专利名称：：基于自适应码本的心电信号传输方法
技术领域：
：本发明涉及的是一种无线通信
技术领域：
的方法，具体是一种用于多跳无线体域网环境的基于自适应码本的心电信号传输方法。
背景技术：
：随着社会的发展，人们的生活节奏加快、压力增大，各种疾病多发，其中各类心脏疾病是危害人类健康的重要原因；同时，全球发达国家人口老龄化趋势明显，心脏疾病也是老年人面对的主要健康挑战。为了更好地保护人类身体健康，能够对人体进行实时监测的无线体域网成为当前的一个重要技术热点。心电图监控是无线体域网中的一个主要监控手段。心电信号的无线传输是无线体域网广泛应用需要解决的重要问题。目前无线心电监控大多是直接传输经过压缩的心电信号。无线传输过程一般包括心电信号预处理、心电信号压缩和编码传输。现有心电信号的压缩方法研究可进行如下的分类时域直接压缩方法、变换域数据压缩法、特征参数提取法、其他压缩方法。以上的心电数据压缩方法，均假设压缩后的心电数据在信道中能够进行无差错地传输；或信道环境足够好，使得不用考虑信道的变化；或是仅仅在系统硬件设备上进行改进来达到传输效果。然而无线体域网的信道质量可能发生巨大变化，而压缩后的心电数据需要在多变的无线信道环境中传输。经过对现有技术的检索发现，关于对无线环境中心电信号的传输技术均未能很好的考虑到无线信道传输环境及信道质量中国专利文献号CN101268936A，公开日2008_9_24，记载了一种“无线心电监护仪的心电压缩方法和解码方法”，该技术采用提升小波包最优空间和嵌入式零数编码来进行心电数据的高效压缩，在在压缩的同时，并没有很好的考虑到在快速时变特征的信道场景中的传输能力。美国专利号US5048535，公开日1991917，记载了一种“MethodandapparatusfordetectingQRScomplexofECG”(监测ECG信号中QRS波群的方法和装置)，该技术考虑到信源的噪声影响，而且仅是从系统的硬件进行改进，还是利用传统的传输方式，没有同时考虑到信道特性并从软件上得到更易实现的改进方法。虽然在无线信道中的心电信号传输方法还是基于基本的心电信号压缩方法，例如参数拟合方法，但都未能考虑到信道对传输质量的影响，未能有效提高心电信号的监测与传输能力。
发明内容本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于自适应码本的心电信号传输方法，在进行心电数据压缩的同时，考虑信道环境的变化，在维持现有硬件复杂度的情况下实现低损耗传输。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤步骤一，将体表采集到的标准心电模拟信号依次经放大器和模数转换器后得到数字心电信号，对数字心电信号进行预处理，获得原始心电信号。所述的预处理是指采用依次通过低通滤波器和高通滤波器的方法消除数字心电信号中的50HZ工频干扰、100Hz倍频附近的工频干扰和0.7Hz以下的基线漂移。步骤二，采用差分阈值法和小波分析法对监测信号进行QRS波群、P波和T波进行检测标记，分别得到QRS波群、P波和T波的起止位置；步骤三，利用固定码本和自适应码本生成合成心电信号，以合成心电信号与原始心电信号的加权均方误差最小的准则调整自适应码本和固定码本中挑选的码矢，并用挑选到的码矢代替残差信号，将这个码矢的地址、固定码本一级自适应码本的增益参数经量化编码由发送端发送至接收端；所述的利用固定码本和自适应码本生成合成心电信号是指利用Hermite曲线拟合得到的参数建立的固定码本与自适应码本结合步骤二中得到的QRS波群、P波和T波的起止位置生成合成心电信号是指，具体为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中屮(0、01(0、1(0分别为QRS波群、P波、T波，(t(t，o)为Hermite函数形式，cn为拟合得到的参数。