一種心電信號壓縮率自適應調節無線傳輸系統和傳輸方法與流程
2023-07-19 12:11:41 1
本發明涉及壓縮編碼、信號重構以及無線信道等領域，尤其涉及一種心電數據壓縮以及無線傳輸的方法。
背景技術：
心電數據無線傳輸系統一般包括傳感器節點(ECG傳感器)、匯聚節點(協調器)和後臺基站。傳感器節點將採集到的心電數據首先發送到匯聚節點。協調器作為展示平臺將得到的數據顯示出來，同時將數據繼續發送到後臺基站。一般協調器可以是手機或者PDA，基站一般是醫療機構。由於這種穿戴式無線傳輸系統對設備體積和重量都有限制，所以要對系統進行能量有效性設計，傳感器採集的心電數據需要經過壓縮。傳統的壓縮方式一般用於有線心電設備，當無線傳輸出現丟包時，一般的壓縮方式就會出現數據的缺失。壓縮感知技術主要有兩個特點：無差別採樣和分布式簡單編碼，這使得它成為傳感網中數據採集的新方法。壓縮採樣採集的數據如果在傳輸中出現丟失，不會出現源數據的缺失，而是以誤差的形式表現在解壓的數據上。
很多先前工作指出基於稀疏性的壓縮可以用於ECG信號以及其他身體參數信號。當壓縮感知方法應用到心電信號壓縮時，一個重要的假設是心電信號的稀疏度是恆定的，這個假設當數據幀的長度足夠時可以成立，但是同時也增加了系統的響應時間。實際上，對於一個實時心電診斷系統來說，響應時間應當小於300毫秒，這就需要每一幀數據對應的採樣時間要更少。當數據幀長度減小後，數據稀疏度變化就非常大了。除了稀疏度變化以外，對於重構誤差的估計是基於壓縮感知的心電監測系統的另一個挑戰。理論上講，當系統滿足某些條件時(如數據為K稀疏的、採樣率滿足某些經驗公式的要求、測量矩陣滿足限制等距原則等)，重構誤差會有上界。但是，對於一個實時心電檢測系統，根據上面所說，數據的稀疏度是變化的。而且，不穩定的無線信道會導致丟包率的增加，使得數據欠採樣，這也會影響系統的重構質量。因此，對於傳統的壓縮感知架構，重構誤差會有很大的波動。另外，由於協調器無法得到原始數據，所以很難得到重構誤差的準確數值。
國內申請號為201410428685.X的名稱為「一種具有無線傳輸功能的可攜式心電監護儀」的專利申請，通過單片機處理採樣信號，通過藍牙模塊將數據發送到PDA並實現數據的上傳，整個系統沒有考慮到數據的壓縮與能量有效性設計。國內申請號為201110206698.9的名稱為「基於小波算法的心電信號傳輸方法和系統」的專利提出了通過小波編碼的心電壓縮方法，國內申請號為201510974314.6的名稱為「心電信號壓縮傳輸方法及其心電監護系統」的專利申請提出了通過基於卷積壓縮編碼的方式將心電數據壓縮並傳輸，這兩種方法能夠提高數據傳輸的效率但是沒有考慮到傳輸出現丟包對解壓縮質量的影響。
現有技術中對一般數據採用傳統編碼壓縮方式，未能考慮是否適合無線傳輸的需要；另外無線傳輸出現丟包時，數據重構質量無法保證；壓縮方法對數據的時延沒有設置上限，無法實現實時的監控。因此，本領域的技術人員致力於開發一種基於壓縮感知的心電信號壓縮率自適應調節無線傳輸方法，將數據編碼壓縮方式和無線傳輸的特點結合起來，以保證數據重構質量，滿足心電數據實時監控的要求。
技術實現要素：
有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是如何保證數據重構質量，滿足心電數據實時監控的要求，具體地說，如何在無線傳輸出現丟包的時候，不影響心電數據的傳輸；如何在沒有原始數據的情況下估計數據的重構誤差；如何保證系統的數據時延。
