用小波变换 检测 QRS渡 。 取得 了好的效 果， 作者 单位：1上海交通大学机械工程学院 (200030) 2上海市第 六^ 民医院心 内科 (200233) 作者简介：扬海威 (】974一)，男．籍贯：河北霸州市，博士研究 生 。 并提出在小波变换 的高层 分解上检测 P渡的方法。 虽然小渡变换检测 QRS波 已被广泛采用 ，但在小 波变换的高层上检测 P波容易受基线漂移和 Q渡 干扰，应用小波变换检测 P波效果并不理想。 本文在ECG (心电图)信号小波变换的第 5层 上利用模极大值点个数对 P波进行初步判定，然后 在原信号上应用翼形函数方法精确检测 P波，取得 了较好的效果。 1 ECG信号检测 心电信号采集分析系统 由信号采集盒、导联 线 、微 机、激 光 打 印 机构 成。 系统 采 样 频 率 为 500Hz，13位 AID转换 器 ，自动 采样 时间 lO秒 ， 前端滤波器将心电信号中高于 150Hz的频率滤除。 软件检测流程如图 1。由于心电信号比较微 弱，信噪比较低，极易受环境的影响。本系统首先 采用基于不定长的快速博立叶变换，将 l2导联同 步心电信号 (每导联采样 1O秒共 5000个数据)变 换到频域进行分析处理 ，滤除工频干扰和基线漂移 干扰。并根据检测 信号需 要 ，提供 两种滤坡频 率 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2期 2导联心电图 P被检测算法 103 段，即0 5～40Hz和0．5～100Hz 滤波后将信号进 行小波变换，系统采用 3阶样条小波将信号进行 6 层分解，QRS渡主要集 中在第 2、第 3层频 率段 内，因此在第 2层小渡系数上结合能量法 ，检测 R 渡 ，并应用移动窗平均法检测 QRS波 的起点 和终 点。QRS渡检测之后，结合第 5层小波系数在 QRS 波起点前一定时 间窗内检测 P波 ，在 QP,s渡终 点 后一段时间窗内检测 T波。然后 ，在单导联上选择 主导心搏进行信号平均，并将 l2导联平均信号对 齐。最后给出 l2导联信号的整体时限参数 (心率、 QRS时限、OT间期、PR间期等)。 匦巫 — — L l 堡 l 起点 终点 l 厂 ] 医囹 匝匦 I．．．． — — —l 匿 在平均被形上测量 } { 波形参数 图 l i2导联心 电圈椅测流程图 2 P波的检测 P渡的检测是在信号滤波和 QRS渡检测后进行 的。由于 QRS波检测是在 ECG信号小波变换后处 理的，为了节省运算时间和保持程序一致性，本文 利用ECG信号小波变换的第五层结果初步判断 P 波有无 ，然后利用翼形 函数 (wings function)法在 原始信号上精确检测 P渡顶点和形态。 2．1 小波变换检测 ECG信号的特点 小渡变换方法是一种时 一频局部化分析方法， 它具有多分辨率的特点，在信号频率高的区域上， 小波变换的时间局部化程度也高 ，这一特性在处理 突变信号时特别有用。在心电信号检测中常用的小 波母函数是 3阶样条小渡，信号经样条小波变换后 相 当于经过一个有限长反对称滤波器处理 原信号 中模极大值点 (由一上升沿和一个下降沿构成的奇 异点)与小波变换后适当尺度上的一对模极大值 (又称模极大值对)相对应。原信号模极大值点位 置就是小波变换后相应层次上的模极大值对与零线 相交点 (过零点 )减去该层小波时移后的位置 。 图 2是某 ECG信号 L导联 (80)前 6秒钟信 号的 小波变 换 图形 (6层 小 渡分 解分 别 为：dl、 d2、d3、d4、d5、d6)。从 图中可以看 出，ECG信 号的高频噪声主要集中在第 1层小尺度上，ECG中 的R渡集中在第2、3、4层中间尺度上，ECG低频 分量和噪声 (P、T波和基线漂移等)主要落在第 5、6层等大尺度上。一般 QRS渡的主波具有较大 的幅值和较高的能量，经小波变换后在2到4层中 适当尺度上会有较明显的极值对与之对应，因此可 以较准确地检测 QRS波。对于 P渡，资料 [5：、 [6]中提到可在小渡的第 5层上 QRS起点之前用 检测极值对的方法来检测 P波，但从图2中可知， 虽然信号经小渡变换后在第 5层上肯定有投值对与 原信号的P波模极大值 (P波峰点)相对应。但在 5层上与 P渡对应的极值对幅值较小，容易与其他 干扰和畸变在该层形成的极值相混淆；另外通过大 量 ECG信号小波变换的结果发现，第 5层小波系 数的模极大值对的过零点容易受基线漂移干扰 ，另 外在一些信号 中 P波易受 Q渡在小波第 5层形成的 报值点影响，这些都会造成第 5层上极值对检测不 明显 ，使检测到 P波不准确或造成误检。