一种基于分段多项式拟合ECG信号的平滑滤波方法技术

一种基于分段多项式拟合ECG信号的平滑滤波方法，该方法是：基于分段多项式拟合的思想，采用QR矩阵分解法对最小二乘回归学习算法进行求解，分段拟合后拼接生成拟合信号，同时对相邻分段通过曲率阈值确定拟合边界，进一步提升整体拟合效果。本发明专利技术方法相比其他平滑滤波算法，可以很好的去除毛刺等高频干扰，在修复原始信号的同时又能最大限度降低拟合信号失真。本发明专利技术还提出了关键窗口拟合效果评估公式，可以较好地评估ECG信号拟合质量，为波形进一步的精准定位和形态学分析打下基础。一步的精准定位和形态学分析打下基础。一步的精准定位和形态学分析打下基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分段多项式拟合ECG信号的平滑滤波方法


[0001]本专利技术涉及的是基于分段多项式拟合心电信号的方法，属于拟合心电信号


技术介绍

[0002]心电信号的QRS时限、PR时限、QT时限等异常与各种心律失常有关，P、Q、S、T波形及其边界定位的准确与否影响到上述时限的精准测量。目前基于机器学习模型的定位算法可以较好地进行波形定位，但其精准性易受干扰和异常波形特征的影响，需要通过评估算法得出对于波形的定位的可靠性，对于不可靠的定位结果需要结合规则的方法进行修正。规则定位对于信号质量要求较高，目前信号的平滑滤波是目前常用信号处理方法，常用的有小波变换、均值滤波、样条曲线等方法，小波变换去除高频噪声后波形拟合效果不佳，且不适用于单个心拍的拟合；均值滤波容易忽略波峰波谷的信号；样条曲线法容易受到单个控制点的影响而不稳定。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，提出一种基于分段多项式拟合的平滑滤波技术，对心电数据进行优化处理。
[0004]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于分段多项式拟合ECG信号的平滑滤波方法，其所述方法包括下述步骤：
[0005]a.读取单心拍信号：获取感兴趣的原始单心拍信号，原始信号的采样频率为f，对原始信号进行R波定位，根据R波位置找出感兴趣的当前心拍，通过当前心拍与其前1个心拍的联律间期计算出当前心拍的瞬时心率HR。单个心拍常规截取0.8*f+1个频点，其中R波左侧段截取0.3*f个频点，R波右侧段截取0.5*f个频点。单心拍信号的截取长度受HR影响，HR越低，截取长度越长。HR低于60，截取f+1个频点，其中R波左侧段截取0.4*f个频点，R波右侧段截取0.6*f个频点。
[0006]b.关键窗口检测：本实例采用固定大小的滑动窗口，从信号起始段开始遍历，计算窗口中点至窗口两边界点所成的夹角的余弦值。设置两个阈值，阈值threod1较大，可以检出曲率较大的尖波，用于确定拟合边界，提升拟合效果；阈值threod2较小，用于筛选出具备一定起伏特征的波形，阈值threod1、threod2调优可通过试验获取。结合统计学分析，将单个心拍信号片段粗略划分为起始段、P区、Q区、S区、T区和心拍结束段(如图2)，threod1在起始段、Q区、S区和结束段检出的关键窗口用于确定R波左右两段信号拟合边界；threod2在P区、Q区、S区和T区检出的关键窗口信号片段，用于波形拟合质量的评估。
[0007]c.建立并求解多项式线性回归方程：根据R波左右分段信号的拟合边界，确定待拟合信号，设置R波左右两侧的初始拟合阶数n，拟合阶数即多项式线性回归特征个数，建立R波左右两侧的多项式线性回归方程(见公式3，4)；通过QR矩阵分解法(见公式7,8)求解回归方程的解析解具体公式如下：
[0008]矩阵X
m
×
(n+1)
，m为分段信号的采样点数，n为拟合阶数：
[0009][0010]参数向量和信号向量
[0011][0012]线性回归拟合函数：
[0013][0014]线性回归损失函数：
[0015][0016]损失函数求解：
[0017][0018]对上式关于求梯度，并令其为零，可得到向量的解析解为：
[0019][0020]对X进行QR矩阵分解：
[0021]令X＝QR.........................................................(7)
[0022][0023]d.生成拟合信号：将求解得到的拟合参数代入拟合函数(公式3)，得到R波左右两段信号每个点的拟合值h
θ
(x
(i)
)；两段拟合信号分别生成后，根据两侧信号在R波区域的切割位置进行拼接，生成全段的拟合信号。
[0024]e.拟合效果的评估：针对拟合阶数和窗口大小的调优，可通过批量数据测试的方法，使波形拟合质量较优Q(Q>0.9)的比例达到最大。Q的计算公式如下：
[0025][0026]其中,λ为归一化因子，计算公式如下：
[0027][0028]y
nh
和y
tr
分别表示拟合值和真实值关键窗口信号矩阵，为n
