提高基于混沌特征的心电诊断系统效率的方法

提高基于混沌特征的心电诊断系统效率的方法
【专利摘要】本发明提供一种提高基于混沌特征的心电诊断系统效率的方法,使其在短时间内做出准确的心电诊断。以配置为CPU:Intel I5?4200H；系统：Windows 8.1；内存：4GB的笔记本电脑计算一组长度为10000点的心电时间序列，传统方法计算所需的时间约为12小时，现有的改进算法计算所需时间约为10分钟，而本发明中提出的方法计算所需时间约为2分钟。计算关联积分是计算关联维的核心。本发明改进了计算关联积分的计算方法，传统的关联积分计算方法是根据定义来计算的。而本发明中的快速方法的思想是在不改变计算内容的前提下，尽可能的减少传统算法中大量的重复计算。
【专利说明】
提高基于混沌特征的心电诊断系统效率的方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种提高基于混纯特征的心电诊断的新方法，属于心电分析的技术领 域。
【背景技术】
[0002] 基于心电信号的混沌特征进行心脏疾病诊断的方法是当前一种新技术。根据心脏 非线性系统的特征，结合非线性动力学的技术能更准确有效的对心脏疾病进行诊断。当前 基于混沌特征的心电诊断系统包括心电信号的前端采集装置和后端的心电诊断平台。心电 诊断平台的效率是很重要的性能指标，但当前的问题是心电诊断平台处理心电信号的时间 太长，效率低下。造成这一问题的主要原因在于心电诊断平台需要花费大量的时间用于计 算心电信号的一个混沌特征参数:关联积分。这一问题对心电诊断平台的应用带来了很大 的阻碍。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种提高基于混沌特征的心 电诊断系统效率的方法，使其在短时间内做出准确的心电诊断。以配置为C P U: I n t e 1 15 -4200H;系统:Windows 8.1;内存:4GB的笔记本电脑计算一组长度为10000点的心电时间序 列，传统方法计算所需的时间约为12小时，现有的改进算法计算所需时间约为10分钟，而本 发明中提出的方法计算所需时间约为2分钟。本发明采用的技术方案是：
[0004] 心电诊断系统，包括心电采集前端一一单通道心电仪，还包括心电诊断平台。所述 的心电采集前端，通过单个导联采集心电数据，将心电信号传输到心电诊断平台，传输方式 通过USB接口或WIFI无线通信;心电分析终端提取心电信号的混沌特征参数，与事先通过训 练样本得到的判别规则进行比对，即可得到诊断结果。
[0005] 为了有效降低混沌分析用于临床心电信号所花费的时间，从而使得混沌方法能有 效的推动心电研究的发展。本发明提出了一种在保证计算精度的前提下，计算心电信号关 联积分的快速方法。其中，计算关联积分是计算关联维的核心。传统的关联积分计算方法是 根据定义来计算的。而本发明中快速方法的思想是在不改变计算内容的前提下，尽可能的 减少传统算法中大量的重复计算。
[0006] 假设心电信号采样后原始的心电时间序列为Χ1，Χ2，?，……，χ Ν，数据个数为Ν，时 间延迟为τ，嵌入维数为m，Xi(i = l，2, . . .，Μ)是原始心电时间序列重构相空间的点，Μ = Ν-(m_l)τ 〇
[0007] Xi= (χ?,Χ?+τ, . . . ,Χ?+(ιη-1)τ)
[0008] 则嵌入时间序列的关联积分定义如下：
[0009]
[0010]其中重构相空间中相点间距离如=| IXi-x」|，
[0011] θ(χ) =〇，若χ〈〇 ; θ(χ) = 1，若χ^：〇。
[0012] 为了进一步减少计算量距离du可以使用无穷范数。
[0013] 通过计算可以得到传统方法中减法运算的次数T1和比较运算的次数T2。
[0014]
[0015]
[0016] 其中η是距离阈值r的个数，max_m是最大的嵌入维数。
