一种同步记录的多通道心电信号的增强方法与流程

本申请涉及一种基于计算机程序对同步记录的多通道心电信号进行增强的方法。

实际中存在同步记录多通道心电信号的场景。譬如，人们经常去医院做标准12导静息心电图检查，它实际同步记录了8个通道的人体心电信号；胎儿做心电监护或静息心电图检查时，也往往是同步记录了3到4个通道的孕妇腹壁电信号，有时还增加同步记录1路或几路孕妇胸壁电信号作为参考；常规心电监护仪和动态心电图(holter)，也是同步记录多通道心电信号的情况更为常见。

同步记录多通道心电信号，较只记录单通道心电信号，采集系统的成本增加了，但是，它使通过多通道心电信号融合实现心电信号的增强成为可能，人们可以通过对同步记录的多通道心电信号进行线性合成，合成出一路高信噪比的心电信号，以改善心电信号r波检测和其他分析的效果。

特别是，对胎心电、动态心电等所记录信号信噪比较低的场合，多通道心电信号增强显得非常有必要。以从腹壁电中分离胎心电问题为例，在母体心电成分估计阶段，可以用多通道心电信号增强方法增强母体心电成分，在去除母体心电后的胎心电增强阶段，也可以用多通道心电增强方法增强胎儿心电信号。

背景技术：

设有同步记录的m个通道的心电信号x＝[x1；x2；…；xi…；xm]，它是一个m行的矩阵，其中，行向量xi，i＝1，2，…，m为记录的第i个通道的心电信号，所谓多通道心电信号的增强，就是要求出一个m维单位组合向量w(行向量)，使得按y＝wx计算出的心电信号y在一定的标准下最强。不同的标准，求出的组合向量w不尽相同，也对应不同的方法。

主分量分析(principalcomponentanalysis，pca)方法确定组合向量w的原理是：它的标准或者说目标函数是maxwxx^tw^ts.t.||w||2＝1，也就是求一个单位向量w使变换后的信号y具有最大的能量；具体求解时，可求矩阵xx^t的特征值和特征向量，让w等于对应最大特征值的特征向量即可。该方法求得的一路能量最大的信号，未必是信噪比最强的信号。

独立分量分析(independentcomponentanalysis，ica)方法确定组合向量w的原理是：求解一个优化问题，使得按照y＝wx变换后的信号y具有最大非高斯性，认为具有最大非高斯性的信号是一个独立的源信号或者源分量，它的目标函数通常定义为变换后信号y＝wx的峭度(kurtosis)最大或负熵最大，限定||w||2＝1。但求得的一个独立源信号，未必就刚好是你想要的独立源信号，存在一个进一步辨识的问题。独立源不与信噪比最强等价。

周期成分分析(periodiccomponentanalysis，πca)方法确定组合向量w的原理是：求解一个优化问题，使得按照y＝wx变换后的信号y具有最好的周期性，它的基本目标函数描述为其中y(n)即y＝wx，y(n+τt)-y(n)即y的τt个单位左延迟减去y。优化问题可进一步推导为

其中x′＝x(：，n+τt)-x(：，n)，即x′为x的τt个单位左延迟减去x；由于心电信号不是严格的周期信号，存在心率变异性，因此，式(1)计算时，τt不应该是个常数，式(1)中x′求解时，需要先对记录的多通道信号x进行r波峰的初检或者叫预检，r波峰初检的质量会影响增强的效果。同样，最好的周期性不与信噪比最强等价。

以上这些常见的主要的多通道增强方法，似乎从原理上，就不是直接追求变换后的信号质量最高、信噪比最强，所以存在根本上的局限性。

参考文献：

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[3]dimariac，liuc，zhengd，etal.extractingfetalheartbeatsfrommaternalabdominalrecordings：selectionoftheoptimalprincipalcomponents[j].physiologicalmeasurement，2014，35(8)：1649-1664.

