一种心电信号r波定位方法
【技术领域】
[0001] 该发明是一种心电信号R波定位方法，主要针对人体滤波后的心电信号，采用多 项式拟合心电曲线，并对拟合曲线进行两次微分以增强心电信号的峰值，从而确定R波的 位置，实现心电信号R波的准确定位，以及R波峰值和RR间期特征的识别。
【背景技术】
[0002] 心电信号（Electrocardiogram，ECG)记录了心脏在每个心动周期中，由起搏点、 心房、心室相继兴奋，伴随的电能量的变化，其形态变化反映了人体心脏功能，是反应心脏 状态的参考依据，准确识别心电信号的变化特征显得至关重要。
[0003] 心电信号的幅度范围大约在10yV-5mV，频率范围大约在0. 05-100Hz。典型的心 电信号波形如图1所示：心电信号是由许多特征部分组成，分别为：P波、Q波、R波、S波、T 波，其中Q波、R波、S波同属于QRS波群中。QRS波群起点对应于Q波峰之前的第一个斜率 突变点，QRS波群的终点对应于S波峰之后的第一个斜率突变点。QRS波群的终点到T波起 点的一段称为ST段。在心电信号特征波形的定位与检测过程中，QRS复合波群在心电图中 表现为其R波波峰峰值明显大于其他位置幅值，且其在心电信号中占据时间短。通常QRS波 群的定位是心电特征提取的关键，而QRS波群的确定首先要先识别R波的波峰，R波是QRS 波群中的正向波峰，相较于P波和T波，具有幅值高、上升下降斜率大的特点。R波作为心电 信号最显著特征，其定位正确与否直接关系到QRS波群、ST段位移、T波等其它特征的正确 提取。
[0004] 目前常见的R波定位方法差分阈值法、峰值检测法、可变斜率阈值法等，这类方法 简单易于实现，但是由于检测时干扰的存在和预先设定阈值的不准确，通常R波错误识别 率较高。此外，现在还有神经网络、小波分析、模板匹配等先进的信号处理方法用于R波的 定位，但是这些方法都比较复杂，计算量大，不适合心电信号的实时处理。对于实际非标准 的动态心电信号R波识别效果并不理想，所以，随着心电监护社会的需求日益增加，有必要 研究一种新的计算简单、适应性强的R波定位方法，实现心电信号特征的快速准确识别。
【发明内容】
[0005] 人体心电信号反映了心肌细胞有规律的除极复极过程，准确识别心电信号特征对 了解心脏功能具有重要意义。采用心电检测仪采集出的人体心脏信号S(t)，通常经过滤波 方法去除基线漂移、工频干扰、肌电干扰等检测时参杂的干扰信号，可以获得较为清晰的心 电信号A/),然后采用特征提取方法提取心电信号特征，以反映心脏功能的强弱。
[0006] 本发明针对滤波后的心电信号A/).通过采用多项式对人体心电信号进行拟合， 并通过对拟合曲线的两次微分增强心电信号的峰值，由此确定R波的位置。最后实现R波 的准确定位，R波峰值和RR间期特征的提取，为心电信号其它特征的识别奠定基础。该方 法不仅计算简单、易于实现，而且准确率高，也为心电信号快速有效识别提供了新途径。
[0007] 本发明提供一种基于多项式拟合曲线二次微分的心电信号R波定位方法，其中：
[0008]设函数s(x)为滤波后的心电信号，采样点时间，f$采样点Xi心电信号幅 值，其中i= 〇, 1，2. ..，N，
[0009] 基于多项式拟合曲线二次微分的心电信号R波定位方法具体步骤如下：
[0010]设X为心电信号当前采样点时间，心电信号采样时间间隔为At，采样时间点X1、X2 分别表示X+At、x+2At，Xi、X2为分别表示X-At、X-2At，fi、f2、fpf2分别为时间Xi、 x2、X2对应心电信号的幅值，采用插值多项式s(x)拟合心电信号S(X)可得：
[0011] S (X)=L2(X)f2+Li(X)f!+L1(X)!^+L2(X)f2，
[0012] 其中
[0024] 设s' (X)在时间叉^"心知对应心电信号的斜率为广2，f'i，f'i，f' 2， 对心电信号斜率曲线s' (x)进行多项式插值计算并求取斜率，从而获得心电信号S(X)经 过二次插值计算和微分后的峰值增强曲线s" (X):
[0025]s" (X)=人2f' 2+Axf'j+ A Jfr1+A2f,2,
[0026]设定R波峰值阈值为0，当s" (x)曲线采样点Xi的幅值s"(x;) > 9时，乂;便 可确定为R峰的位置xR。
[0027] 此外，为了简化微分计算，令实验采样点时间为：
[0028] Xi=i?At,
[0029] 贝Ij
[0035] 本发明的方法不仅计算简单、易于实现，而且准确率高，为心电信号快速有效识别 提供新途径。
【附图说明】
[0036] 附图1为典型心电信号波形。
【具体实施方式】
[0037] 人体心电信号反映了心肌细胞有规律的除极复极过程，采用心电检测仪采集出人 体心脏信号S(t)，并经过滤波方法去除基线漂移、工频干扰、肌电干扰等检测时参杂的干扰 信号，获得较为清晰的心电信号<?(0，然后采用特征提取方法提取心电信号QRS波、RR间 期、S波、T波、ST段位移、ST段斜率等特征，以反映心脏功能的强弱。
