一种对心电数据精度转换的方法
【专利摘要】心电检测设备的多样性，造成了心电数据格式的不统一，其中一项就是心电数据精度的不同。心电数据精度不同，即采用不同数目的二进制位来表示硬件采集到的数据，而当前对于数据精度的转换只有一种方法，即通过对数据进行移位来实现。这种方法虽然高效，但是得到的结果误差较大。本发明是一种对心电数据的精度转换方法，可以实现不同精度间心电数据的转换，并同时降低其误差。心电精度转换方法的特征在于，在传统方法的基础上，综合考虑转换速度及误差，依据心电数据处理的过程实现精度转换，该方法综合考虑运行速度及误差，可实现在达到工程应用的基础上，完成不同心电数据精度之间的转换。
【专利说明】一种对心电数据精度转换的方法
【技术领域】
[0001] 心电数据精度的转换方法属于采样控制系统领域，主要适用于心电数据的重采 样，可将数据进行精度转换，得到不同采样精度的数据，用于后续处理及研究；该发明同样 适用于其它类似的数据精度转换场合。
【背景技术】
[0002] 人体心电信号的主要频率范围为0. 05?100Hz，而电压幅度为0?4mV，信号十分 微弱。而且，心电信号中通常混杂有其他生物电信号等干扰，使得测量环境较差。为了能够 检测到不失真的心电信号，以用于后续临床处理，因而大部分心电检测设备在硬件电路上 均要使用前置放大模块等对心电原始信号进行放大。
[0003] 另外，由于人体心电信号为模拟信号，为了便于传输及存储，必须要转换为数字信 号。因而心电检测设备需要将采集到的心电模拟信号通过A/D转换，得到数字信号。由于 心电信号的电压幅度过小，处于mV级别，而大部分A/D转换模块中要求输入信号的幅度要 在单位V的级别上，因而心电检测设备除去前面介绍的前置放大电路，还需要采用进一步 放大以及偏移值处理，以达到A/D模块中对输入信号的电压级别要求。其中的增益值、偏移 值等参数，必须要同检测到的心电数字信号一起提供给心电数据处理的软件，才能进行后 续心电滤波及分析的处理。
[0004] 而当前市面上心电检测设备层出不穷，种类更是多种多样，在心电采样的参数中， 如采样频率、增益值、偏移值、采样精度等各不相同，这导致了一种心电设备检测的数据不 能使用另一种心电分析软件对其进行分析，对于心电数据的统一管理分析非常不利。目前 清华大学深圳研究生院嵌入式系统实验室正在研发的"人体健康状态监测分析与信息管理 云服务网络平台"，通过自主研发产品以及整合集成医院、社区、家庭现有的各种医疗监护 设备，能够随时随地监测用户的心电、血压等生理参数，通过蓝牙、WIFI、有线网络等，实时 发送给医用智能手机和医院服务器多参数监护中心，以供医护人员进行心电、血压等参数 的特征提取与分析，为病人提供及时的诊疗服务。由于当前各种心电检测设备的参数不同， 就需要在对数据进行处理之前，先将心电数据按照心电分析软件处理的数据格式，将原始 心电数据中采样频率、增益值、采样精度等转换为目标数据所规定的值。本发明中，针对的 是心电数据采样精度的转换，其中也涉及到使用原始及目标数据规定的增益值、偏移值等 参数。
[0005] 本发明综合考虑了项目的数据处理需要及国际化标准的要求，对所取得的数据进 行精度转换设置的标准为：单导联、三导联的数据采用实际项目应用中1字节的数据精度， 12导联的心电数据采用MIT-BIH数据库规定的2字节精度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种心电数据采样精度的转换方法，可使得不同精度的心 电数据之间进行精度转换，有利于对于心电数据的分析与统一管理，同样也适用于其他离 散数据精度转换的类似应用中。
[0007] 本发明使用的相关理论包括：心电数据前期处理、数据的左右移位。
[0008] 本发明中涉及的心电数据的精度转换方法与上述技术的不同之处，在于将传统的 数据左右移位改变数据精度，与心电数据处理的前期过程相结合，使得心电数据在精度转 换的过程中，误差大幅减小。本发明的方法流程图如图1所示，可以实现不同精度的心电数 据之间的转换，根据目标精度与原始数据精度的大小，分情况进行。
