一種心電信號R波檢測方法及裝置與流程

2023-05-24 00:45:31

本發明涉及數據處理
技術領域：
，具體涉及一種心電信號r波檢測方法及裝置。
背景技術：
：心電信號(electrocardiograph，ecg)中含有豐富的人體在靜息、運動等日常生活活動中的生理數據。心電信號qrs波(q、r、s分別表示心電波形的三個標識位置)檢測在運動型連續無創多生命體徵監測系統中的佔有重要地位。通常混入心電信號中的噪聲有基線漂移、直流偏移、工頻噪聲、ecg電極片與人體接觸產生的阻抗容抗變化，以及肢體運動產生的運動肌電噪聲。其中，運動肌電噪聲隨人體運動方式和強度而改變，頻帶比基線漂移略高，在1～5hz左右，是對ecg信號檢測影響最大的噪聲。現有的心電信號的r波檢測方法依靠對心電波形各個特徵點的識別。現有的特徵點檢測方法主要有差分閾值法、模板匹配法、小波變換法和神經網絡法等。差分閾值法算法簡單，處理速度快，易於工程實現，但是經常漏檢錯檢r波。模板匹配法原理簡單，但對高頻噪聲和基線漂移的去除效果較差。小波變換法具有良好的時頻局域化特性，檢測準確，但對原始信號不同尺度的描述需要大量的存儲空間，計算耗時，增加了硬體成本，不易於工程實現。神經網絡法能夠實現很好的判別效果，但訓練時間較長，實際上較難應用。技術實現要素：本發明實施例提供一種心電信號r波檢測方法及裝置，用於解決如何快速、準確地實現心電信號的r波檢測的問題。本發明實施例提供了一種心電信號r波檢測方法，包括：對採集的目標用戶的心電信號進行預處理；對預處理後的心電信號進行一階差分處理和平均光滑處理，獲取所述心電信號的一階差分平滑信號；針對每個採樣周期的所述心電信號的一階差分平滑信號，獲取大於預設上升沿差分閾值的一階差分平滑信號的最大值和小於預設下降沿差分閾值的一階差分平滑信號的最小值；根據所述一階差分平滑信號的最大值和所述一階差分平滑信號的最小值獲取所述目標用戶的待測r波的寬度；根據所述目標用戶的待測r波的寬度確定所述待測r波的波峰位置。可選地，所述方法還包括：根據所述一階差分平滑信號的最大值對所述預設下降沿差分閾值進行更新。可選地，根據如下公式對預設下降沿差分閾值進行更新：rd＝-spk·thr其中，rd表示下降沿差分閾值；spk＝a·spk+b·max[y(i)]；其中，spk＝max(spk，max[y(i)])；thr表示常數門限值係數，0≤thr≤1；max[y(i)]表示一階差分平滑信號的最大值；a和b是常數，0≤a≤1，0≤b≤1。可選地，根據所述目標用戶的待測r波的寬度確定所述待測r波的波峰位置，包括：將所述目標用戶的待測r波的寬度與所述目標用戶的靜息狀態r波寬度進行比較；若所述目標用戶的待測r波的寬度與所述目標用戶的靜息狀態r波寬度之差小於預設閾值，則根據所述目標用戶的待測r波的寬度確定所述待測r波的波峰位置。本發明實施例提供一種心電信號r波檢測裝置，包括：預處理單元，用於對採集的目標用戶的心電信號進行預處理；一階差分平滑信號獲取單元，用於對預處理後的心電信號進行一階差分處理和平均光滑處理，獲取所述心電信號的一階差分平滑信號；最大值最小值獲取單元，用於針對每個採樣周期的所述心電信號的一階差分平滑信號，獲取大於預設上升沿差分閾值的一階差分平滑信號的最大值和小於預設下降沿差分閾值的一階差分平滑信號的最小值；待測r波寬度獲取單元，用於根據所述一階差分平滑信號的最大值和所述一階差分平滑信號的最小值獲取所述目標用戶的待測r波的寬度；波峰位置獲取單元，用於根據所述目標用戶的待測r波的寬度確定所述待測r波的波峰位置。可選地，還包括：下降沿差分閾值更新單元，用於根據所述一階差分平滑信號的最大值對所述預設下降沿差分閾值進行更新。可選地，所述下降沿差分閾值更新單元進一步用於：根據如下公式對預設下降沿差分閾值進行更新：rd＝-spk·thr其中，rd表示下降沿差分閾值；spk＝a·spk+b·max[y(i)]；其中，spk＝max(spk，max[y(i)])；thr表示常數門限值係數，0≤thr≤1；max[y(i)]表示一階差分平滑信號的最大值；a和b是常數，0≤a≤1，0≤b≤1。可選地，所述波峰位置獲取單元進一步用於：將所述目標用戶的待測r波的寬度與所述目標用戶的靜息狀態r波寬度進行比較；若所述目標用戶的待測r波的寬度與所述目標用戶的靜息狀態r波寬度之差小於預設閾值，則根據所述目標用戶的待測r波的寬度確定所述待測r波的波峰位置。