所述的码矢是指在加权均方误差最小的准则下调整得到的自适应码本和固定码本中的码矢。所述的发送端在每次发送成功后对信道进行估计，并调整码信源心电信号的拟合速度和拟合函数的阶数。步骤四，接收端采用与发送端相同的码本，按照码矢地址找到该码矢再乘上相应的增益系数，激励合成滤波器，得到合成的心电信号，实现心电信号的信源信道联合控制传输。与现有技术相比，本发明适用于多变的无线传输环境，在进行心电数据压缩的时，实现低损耗传输，还可以达到信源信道联合控制的效果。图1为本实施例合成心电信号流程图。图2为实施例码本搜索模型。图3为实施例效果示意图。具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括以下步骤步骤一，对心电信号进行预处理。从人体表采集到电信号，依次经过前置放大器、高通滤波、主级放大、低通滤波和AD转化，对采集到的信号进行放大滤波，得到心电信号。之后为了去除心电信号中50Hz及其倍频附近的工频干扰和0.7Hz以下的基线漂移等干扰源，还要对采集到的心电信号进行软件上的预处理。这里再通过使用一个低通滤波器和一个高通滤波器依次作用，实现带通滤波器的效果。之后再经过微分运算得到信号波形的斜率特性，平方运算对微分后的信号进行非线性放大，来突出高频部分，最后移动窗积分。经过这一系列的处理之后，保证了在波形形态不失真的基础上，达到减噪的效果。步骤二，差分法检测QRS波群和小波变换法检测P波、T波，标记好QRS波群与P波、T波的起点、终点、波峰值点、波谷值点，方便下一步窗函数的作用和曲线拟合。差分法是通过对信号进行一阶或二阶差分，判断其分量值是否超过特定阈值来确定QRS波的存在及其位置。通常在R波的上升沿和下降沿是心电波形斜率变换最大的区域，中间出现的一阶导数过零点为R点所在的位置。设原始ECG信号为{X(n)，n=1，2，…，N}，差分算子的常用表达式有y(n)=x(n+1)-x(n-1)y(n)=2x(n+2)+x(n+1)-x(n-1)-2x(n-2)y(n)=x(n)-x(n-1)y(n)=x(n+2)-2x(n)+x(n-1)咖)=硕—⑩,其中硕e是阈值，可设定为固定阈值和自适应阈值。在本例中的方法是先对ECG信号进行低通平滑，然后对信号进行微分得到一系列峰谷对，去除差分信号中低于斜率阈值的部分，最后每一对峰谷定为一个R峰。在QRS波群定位之后，进行T波和P波的检测。ECG信号经二次样条小波多尺度分解后，选择尺度24上检测P波和T波。由于绝大多数T波是相对其顶点近似对称的，因此T波顶点对应于24尺度上模极大值对之间的多零点，T波的起点对应于模极大值对的起点，T波终点对应于模极大值对的终点。经过时移修正后，就完成T波的检测。P波的检测与T波的检测类似。步骤三，在传输之前，根据已有的心电信号数据库，利用Hermite函数来拟合不同的心电数据，提取拟合的参数，建立码本。Hermite函数拟合的数学表达式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中x(t)为采集到的心电信号，(^为提取的参数，4n(t，o)表示不同阶次的Hermite函数。<K(t，o)的Hermite函数形式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(3)其中的Hn(t/o)为Hermite多项式，通过递推公式⑷得到Hn(x)=2xHn_1(x)_2(n_l)Hn_2(x)(4)其中H。(x)=1，H“x)=2x,n=2,3,…。Hermite多项式的阶次越高，其在时域中变化的频率就越高。采用Hermite函数对心电信号拟合要在一个心电周期中对其分段进行，所以根据QRS波群和T波、P波的标记，对心电信号加窗，分别提取出QRS段、T段、P段。