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技术实现要素：

发明目的。

提出一种更为有效的对同步记录的多通道心电信号进行增强的方法。

技术方案。

一种对同步记录的多通道心电信号进行增强的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)读入同步记录的多通道心电信号，设为x＝[x1；x2；…；xi…；xm]，即m个通道心电信号构成的一个m行的矩阵，它可以是直接记录的m通道心电信号，也可以是经过一定预处理的m通道心电信号，这个预处理可指去直流、基线漂移、50hz干扰等基本预处理，也可指从腹壁电中去除母体心电这样的综合性预处理；(2)对读入的m个通道心电信号x进行r峰的初检或者叫预检，这里的初检相对于信号增强后一般还要再次进行r峰检测而言，并在r峰初检的基础上制作m个通道心电信号qrs波群模板矩阵xqrs＝[xqrs1；xqrs2；…；xqrsi；…；xqrsm]，其中行向量xqrsii＝1，2，…，m表示制作的第i个通道的qrs波群模板；(3)求解一个最大化问题求得最优点woptimized(行向量)；(4)计算y＝woptimizedx，即为要增强信号，并输出之。方法框图见附图1所示。

根据以上所述的一种对同步记录的多通道心电信号进行增强的方法，第(2)步对读入的m个通道心电信号x进行r峰的初检或者叫预检，并制作m个通道心电信号qrs波群模板矩阵，其特征在于，包括如下步骤，(a)对读入的m个通道心电信号x，任选一个通道心电信号进行r峰的检测；(b)对m个通道的每个通道心电信号，根据(a)步骤检得的每个r峰时间位置，截取其前后各0.05～0.25s的数据，作为一个qrs波群，再求取此通道截得的所有qrs波群的平均作为这个通道的初步模板；(c)对每个通道，让各个qrs波群与求得的初步模板做相关运算，挑选出相关系数较大的k个qrs波群，由它们的平均得到最终qrs波群模板；(d)得到了各个通道的最终qrs波群模板xqrsii＝1，2，…，m，由此构造模板矩阵xqrs＝[xqrs1；xqrs2；…；xqrsi；…；xqrsm]。

根据以上所述的一种对同步记录的多通道心电信号进行增强的方法，第(2)步对读入的m个通道心电信号x进行r峰的初检或者叫预检，并制作m个通道心电信号qrs波群模板矩阵，其特征在于，包括如下步骤，(a)对读入的m个通道心电信号x，任选一个通道心电信号进行r峰的检测；(b)对m个通道的每个通道心电信号，根据(a)步骤检得的每个r峰时间位置，截取其前后各0.05～0.25s的数据，作为一个qrs波群；(c)对每个通道，将截得的所有qrs波群按照相似度进行聚类分析，将聚得的成员最多的一簇中的k个qrs波群拿出来，由它们的平均得到该通道的qrs波群模板；(d)得到了各个通道的最终qrs波群模板xqrsii＝1，2，…，m，由此构造模板矩阵xqrs＝[xqrs1；xqrs2；…；xqrsi；…；xqrsm]。

根据以上所述的一种对同步记录的多通道心电信号进行增强的方法，第(2)步对读入的m个通道心电信号x进行r峰的初检或者叫预检，并制作m个通道心电信号qrs波模板矩阵，其特征在于，包括如下步骤，(a)对读入的m个通道心电信号x的每个通道心电信号都进行r峰的检测；(b)利用每一个通道信号的r峰检测结果，按照上述两自然段中的任何一种方案的(b)、(c)和(d)三步构造出一套qrs波群模板矩阵xqrs＝[xqrs1；xqrs2；…；xqrsi；…；xqrsm]，则总共构造出m套qrs波群模板矩阵xqrs；(c)在构造的m套qrs波群模板矩阵中，选择一套它在构造时用于模板平均的各qrs波群间总相似度值最高的一套作为最终构造的qrs波群模板矩阵xqrs＝[xqrs1；xqrs2；…；xqrsi；…；xqrsm]。

根据以上所述的一种对同步记录的多通道心电信号进行增强的方法，第(3)步求解一个最大化问题求得最优点woptimized(行向量)，其特征在于，记实对称矩阵和cx＝xx^t，可以通过(cxqrs，cx)的广义特征值分解求解woptimized，它取最大广义特征值对应的特征向量。

