T波動態(tài)建模與多通道融合估計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種心電圖T波動態(tài)建模與多通道融合估計的方法。針對逐搏T波估計中面臨的T波非對稱性、逐拍間動態(tài)變化以及高動態(tài)監(jiān)護(hù)環(huán)境下的肌電脈沖、電極脈沖噪聲干擾問題，提出一種新的適用于逐搏動態(tài)估計的T波狀態(tài)空間模型，基于擴(kuò)展Kalman濾波，建立多通道T波融合估計框架，融合8個獨(dú)立通道的T波參數(shù)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)噪聲背景下T波的魯棒估計。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：充分利用心電信號的分段特征，建立了適用于非對稱性T波估計的解析模型，利用T波的解析表達(dá)，充分融合8個獨(dú)立通道的T波數(shù)據(jù)，提升了T波逐搏動態(tài)估計的魯棒性，為高動態(tài)監(jiān)護(hù)環(huán)境下T波交替信號的逐搏檢測與估計奠定必要的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。
【專利說明】T波動態(tài)建模與多通道融合估計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)信號處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說是一種心電圖T波的動態(tài)建模 及多通道融合估計方法，尤其是針對運(yùn)動心電圖的T波估計問題。

【背景技術(shù)】
[0002] T波交替現(xiàn)象表現(xiàn)為心電圖T波波形形態(tài)按照"ABABAB…"的順序發(fā)生交替性變 化，對認(rèn)知和預(yù)測心臟性猝死具有十分重要的臨床意義?，F(xiàn)有的T波交替分析系統(tǒng)大都只 能定性的給出分析時段內(nèi)的平均交替值，尚不能實(shí)現(xiàn)定量的逐搏TWA檢測。
[0003] T波的建模與估計是T波交替定量分析的前提與基礎(chǔ)，是制約T波交替定量分析的 關(guān)鍵問題之一。作為心電圖的一個特征成分，T波的形態(tài)檢測與量化分析屬于心電信號的 波形檢測與分段問題。由于T波形態(tài)多樣，個體差異大，特別是在運(yùn)動環(huán)境下，受肌電、電極 接觸噪聲干擾大，這導(dǎo)致T波的波形估計十分困難。
[0004] 基于解析模型的定量分析方法是最近發(fā)展起來的心電信號智能化檢測與診斷的 主流方法之一。其基本思想是建立心電信號的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)某種估計準(zhǔn)則構(gòu)造出一個指 標(biāo)函數(shù)，指標(biāo)函數(shù)的極小化或極大化就求得該準(zhǔn)則下心電信號的最優(yōu)估計。但是現(xiàn)有的模 型化方法普遍采用單高斯核函數(shù)建模心電信號的PQRST波，單高斯核函數(shù)不能有效表征T 波的非對稱性，在高動態(tài)環(huán)境下，一旦面臨T波逐搏間較大的變化時，T波估計的誤差大，嚴(yán) 重影響T波交替的分析性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種T波動態(tài)空間模型，并通過融合多個通道的估計結(jié)果實(shí) 現(xiàn)T波的魯棒估計。
[0006] 本發(fā)明的T動態(tài)建模與融合估計的產(chǎn)生方法，包括以下步驟：
[0007] (1)單通道T波動態(tài)建模與參數(shù)估計：
[0008] ①預(yù)處理：去除基線漂移、工頻干擾、高頻噪聲；
[0009] ②提取平均心拍：通過R波探測，將心電信號從時域轉(zhuǎn)換為相位域，兩個R峰之間 的ECG波形有一個-31到π的等間隔線性相位，對心電信號按相位[-31，31]進(jìn)行平均，獲 得心電信號的均值和方差；
[0010] ③T波建模及參數(shù)初始化：建立包含9個狀態(tài)變量的T波動態(tài)模型，對步驟②獲取 的平均心拍，運(yùn)用最小二乘法獲得平均心拍的高斯核參數(shù)，作為模型參數(shù)的初始值；
[0011] ④T波參數(shù)估計：基于初始化參數(shù)，通過擴(kuò)展Kalman濾波算法估計T波高斯核5 維參數(shù)；（2)多通道T波融合估計：
[0012] ①單通道T波定位：選取T波左右兩個高斯函數(shù)模型的99%的置信區(qū)間來確定每 個心拍T波的起始點(diǎn)與終止點(diǎn)；
[0013] ②T波融合估計：基于各個通道的T波的估計殘差，以其歸一化均方值設(shè)計權(quán)系 數(shù)，融合8個通道（I、II、VI、V2、V3、V4、V5、V6)的T波起點(diǎn)與終點(diǎn)，進(jìn)而獲得T波融合估 計。
[0014] 在T波已完全被脈沖噪聲淹沒的情況下（信噪比為-2dB)，本發(fā)明提出的動態(tài)建 模方法仍然可以有效地跟蹤T波波形，通過融合8個獨(dú)立通道的T波數(shù)據(jù)，獲得的T波起止 點(diǎn)與手工標(biāo)注的位置十分接近，均方根誤差小于lms，實(shí)現(xiàn)了心電信號T波的自動分析與提 取。