之后对每个数据段进行标准化，将数据段第一个及最后一个数据求算术平均值，作为该数据段的零值，令数据段中每个元素都减去该零值，以方便Hermite拟合。每一段信号可以由下式来表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>合系数。得到拟合后的数据，将其与原始数据做比较。通过使平方差E最小，获得最佳的拟n-1E=Z|x(,;)—(6)n=0其中乂(、)={P(t》，QRS(、)，0(、)}，。/={c二cfs,cr}。最终提取参数cn。在x(t)和(K(t，o)均已知的情况下，通过求差值E最小的方法来求得恰当的拟合参数cn，之后利用得到的参数来建立码本。求E最小值时，可以使用最小二乘法原理，对cn分别求偏微分并令其为零，得到各个系数。即式(7)所示n-1(7)m=0对公式作简化，令i则(7)改写为(10)n-1ZA^-A^O'J^0'1'2-^-1m=0求解上述正规方程组就可以得到拟合系数(8)(9)(10)由于拟合的函数是Hermite函数，因此也可以利用Hermite函数正交性的特点，对cn求救，只需按照方程(11)求解即可，降低了求解的复杂度。^jj^Cj=^j(11)经过对数据数据库中数据的总结，可以得到，当N=10时，基本上可以保证拟合数据与原始数据的一些重要细节可以不失真地表现出来。由于不同人的心电信号可能具有不同的表现，特别是对于犯有不同症状的病人，心电信号可能具有不同的表现，所以可以用固定码本来表示共有的特性，而用自适应码本来处理不同症状的变化，以此来达到编码可变的效果。由于采用了自适应的码本，节省了固定码本的容量。这样就建立了固定码本与自适应码本。如图2所示，经过预处理和QRS波群检测之后的心电信号进入发射端。从固定码本和自适应码本中选择合适的码矢来分别合成心电信号的QRS段、T段和P段，并将此合成的心电信号与进入发射端的原始心电信号进行比较。根据使合成心电信号与原始心电信号的加权均方误差最小的准则，调整从自适应码本和固定码本中挑选的码矢，将选出的适当的码矢地址和增益等参数量化编码后发送。其中gi为自适应码本的增益，而g。为固定码本的增益。通过对心电信号特征参数的提取及编码可以降低编码速率。其中自适应码本主要在心律失常对心电波形进行拟合时利用。经常涉及的一些心律失常的病证，包括心律过速、心律过缓、停搏等等。这些病症与正常窦性心律相比区别主要体现在RR间期的不同上，如表1所示，因此可以以RR间期为依据对这几种病证进行分划。在进入发射端前通过对RR间期的判断，可以得到经过预处理和QRS波群检测之后的心电信号是否为正常。当心律正常时，从固定码本中选择合适的码矢来合成心电信号即可满足使合成心电信号与原始心电信号的加权均方误差最小的准则，这样只需传输固定码本的码矢及其增益，可以节省传输的成本。由于心律失常与心律正常两类波形在Hermite函数拟合系数的取值空间相差很大，所以如果在心律失常时只利用固定码本而不利用自适应码本来动态的改变拟合系数，则拟合后的心电波形将会严重失真。所以当心律失常时，需要从固定码本和自适应码本中同时选择合适的码矢来分别合成心电信号的QRS段、T段和P段，并将此合成的心电信号与进入发射端的原始心电信号进行比较。根据使合成心电信号与原始心电信号的加权均方误差最小的准则，调整从自适应码本和固定码本中挑选的码矢，将选出的适当的码矢地址和增益等参数量化编码后发送。同时在心电波形变化剧烈的情况下(例如进行剧烈运动时)，要适当的增加Hermite函数的阶数(10至15阶)，满足拟合的准确性。相对应的，在心电波形变化缓慢的情况下(例如在夜晚休息或早晨醒来时)，可以适当的降低Hermite函数的阶数(6至10阶)，以降低传输成本。表1心律失常类别及判别条件<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>在接收端，采用与发送端相同的码本，按照码矢地址找到该码矢再乘上相应的增益系数，激励合成滤波器，得到合成的心电信号。