為實現上述目的，本發明提供了一種心電信號壓縮率自適應調節無線傳輸系統，包括傳感器節點和協調器，所述傳感器節點被配置為獲取原始信號、數據採樣壓縮以及將壓縮後的數據發送到所述協調器；所述協調器被配置為接收所述壓縮數據和恢復所述壓縮數據；所述傳感器節點還包括稀疏度估計模塊，所述協調器還包括無線補償模塊和誤差控制模塊；所述稀疏度估計模塊被配置為計算數據的稀疏度以及根據稀疏度估計採樣率，所述無線補償模塊被配置為補償無線通訊過程中的丟包，所述誤差控制模塊被配置為控制重構誤差。
進一步地，所述傳感器節點採用的稀疏化方法為快速傅立葉變換、離散餘弦變換或者小波變換中的一種。
進一步地，所述稀疏度估計模塊被配置為根據每幀數據的稀疏度分類和對應的模型以及根據所述協調器發送的丟包信息得到每幀數據所需要的採樣率。
進一步地，所述傳感器節點被配置為根據原始數據生成引導數據；所述引導數據被配置為在恢復數據時估計重構誤差；在壓縮數據中隨機選擇10％的數據作為所述引導數據。
進一步地，所述傳感器節點被配置為根據原始數據生成控制數據。
進一步地，所述傳感器節點被配置為將壓縮數據、引導數據和控制數據打包發送給所述協調器，所述控制數據是無線傳輸過程中的包頭。
本發明還提供了一種心電信號壓縮率自適應調節無線傳輸方法，包括以下步驟：
步驟1、在傳感器節點，原始心電數據XN*1首先被稀疏化得到XSN*1，其中N為每幀需要壓縮的原始數據長度；
步驟2、根據XS的稀疏度K來計算隨機觀測矩陣AM*N的維度M，通過離線建模得到M與K的關係；
步驟3、通過觀測矩陣A將數據壓縮成YM*1，
Y＝A·Xs
步驟4、根據原始數據生成引導數據，引導數據用來在恢復數據時估計重構誤差，在壓縮數據Y中隨機選擇10％的數據作為引導數據；
步驟5、根據原始數據生成控制數據，控制數據是無線傳輸過程中的包頭；
步驟6、傳感器節點將壓縮數據、引導數據和控制數據打包，通過無線網絡發送給協調器節點；
步驟7、協調器節點接收到數據包後，恢復所述壓縮數據。
進一步地，所述稀疏化的方法為快速傅立葉變換、離散餘弦變換或者小波變換中的一種。
進一步地，步驟2中所述的離線建模的方法為：
首先，根據不同的稀疏度對數據幀進行分類，離線採集用戶大於10000個數據幀D，採用快速聚類算法將數據分為兩類；
其次，根據數據的稀疏度和採樣率的分布進行建模，所建模型為分段線性模型：
其中，Ωi(i＝1,2)由上述的分類方法來確定，參數Ci(i＝1,2,3,4)通過求解優化問題來得到：
s.t.si-ari-b≥0
其中，si表示每個數據幀的稀疏度，ri表示每一幀的採樣率，a和b即為分段函數中的係數；
最後，根據每幀數據的稀疏度分類和對應的模型，可以得到每幀數據所需要的採樣率Ms，根據協調器發送的丟包信息PLR得到
M＝Ms/(1-PLR)；
由此確定隨機觀測陣A的維數M*N。
進一步地，步驟7還包括以下步驟：
首先，確認所述壓縮數據、所述引導數據和所述控制數據是否完整，如果部分壓縮數據丟失，無線補償模塊將估計信道狀況；如果引導數據或者控制數據丟失，下一幀的採樣率將只由稀疏度估計模塊來決定；
其次，在傳感器節點端，稀疏度估計模塊的輸入是下一幀數據的稀疏度，輸出是對下一幀的壓縮率估計MS；在協調器端，誤差控制模塊的輸入是誤差的歷史數據，根據這些歷史數據誤差控制模塊可以調整下一幀的採樣率；
最後，無線補償模塊可以獲取當前無線信道的丟包率PLR，然後將丟包率PLR發送給傳感器節點。
為了解決無線心電監測系統中的時延限制和誤差估計問題，在本發明公開了一種針對實時心電監測的自適應壓縮感知引擎。在傳感器節點端，採用一個離線稀疏度模型來獲取數據的採樣率，同時檢測無線丟包率以及在協調器端設計一種基於丟包和重構質量的在線更新模型。本發明設計了一個閉環的控制引擎以保證重構質量。系統可以根據數據稀疏度的變化和無線丟包來調整採樣率。系統的延時不超過300毫秒。本發明分析了心電信號稀疏度的時變特性，建立了採樣率和稀疏度之間的離線模型並在傳感器節點端進行應用，幾乎沒有增加傳感器節點的計算量。本發明引入引導數據，估計數據的重構誤差。建立誤差變化和壓縮率變化關係的模型。通過在線更新穩定重構誤差。