[0009] 在进行数据精度转换之前，需要获知原始数据及目标数据的精度、增益值与偏移 值，不同心电检测设备的这些参数一般不会完全相同。另外，心电数据均被保存为二进制文 件。
[0010] (1)若目标数据精度大于或等于原始数据，则直接将心电数据前期处理过程应用 于转换，即可将原始心电数据文件转换为目标心电数据文件。
[0011] (2)若目标数据精度小于原始数据，则将心电数据前期处理过程与传统的移位方 法相结合，这样可以在保证误差较小的前提小，尽量提高执行效率，完成心电数据的精度转 换，生成目标要求的心电数据文件。
[0012] 上述两种情况的心电数据精度具体的转换步骤，见本说明书的第五部分：具体实 现方式。
[0013] 本发明之所以考虑目标数据精度等于原始数据精度的转换情况，是因为即使两者 表示心电数据的字节数相等，即精度相同，但是由于增益值、偏移值等参数的不同，也会造 成两者并不能统一由其中一种心电数据格式对应的心电分析软件来进行病历分析等操作。 因而本发明所涉及的方法，将这一情况与目标数据精度大于原始数据的情况合并，只需要 按照心电数据处理的前期过程进行转换，便可完成。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1 :本发明提出的方法流程图；
[0015] 图2:精度转换原理图。
[0016] 具体实现方式
[0017] 本发明所涉及的心电数据精度转换方法，方法的流程图如图1所示。只要获知原 始心电数据文件与目标心电数据文件各自所规定的偏移值、增益值，便可以实现任意精度 之间的转换，具体的心电数据处理过程及精度转换的原理图如图2所示。
[0018] 在说明具体方式之前，首先对传统的精度转换方法进行分析。传统的精度转换方 法，是直接采用左右移位的方式来实现。例如，若原始心电数据的精度为12位，目标数据精 度为16位，那么直接采用向左4位，即实现数据的精度转换。但是这种方法，并未考虑数据 的增益值、偏移值等参数，若原始心电数据的偏移值与目标数据的相等，并设其为〇,目标数 据为0x3ff0,在计算心电数据的浮点数值时，（0x3ff-0)与（0x3ff0-0)在除以各自的增益 值之后，得到浮点数类型的心电信号数据，误差只发生在后4位的补齐上。但如果两者的偏 移值、增益值不等，特别是偏移值的不等，那么会造成更大的误差，如设原始数据偏移值为 〇,目标数据的偏移值为50,那么数据在计算时可以看到由于目标数据的增益值并没有按照 左移4位的方式进行放大，造成（0x3ff-0)与（0x3ff0-50)两者的误差较大。同样在目标 数据精度小于原始数据精度的转换过程中，也存在这样的问题，这也说明了为什么两种心 电数据的采样精度相同，但是在偏移值等参数不同时，仍需要进行精度转换。
[0019] 由于本发明在进行实现时，讨论了两种情况，因而分两个例子来说明具体实现方 式。以MIT-BIH其中一种格式的心电数据来说明，这种格式的心电数据采用1.5个字节来 表示一个数据，即精度为12位。那么暂不考虑其具体的导联数，先按照本发明在权利要求 书特征4中提到的两种格式对其进行格式转换。本发明在统一格式时，规定单导联和3导 联的心电数据精度统一为1字节，即8位；12导联的心电数据精度统一为2字节，即16位。 对于精度相同的情况，由于其采用的方式与目标数据精度大于原始精度的情况，这里不再 赘述。那么该例子可以充分讨论这两种情况，具体说明实现的步骤。
[0020] 为了简化问题，描述得更加清晰，下列步骤中采用其中1个数据来说明，这个数 据通过原始文件读取，并设获取到的原始、目标心电数据值分别为srcValue、destValue， 原始、目标心电数据增益值分别为srcGain、destGain，而原始、目标心电数据的偏移值分 别为 srcOffset、destOffset ;关系符合与原理对应的等式：（destValue-destOffset)/ destGain = (srcValue-srcOffset)/srcGain。
