CN103083011A - 利用胸阻抗二阶差分图辅助实时定位心电r波峰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用胸阻抗二阶差分图辅助快速准确实时定位心电R波峰的方法：采集同步的心电信号和胸阻抗信号，对心电信号进行预处理得到去除基线的心电信号，对胸阻抗信号进行二阶差分运算获得胸阻抗二阶差分图；根据胸阻抗二阶差分图中主峰值的采样点位置，以心电信号对应位置的采样点为原点划定前向搜索范围，然后在前向搜索范围内搜索R波峰。本发明与现有技术相比，具有快速、准确、对人体无额外刺激等优点。

Description

利用胸阻抗二阶差分图辅助实时定位心电R波峰的方法

技术领域

本发明涉及心电R波峰定位的技术领域，具体涉及一种利用其他生理信号辅助快速准确定位R波峰的方法。

背景技术

在心电信号测量中，虽然有创方法的信噪比小，但其创伤大，所以一般研究的心电信号都是体表测得的。这种体表心电信号是一种心脏有规律的电传导活动，在波形上主要表现为p波、QRS复合波、T波以及u波等。相较于心房去极化的p波和心室复极化的T波，反映心室去极化的R波拥有更陡峭的斜率和更高的幅值，成为心电信号中各个波形的定位算法的基础和依据。

心率变异性（Heart Rate Variability，HRV）的时频域分析是探索自主神经功能系统对心脑血管系统调控的重要指标之一，对各种心律失常、分析睡眠呼吸暂停综合症等具有重要的研究价值。R波峰定位是从长期的ECG记录中提取RR间期及分析HRV的基础。在较大的数据量分析HRV时，R波峰的提取速度和精确度会直接影响HRV分析的可靠性和准确度。

R波峰定位可以分为两个环节：信号预处理和R波峰值检测。预处理是为了去除信号中的噪声和干扰，主要有滤波器和差分法、小波变换法、数学形态、神经网络等方法。R波峰值检测主要包括R波峰值搜索和决策两个部分，由于QRS复合波比较尖耸，峰值搜索的常用方法主要有幅度法、斜率法和面积法。

近一个世纪以来R波峰定位一直都受到了广泛关注，定位方法层出不穷。面对无创的心电信号噪声干扰大、信号微弱而变异性又强的特点，各方法都有其优劣点。差分滤波方法虽然实时性好，但是精确度有待提高；而小波分析精确度高，但实时性却不能满足动态QRS波检测的需求；神经网络方法计算量大，目前尚不能用于实际中；其他方法也都有需要继续改进的地方。因此，实时性、稳定性、精确度兼顾的R波定位算法仍然需要进一步的研究。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用胸阻抗二阶差分图辅助实时定位心电R波峰的方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

1）采集同步的心电信号和胸阻抗信号，对心电信号进行预处理得到去除基线的心电信号，对胸阻抗信号进行二阶差分运算获得胸阻抗二阶差分图；

2）经过步骤1）后，根据胸阻抗二阶差分图中主峰值的采样点位置，以心电信号对应位置的采样点为原点划定前向搜索范围，然后在前向搜索范围内搜索R波峰。

所述前向搜索范围根据胸阻抗二阶差分图中主峰值距离对应的R波峰的间隔范围进行划定。

在采样频率为250Hz的条件下，前向搜索范围起点与原点的间隔为20个采样点，前向搜索范围终点与原点的间隔为70个采样点。

所述步骤2）的具体方法包括以下步骤：根据胸阻抗二阶差分幅度阈值对胸阻抗二阶差分图中主峰值进行搜索，在前向搜索范围内进行峰值搜索得最大峰值，将最大峰值与心电信号幅度阈值比较，若最大峰值大于心电信号幅度阈值，则判定该最大峰值为R波峰。

所述胸阻抗二阶差分幅度阈值以及心电信号幅度阈值为动态幅度阈值，Th=0.45×F，Th_R=0.65×R，Th表示胸阻抗二阶差分幅度阈值，F表示胸阻抗二阶差分图中的前一个主峰值，Th_R表示心电信号幅度阈值，R表示前一个R波峰的峰值。

当搜索到一个R波峰后，在胸阻抗二阶差分图上以当前主峰值为起点、向后一个时间段内继续搜索下一个主峰值，所述时间段为RR，RR表示最近三个连续RR间期的平均值。

所述步骤2）的具体方法还包括以下步骤：将最大峰值与心电信号幅度阈值比较前，对最大峰值进行回溯重检判断：若T1≤dF≤T2，则将最大峰值与心电信号幅度阈值比较；若dF≥T2，则降低心电信号幅度阈值和胸阻抗二阶差分幅度阈值，然后回溯到前一个检测到的R波峰之后重新获取最大峰值；若dF≤T1，则提高心电信号幅度阈值和胸阻抗二阶差分幅度阈值，然后回溯到前一个检测到的R波峰之后重新获取最大峰值，dF表示最大峰值与胸阻抗二阶差分图中前一个主峰值之间的距离，T1表示防多检距离阈值，T2表示防漏检距离阈值。