本發明實施例提供一種電子設備，其特徵在於，包括：處理器、存儲器和總線；其中，處理器和存儲器通過總線完成相互間的通信；處理器用於調用存儲器中的程序指令，以執行上述的心電信號r波檢測方法。本發明實施例提供一種非暫態計算機可讀存儲介質，所述非暫態計算機可讀存儲介質存儲計算機指令，所述計算機指令使所述計算機執行上述的心電信號r波檢測方法。本發明實施例提供的心電信號r波檢測方法及裝置，對採集的目標用戶的心電信號進行預處理；對預處理後的心電信號進行一階差分處理和平均光滑處理，獲取所述心電信號的一階差分平滑信號；針對每個採樣周期的所述心電信號的一階差分平滑信號，獲取大於預設上升沿差分閾值的一階差分平滑信號的最大值和小於預設下降沿差分閾值的一階差分平滑信號的最小值；根據所述一階差分平滑信號的最大值和所述一階差分平滑信號的最小值獲取所述目標用戶的待測r波的寬度；根據所述目標用戶的待測r波的寬度確定所述待測r波的波峰位置。本發明實施例對r波雙側進行一階差分極值動態閾值判斷，尋找一階差分為零的r波峰位，快速、準確地實現心電信號的r波檢測。附圖說明為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖做簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發明一個實施例的心電信號r波檢測方法的流程示意圖；圖2是本發明一個實施例的運動型連續無創多生命體徵監測系統的結構示意圖；圖3是本發明一個實施例的心電信號r波檢測裝置的結構示意圖；圖4是本發明一個實施例的電子設備的實體結構示意圖。具體實施方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。圖1是本發明一個實施例的心電信號r波檢測方法的流程示意圖。如圖1所示，該實施例的方法包括：s11：對採集的目標用戶的心電信號進行預處理；需要說明的是，對目標用戶的心電信號的預處理過程包括去除基線漂移、m個點平均光滑處理，預處理後的心電信號為x(i)，i是採樣數據序列號。在實際應用中，可採用有限長單位衝激響應(finiteimpulseresponse，fir)濾波器去除基線漂移，也可以採用其他方式去除基線漂移，本發明對此不作限制。需要說明的是，平均光滑處理的點的個數m，需綜合r波寬度tr(r波的寬度tr為r波上升沿和下降沿之間的時間間隔)與採樣率fs來確定。通常m個點至少需覆蓋tr，即m≥fs·tr舉例來說，fs＝500hz，tr＝0.030秒，則m≥15。s12：對預處理後的心電信號進行一階差分處理和平均光滑處理，獲取所述心電信號的一階差分平滑信號；對x(i)求一階差分：d(i)＝x(i+1)-x(i)再對d(i)做n個點平均光滑，得到y(i)。對一階差分d(i)做平均光滑的數據點個數n，需綜合人體四肢軀幹運動頻率f、r波寬度tr與採樣率fs確定。通常n個點至少需覆蓋肢體運動周期1/f，即n≥fs/f例如：fs＝500hz，f＝10hz，則n≥50。s13：針對每個採樣周期的所述心電信號的一階差分平滑信號，獲取大於預設上升沿差分閾值的一階差分平滑信號的最大值和小於預設下降沿差分閾值的一階差分平滑信號的最小值；在實際應用中，為了提高r波檢測的準確性，預設上升沿差分閾值(spk·thr)和預設下降沿差分閾值(-spk·thr)，取10≤spk≤100和0.1≤thr≤1.0。s14：根據所述一階差分平滑信號的最大值和所述一階差分平滑信號的最小值獲取所述目標用戶的待測r波的寬度；s15：根據所述目標用戶的待測r波的寬度確定所述待測r波的波峰位置；需要說明的是，在一階差分平滑信號的上升沿的最大值和下降沿的最小值之間尋找一階差分為0的位置，即為待測r波的波峰位置。本發明實施例提供的心電信號r波檢測方法，對r波雙側進行一階差分極值動態閾值判斷，尋找一階差分為零的r波峰位，快速、準確地實現心電信號的r波檢測。在本發明實施例的一種可選的實施方式中，與圖1中的方法類似，所述方法還包括：根據所述一階差分平滑信號的最大值對所述預設下降沿差分閾值進行更新。