基於壓縮感知的無線傳輸系統架構如圖1所示，包含傳感器節點和協調器兩個部分。傳感器節點主要負責獲取原始信號、數據壓縮以及發送到協調器。協調器負責接收壓縮數據和恢復數據。圖1的上半部分是傳統的壓縮感知模塊框圖。在傳感器節點端，壓縮感知模塊的輸入是原始心電數據X。經過稀疏化和採樣後，傳感器節點的輸出是Y，然後發送到協調器。協調器接收到Y(有些數據在傳輸中丟失)並恢復出原始數據。一般來說，Ψ，K和M都是常數。由協調器計算恢復出來的數據X′就是對原始信號X的估計。如果數據稀疏度和無線信道變化很大的時候，恢復的數據X′和原始數據X有很大的差別。圖1的下半部分是本發明提出的自適應壓縮感知引擎，包括3個部分：稀疏度估計模塊、無線補償模塊和誤差控制模塊。稀疏度估計模塊用來計算數據的稀疏度以及根據稀疏度估計採樣率。無線補償模塊用來補償無線通訊過程中的丟包。誤差控制模塊用來控制重構誤差。
本發明所述的心電信號壓縮率自適應調節無線傳輸系統運行的步驟如下：
步驟1：在傳感器節點，原始心電數據XN*1首先被稀疏化得到XSN*1，其中N為每幀需要壓縮的原始數據長度。稀疏化方法一般採用的方法是快速傅立葉變換、離散餘弦變換或者小波變換等。
Xs＝fft(X)或者Xs＝dct(X)或者Xs＝dwt(X)
步驟2：根據XS的稀疏度K來計算隨機觀測矩陣AM*N的維度M，首先要離線建模得到M與K的關係，建模的方法為：
首先，根據不同的稀疏度對數據幀進行分類。離線採集用戶一定數量的數據幀D(數目大於10000)，採用快速聚類算法將數據分為兩類：
其次，根據數據的稀疏度和採樣率的分布進行建模。確定模型為分段線性模型：
其中，Ωi(i＝1,2)由上面的分類方法來確定，參數Ci(i＝1,2,3,4)通過求解優化問題來得到：
s.t.si-ari-b≥0
其中，si表示每個數據幀的稀疏度，ri表示每一幀的採樣率，a和b即為分段函數中的係數。
根據每幀數據的稀疏度分類和對應的模型，可以得到每幀數據所需要的採樣率Ms，根據協調器發送的丟包信息PLR得到
M＝Ms/(1-PLR)
由此確定隨機觀測陣A的維數M*N。
步驟3：通過觀測矩陣A將數據壓縮成YM*1。
Y＝A·Xs
步驟4：根據原始數據生成引導數據。引導數據用來在恢復數據時估計重構誤差。在壓縮數據Y中隨機選擇10％的數據作為引導數據。
步驟5：根據原始數據生成控制數據。控制字節是無線傳輸過程中的包頭。這三種數據同時傳送給協調器。協調器接收數據，同時確定數據的完整性。
步驟6：傳感器節點將壓縮數據、引導數據和控制數據打包，通過無線網絡發送給協調器節點。
步驟7：協調器節點接收到數據包後，首先確認三部分數據是否完整。如果部分壓縮數據丟失，無線補償模塊將估計信道狀況。如果引導數據或者控制數據丟失，下一幀的採樣率將只由稀疏度估計模塊來決定。在傳感器節點端，稀疏度估計模塊的輸入是下一幀數據的稀疏度，輸出是對下一幀的壓縮率估計MS。在協調器端，誤差控制模塊的輸入是誤差的歷史數據，根據這些歷史數據誤差控制模塊可以調整下一幀的採樣率。無線補償模塊可以獲取當前無線信道的丟包率PLR，然後將PLR發送給傳感器節點。
本發明的優點是：採用壓縮感知技術加閉環控制用來實現無線心電傳輸系統，可以有效的針對不同患者的不同數據稀疏度來實現不同的壓縮採樣率；同時可以根據無線信道的情況自適應的調整壓縮率，實現出現丟包的時候不丟失心電數據。