重新获取最大峰值后再次进行回溯重检判断，若最大峰值仍满足dF≥T2或dF≤T1，则将最大峰值判定为R波峰。

所述T1=0.45×RR，T2=1.66×RR，RR表示最近三个连续RR间期的平均值。

胸阻抗将人体胸腔部分看成是一个均匀介质的椭圆柱形容积导体，通过该阻抗的变化反映胸部心血管活动的变化规律。胸阻抗一阶微分图反映了心血管容积的变化速度，即血液流速的速度；而其二阶微分图则是反映血液流速变化快慢的重要依据，其主峰值出现在血管扩张速率的变化最快的时刻。由于该主峰值距离R波峰之后不远处，且特征明显，因此可用于辅助搜索R波峰。本发明在获取胸阻抗二阶差分图之后，通过在该图上设定动态幅度阈值寻找二阶差分图的主峰值。当满足在其上所设置的幅度条件之后，依据主峰值的位置向前一定范围内搜索R波峰。

针对胸阻抗二阶微分图获取过程繁琐的问题，本发明设计了胸阻抗二阶差分图信号，用以代替胸阻抗二阶微分图；而后设计实验分析胸阻抗二阶差分图的主峰值与R波峰之间的距离变化范围的大小，确定辅助定位时的R波峰的前向搜索范围，验证该范围分布的稳定性；接着本发明完成了R波峰的搜索工作，在胸阻抗二阶差分图上设置第一重动态幅度阈值条件以寻找其主峰值，依据该主峰值向前一定范围内搜索R波峰；最后判断搜索到的潜在的R波峰位置是否会进入多检、漏检的异常处理，否则进入在心电信号上所设置的第二重幅度阈值条件判断，当满足该条件之后，潜在的R波峰被判定为R波峰。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1）快速，因为本发明是在胸阻抗二阶差分主峰前一段时间内搜索R，搜索范围小，计算量小，速度快。

2）准确，胸阻抗二阶差分主峰在R波和T波之间，可以抑制高T波干扰；另外本发明设置了二次阈值判断等一系列辅助条件，确保准确，提高了准确率。

3）对人体无额外刺激，虽然本发明利用了辅助条件胸阻抗，但是，胸阻抗也是常规测量，应用广泛，不需要对人体施加额外的测量电极。

附图说明

图1是本发明利用胸阻抗二阶差分图辅助定位R波峰方法的流程图；

图2是I导联R波峰定位效果图；（a）为ECG，（b）为胸阻抗二阶差分图；

图3是II导联R波峰定位效果图；（a）为ECG，（b）为胸阻抗二阶差分图；

图4是III导联R波峰定位效果图；（a）为ECG，（b）为胸阻抗二阶差分图；

图5是高T波下R波峰定位效果图；（a）为ECG，（b）为胸阻抗二阶差分图；

图6是轻微活动下的R波峰定位效果；（a）为ECG，（b）为胸阻抗二阶差分图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明在采集了同步的心电信号和胸阻抗信号之后，利用胸阻抗二阶差分图信号辅助搜索R波峰。如图1所示，具体的操作步骤有3步：

1.心电去基线

采用中值滤波去除心电基线噪声，其主要思想是对信号中每个点前后长度分别为N1的序列进行排序，取中间值为该点处对应的基线信息。由于中值滤波无法提取数据头区和尾区的N1的长度基线，因此需要对序列进行延拓，头尾延拓的长度分别为N1。延拓后依照中值滤波的算法，对窗口内数据排序取中值，完成窗口中点处的基线提取。原始ECG（心电图）信号与提取的基线信号相减，就获得了去除基线后的心电信号。

获取胸阻抗二阶差分

计算方法如下：

[式1]

f'(i)=I(i)-I(i-120)

[式2]

f(i)=f'(i)-f'(i-20)

亦即[式3]

f(i)=I(i)-I(i-20)-I(i-120)+I(i-140)

相较于微分计算两两时刻点间的差异，差分算法是选取合适的时间步长计算两两时间步长之间检测值的差异性，其是胸阻抗一阶和二阶微分算法的变形。在获取胸阻抗二阶差分图的过程中，由于心电信号和胸阻抗的采样频率是1000Hz，可以对胸阻抗每4点进行一次这种一阶差分的变换，以将胸阻抗的采样率降低到250Hz。该方法中的一阶差分选用的是前向相隔120个点的差值，二阶差分是前向相隔80个点的差值。经过三次加减运算直接从原始胸阻抗信号中获得胸阻抗二阶差分图，不需要对胸阻抗信号进行预处理去噪操作。