[0017] 现有的改进算法采用基于空间分块策略的快速搜索方法，提高了邻近点的搜索速 度，大大加快计算速度。该方法将空间进行分块，给每一块空间编号，并将相邻空间的数值 存入块中，当要搜索邻近点时，直接搜索记录的邻近块，既可以得到邻近点的个数，大大减 少了重复搜索和无效搜索过程。该方法在计算长度N=10000的时间序列的计算速度是传统 算法的60倍，即计算时间约为传统方法的1.5%。
[0018] 本发明的算法包括以下步骤：
[0019] 包括下述步骤：
[0020] 设心电信号原始的心电时间序列为X1，X2，X3,……，XN，数据个数为N，时间延迟为 τ，嵌入维数为m，其中，时间延迟和嵌入维数是原始心电时间序列进行相空间重构时需要的 参数；
[0021] Xi(i = l，2, . . .，M)是原始心电时间序列的重构相空间的点，Μ=Ν-(ηι-1)τ;
[0022] Xi= (χ?,Χ?+τ, . . . ,Xi+(m-l)T)；
[0023] 距离阈值取41〇=&1^〇，仏=0，1，2，...，11)，&>1是个常数;11为距离阈值的个数;其 中e Q=min_dis，ane〇=max_dis，分别为最小距离阈值和最大距离阈值；
[0024]取重构相空间Xi中两个向量的最大分量差作为两个向量的距离d1J;
[0025] 步骤S1，当m=l，M = N时，计算重构相空间Xi中各元素之间的距离dij;
[0026] 根据du得到第一个上三角矩阵；第一个上三角矩阵中，上三角区域内各单元格的 值为D0ij;
[0027] DO^表示成0到η的整数，具体方法是：找到cUj所在的阈值区间r(k-l)到r(k)，令 DOij为k，即：
[0028]
[0029]然后用一个长度为η的数组记录DO^为各个值时的个数，将数组第i个及之前的元 素进行累加，用得到的结果更新第i个元素;最终就得到了m=l时，不同阈值r(k)条件下的 关联积分数组；
[0030] 步骤S2，当m = 2时，M = N-(m_l) τ = Ν_τ ;列出第二个上三角矩阵；第二个上三角矩 阵的上三角区域内各单元格的值为D'1J;
[0031] D ' ij的初始值通过复制第一个上三角矩阵中的对应单元格的值获得；
[0032]结合第一个上三角矩阵中的值，当D'iADOu+u-!)〇(」+(?-υ+D'ij的值不更新；当D'ij <D0(i + (m-lh)(j + (m-1)τ)，D ' ij的值更新为D0(i + (m-lh)(j + (m-1)τ);
[0033]然后再使用与步骤SI中相同的数组并采用相同方式计数不同阈值条件下的关联 积分，得到关联积分数组；
[0034] 步骤S3,当m = 3，......，max_n^t，重复步骤S2,先复制上一步中的上三角矩阵的对 应单元格的值到一个新矩阵，然后结合第一个上三角矩阵，采用步骤S2中同样的方法更新 新矩阵中的值，就得到新的嵌入维下的上三角矩阵，从而得到关联积分。
[0035] 进一步地，时间延迟τ取值为4。
[0036] 本发明中提出的方法能有效的减小两种运算的计算次数，其中，
[0037]
[0038]
[0039] 在快速方法中，将只做一次元素之间的两两相减，省去了大量的重复减法计算。同 时，通过递推的方法，使用前一个嵌入维条件下得到的结果，作为嵌入维递增后比较相点距 离和阈值之间大小关系的条件，省去了大量的重复比较计算。
[0040] 假设心电时间序列的长度Ν = 10000，max_m = 20，η = 30，再根据心电信号的一般情 况取τ = 4。
[0041] 表1两种方法所需计算量比较
[0042]
[0043] 得到的两种方法所需的计算量如表1所示。减法运算和比较运算所消耗的计算时 间的差别可以忽略不计，则相同计算机配置下，快速方法所需的计算时间约为传统方法的 0.3%。以配置为CPU: Intel Ι5-4200Η;系统:Windows 8.1;内存:4GB的计算机计算一组长 度为10000的心电时间序列，传统方法得到结果所需的时间大约是12个小时，而快速方法只 需要2分钟左右的时间。相比已有的改进算法，快速算法的计算速度提高到了 5倍。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明的心电诊断系统示意图。
