[doc] 12导联心电图P波检测算法

[doc] 12导联心电图P波检测算法 12导联心电图P波检测算法 第2l卷第2期 2002年6月 北京生物医学工程 Beljit~BiomedicalEn~neefing V0】2lN0.2 Jun2002 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(wingsfunction) 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TP3ll52/1540.4l文献标识码A文章编号Io02—3208(2002)啦一0102—04 AlgorithmofPWaveDetectionin12?LeadECGSignals Mm’hanicalEng.,ShanghaiJiootong?髓n_儿 cqfofStulnghai200233 E4NGHaiwei.ZHAN~ngqi..H~iguoet1Schoolof 200030;2Departmer~ofCardio&gy,theSia-thPeop~’sltospi一 【Abstract】1nth[pape…Pwa…detfio口 algorithmisPmpo~dFist,thehrtmofwavelettrand~ati.nmidw{5ftt~’tion f肿def牌f雄ECGP…avalysed1k…alg~Athm…1ha1swavalet?o删 fj0DtDdeterwhetherP…existsrnotaodp口yde, t~m]inespeaksandshePw?me&『嗡 ~iagsfunctionOilthe0.ECGsignal,isintroducedFinally,tmethodtodeterr01n etheOn 8nandOffsetofP…einsin出lendandl2一 leadisgiven.Byusingthismethod,a~cu~ledetectionTmofPis98%for320…of ECG SbanaiSixtl~ePeopk’8H~pltal 【Keywords】ECGsi~]aIPwdetectionWa*-elettmnstom’~Wingsfimctio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 第2期2导联心电图P被检测算法103 段,即05,40Hz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li2导联心电圈椅测流程图 2P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(wingsfunction)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2ECG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 ? 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 2.3P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4P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. 2.4P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 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 1FTeem~KeIEEEE目…gLnMedJci~andBiology Society,,Mnslerd~1,542:ECGSegmentation.Potential aP1365一)366 3ReddyBRS.EtkoPE,Christe~nDW.eta1.Deteeti~ofP…ia restingECG:prelimina,~u曲(mpminCardiology,1992, l9:87—90 4VasffttezC,Iiem~dezA『,C~auttG.eta1.Fe~ibilJtyofneuralnet— workb硼.dQRS-Tc~cellaliOn~hemesforP-wavedet~tion.Compme~ 628 inCardiology.1998.25:625— 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.1995.】4(】):59—65 6BahoumM,HassanJbf,HublnMDsPimplementationofwave/e~tralt~ formforrealtimeECGwef—sdetecti~andheaaranal… Computer?tbd‰mn‰??e,1997,52’1)35— 44 7SahamNJSdSN,BlmnRKPAnautonmtedhtoheal? _h朗tQT-JnteavalmxalvsisIEEEEngi~eringinMediei~andBiology. 200I.48t3):97—101 BD~kMov1X.Ghristov11Auto--fiedetectionoftheelectrocardiogram T-wa*efmdMedical&BiologicalEngln~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 3Cai~eiLL,etDH就t【帅EGGchatacleri~tic9ohat~峙i雌…k transforrasIEEETran~onBME1995,42(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 5SahambiJSandTandonSN,dalWaveletba~edST-segment且nys MedBiof~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 8Saham~.et8I.U目u…I札tndrm目kECGc怛n;L舳 IEEEEngSn~rJnginMedict~awlBiolob~,.I997.1atdFeb:77—83 (2001437—02收藕)