2.峰值检测

1）参数初始化和自启动回溯

参数初始化设置如下：

胸阻抗二阶差分幅度阈值（Th），Th=0.8；

心电信号幅度阈值（Th_R），Th_R=0.05；

成功检测到得R波数目（numR），numR=0；

RR间期参数（RR），RR=250。

程序自启动回溯的原理：峰值检测开始时RestartNum（重启次数）设置为0，由numR个数为0判断进入检测启动程序。在启动程序里，由于Th的初始值较高，程序难以进入R波峰值搜索环节，因此在最初的RR间期长度内检测不到R波峰。程序不断进入自启动回溯重检该RR间期段，Th逐渐降低。一旦Th降低到胸阻抗二阶差分主峰值之下，即满足了第一次幅度阈值判断条件，由于Th_R的初始值较低，第二次幅度阈值条件极易满足，则检测到R波峰，更新参数numR、Th、Th_R。当检测到第二个R波峰时，开始更新RR。3个R波峰检测成功后，程序进入到正常的R波峰值搜索，阈值参数等自动更新到正常合理的水平，启动工作完成。

2）防空检回溯

为防止胸阻抗二阶差分主峰值陡然增高时第一次幅度阈值难以通过造成大面积空检，设置防空检程序。当2.55个RR间期后仍未检测到R波峰时，自动进入重启动。过高的阈值Th和Th_R被降低，待重启检测到R波峰之后，RestartNum恢复到0，阈值参数重新更新到正常水平。

3）R波峰值搜索

R波峰值搜索主要包括三个环节，最大峰值搜索、二次幅度阈值判断、回溯重检判断。每检测到一个R波峰时，依据心电绝对不应期的原理，检测段跳过200ms不进行R波峰搜索；

此外还需更新各个参数以及清零各个标志

RR间期参数（RR），RR=(RR(l-1)+RR(l-2)+RR(l))/3；程序启动阶段，当检测到第二个R波峰时，取一个RR间期实际值，当检测到第三个R波峰时，取两个RR间期实际值的平均。

防多检距离阈值（T1），T1=0.45*RR；

防漏检距离阈值（T2），T2=1.66*RR；

胸阻抗二阶差分幅度阈值，Th=0.45*F（F为上次检测到的胸阻抗二阶差分图的主峰值）；

心电信号幅度阈值，Th_R=0.65*R（R表示前一个R波峰的峰值）。

（1）最大峰值搜索

当前胸阻抗二阶差分幅值满足第一个幅度阈值条件时，程序需要在心电信号中当前点之前的一定范围内搜索最大峰值Rmax，即潜在的R波峰。

经过统计，发现胸阻抗二阶差分图的主峰值距离R波峰之间的间隔RF大概分布在25-60左右，且大部分集中在35-55之间。根据采样频率为250Hz，RF大部分分布在140-220ms左右。由于统计的是平均值，为了防止少量的RF超出该统计范围，程序中设置的最大搜索范围是[20 70]，相较于RF的范围略有扩张。

最大峰值搜索方法：一是初始化Rmax及其位置信息S_max；二是排序，比较当前点的心电信号的绝对值与Rmax的绝对值，若大于Rmax，则将该点处的横纵坐标分别赋值给S_max、Rmax；重复第二步，直至搜索范围内的数据都被遍历完，完成峰值搜索。

（2）二次幅度阈值判断

Rmax与前一个胸阻抗二阶差分峰值的距离为dF，当dF在T1、T2之间时，进行二次幅度阈值判断，若Rmax又大于所设置的心电信号幅度阈值，Rmax则被判定为R波峰。否则，Rmax被判定为非R波峰。R波峰检测成功后，需要实时更新各个幅度阈值参数、距离阈值参数、标志参数等，为下一次的搜索工作做准备。

（3）回溯重检

防多检回溯：当dF小于T1时，进入防多检回溯程序。为防止同一检测段多次进入防多检回溯程序，对进入过防多检回溯程序的检测数据段做了标记，UpError赋值为2。若UpError不等于2，则提高幅度阈值Th_R和Th。由于胸阻抗二阶差分幅值的波动范围相较于心电信号要更大，因此Th提高的幅度要略大于Th_R。若UpError等于2，则该段连续两次多检，判断该段检测到的Rmax为R波峰，更新各个阈值参数，标志UpError清0。

防漏检回溯：同样，当dF大于T2时，进入防漏检回溯程序。为防止同一检测段多次进入防漏检回溯程序，对进入过防漏检回溯程序的检测数据段做了标记，UpError赋值为1。若UpError不等于1，降低幅度阈值Th_R和Th，回溯到前一个检测到的R波峰之后，继续重检。若UpError等于1，则该段连续两次漏检，判断该段检测到的Rmax为R波峰，更新各个阈值参数，标志UpError清0。