zone
×
w
s
的矩阵，其中n
zone
为关键窗口数，w
s
为窗口大小。
[0029]作为优选：所述步骤b中关键窗口检测具有三种作用：(1)为波形定位提供参考：关键窗口大概率具有医学意义的波形；(2)曲率较大的起始段、结束段关键区，用于确定R波左右拟合信号的外侧边界；曲率较大的Q区和S区，用于确定R波左右拟合信号的内侧边界；(3)P、Q、S和T区中的关键区拟合效果评估可以较好得反映当前心拍的整体拟合效果；关键窗口检测采用两种不同的阈值筛选策略，threod1较大，可以检出曲率较大的尖波；阈值threod2较小，用于筛选出具备一定起伏特征的波形。
[0030]作为优选：所述步骤c中建立并求解多项式线性回归方程：根据内侧拟合边界，分割单心拍信号为R波左右两段信号，设置初始拟合阶数n，初始化参数向量分别建立多项式线性回归方程，使用QR矩阵分解法求取两回归方程的最优解。拟合阶数通过批量数据的拟合效果评价来获取两侧拟合阶数最优值。
[0031]作为优选：所述步骤e中拟合波的评估包括两种指标：(1)相似度指标，每个关键区所在区间真实信号和拟合信号的余弦相似度；(2)偏离度指标，每个关键区所在区间真实信号和拟合信号的差值之和。本专利技术为了更好地进行拟合效果的评估，结合相似度和偏离度指标，提出一种归一化信号拟合质量综合评估指标Q公式9，Q的取值范围为(0.1,1)，数值越大，表示拟合效果越好。
[0032]本专利技术中采用分段多项式拟合方法，可去除毛刺等高频干扰，修复原始信号的同时又能最大限度降低拟合信号失真，为波形进一步的精准定位和形态学分析打下基础。
附图说明
[0033]图1单心拍多项式分段拟合流程图。
[0034]图2波形分区粗略划分图。
[0035]图3单心拍3种信号平滑处理效果展示(样例心拍1)。
[0036]图4单心拍原始信号与分段多项式拟合信号(样例心拍1)。
[0037]图5单心拍原始信号与均值平滑拟合信号(样例心拍1)。
[0038]图6单心拍原始信号与小波变换拟合信号(样例心拍1)。
[0039]图7单心拍3种信号平滑处理效果展示(样例心拍2)。
[0040]图8单心拍原始信号与分段多项式拟合信号(样例心拍2)。
[0041]图9单心拍原始信号与均值平滑拟合信号(样例心拍2)。
[0042]图10单心拍原始信号与小波变换拟合信号(样例心拍2)。
具体实施方式
[0043]为了更好理解本专利技术，下面将结合具体实施例及附图对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分段多项式拟合ECG信号的平滑滤波方法，包括下述步骤：a.读取单心拍信号：获取感兴趣的原始单心拍信号，原始信号的采样频率为f，对原始信号进行R波定位，根据R波位置找出感兴趣的当前心拍，通过当前心拍与其前1个心拍的联律间期计算出当前心拍的瞬时心率HR。单个心拍常规截取0.8*f+1个频点，其中R波左侧段截取0.3*f个频点，R波右侧段截取0.5*f个频点。单心拍信号的截取长度受HR影响，HR越低，截取长度越长。HR低于60，截取f+1个频点，其中R波左侧段截取0.4*f个频点，R波右侧段截取0.6*f个频点。b.关键窗口检测：本实例采用固定大小的滑动窗口，从信号起始段开始遍历，计算窗口中点至窗口两边界点所成的夹角的余弦值。设置两个阈值，阈值threod1较大，可以检出曲率较大的尖波，用于确定拟合边界，提升拟合效果；阈值threod2较小，用于筛选出具备一定起伏特征的波形，阈值threod1、threod2调优可通过试验获取。结合统计学分析，将单个心拍信号片段粗略划分为起始段、P区、Q区、S区、T区和心拍结束段(如图2)，threod1在起始段、Q区、S区和结束段检出的关键窗口用于确定R波左右两段信号拟合边界；threod2在P区、Q区、S区和T区检出的关键窗口信号片段，用于波形拟合质量的评估。c.建立并求解多项式线性回归方程：根据R波左右分段信号的拟合边界，确定待拟合信号，设置R波左右两侧的初始拟合阶数n，拟合阶数即多项式线性回归特征个数，建立R波左右两侧的多项式线性回归方程(见公式3，4)；通过QR矩阵分解法(见公式7,8)求解回归方程的解析解具体公式如下：矩阵X
m
×
(n+1)
，m为分段信号的采样点数，n为拟合阶数：参数向量和信号向量和信号向量线性回归拟合函数：线性回归损失函数：
损失函数求解：对上式关于求梯度，并令其为零，可得到向量的解析解为：对X进行QR矩阵分解：令X＝QR.........................................................(7)d.生成拟合信号：将求解得到的拟合参数代入拟合函数(公式3)，得到R波左右两段信号每个点的拟合值h
θ
(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙斌，顾林跃，操詹魁，
申请(专利权)人：浙江好络维医疗技术有限公司，
类型：发明
国别省市：