以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。
附圖說明
圖1是本發明的一個較佳實施例的系統架構圖；
圖2是本發明的一個較佳實施例的系統硬體結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明作進一步描述。本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
本實施例硬體結構圖如圖2所示，系統中傳感器端微處理器採用ADSP-BP592；藍牙模塊採用HC-06無線藍牙串口透傳從機模塊；存儲模塊採用ADSP-BP592片上flash；心電採樣模塊採用AD8232運放前端；AD採樣晶片採用PCF8591T；傳感器和協調器之間通訊採用CC2530節點；協調器由PDA擔當。
本實施例硬體系統運行的步驟如下：
第一步：設備佩戴
步驟11：將心電傳感器設備佩戴在胸前。
步驟12：通過平板電腦連接ECG藍牙模塊。傳感器以360Hz的頻率實時採集人體心電數據，協調器會將無線信道的實時狀況發送到傳感器。
第二步：建模過程
步驟21：傳感器首先採集10000組(至少)用戶數據，通過隨機生成觀測矩陣A。用觀測矩陣以恆定的壓縮率50％對用戶數據進行壓縮，並把原始數據和壓縮數據發送給協調器，協調器解壓縮數據，獲得數據重構質量，並生成用戶資料庫D。D的每個數據中都包括數據幀的壓縮率和數據的稀疏度。
步驟22：採用快速聚類算法進行聚類：
輸入：數據集合D
輸出：聚類中心μ'1,μ'2
1)計算數據集合中各幀的稀疏度出現的次數，將出現次數最多的兩個峰值μ1,μ2做為初始聚類中心；
2)判斷若滿足|muj-μ'j|＞∈則執行第(3)步，若不滿足，執行第(5)步；
3)根據c(i):＝argmin||d(i)-μj||2將數據集合分為兩類；
4)每一類重新計算聚類中心
5)輸出μ'1,μ'2。
步驟23：根據數據的稀疏度和採樣率的分布進行建模。確定模型為分段線性模型：
其中，Ωi(i＝1,2)由上面的分類方法來確定，參數Ci(i＝1,2,3,4)通過求解優化問題來得到：
s.t.si-ari-b≥0
其中，si表示每個數據幀的稀疏度，ri表示每一幀的採樣率，a和b即為分段函數中的係數。
第三步：正常工作
步驟31：在傳感器節點，原始心電數據XN*1首先被稀疏化得到XSN*1，其中N為每幀需要壓縮的原始數據長度。稀疏化方法採用離散餘弦。
Xs＝dct(X)
步驟32：根據上面得到的稀疏度K和採樣率Ms關係的模型來計算隨機觀測矩陣AM*N的維度Ms。
稀疏度K的計算公式為：
K＝||Xs||0
步驟33：根據每幀數據的稀疏度分類和對應的模型，可以得到每幀數據所需要的採樣率Ms，根據協調器發送的丟包信息PLR得到
M＝Ms/(1-PLR)
此確定隨機觀測陣A的維數M*N。
步驟34：通過觀測矩陣A將數據壓縮成YM*1。
Y＝A·Xs
步驟35：傳感器節點將壓縮數據Y通過無線網絡發送給協調器節點。
步驟36：協調器節點接收到數據包後，首先確認數據是否完整。如果部分壓縮數據丟失，無線補償模塊將估計信道狀況。如果引導數據或者控制數據丟失，下一幀的採樣率將只由稀疏度估計模塊來決定。在傳感器節點端，稀疏度估計模塊的輸入是下一幀數據的稀疏度，輸出是對下一幀的壓縮率估計MS。在協調器端，誤差控制模塊的輸入是誤差的歷史數據，根據這些歷史數據誤差控制模塊可以調整下一幀的採樣率。無線補償模塊可以獲取當前無線信道的丟包率PLR，然後將PLR發送給傳感器節點。
以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。