[0038] 人体心电信号反映了心肌细胞有规律的除极复极过程，采用心电检测仪采集出人 体心脏信号S(t)，并经过滤波方法去除基线漂移、工频干扰、肌电干扰等检测时参杂的干扰 信号，获得较为清晰的心电信号然后采用特征提取方法提取心电信号QRS波、RR间 期、S波、T波、ST段位移、ST段斜率等特征，以反映心脏功能的强弱。
[0039] 本发明主要针对滤波后心电信号的R波位置、R波波峰的特征提取提出了新方法， 采用对多项式拟合心电曲线，并对拟合曲线进行二次微分，以增强QRS波群，并减弱P波和 T波，然后根据斜率大点确定QRS波群位置，最后实现R波定位、R波波峰和RR间期特征识 另IJ。这种方法既没有使用复杂的数学计算，又容易实现。具体过程如下：
[0040] 设S(X)为滤波后的人体心电信号，\为采样点时间，fi为采样点Xi心电信号幅 值，i= 0, 1，2. ..，N。基于多项式拟合曲线二次微分的心电信号R波定位方法具体步骤如 下：
[0041 ] ①设X为心电信号当前采样点时间，心电信号采样时间间隔为At，采样时间点XpX2分别表示X+At、x+2At，同样地，Xi、x2为分别表示X-At、x_2At;再设f 分别为时间XpX2、Xl、X2对应心电信号的幅值。采用插值多项式S(X)拟合心电信号S(X) 可得：
[0042]s(x) =L2 (x)f2+L!(x)f!+L1 (x)f!+L2 (x)f2 (I)
[0043] 其中
[0048] 为增强心电信号峰值，根据公式（1)计算多项式近似曲线s(x)的斜率s' (x):
[0061] ②由于R峰是心电信号QRS波群的斜率变化最剧烈的地方，为对R峰进行准确定 位，设s'(X)在时间Xi、X2、Xi、X2对应心电信号的斜率为f' 2,f'W W 2,再根 据公式（2)对心电信号斜率曲线s' (X)进行多项式插值计算并求取斜率，从而获得心电信 号S(X)经过二次插值计算和微分后的峰值增强曲线S" (X):
[0062] s"(X)=人 2f' 2+Axf'j+AJfr1+A2f,2 (4)
[0063] 并由此获得采样点x。处二次峰值增强后幅值为：
[0065] ③设定R波峰值阈值为Q，当s" (x)曲线采样点Xi的幅值s"(x;) >9时，Xi 便可确定为R峰的位置xR，从而在心电信号s(X)中找到其对应的R峰峰值fR，以及两个R 峰之间的时间间隔，即RR间期Trr。
[0066] 上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，应当理解本发明并非局限于本 文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，本领域人员所进行的改动和变化不脱 离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
【主权项】
1. 一种基于多项式拟合曲线二次微分的心电信号R波定位方法，其特征在于： 设函数S(x)为滤波后的心电信号，Xl为采样点时间，fi为采样AXl心电信号幅值，其 中i= 0, 1，2. ? ?，N， 基于多项式拟合曲线二次微分的心电信号R波定位方法具体步骤如下： 设x为心电信号当前采样点时间，心电信号采样时间间隔为At，采样时间点Xl、^分 别表示x+At、x+2At，xi、x2为分别表示X-At、x_2At，f丨、f2、f2分别为时间x丨、x2、 Xl、x2对应心电信号的幅值，采用插值多项式s(x)拟合心电信号s(x)可得： S(X)= L2 (X) f2+L i(X) fi+Li(X)fi+I^(x) f2， 其中为增强心电信号峰值，计算多项式近似曲线s(x)的斜率S' (X):设s' (X)在时间义^^心知对应心电信号的斜率为广2，f' i，f' i，f'2，对心 电信号斜率曲线S' (X)进行多项式插值计算并求取斜率，从而获得心电信号S(x)经过二 次插值计算和微分后的峰值增强曲线S" (X): s" (x)= \ 2f'2+Axf'j+ A jfr1+A2f, 2, 设定R波峰值阈值为0，当s" (X)曲线采样点Xi的幅值S" (Xi) > 0时，Xi便可确 定为R峰的位置XR。2.如权利要求1所述的心电信号R波定位方法，其特征在于： 令实验米样点时间为： Xi=i?At? 则所以，获得采样点X(]处心电拟合曲线的斜率为：采样点&处二次峰值增强后幅值为：
【专利摘要】本发明针对滤波后的心电信号，通过采用插值多项式法对人体心电信号进行拟合，并通过两次曲线微分增强心电信号的峰值，由此确定R波的位置。本发明的方法不仅计算简单、易于实现，而且准确率高，为心电信号快速有效识别提供新途径。
【IPC分类】A61B5/0456
【公开号】CN105078447
【申请号】CN201510398092
【发明人】何宏, 王争, 谭永红, 王月霞, 闫晓雯
【申请人】上海师范大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年7月8日