[0045] 图2为本发明的心电诊断平台信号处理逻辑图。
【具体实施方式】
[0046] 下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0047] 如图1所示，一个心电诊断系统包括单通道心电仪1，心电诊断平台2。单通道心电 仪1作为心电采集前端，所述单通道心电仪1通过单个导联采集心电数据;将得到的心电信 号通过USB接口或WIFI无线网络传输到心电诊断平台2;心电诊断平台2将分析心电信号的 混沌特征参数，并结合训练的得到的判别规则给出诊断结果。
[0048] 心电诊断平台2进行心电诊断的步骤如下：
[0049]对传输到心电诊断平台的心电信号进行预处理并进行存储，信号预处理主要包 括:去基线漂移、去工频干扰；
[0050] 对预处理后的心电信号进行混沌特征提取，提取的混沌特征主要包括：关联维、 lyapunov指数谱；
[0051] 将上述提取的混沌特征通过判别规则的验证得到诊断结果。判别规则是使用MIT (麻省理工学院)标准心电数据库数据经过样本训练得到的；
[0052] 将心电诊断结果和预处理后的心电信号显示出来。
[0053] 其中，特征提取步骤中，使用的计算关联积分的新方法如下所述：
[0054] 假设心电信号原始的心电时间序列为χι，Χ2，Χ3,.....4^数据个数为1时间延迟 为τ，嵌入维数为m，其中，时间延迟和嵌入维数是原始心电时间序列进行相空间重构时需要 的参数；
[0055] Xi(i = l，2, . . .，M)是原始心电时间序列的重构相空间的点，Μ=Ν-(ηι-1)τ;
[0056] Xi= (χ?,Χ?+τ, . . . ,Xi+(m-l)T)；
[0057] 距离阈值取41〇=&1^〇，仏=0，1，2，...，11)，&>1是个常数;11为距离阈值的个数;其 中e Q=min_dis，ane〇=max_dis，分别为最小距离阈值和最大距离阈值；
[0058]取重构相空间Xi中两个向量的最大分量差作为两个向量的距离dlj;具体步骤如 下：
[0059] 步骤S1，当m=l，M = N时，计算重构相空间Xi中各元素之间的距离dij;
[0060] 根据du得到如表2所示的第一个上三角矩阵;第一个上三角矩阵中，上三角区域内 各单元格的值为DOij;
[0061 ] 表2 m=l时表示距离的第一个上三角矩阵
[0062]
[0063] 其中行和列的编号表示相空间重构后的相点的顺序编号。cb表示重构相空间中各 个相点之间的距离，当前情况下也就是心电时间序列中元素两两相减结果的绝对值。因为 当前情况下m = 1，重构相空间就是原始的心电时间序列。
[0064] 传统方法将dij与阈值r进行比较，若dij>r(k)，D0ij = 0;dij〈r(k)，D〇ij = l，当k不同 时，需要重新进行比较，然后计数D〇ij = l的个数。设x〈y，当dij〈r(x)时，dij〈r(y)-定成立。
[0065] 本发明的快速方法是将DOy表示成0到η的整数，具体方法是:找到du所在的阈值 区间r(k-l)到r(k)，令DOij为k，即：
[0066]
[0067]然后用一个长度为η的数组记录DO^为各个值时的个数，将数组第i个及之前的元 素进行累加，用得到的结果更新第i个元素;最终就得到了m=l时，不同阈值r(k)条件下的 关联积分数组;这样就减少了在不同阈值条件下的大量重复计算。
[0068] 步骤S2,当m = 2时，利用表2中得到的第一个上三角矩阵可以进一步减少重复计 算。具体方法如下：
[0069]此时相点的个数Μ = Ν-(πι-1)τ = Ν-τ;列出第二个上三角矩阵；第二个上三角矩阵 的上三角区域内各单元格的值为D'1J;
[0070] 表3 m=2时表示距离的第二个上三角矩阵
[0071]
