一种心电信号压缩率自适应调节无线传输系统和传输方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于压缩感知的心电信号压缩率自适应调节无线传输系统和传输方法，涉及信号压缩重构领域，包括传感器节点和协调器，传感器节点用于获取原始信号、数据采样压缩以及将压缩后的数据发送到协调器；协调器用于接收和恢复压缩数据；传感器节点包括稀疏度估计模块，协调器包括无线补偿模块和误差控制模块；稀疏度估计模块用于计算数据的稀疏度以及根据稀疏度估计采样率，无线补偿模块用于补偿无线通讯过程中的丢包，误差控制模块用于控制重构误差。本发明专利技术采用压缩感知技术加闭环控制来实现，有效针对不同患者不同数据稀疏度来实现不同的压缩采样率；同时可以根据无线信道的情况自适应的调整压缩率，实现出现丢包的时候不丢失心电数据。

【技术实现步骤摘要】
一种心电信号压缩率自适应调节无线传输系统和传输方法
本专利技术涉及压缩编码、信号重构以及无线信道等领域，尤其涉及一种心电数据压缩以及无线传输的方法。
技术介绍
心电数据无线传输系统一般包括传感器节点(ECG传感器)、汇聚节点(协调器)和后台基站。传感器节点将采集到的心电数据首先发送到汇聚节点。协调器作为展示平台将得到的数据显示出来，同时将数据继续发送到后台基站。一般协调器可以是手机或者PDA，基站一般是医疗机构。由于这种穿戴式无线传输系统对设备体积和重量都有限制，所以要对系统进行能量有效性设计，传感器采集的心电数据需要经过压缩。传统的压缩方式一般用于有线心电设备，当无线传输出现丢包时，一般的压缩方式就会出现数据的缺失。压缩感知技术主要有两个特点：无差别采样和分布式简单编码，这使得它成为传感网中数据采集的新方法。压缩采样采集的数据如果在传输中出现丢失，不会出现源数据的缺失，而是以误差的形式表现在解压的数据上。很多先前工作指出基于稀疏性的压缩可以用于ECG信号以及其他身体参数信号。当压缩感知方法应用到心电信号压缩时，一个重要的假设是心电信号的稀疏度是恒定的，这个假设当数据帧的长度足够时可以成立，但是同时也增加了系统的响应时间。实际上，对于一个实时心电诊断系统来说，响应时间应当小于300毫秒，这就需要每一帧数据对应的采样时间要更少。当数据帧长度减小后，数据稀疏度变化就非常大了。除了稀疏度变化以外，对于重构误差的估计是基于压缩感知的心电监测系统的另一个挑战。理论上讲，当系统满足某些条件时(如数据为K稀疏的、采样率满足某些经验公式的要求、测量矩阵满足限制等距原则等)，重构误差会有上界。但是，对于一个实时心电检测系统，根据上面所说，数据的稀疏度是变化的。而且，不稳定的无线信道会导致丢包率的增加，使得数据欠采样，这也会影响系统的重构质量。因此，对于传统的压缩感知架构，重构误差会有很大的波动。另外，由于协调器无法得到原始数据，所以很难得到重构误差的准确数值。国内申请号为201410428685.X的名称为“一种具有无线传输功能的便携式心电监护仪”的专利申请，通过单片机处理采样信号，通过蓝牙模块将数据发送到PDA并实现数据的上传，整个系统没有考虑到数据的压缩与能量有效性设计。国内申请号为201110206698.9的名称为“基于小波算法的心电信号传输方法和系统”的专利提出了通过小波编码的心电压缩方法，国内申请号为201510974314.6的名称为“心电信号压缩传输方法及其心电监护系统”的专利申请提出了通过基于卷积压缩编码的方式将心电数据压缩并传输，这两种方法能够提高数据传输的效率但是没有考虑到传输出现丢包对解压缩质量的影响。现有技术中对一般数据采用传统编码压缩方式，未能考虑是否适合无线传输的需要；另外无线传输出现丢包时，数据重构质量无法保证；压缩方法对数据的时延没有设置上限，无法实现实时的监控。