[0021] 1)目标数据精度大于原始数据精度：12位到16位
[0022] 这种情况可直接按照心电数据处理的前期过程进行处理，根据图2所示的精度转 换原理图，我们为了提高运行速度，对其进行了简化运算的变换，可得步骤如下。
[0023] (1)取得的整型原始数据值减去偏移值；
[0024] temp = srcValue-srcOffset ；
[0025] (2)计算目标数据与原始数据的增益比值k，k为浮点数；
[0026] k = destGain/srcGain ；
[0027] (3)将第一步中计算的结果与第二步中增益比值相乘；
[0028] tempResult = temp*k ;
[0029] (4)将上一步中的结果在计算机程序中强制转换为整型数据；
[0030] destValue = (int)tempResult ；
[0031] (5)上一步得到的整型数据，加上目标数据对应的偏移值destOffset，即可完成 该数据的精度转换；
[0032] destValue = destValue+destOffset ；
[0033] 如上步骤，对原始数据文件中的逐个数据进行转换，保存为目标数据精度类型的 文件，即可完成。本方法严格遵循图2中的原理，只是对其进行了改动，以减少数据运算的 步骤，保证等式（destValue-destOffset)/destGain = (srcValue-srcOffset)/srcGain 的 成立。
[0034] 2)目标数据精度小于原始数据精度：12位到8位
[0035] 当目标数据精度小于原始数据精度时，可采用传统移位方法与心电处理前期过程 相结合的方法，在减小误差的同时，尽量提高运行效率。同样，在计算机实现时，对处理过 程进行了简化，以减少运算步骤，具体如下。
[0036] (1)获取整型原始心电数据，减去原始偏移值；
[0037] temp = srcValue-srcOffset ；
[0038] (2)上一步的结果先进行右移，右移4位，使得数据结果为8位，与目标心电数据表 示的位数相同；
[0039] temp = temp >> 4 ；
[0040] 这一步骤相当于除以2~4,即16,从而去掉第一步结果中的后4个二进制位；
[0041] (3)计算参数k;
[0042] k = destGain/srcGain*(2'4)；
[0043] 为了 使等式（destValue-destOffset)/destGain = (srcValue-srcOffset)/ srcGain成立，由于第2步中使用了右移步骤，相当于原始心电数据端先除以因子（2~4)，所 以在本步骤中要对其进行补偿。
[0044] (4)将第2步的结果temp与上一步计算的参数k相乘；
[0045] tempResult = temp*k ;
[0046] (5)同样，将第4步中的结果强制转换为整型数据；
[0047] destValue = (int)tempResult ；
[0048] (6)上一步的结果加上目标心电数据所对应的偏移值destOffset，即完成该数据 的精度转换；
[0049] destValue = destValue+destOffset ；
[0050] 同样，对原始数据文件中的各个数据进行如上步骤，将最终计算的结果同样以二 进制文件的形式保存，便可完成心电数据精度的转换。在第2步中，将数据对数据进行移 位，可以将原先1. 5个字节的数据转换为1个字节的数据，使得后续参与乘法运算的因子字 节数减少，可以提高运行效率；并且，1. 5字节的数据读取方式复杂，需要专门的程序处理， 不如整个字节读取写入方便。
[0051] 综上所述，本发明提出的心电数据精度转换方法，可以实现心电数据间任意 精度间的转换，下面讨论一般情况。设原始心电数据的精度为Μ位，目标心电数据的 精度为Ν位，同样对其数值、增益值、偏移值进行假设，其值与上述具体例子中的相同， 原始与目标数据的值分别为srcValue、destValue ;增益值分别为srcGain、destGain ; 偏移值分别为srcOffset、destOffset ;它们之间的关系仍符合与原理对应的等式： (destValue-destOffset)/destGain = (srcValue-srcOffset)/srcGain。。