具體地，根據如下公式對預設下降沿差分閾值進行更新：rd＝-spk·thr其中，rd表示下降沿差分閾值；spk＝a·spk+b·max[y(i)]；其中，spk＝max(spk，max[y(i)])；thr表示常數門限值係數，0≤thr≤1；ma[y(i)]表示一階差分平滑信號的最大值；a和b是常數，0≤a≤1，0≤b≤1。進一步地，根據所述目標用戶的待測r波的寬度確定所述待測r波的波峰位置，包括：將所述目標用戶的待測r波的寬度與所述目標用戶的靜息狀態r波寬度進行比較；需要說明的是，目標用戶的靜息狀態r波寬度取目標用戶在靜息狀態下測量獲取的多次的r波上升沿和下降沿之間的時間間隔的平均值；靜息狀態r波寬度是與測量對象有關的動態值。若所述目標用戶的待測r波的寬度與所述目標用戶的靜息狀態r波寬度之差小於預設閾值，則根據所述目標用戶的待測r波的寬度確定所述待測r波的波峰位置。可理解的是，本發明實施例在對r波雙側進行一階差分極值動態閾值判斷後，檢驗待測r波的寬度符合目標用戶的靜息狀態r波寬度後，尋找一階差分為零的r波的波峰位置。具體地，在採樣頻率fs長度內，尋找大於給定預設上升沿差分閾值(spk·thr)的r波上升沿的y(i)的最大值：y(is)＝max[y(i)]。如果找到，設定新閾值spk＝a·spk+b·max[y(i)]其中a和b是待定常數，0≤a≤1，0≤b≤1。取a＝0.4、b＝0.6時，可以取得良好r波檢測效果。再繼續尋找y(i)小於下降沿的差分閾值(-spk·thr)的r波下降沿的y(i)的極小值：y(if)＝min[y(i)]。r波的寬度tr為r波上升沿和下降沿之間的時間間隔，即tr＝(if-is)fs其中，if表示r波的下降沿，is表示r波的上升沿。通常情況下，r波的寬度tr≈30毫秒＝0.030秒。如果找到了r波下降沿，檢驗計算得到的r波雙側差分極值之間的時間間隔(if-is)fs。如果(if-is)fs在(tr±e％)範圍內，則認為r波在is和if之間。這裡e是預設誤差常數。之後，再在is和if之間尋找一階差分y(ir)＝0，從而確定了r波所在位置ir。在實際應用中，繼續尋找r波時，應用不應期條件簡化運算，即在不應期不進行r波檢測，可以節省時間，提高r波檢測定位的效率。當人體發生每秒10次左右的胸腹肌劇烈抖動時，產生的運動肌電噪聲波動，寬度與r波的寬度相似，陡度絕對值小於r波上升沿和下降沿陡度的絕對值。該種噪聲雖然較為罕見，但是其具有一定時長的持續重複性，本發明提出：通過附加頻率為的濾波器去除。再高頻的胸腹肌顫抖，信號光滑處理可以去除。在實際應用中，本發明實施例的心電信號r波檢測方法可應用於如圖2所示的運動型連續無創多生命體徵監測系統中。運動型連續無創多生命體徵監測系統，是繼應用於手術室、醫院、家庭在被監測者靜止和休息時採用的各種有創和無創生命體徵監測系統之後，下一代在遠程靜息和運動中進行健康和生理參數監護的核心技術。如圖2所示，運動型連續無創多生命體徵監測系統包括監測主機部分21和穿戴部分22；監測主機部分21包括系統主機、鍵盤、滑鼠、顯示屏、印表機、網絡等外圍數據、圖形和能源等輸入、輸出和通訊設備；穿戴部分22包括心電圖採集電極221、光電容積脈搏波採集器222和監測儀223。監測儀223將心電圖採集電極221和光電容積脈搏波採集器222採集的心電信號和脈搏信號發送至監測主機部分21；監測主機部分21根據本發明實施例的方法對心電信號進行處理；並將處理心電信號後獲得的運動型連續無創多生命體徵監測參數數據發送至監測儀223；監測儀223對接收到的處理心電信號後的運動型連續無創多生命體徵監測參數數據進行數字、圖形顯示。在實際應用中，監測主機部分21和監測儀223可通過usb串口、藍牙、網線和wifi進行通信，也可以共享處理器、存儲器和總線。應用了本發明提供的心電信號r波檢測方法的軟體，也可以加載到滿足硬體配置要求的pc電腦、網絡伺服器、筆記本電腦、ipad、平板電腦、單片機、ios和安卓作業系統的智慧型手機上，使上述智能設備成為運動型連續無創多生命體徵監測系統主機部分。表1和表2示出了應用本發明實施例的心電信號r波檢測方法的檢測結果，如表1和表2所示，本發明實施例的方法對心電信號r波檢測的準確度很高。