因此单纯 应用小波变换 ，不能达到 P渡检测的要求。 囝2 ECG小浊变换的结果 2．2 翼形函数检测 ECG信号的特点 Daskalov -在检测 T渡过程中用到了翼形函数 法，以突出T波峰值点，取得了较好的效果。该方 维普资讯 http://www.cqvip.com · 104 北京生物医学工程 第 21卷 法的原理如图3，为寻找图 (a)中信号右半段的 峰值点，第一步在选定范围内计算每一点与其左、 右i13点处的幅值差 W．=S 一S。一 和 =S 一S⋯ 并计算每一点的翼形函数 (wings=W．×W )，得图 (b)。从图中可以看出原信号中的模极大值 (包括 正、负极值)在翼形函数中被强烈突出。因此通过 检测翼形函数中的正向极值点，便可检测到原信号 中模极大值位置，此外通过判断翼形函数是否有第 2正向极值来判断原信号是否存在第二峰值。经试 验明检测 P波时，对干扰小、波形正常的P波应 用翼形函数方法效果很好 ，但对于波形变异甚至没 有 P波的情况 ，翼形函数法很容易造成误检 fb、 图 3 翼形 甬数洼示意图 2．3 P波检测算法 根据上面对小波变换方法和翼形 函数方法在 P 波检测中的优、缺点分析，本文利用P波在小波第 5层上肯定有极值对与之对应的性质，先由小波第5 层上极值点数目初步判定 P波有无，然后在原信号 上分别应用具有不同宽度 的翼形函数 ，检测 P波峰 值位置并对其形态进行判定，具体过程如图4。 第一步 ，根据已经检测到的 RR间期和 QRS起 点确定 P波搜索范围，并计算原信号搜索范围前后 各20ms均值作为 TP、PR段均值，用于判断 P波 形态。第二步，在信号小波变换后第 5层上找大于 阈值 1的极值点，分三种情况作进一步处理：(1) 若没有极值，则原始信号无 P波；(2)若有一个极 图4 P渡幢测流程 图 值，则可能存在 P波，需在搜索范围内应用翼形函 数进行判定 ，并对翼形函数极值小于阚值 2的情况 进行 P波低平判定；(3)若极值多于 1个，则原信 号肯定有P波，从左边第一个极值点到搜索右边界 内的信号应用翼形函数，根据翼形函数的极值点数 目判断是否存在双峰 (或双 向)。第三步判定 P波 峰值准确位置和 P波形态。 2．4 P波起、终点确定和时限参数测■ P波形态和顶点确定后，借鉴资料 [8]中确 定 T波终点的思路，在P波搜索左边界与左侧顶点 范围内计算每一点与左、右各 k点连线的夹角，其 中夹角最大处的位置即为 P波起点；同理，在 P波 右顶点与搜索范围右边界之间寻找 P波终点。 QRS波、P波、T波检测之后，对单导联信号 进行平均，并将 12导联信号对齐。由于不同导联 信号是心电向量在不同方向的投影，所以不同导联 的起、终点并不完全 同步。因此当单导联的 P波 起、终点确定后，要对 12导联上的起点和终点进 行综合判断，排除异常的起点和终点后，选择其中 最早的 P波起点作为整体 P波的起点，最晚的 P波 终点作为整体 P波终点。最后根据各个波的整体起 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 l2导联心电圆P渡检测算法 ·l05 点、终点计算出 ECG波形的时限参数。其中与 P 波有关的参数为 P波时限 (P波起点 q终点的时 间)和 PR问期 (P波起点到 QRS波起点的时间)。 3 试验结果与分析 由上海第六人民医院进行一周心电图门诊随机 采样得到 350例心电图，经过两位心电图专家筛选 排除信号采样异常的病例得到有效病例 320例，其 中正常 184例，异常J36例 (不包括房扑、房颤病 例) 应用本文提出的 P渡检测算法对这 320例心 电图信号进行检测和测量，将其结果和两位临床医 学专家检测和手工测量结果比较。在320例心电图 检测 中，有 3例 P渡漏检，3例 P渡误检 ，整体上 P波检出率达到98％；在正确检测的 P被中，P披 时限测量结 果都在 手工测量 结果 ±10ms范 围内， PR间期测量结果都在手工测量结果 ±15ms范围 内。测量结果在临床检测误差范围内，但整体上比 手工测量结果稍有偏大 ，这可能因为手工测量通常 只选 l2导联中最明显的一个导联进行测量，而计 算机测量要综合判定 12导联的波形分界点后再进 行测量，所以造成计算机测量结果偏大。 检测结果说明本文提出的应用小波变换与翼形 函数法相结合 的方法在 P波检测和时限参数的测量 上是有效的。今后应对现有算法进一步改进 ，以提 高P波的检测精度，并实现异常 P波 (房扑和房 颤 )的检测。 参考文献 1 FTeem~ K-Sigh A P wa e deto'tion ambulator)ECG Annum In— temafiorol Come．