[0052] 根据原始心电数据与目标数据的精度大小分情况进行讨论，同样使用其中一个数 据的转换步骤来进行说明，这里将步骤进行了简化。
[0053] 1)N>=M 的情况
[0054] (1)原始数据值减去原始偏移值；
[0055] temp = srcValue-srcOffset ；
[0056] (2)计算参数值k，结果为浮点型；
[0057] k = destGain/srcGain ；
[0058] (3)将第1步的结果与第2步计算的参数k相乘；
[0059] tempResult = temp*k ;
[0060] (4)将上一步的结果强制转换为整型数据；
[0061] destResult = (int)tempResult ；
[0062] (5)上一步结果加上目标心电数据对应的偏移值，即完成了该心电数据的精度转 换；
[0063] destResult = destResult+destOffset ；
[0064] 对表示原始心电数据格式的文件中的所有数据，进行上述步骤的运算，最终结果 保存为二进制文件，即为目标心电数据格式。
[0065] 2)N<M 的情况
[0066] (1)原始数据减去原始偏移值；
[0067] temp = srcValue-srcOffset ；
[0068] (2)第1步计算的结果进行移位，右移（M-N)位，其效果等价于除以2~ (M-N);
[0069] temp = temp >> (M~N)；
[0070] (3)计算参数k，同样对第2步进行参数补偿，以保证符合原理；
[0071] k = destGain/srcGain*2~(M-N);
[0072] (4)第2步骤所得的结果temp与第3步计算的参数k相乘；
[0073] tempResult = temp*k ;
[0074] (5)将上一步所得的结果进行强制转换，转换为整型数据；
[0075] destValue = (int)destValue ；
[0076] (6)第5步的结果加上目标心电数据格式对应的偏移值，即可完成该情况下心电 数据精度的转换；
[0077] destValue = destValue+destOffset ；
[0078] 同样，这只是一个数据的转换过程，对文件中所有数据进行如上计算，便最终可完 成对数据的精度转换。
[0079] 这里对本发明中涉及的心电数据的精度转换方法进行了更加一般情况的阐释，上 述步骤为了表达的更加清楚，步骤较多，在实际计算机实现中，可以将其中某两个或两个以 上的步骤进行合并，减少程序的长度。如Μ < N的情况下，可以将第1步和2步合并，将计 算得到的结果直接进行移位；也可以将前4步合并为一个步骤，这样可以大幅地减小程序 长度，等等。
[0080] 根据本发明对于心电数据精度转换方法的描述，可以发现其它类似应用场合下的 数据文件，只要将其实际数据处理的前期过程与传统的移位方法相结合，同样可以用这种 类似方法来实现精度之间的转换。这对于不同精度下二进制文件中数据的格式统一，以及 数据的压缩等，都具有非常重要的意义。
【权利要求】
1. 心电数据精度转换方法，其特征在于：综合考虑转换速率与转换误差，在传统方法 的基础上，对心电数据的精度进行转换，使其能够达到工程应用要求。同样，该方法也适用 于其它类似使用A/D转换获得数据的精度转换场合。方法主要包括以下几个部分： 1) 分情况实施精度转换：对心电数据进行精度转换时，与传统方法统一移位的方法不 同，本发明针对精度转换的大小分情况讨论来实现。若目标数据的精度大于或等于原始数 据精度，则采用心电数据的处理方法，即先求出其原始值，然后按照目标数据的增益、偏移 值进一步计算，从而实现目标精度的转换。