需要说明的是，以上技术方案求解最大化问题本身意味着追求目标是多通道信号组合后它的qrs波群重复分量的能量最大，这与通过线性组合提高信号信噪比的增强目的完全一致。不妨，把这种方法称为重复分量分析(repetitivecomponentanalysis，rca)方法。

有益效果。

发明人对提出的技术方案进行了对比性测试实验。采用了两个评价指标。第一个指标是由文献[7]提出的，定义为一种噪信比nsr＝||anoisepeak||1/||arwavepeak||1，即所有r峰间的干扰峰值之和除以所有r峰峰值之和的比，nsr值越小，说明方法的增强效果越好。第二个评价指标基于对增强信号的r峰检测精度来定义，取常见的r峰检测精度指标f1＝2tp/(2tp+fp+fn)，其中，tp是正确检测r波峰事件的数量，fp是多检r峰的数量，fn是漏检r峰的数量。实验中，r波检测算法采用经典的pt算法。f1越高就意味着增强信号质量越好。

实验一。实验数据来自于thephysionet/computingincardiologychallenge2013的数据库seta和setb。其中，seta有75组数据，setb有100组数据。每组数据时长1分钟，包含4路孕妇腹壁电信号，采样频率为1khz。此数据集没有官方标定的母体r波位置，实验中采用软件初检加人眼修正的方式来标注正确的母体r波位置。采用本技术方案对175组数据进行了多通道心电信号的增强计算，这里增强的是母体心电信号，并计算每组一路增强信号的两个评价指标。也同时计算pca、ica和πca三种增强方法增强信号和增强前信号的两评价指标。表1为对175组数据全部对比性测试结束后的评价指标的统计平均。

表1175组竞赛数据的测试结果

实验二。实验一中本发明方法和πca方法增强效果接近，认为主要是通道不多、信号增强前总体质量较高的原因。为此，利用mit的ccdd数据库上的第95830组数据和95847号数据人为构造了一组8个通道的腹壁电数据，具有较大干扰和母体心率不齐的特点，见图2所示，将之作为仿真数据对πca方法和本发明方法增强效果进行进一步测试。经计算发现，πca方法增强的一路信号的nsr和f1指标分别为0.4404和0.8511，而本发明方法增强的一路信号的nsr和f1指标分别是0和1，说明本方法有更显著的增强效果。图3所示为两种方法的增强效果对比，图3中的abdominal是构造的8通道腹壁电中的其中1个通道信号，fetal是其中仿真的胎儿心电成分，maternal是其中仿真的母体心电成分，‘πca’是πca方法增强的一路母体心电信号，mywork是本发明方法增强的一路母体心电信号；显然，本发明方法较πca方法有更显著增强效果。

附图说明

图1，本发明方法框图

图2，构造的一组8通道的腹壁电数据波形图

图3，本发明方法和πca方法增强效果对比图

实施例

按本发明技术方案的步骤，首先第(1)步读入仿真的同步记录的多通道心电信号，x＝[x1；x2；…；xi…；xm]，这里的通道数m＝8，如图2所示；第(2)步，对读入的m个通道心电信号x都进行r峰的初检或者叫预检，利用每个通道的r峰初检位置为基础，构造出一套qrs波群模板矩阵xqrs＝[xqrs1；xqrs2；…；xqrsi；…；xqrsm]，共构造出8套qrs波群模板矩阵，根据qrs波群模板构造时用于模板平均的各qrs波群间总的相似度值大小，选择总的相似度最大的一套qrs波群模板矩阵xqrs＝[xqrs1；xqrs2；…；xqrsi；…；xqrsm]作为最终的模板矩阵，在每套模板矩阵构造时qrs波群具体截取方法是——截取所基于r峰位置之前后各0.25s的一段波形；第(3)步，求解一个最大化问题求得最优点woptimized(行向量)，用matlab中的广义特征值分解函数eig做；第(4)步，计算增强信号y＝woptimizedx，见附图3所示。