nee of the IEEE Engineering Ln Medfoi~ and BfoIogbv ciety 】991 13 (2)-0647—0648 2 E∞ 0肿 0，Ga*idia L，W G A mbusl P oc lI『 如r P-wove dekc_ tkm and~ganentation in hlgI】re钟lmi帅 】2-lead ECG J8th ⋯^ J”一 k哪 tmn Come．nee of the IEEE E 目⋯ g Ln MedJci~ and Biology Society，,Mnslerd~ 1 ，5 4 2：ECG Segmentation． Potential a P 1365一)366 3 Reddy BRS．Etko P E，Christe~ n DW ．et a1．Deteeti~ of P⋯ ia resting ECG： prelimina,~ u曲 ( mpm in Cardiology， 1992， l9：87—90 4 Vasffttez C，Iiem~dez A『，C~ autt G．et a1．Fe~ibilJty of neural net— work b硼。d QRS-T c~cellaliOn~hemes for P-wave det~tion．Compme~ in Cardiology． 1998．25：625—628 5 李翠微 ．部冲勋 ．袁超伟 ECG信号 的小渡变换检 测方法 中 国生物 医学工程学报 。1995．】4(】)：59—65 6 Bahoum M，HassanJ bf，Hubln M DsP implementation ofwave／e~tralt~ form for real time ECG w e f— s detecti~ and heaa r anal⋯ Computer№tb d‰ m n‰ ∞ ∞ e，1997，52‘1) 35— 44 7 SahamN JS d S N，Blmn R K P An autonmted hto heal· _h朗t QT-Jnteaval mxalvsis IEEE Engi~ering in Mediei~ and Biology． 200I．48 t3)：97—101 B D~kMov 1X．Ghristov 1 1 Auto-- fie detection of the electrocardiogram T-wa*e fmd Medical＆ Biological Engln~dng＆ Compufin~．1999．37 (3)：348～353 (20o1-o7-19收稿 ) (上接第 110页) 大大提高了小波变换的速度，其结果可以将它用于 R波或异常心 电的检测。 本文只是在利用 DSP芯 片实现小波变换方 面 进行了初步的研究，在以后的工作中，可以尝试采 用不同系列 DSP芯片例如 C3X浮点系列提高小渡 变换的精度或 C5X定点系列进一步提高运算速度。 在将来的研究中，可以开发嵌入式系统采用高速总 线例如 PCI等实现 DSP与 Pc机之问的传输，有效 地利用 Pc机丰富的软硬件资源，便于信号的实时 显示、分析 、记录等。 参考 文献 I 李智、等 小渡变换在心电图 QRS浊检测中的应用 北京生物 医学工程 ．1995．15 【1)：lO一13 2 王超文 小波变换应用于 Qrs被检测的研究．天津大学硕士论 文 ．20o0 3 Cai~ei LL， et DH就t【帅 EGG chatacleri~tic 9ohat~峙i雌 ⋯ k transforras IEEE Tran~ on BME 1995，42 (1j：2I一28 4 张雄伟 DSP芯片的原理与开筮应用 (第 2版) 电子工业出版 社 、2000 5 Sahambi JS and Tandon SN，d al Wavelet ba~ed ST-segment且n y s Med Bio f~ornput，1998．Sep：568—5"／2 6 张芳兰 ，等 TMS320C2XX用户 电子工业出版{±，1999 7 扬福生 、小被变换的工程分析 与应用 科学出版社、1999 8 Saham~ ．et 8I．U目u ⋯ I札 t nd rm目k ECG c 怛n； L舳 IEEE EngSn~rJng in Medict~ awl Biolob~,． I997．1atdFeb：77—83 (2001437—02收藕) 维普资讯 http://www.cqvip.com