最终确定R波位置：
[0047] 分为P>1和P = 1即正常R波和变化率较小R波两种情况：
[0048] 当ρ>1时，该R波为一个正常变化率的R波，根据正向变化最大值的出现位置进 行判断：在得到的判定区域内寻找一阶导数信号4\的最小值Δχ_，然后分别在其前后 一定范围内寻找最大值八1_1与Δχ_2并比较，若Axnax2〈G3*Ax naxl，则取原信号 xA在Δ X max^ Δ X min的位置之间的最大值X max作为R波位置（正波），否之则取X。中在 Δ义_与A X _2的位置之间的最小值X _作为R波位置（倒波）。比较阈值G3的取值范围 为0. 7~3之间。
[0049] 当P = 1时，该R波为一个小变化率的R波，同时根据最大变化率的变化性质以及 波峰大小进行判断：分别寻找信号Xn中在该波峰对应位置前后〇. 15S内最大值X _和最小 值χ_并进行判定，若其正向变化率大即该波峰位置对应一阶差分A X n的数值大于〇且X _ 的值不小于上一个R波峰数值的0. 3~0. 6倍，则取该x_为新的R波峰，否之取X _为新 的R波峰，将其位置记为Rn。
[0050] (6)更新阈值，继续检测：
[0051] 当一个新的R波找到后，计算其心率，同时更新RR，用于p = 1时较小R波的判定：
[0052] 当最新的R峰间距大于0. 6*RR且小于2. 5*RR时，判定其间距较为正常，对阈值进 行更新，公式为：
[0053] RR = 0· 6RR+0. 4 (Rn_Rn !)
[0054] 每检测到一个R波即更新阈值RR，保证该值的平均性，同时阈值计算方法即新间 距仅占总值的〇. 4倍，降低错检和不正常心跳对后续检测的影响。
[0055] 由于心电信号存在一定时间的不应期，同时考虑到心律不齐对阈值设定带来的影 响，继续检测时放弃所检测到的R波后的〇.3s，在0.3s以后重复步骤（3)~（5)，继续向后 进行R波的检测。
[0056] 本方法首先根据R波在心电信号中的变化率较大的特征，取其一阶导数及处理后 的平方信号作为选取并判定R波的方法。由于不同类型病人其心电信号特征具有不同的差 异，现代的差分阈值方法虽对传统方法中的固定阈值做出改进，形成了自适应阈值，但仍旧 存在一定局限性，难以保证多变化波形检测的准确性。为减小多种高度判定阈值设定对检 测造成的局限性，首先对一阶导数作平方处理突出信号变化特征并将其信号变化归于同一 维度进行比较，随后取每一段时间段前三秒的平均值，对低于一定倍数均值作归零处理，去 除一些幅值和变化率较小的P波，T波和噪声，将变化率大的信号暴露出来，避免了传统方 法中各种不同自适应高度阈值进行处理与判定带来的问题。由于归零阈值设定较低，很好 地防止了 QRS波幅值和变化率较小的心电信号（与图2(m)类似的信号，病理因素导致QRS 波斜率变化率下降）的QRS漏检。传统方法中的各种回溯重检设定的问题在于，由于病理 心电波形的QRS波特征不够满足所设条件，回溯重检亦难以检测。同时为解决同一个病人 的心电信号发生较大变化使得其QRS波逐渐变小或增大的问题（如图2 (h))，本方法设定每 10~30s更新一次均值阈值。该设定方法简单有效，处理速度快。处理效果如图4所示。
[0057] 在检测R波的过程中，首先进行区域的判定，当检测到处理后的平方信号大于0 时，取两个范围内一阶导数平方的最大值Ml、M2进行比较，若满足所设条件，说明所设范围 内的原始波的变化率在一定时间区域内最大，满足QRS波最大变化率的波形特点，去除了 R 波前可能存在的大P波和噪声，有效解决了图2 (d)、（g)中高尖P波以及滤波器难以滤除的 较高值噪声的问题。
[0058] 在确定QRS波的区域后，将R波分为2类，一类为R波变化率比较小即p = 1的情 况：寻找P = 1位置处原始滤波信号附近的最大最小值进一步判定R波为正常R波还是倒 置的R波，若为正常R波，则取范围内最大值，否之作为倒置的R波检测范围内的最小值，同 时为防止将其错检为高尖T波，添加阈值RR并设定p = 1时其与前一个R波距离超过RR 间期的一定倍率时才可作为R波进行检测。另一类为正常高变化率的R波即P>1的情况， 根据差分信号的特征进行判定：若所检R波为正常R波，则其信号必然先正向变化随后负向 变化，表现在一阶差分信号上即为正向波峰出现在倒向波峰的前端；倒置R波则完全相反， 其信号先负向变化然后正向变化，表现在一阶差分信号上即为正向波峰出现在倒向波峰后 端，所以可通过比较范围内差分信号最小值前后的最大值进行判定R波的正倒向。该方法 考虑了不同心电信号的波形，尤其检测到了图2(g)中完全倒置QRS波、图2(1)中正波倒波 交替和图2(a)、（i)中部分倒置QRS波，使得R波检测更为精确。至于图2(k)、（f)中W形 波和图2(b)、（c)中R波变形，由于其R波的最大变化率特征依然保留，所以依旧可以被检 测到。检测结果如图5,图6,图7所示。