如图3所示，为经过上述处理后的原始的正常心电信号，其中包括P波、Q波、R波、S波、T波、U波、PR间期、QRS波群、ST间期。步骤四，由于信号传输环境的多变性，根据通信信道的改变而动态地在信源编码和信道编码之间调整比特分配，以使信源的动态特点来适应时变的信道。此时假设对信道的估计结果已知。在信道条件比较差的情况下，降低心电拟合的速度和Hermite函数的拟合阶数，这样可以留给信道编码更多的比特冗余来实现纠错，增加更多的信道编码保护，使其即使在极其恶劣的传播条件下也能保持一定的心电波形。反之如果信道质量比较好，就可以加快心电拟合的速度并增加Hermite函数的拟合阶数，获得更好的心电波形。通过传输这些码本的索引，在接收端恢复传输的信号。同时由于自适应地联合控制信源端的编码速率和信道的差错控制，使它能够更加适用于多变的信道环境中，达到信源信道联合控制的效果。权利要求一种基于自适应码本的心电信号传输方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一，将体表采集到的标准心电模拟信号依次经放大器和模数转换器后得到数字心电信号，对数字心电信号进行预处理，获得原始心电信号；步骤二，采用差分阈值法和小波分析法对监测信号进行QRS波群、P波和T波进行检测标记，分别得到QRS波群、P波和T波的起止位置；步骤三，利用固定码本和自适应码本生成合成心电信号，以合成心电信号与原始心电信号的加权均方误差最小的准则，调整自适应码本和固定码本中挑选的码矢，并用挑选到的码矢代替残差信号，将这个码矢的地址、固定码本一级自适应码本的增益参数经量化编码由发送端发送至接收端；步骤四，接收端采用与发送端相同的码本，按照码矢地址找到该码矢再乘上相应的增益系数，激励合成滤波器，得到合成的心电信号，实现心电信号的信源信道联合控制传输。2.根据权利要求1所述的基于自适应码本的心电信号传输方法，其特征是，所述的预处理是指采用依次通过低通滤波器和高通滤波器的方法消除数字心电信号中的50Hz工频干扰、100Hz倍频附近的工频干扰和0.7Hz以下的基线漂移。3.根据权利要求1所述的基于自适应码本的心电信号传输方法，其特征是，所述的利用固定码本和自适应码本生成合成心电信号是指利用Hermite曲线拟合得到的参数建立的固定码本与自适应码本结合步骤二中得到的QRS波群、P波和T波的起止位置生成合成心电信号是指，具体为mQRS(t)Tit)Nr-lhcjp)rt二0zcmRS)rt二0NT-lix州，)n=0其中:P(t)、QRS(t)、T(t)分别为QRS波群、P波、T波，小(t，o)为Hermite函数形式，cn为拟合得到的参数。4.根据权利要求1所述的基于自适应码本的心电信号传输方法，其特征是，所述的码矢是指在加权均方误差最小的准则下调整得到的自适应码本和固定码本中的码矢。5.根据权利要求1所述的基于自适应码本的心电信号传输方法，其特征是，所述的发送端在每次发送成功后对信道进行估计，并调整码信源心电信号的拟合速度和拟合函数的阶数。全文摘要一种无线通信
技术领域：
的基于自适应码本的心电信号传输方法，通过对体表采集到的标准心电模拟信号进行预处理，采用差分阈值法和小波分析法对监测信号进行检测标记，并利用加权均方误差最小的准则调整自适应码本和固定码本中挑选的码矢，并用挑选到的码矢代替残差信号，发送端根据对信道的估计结果，调整码信源心电信号的拟合速度和拟合函数的阶数，实现心电信号的信源信道联合控制传输。本发明在进行心电数据压缩的同时，考虑信道环境的变化，在维持现有硬件复杂度的情况下实现低损耗传输。文档编号A61B5/0402GK101799974SQ20101012312公开日2010年8月11日申请日期2010年3月12日优先权日2010年3月12日发明者李思谊,熊建高,王炜,蔡浩,钱良申请人:上海交通大学