参见图2-6，*号表示实际检测到的R波峰位置。从图中可以看出，胸阻抗二阶差分图的主峰随着R波峰的周期分布呈周期性分布且主峰值较明显。

不同形态的心电R波峰定位效果良好，R波峰值的极性没有对定位结果产生太大的困扰（图2、图3），且在第三导联定位效果中，R波峰的幅度发生了较大的变化，但是对应的胸阻抗二阶差分图的主峰值却并没有受到影响，依赖胸阻抗二阶差分峰值辅助完成R波峰的搜索，方法效果好，具有一定的稳定性（图4）。高T波，T波甚至比R波峰还要高大，斜率也较尖耸，但是本发明R波峰定位效果依然很好（图5）。在轻微活动时，高T波异常尖耸，且与R波峰非常临近，且在整个心电信号中都伴随着轻微的毛刺噪声，此外由于轻微的活动对心血管系统的或动有相应的增强，因此，胸阻抗二阶差分幅值相较于静态情况下大幅增高，尤其是大于0v的幅值，R波峰定位效果并未因此受到太大的影响（图6）。

Claims (9)

1.一种利用胸阻抗二阶差分图辅助实时定位心电R波峰的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）采集同步的心电信号和胸阻抗信号，对心电信号进行预处理得到去除基线的心电信号，对胸阻抗信号进行二阶差分运算获得胸阻抗二阶差分图；

2）经过步骤1）后，根据胸阻抗二阶差分图中主峰值的采样点位置，以心电信号对应位置的采样点为原点划定前向搜索范围，然后在前向搜索范围内搜索R波峰。

2.根据权利要求1所述一种利用胸阻抗二阶差分图辅助实时定位心电R波峰的方法，其特征在于：所述前向搜索范围根据胸阻抗二阶差分图中主峰值距离对应的R波峰的间隔范围进行划定。

3.根据权利要求1所述一种利用胸阻抗二阶差分图辅助实时定位心电R波峰的方法，其特征在于：在采样频率为250Hz的条件下，前向搜索范围起点与原点的间隔为20个采样点，前向搜索范围终点与原点的间隔为70个采样点。

4.根据权利要求1所述一种利用胸阻抗二阶差分图辅助实时定位心电R波峰的方法，其特征在于：所述步骤2）的具体方法包括以下步骤：根据胸阻抗二阶差分幅度阈值对胸阻抗二阶差分图中主峰值进行搜索，在前向搜索范围内进行峰值搜索得最大峰值，将最大峰值与心电信号幅度阈值比较，若最大峰值大于心电信号幅度阈值，则判定该最大峰值为R波峰。

5.根据权利要求4所述一种利用胸阻抗二阶差分图辅助实时定位心电R波峰的方法，其特征在于：所述胸阻抗二阶差分幅度阈值以及心电信号幅度阈值为动态幅度阈值，Th=0.45×F，Th_R=0.65×R，Th表示胸阻抗二阶差分幅度阈值，F表示胸阻抗二阶差分图中的前一个主峰值，Th_R表示心电信号幅度阈值，R表示前一个R波峰的峰值。

6.根据权利要求4所述一种利用胸阻抗二阶差分图辅助实时定位心电R波峰的方法，其特征在于：当搜索到一个R波峰后，在胸阻抗二阶差分图上以当前主峰值为起点、向后一个时间段内继续搜索下一个主峰值，所述时间段为RR，RR表示最近三个连续RR间期的平均值。

7.根据权利要求4所述一种利用胸阻抗二阶差分图辅助实时定位心电R波峰的方法，其特征在于：所述步骤2）的具体方法还包括以下步骤：将最大峰值与心电信号幅度阈值比较前，对最大峰值进行回溯重检判断：若T1≤dF≤T2，则将最大峰值与心电信号幅度阈值比较；若dF≥T2，则降低心电信号幅度阈值和胸阻抗二阶差分幅度阈值，然后回溯到前一个检测到的R波峰之后重新获取最大峰值；若dF≤T1，则提高心电信号幅度阈值和胸阻抗二阶差分幅度阈值，然后回溯到前一个检测到的R波峰之后重新获取最大峰值，dF表示最大峰值与胸阻抗二阶差分图中前一个主峰值之间的距离，T1表示防多检距离阈值，T2表示防漏检距离阈值。

8.根据权利要求7所述一种利用胸阻抗二阶差分图辅助实时定位心电R波峰的方法，其特征在于：重新获取最大峰值后再次进行回溯重检判断，若最大峰值仍满足dF≥T2或dF≤T1，则将最大峰值判定为R波峰。

9.根据权利要求7所述一种利用胸阻抗二阶差分图辅助实时定位心电R波峰的方法，其特征在于：所述T1=0.45×RR，T2=1.66×RR，RR表示最近三个连续RR间期的平均值。

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