[0059] 在阈值判定方面，为预防病人不同类型的心律不齐等问题，降低多种阈值设定的 局限性，同时提高运行效率，本发明在判定R波过程中尽量减少阈值，尤其是自适应阈值的 设定。首先，未在后续检测中设定各种自适应高度阈值，在检测到处理后信号大于〇即其次 未在检测过程中对R波之间的距离进行严格限制，仅在P = 1情况下为了防止将高尖T波错 检为R波，设定了一个阈值RR作为R波的判定。随后在R波判定时为防止较宽的R波出现 漏检，在检测到一阶导数平方信号大于0后将判定波峰个数的时间范围设为较宽的0. 25s。 同时考虑到不应期的问题，在检测到R波后的0. 3s内不再作R波的检测，有效防止了类似 图2 (d) (f)的高尖T波的错检。阈值RR随检测到的R波数增加而不断更新，当新测到的R 波与前一个R波距离符合一定范围时更新阈值RR，从而保证其大小的合理性。阈值设定的 低数量和低限度也有效保证了心律变异波形图2(e)二连率和图2 (j)严重心律不齐的QRS 波形的R波正确检测。检测结果如图8所示。
[0060] 该算法考虑到不同病人的不同心电波形，可对多种QRS波波形进行精确检测，提 高了检测的正确率，解决了传统差分阈值方法检测QRS波的单一性，降低了其阈值设定的 局限性，使得心率计算更加准确，同时方法简单，检测速率快，可适用于QRS波形的实时监 测。该方法已在MIT-BIH数据库和QT等6个数据库上实现，准确率如图9、10所示，均比较 高。图9为MIT-BIH数据库的正确率。图10为其它6个数据库的检测结果。
[0061] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种可适应心电波形病理变化的R波快速检测方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 对原始信号进行滤波处理，去除基线漂移和高阶噪声以及工频干扰； (2) 信号特征提取与强化：首先对处理后的信号进行一阶差分并平方，暴露出信号的 变化特征并将不同变化的信号归于同一维度进行比较，随后对平方后的信号作低阈值部分 归零处理，保留变化率大的信号，突出信号特征； (3) 通过对处理后信号变化程度的强弱进行比较，判定所选定范围的正确性； (4) 根据（3)中所述信号范围内信号的波峰个数判定R波所在范围和R波选取方式，考 虑到病人R波特征变化将其分为正常变化率和小变化率两大类分别进行检测； (5) 回归到一阶差分信号，在R波取值范围内通过比较其最大变化率来判定波形变化 的先后顺序以确定所检测R波的波形进而确定检测方式，同时进一步缩小R波的选取范围， 最后在滤波后的彳目号上精确定位R波位点； (6) 更新阈值，继续检测。2. 根据权利要求1所述的信号特征提取与强化，其特征在于：所述信号特征来自于R 波处幅值变化率快且大的特点，利用差分信号与处理后的差分平方信号来提取信号特征。3. 根据权利要求1所述的信号特征提取与强化，其特征在于：一阶导数平方信号归零 的阈值选取为G1乘以每15~30s的前端一段时间该信号的平均值，低于该阈值的信号归 零。4. 根据权利要求1所述的判定所选定范围正确性的方法，其特征在于：根据R波范围 内最大变化率的特点通过对比相邻时间范围内的变化率最值进行选定范围正确性的判断。5. 根据权利要求1所述的确定R波范围和选取R波的方法，其特征在于：根据R波的 变化率大小不同在检测过程中将其分为高变与低变：即P>1与P= 1两种状态。6. 根据权利要求1所述的选取R波的方法，其特征在于：根据R波特点进行正波和倒 波两种不同方式取其所定范围内的最值。7. 根据权利要求1所述的确定R波范围和选取R波的方法，其特征在于：正常变化率 和较大变化率的R波（高变），根据正向变化最大值的出现位置进行判断与检测；小变化率 的R波（低变），同时根据最大变化率的变化性质以及波峰大小进行判断与检测。8. 根据权利要求1所述的心电信号R波峰检测方法，其特征在于：所述采样的频率为 125~1000Hz,可用于多导联心电信号的检测。
【专利摘要】本发明公开了一种可适应心电波形病理变化的R波快速检测算法。该方法总结了心律不齐、倒波、W波、高尖P波、高尖T波等多种病态心电图在心电信号一阶导数及一阶导数平方信号上的不同特征，通过低阈值归零处理、R波分类检测和针对非典型R波形状的阈值判断和更新等策略，克服了传统的差分阈值法多个阈值设定的局限性以及不同病人心律变异较大对自适应阈值检测带来的影响。本方法算法简单易行，同时可实现对多种病理性心电图的快速准确R波检测，尤其适用于在移动便携式设备中对心电信号进行实时QRS波检测。利用MIT-BIH数据库对本发明算法进行检验，本发明算法的灵敏度为99.71％，阳性预测率为99.73％。
【IPC分类】A61B5/0456
【公开号】CN105286857
【申请号】CN201510629904
【发明人】王玲, 史超, 马建爱, 战鹏弘, 樊瑜波, 李德玉, 李淑宇, 张弛, 朱昭苇
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年9月29日