[0072] 利用表2得到的结果，获得表3中每个元素的值时只需进行一次元素比较。具体方 法为:表3中，
[0073] 的初始值通过复制表2中第一个上三角矩阵中的对应单元格的值获得;注意表 3中的单元格比表2中的要少，因此表3中的单元格对应表2中前面部分的单元格；
[0074]然后结合表2中第一个上三角矩阵中的值，当D'ij>D0(i+(m-lhHj +(m-lh)，D'ij的值不 更新；当D'ij〈D0(i + (m-lh)(j + (m-lh)，D'ij的值更新为D0(i+(m-lh)(j + (m-1)τ);通过一次简单的比较就 可以得到更新值，减少了大量重复比较。
[0075] 然后再使用与步骤S1中相同的数组并采用相同方式计数不同阈值条件下的关联 积分，得到关联积分数组；
[0076] 步骤S3,当m = 3，......，max_n^t，重复步骤S2，先复制上一步中的上三角矩阵的对 应单元格的值到一个新矩阵，然后结合表2的第一个上三角矩阵，采用步骤S2中同样的方法 更新新矩阵中的值，就得到新的嵌入维下的上三角矩阵，从而得到关联积分。
[0077] 本发明提供的新方法能极其有效的减少计算时间，同时保证相同的计算精度，满 足基于混沌特征的心电诊断的需求。
【主权项】
1. 一种提高基于混浊特征的屯、电诊断系统效率的方法，其特征在于，包括下述步骤： 设屯、电信号原始的屯、电时间序列为XI，X2，X3，.....，XN，数据个数为N，时间延迟为τ，嵌 入维数为m，其中，时间延迟和嵌入维数是原始屯、电时间序列进行相空间重构时需要的参 数； Xi(i = l，2,. . .，M)是原始屯、电时间序列的重构相空间的点，M=N-(m-l)T; Xi 二（Xi , Xi+τ , . . . , Xi+(m-：L)T); 距离阔值取r化）=akeo,化= 0,1,2,...，n)，a> 1是个常数;η为距离阔值的个数;其中 e〇=min_dis,ane〇=max_d i S，分别为最小距离阔值和最大距离阔值； 取重构相空间Xi中两个向量的最大分量差作为两个向量的距离dij; 步骤S1，当m= 1，M=N时，计算重构相空间Xi中各元素之间的距离dij; 根据du得到第一个上Ξ角矩阵；第一个上Ξ角矩阵中，上Ξ角区域内各单元格的值为 D〇u; DOi徒示成0到η的整数，具体方法是:找到du所在的阔值区间Hk-l^ljHk)，令DOij为 k，即：然后用一个长度为η的数组记录DOu为各个值时的个数，将数组第i个及之前的元素进 行累加，用得到的结果更新第i个元素;最终就得到了 m=l时，不同阔值Hk)条件下的关联 积分数组； 步骤S2，当m = 2时，M = N-(m-l) τ = Ν-τ ;列出第二个上^角矩阵；第二个上^角矩阵的 上Ξ角区域内各单元格的值为D'lj; D'lj的初始值通过复制第一个上Ξ角矩阵中的对应单元格的值获得； 结合第一个上Ξ角矩阵中的值，当D ' ij〉D0(i+(m-l)T)(j + (m-l)T)，D ' ij的值不更新；当D ' ij< D0(i+(m-l)T)(j + (m-l)T) ,D ij的值更新为D0(i+(m-l)T)(j+(m-l)T); 然后再使用与步骤SI中相同的数组并采用相同方式计数不同阔值条件下的关联积分， 得到关联积分数组； 步骤S3，当m = 3,......，max_m即m的最大值时，重复步骤S2，先复制上一步中的上Ξ角矩 阵的对应单元格的值到一个新矩阵，然后结合第一个上Ξ角矩阵，采用步骤S2中同样的方 法更新新矩阵中的值，就得到新的嵌入维下的上Ξ角矩阵，从而得到关联积分。2. 如权利要求1所述的提高基于混浊特征的屯、电诊断系统效率的方法，其特征在于:时 间延迟τ取值为4。
【文档编号】A61B5/0402GK105975750SQ201610274151
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】杨金虎, 卢小冬, 张海英, 胡冰
【申请人】江苏物联网研究发展中心