因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于压缩感知的心电信号压缩率自适应调节无线传输方法，将数据编码压缩方式和无线传输的特点结合起来，以保证数据重构质量，满足心电数据实时监控的要求。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何保证数据重构质量，满足心电数据实时监控的要求，具体地说，如何在无线传输出现丢包的时候，不影响心电数据的传输；如何在没有原始数据的情况下估计数据的重构误差；如何保证系统的数据时延。为实现上述目的，本专利技术提供了一种心电信号压缩率自适应调节无线传输系统，包括传感器节点和协调器，所述传感器节点被配置为获取原始信号、数据采样压缩以及将压缩后的数据发送到所述协调器；所述协调器被配置为接收所述压缩数据和恢复所述压缩数据；所述传感器节点还包括稀疏度估计模块，所述协调器还包括无线补偿模块和误差控制模块；所述稀疏度估计模块被配置为计算数据的稀疏度以及根据稀疏度估计采样率，所述无线补偿模块被配置为补偿无线通讯过程中的丢包，所述误差控制模块被配置为控制重构误差。进一步地，所述传感器节点采用的稀疏化方法为快速傅里叶变换、离散余弦变换或者小波变换中的一种。进一步地，所述稀疏度估计模块被配置为根据每帧数据的稀疏度分类和对应的模型以及根据所述协调器发送的丢包信息得到每帧数据所需要的采样率。进一步地，所述传感器节点被配置为根据原始数据生成引导数据；所述引导数据被配置为在恢复数据时估计重构误差；在压缩数据中随机选择10％的数据作为所述引导数据。进一步地，所述传感器节点被配置为根据原始数据生成控制数据。进一步地，所述传感器节点被配置为将压缩数据、引导数据和控制数据打包发送给所述协调器，所述控制数据是无线传输过程中的包头。本专利技术还提供了一种心电信号压缩率自适应调节无线传输方法，包括以下步骤：步骤1、在传感器节点，原始心电数据XN*1首先被稀疏化得到XSN*1，其中N为每帧需要压缩的原始数据长度；步骤2、根据XS的稀疏度K来计算随机观测矩阵AM*N的维度M，通过离线建模得到M与K的关系；步骤3、通过观测矩阵A将数据压缩成YM*1，Y＝A·Xs步骤4、根据原始数据生成引导数据，引导数据用来在恢复数据时估计重构误差，在压缩数据Y中随机选择10％的数据作为引导数据；步骤5、根据原始数据生成控制数据，控制数据是无线传输过程中的包头；步骤6、传感器节点将压缩数据、引导数据和控制数据打包，通过无线网络发送给协调器节点；步骤7、协调器节点接收到数据包后，恢复所述压缩数据。进一步地，所述稀疏化的方法为快速傅里叶变换、离散余弦变换或者小波变换中的一种。进一步地，步骤2中所述的离线建模的方法为：首先，根据不同的稀疏度对数据帧进行分类，离线采集用户大于10000个数据帧D，采用快速聚类算法将数据分为两类；其次，根据数据的稀疏度和采样率的分布进行建模，所建模型为分段线性模型：其中，Ωi(i＝1,2)由上述的分类方法来确定，参数Ci(i＝1,2,3,4)通过求解优化问题来得到：s.t.si-ari-b≥0其中，si表示每个数据帧的稀疏度，ri表示每一帧的采样率，a和b即为分段函数中的系数；最后，根据每帧数据的稀疏度分类和对应的模型，可以得到每帧数据所需要的采样率Ms，根据协调器发送的丢包信息PLR得到M＝Ms/(1-PLR)；由此确定随机观测阵A的维数M*N。