[0015] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明T動態(tài)建模與多通道融合估計的原理框圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明的圖1中"單通道T波動態(tài)建模與參數(shù)估計"單元的實(shí)現(xiàn)原理框圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明的圖1中"單通道T波定位"單元的結(jié)果示意圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明的圖1中"T波融合估計"單元的結(jié)果示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 圖1顯示了本發(fā)明產(chǎn)生T動態(tài)建模與融合估計的原理結(jié)構(gòu)框圖，本發(fā)明由"單通道 T波動態(tài)建模與參數(shù)估計"、"多通道T波融合估計"兩個部分組成。
[0021] 本發(fā)明提出一種新的適用于T波動態(tài)估計的狀態(tài)空間模型，該模型不僅可以有效 描述T波的非對稱性特征，而且可以有效避免多高斯函數(shù)模型的脈沖噪聲敏感性問題。在 Bayes估計理論基礎(chǔ)上，融合8個獨(dú)立通道的T波參數(shù)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)噪聲背景下動態(tài)心電圖T波 的魯棒估計。
[0022] 1、單通道T波動態(tài)建模與參數(shù)估計
[0023] (I)T波動態(tài)建模
[0024] 由于T波通常表現(xiàn)出非對稱性特征，常規(guī)的單高斯函數(shù)建模則存在明顯的建模誤 差。但另一方面，如果單純增加高斯函數(shù)的個數(shù)，又易于跟蹤上疊加在信號波形上的脈沖噪 聲，造成T波的過擬合。為此，以同中心的雙半高斯核函數(shù)描述非對稱性T波，分別取兩個 高斯函數(shù)的左半部分與右半部分，對應(yīng)于T波的左右兩部分（1\與T 2)，而且這兩個高斯函 數(shù)具有相同的中心位置（Tt):
[0025]

【權(quán)利要求】
1. 一種T波動態(tài)建模與多通道融合估計方法，其特征在于包含以下步驟： (1) 單通道T波動態(tài)建模與參數(shù)估計： ① 預(yù)處理：去除基線漂移、工頻干擾、高頻噪聲； ② 提取平均心拍：通過R波探測，將心電信號從時域轉(zhuǎn)換為相位域，兩個R峰之間的 ECG波形有一個-π到π的等間隔線性相位，對心電信號按相位[-π，π]進(jìn)行平均，獲得 心電信號的均值和方差； ③T波建模及參數(shù)初始化：建立包含9個狀態(tài)變量的T波動態(tài)模型，對步驟②獲取的平 均心拍，運(yùn)用最小二乘法獲得平均心拍的高斯核參數(shù)，作為模型參數(shù)的初始值； ④T波參數(shù)估計：基于初始化參數(shù)，通過擴(kuò)展Kalman濾波算法估計T波高斯核5維參 數(shù)； (2) 多通道T波融合估計： ① 單通道T波定位：選取T波左右兩個高斯函數(shù)模型的99%的置信區(qū)間來確定每個心 拍T波的起始點(diǎn)與終止點(diǎn)； ②T波融合估計：基于各個通道的T波的估計殘差，以其歸一化均方值設(shè)計權(quán)系數(shù)，融 合8個通道（I、II、V1、V2、V3、V4、V5、V6)的T波起點(diǎn)與終點(diǎn)，進(jìn)而獲得T波融合估計。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種T波動態(tài)建模與多通道融合估計方法中，其特征在于，步 驟（1)中T波動態(tài)建模方法： 以同中心的雙半高斯核函數(shù)描述非對稱性T波，分別取兩個高斯函數(shù)的左半部分與 右半部分，對應(yīng)于T波的左右兩部分（1\與T2)，而且這兩個高斯函數(shù)具有相同的中心位置 (θτ)，同時將心電信號分為P波、QRS復(fù)波與T波三個部分進(jìn)行分段建模，其中P波，Q、R、S 波則分別用一個函數(shù)進(jìn)行建模；另一方面，為了提取T波的波形參數(shù)，將T波高斯核參數(shù)擴(kuò) 展到狀態(tài)矢量中，以便于進(jìn)行量化分析，從而得到如下9狀態(tài)T波動態(tài)模型：
該模型中，ω為心電信號的瞬時心率，供表示瞬時相位角，δ是采樣時間間隔，n為高 斯噪聲，表述系統(tǒng)建模誤差，a、b、Θ分別表不T波的幅度、寬度與中心位置，P表不P波、 C表示QRS復(fù)波，T表示T波，= (% -Umod(2;r)，z·e{Λ0,足 &Γ} 〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種T波動態(tài)建模與多通道融合估計方法中，其特征在于，步 驟（2)中T波的融合估計方法： 選取T波高斯函數(shù)模型的99%的置信區(qū)間來確定單個通道心拍的T波起止點(diǎn)，設(shè)T波 中心位置的估計值表示為& ,則單通道T波的起止點(diǎn)相位％。"、表示為：
式中，^7i、分別表示估計的T波左右高斯核函數(shù)的寬度參數(shù)，以各個通道的T波的 估計殘差為基礎(chǔ)，設(shè)計權(quán)系數(shù)，融合各個通道的T波起點(diǎn)、終點(diǎn)與中心位置，設(shè)第i個通道T波的跟蹤殘差為^，則T波起止點(diǎn)融合方法以及T波波形估計如下：
其中，Ai為加權(quán)系數(shù)，務(wù)、盡、式分別為單通道估計的T波高斯核參數(shù)， 備'?"、各。#、4分別為融合估計的T波起11點(diǎn)與中心、位置，f則為融合估i十的T波。
【文檔編號】G06F19/12GK104462867SQ201410753798
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】李國軍, 周曉娜, 朱寶衛(wèi), 葉昌榮, 胡名輝 申請人:中國人民解放軍重慶通信學(xué)院