若目标数据的精度小于原始数据，为了减少参与 除法的字节数，首先将原始数据进行右移，减少到目标数据精度的字节数，再按照上一种情 况的方法，即心电数据处理过程的方法进行放大等计算，来获得目标精度的数据。 2) 将心电数据处理过程应用于精度转换：在传统方法中，对于数据采样精度的转换均 采用移位来实现，这样的方法简单而且便于实现，但是在一般情况的数据精度转换中存在 较大误差。本发明中利用心电数据处理前期过程来实现精度转换，减小了转换误差。心电 数据处理前期过程，即通过对整型的采样数据进行计算，取得被采样心电数据的浮点数类 型原始值，后续再对处理得到的数据进行心电波形的绘制以及其他方法的研究实现。 3) 结合精度转换传统方法：本发明针对转换精度大小的不同，采用不同的方法分别进 行处理，当目标数据精度小于原始数据时，采用的方法结合了传统的移位方法，可以在误差 允许的前提下，及时地减少参与乘除法运算的数据字节数，提高运行效率。 4) 完成心电数据精度统一：本发明提出的心电数据精度转换方法，可以改善目前心电 采样数据精度不同的局面。针对目前清华大学深圳研究生院嵌入式系统与技术实验室的项 目，本发明提出了统一的精度标准，单导联、3导联的心电数据采用8位数据即1字节的数据 来表示，12导联采用美国MIT-BIH数据库的标准16位数据来表示，如此可以将其它精度的 数据进行统一，便于分析及管理。
2. 根据权利1所述的心电数据精度转换的方法，其特征在于：针对心电数据精度转换 的大小分两种情况进行讨论，在改善传统方法误差大缺点的基础上，提高运行效率。主要包 括以下内容： 1) 目标数据精度大于或等于原始数据的情况下，原始数据按照心电数据处理的前期过 程进行计算，获得的浮点型数据再经过增益及偏移值的处理，以达到目标数据精度的标准。 2) 目标数据精度小于原始数据的情况下，原始数据减去偏移值之后，先向右移位达到 目标数据的精度，如此可以减少下一步骤中参与乘除法运算的数据字节数，得到的数据再 依据目标数据的精度，进行增益及偏移值的计算，从而达到目标数据的精度。
3. 根据权利2所述的心电数据精度的转换方法，其特征在于：将心电数据处理的前期 过程应用于精度转换，可以减少传统方法在转换过程中造成的误差。其主要过程为：心电数 据的处理过程如下，取得的整型数据减去偏移值，除以其增益值，可得到浮点型的心电采集 数据，后续可对其进行绘图及分析等处理。本发明将心电数据处理过程引入精度转换，并对 其进行改进。
4. 根据权利3所述的心电数据精度的转换方法，其特征在于：对于目标数据精度小于 原始数据精度的情况，原始数据减去偏移值之后，可以先按照传统方法对其结果进行右移 处理，使其数据字节数等于目标数据字节数，这样可以使后续参与乘除法运算的字节数减 小，以提尚运行效率。
5. 根据权利4所述的心电数据精度的转换方法，其特征在于：根据项目需求及国际标 准，将所得的心电数据精度转换为所需的精度，可以对当前各种类型的心电数据进行统一 处理及管理。具体过程为，将单导联和3导联的心电数据转换为项目已形成的标准，即1字 节（8位二进制）的精度，12导联的心电数据转换为国际MIT-BIH数据库的标准，即2字节 (16位二进制）的精度。
6. 根据权利1、2、3所述的心电数据精度的转换方法，其特征在于：将心电数据处理过 程与传统方法相结合，并进行改进，在误差减小的基础上对数据进行精度转换。具体过程 为，根据权利1所述的两种情况，若目标精度大于等于原始数据，原始数据减去偏移值，乘 以目标与原始数据的增益比值，随后加上目标心电数据文件标注的偏移值，即可得到目标 数据精度的心电数据。若目标精度小于原始数据精度，则先将原始数据减去偏移值之后，右 移达到目标数据的精度大小，随后再按照前一种情况进行处理，便可达到目标数据的精度 要求。
【文档编号】G06F19/00GK104102824SQ201410314112
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】张跃, 王佳丽, 黎洪 申请人:深圳市岩尚科技有限公司, 清华大学深圳研究生院