进一步地，步骤7还包括以下步骤：首先，确认所述压缩数据、所述引导数据和所述控制数据是否完整，如果部分压缩数据丢失，无线补偿模块将估计信道状况；如果引导数据或者控制数据丢失，下一帧的采样率将只由稀疏度估计模块来决定；其次，在传感器节点端，稀疏度估计模块的输入是下一帧数据的稀疏度，输出是对下一帧的压缩率估计MS；在协调器端，误差控制模块的输入是误差的历史数据，根据这些历史数据误差控制模块可以调整下一帧的采样率；最后，无线补偿模块可以获取当前无线信道的丢包率PLR，然后将丢包率PLR发送给传感器节点。为了解决无线心电监测系统中的时延限制和误差估计问题，在本专利技术公开了一种针对实时心电监测的自适应压缩感知引擎。在传感器节点端，采用一个离线稀疏度模型来获取数据的采样率，同时检测无线丢包率以及在协调器端设计一种基于丢包和重构质量的在线更新模型。本专利技术设计了一个闭环的控制引擎以保证重构质量。系统可以根本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种心电信号压缩率自适应调节无线传输系统，其特征在于，包括传感器节点和协调器，所述传感器节点被配置为获取原始信号、数据采样压缩以及将压缩后的数据发送到所述协调器；所述协调器被配置为接收所述压缩数据和恢复所述压缩数据；所述传感器节点还包括稀疏度估计模块，所述协调器还包括无线补偿模块和误差控制模块；所述稀疏度估计模块被配置为计算数据的稀疏度以及根据稀疏度估计采样率，所述无线补偿模块被配置为补偿无线通讯过程中的丢包，所述误差控制模块被配置为控制重构误差。

【技术特征摘要】
1.一种心电信号压缩率自适应调节无线传输系统，其特征在于，包括传感器节点和协调器，所述传感器节点被配置为获取原始信号、数据采样压缩以及将压缩后的数据发送到所述协调器；所述协调器被配置为接收所述压缩数据和恢复所述压缩数据；所述传感器节点还包括稀疏度估计模块，所述协调器还包括无线补偿模块和误差控制模块；所述稀疏度估计模块被配置为计算数据的稀疏度以及根据稀疏度估计采样率，所述无线补偿模块被配置为补偿无线通讯过程中的丢包，所述误差控制模块被配置为控制重构误差。2.如权利要求1所述的心电信号压缩率自适应调节无线传输系统，其特征在于，所述传感器节点采用的稀疏化方法为快速傅里叶变换、离散余弦变换或者小波变换中的一种。3.如权利要求1所述的心电信号压缩率自适应调节无线传输系统，其特征在于，所述稀疏度估计模块被配置为根据每帧数据的稀疏度分类和对应的模型以及根据所述协调器发送的丢包信息得到每帧数据所需要的采样率。4.如权利要求1所述的心电信号压缩率自适应调节无线传输系统，其特征在于，所述传感器节点被配置为根据原始数据生成引导数据；所述引导数据被配置为在恢复数据时估计重构误差；在压缩数据中随机选择10％的数据作为所述引导数据。5.如权利要求4所述的心电信号压缩率自适应调节无线传输系统，其特征在于，所述传感器节点被配置为根据原始数据生成控制数据。6.如权利要求5所述的心电信号压缩率自适应调节无线传输系统，其特征在于，所述传感器节点被配置为将压缩数据、引导数据和控制数据打包发送给所述协调器，所述控制数据是无线传输过程中的包头。7.一种心电信号压缩率自适应调节无线传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在传感器节点，原始心电数据XN*1首先被稀疏化得到XSN*1，其中N为每帧需要压缩的原始数据长度；步骤2、根据XS的稀疏度K来计算随机观测矩阵AM*N的维度M，通过离线建模得到M与K的关系；步骤3、通过观测矩阵A将数据压缩成YM*1，Y＝A·Xs步骤4、根据原始数据生成引导数据，引导数据用来在恢复数据时估计重构误差，在压缩数据Y中随机选择10％的数据作为引导数据；步骤5、...

【专利技术属性】
技术研发人员：于文彬，刘哲，杨博，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31