表1真人心電信號r波的檢測結果活動方式r波總數漏檢數誤檢數錯誤總數準確率安靜2645000100％慢走3489000100％慢上肢運動2677000100％做體操2311000100％跑步312301199.97％快上肢運動215501199.95％快下肢運動368801199.97％合計2008803399.99％表2心電模擬器心電信號r波的檢測結果圖3是本發明一個實施例的心電信號r波檢測裝置的結構示意圖。如圖3所示，該實施例的裝置包括預處理單元31、一階差分平滑信號獲取單元32、最大值最小值獲取單元33、待測r波寬度獲取單元34和波峰位置獲取單元35，具體地：預處理單元31，用於對採集的目標用戶的心電信號進行預處理；一階差分平滑信號獲取單元32，用於對預處理後的心電信號進行一階差分處理和平均光滑處理，獲取所述心電信號的一階差分平滑信號；最大值最小值獲取單元33，用於針對每個採樣周期的所述心電信號的一階差分平滑信號，獲取大於預設上升沿差分閾值的一階差分平滑信號的最大值和小於預設下降沿差分閾值的一階差分平滑信號的最小值；待測r波寬度獲取單元34，用於根據所述一階差分平滑信號的最大值和所述一階差分平滑信號的最小值獲取所述目標用戶的待測r波的寬度；波峰位置獲取單元35，用於根據所述目標用戶的待測r波的寬度確定所述待測r波的波峰位置。本發明實施例提供的心電信號r波檢測裝置，對r波雙側進行一階差分極值動態閾值判斷，尋找一階差分為零的r波峰位，快速、準確地實現心電信號的r波檢測。在本發明實施例的一種可選的實施方式中，該裝置還包括：下降沿差分閾值更新單元，用於根據所述一階差分平滑信號的最大值對所述預設下降沿差分閾值進行更新。下降沿差分閾值更新單元進一步用於：根據如下公式對預設下降沿差分閾值進行更新：rd＝-spk·thr其中，rd表示下降沿差分閾值；spk＝a·spk+b·max[y(i)]；其中，spk＝max(spk，max[y(i)])；thr表示常數門限值係數，0≤thr≤1；max[y(i)]表示一階差分平滑信號的最大值；a和b是常數，0≤a≤1，0≤b≤1。波峰位置獲取單元35進一步用於：將所述目標用戶的待測r波的寬度與所述目標用戶的靜息狀態r波寬度進行比較；若所述目標用戶的待測r波的寬度與所述目標用戶的靜息狀態r波寬度之差小於預設閾值，則根據所述目標用戶的待測r波的寬度確定所述待測r波的波峰位置。本發明實施例的心電信號r波檢測裝置可以用於執行上述方法實施例，其原理和技術效果類似，此處不再贅述。圖4是本發明一個實施例的電子設備的結構示意圖。參照圖4，電子設備包括：處理器(processor)41、存儲器(memory)42和總線(bus)43；其中，處理器41和存儲器42通過總線43完成相互間的通信；處理器41用於調用存儲器42中的程序指令，以執行上述各方法實施例所提供的心電信號r波檢測方法。此外，上述的存儲器42中的邏輯指令在通過軟體功能單元的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基於這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機、筆記本電腦、伺服器、平板電腦、智慧型手機、單片機或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：u盤、硬碟、移動硬碟、只讀存儲器(rom，read-onlymemory)、隨機存取存儲器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。本實施例提供一種電腦程式產品，所述電腦程式產品包括存儲在非暫態計算機可讀存儲介質上的電腦程式，所述電腦程式包括程序指令，當所述程序指令被計算機執行時，計算機能夠執行上述各方法實施例所提供的心電信號r波檢測方法。本實施例提供一種非暫態計算機可讀存儲介質，所述非暫態計算機可讀存儲介質存儲計算機指令，所述計算機指令使所述計算機執行上述各方法實施例所提供的心電信號r波檢測方法。本發明實施例提供的心電信號r波檢測方法及裝置，對採集的目標用戶的心電信號進行預處理；對預處理後的心電信號進行一階差分處理和平均光滑處理，獲取所述心電信號的一階差分平滑信號；針對每個採樣周期的所述心電信號的一階差分平滑信號，獲取大於預設上升沿差分閾值的一階差分平滑信號的最大值和小於預設下降沿差分閾值的一階差分平滑信號的最小值；根據所述一階差分平滑信號的最大值和所述一階差分平滑信號的最小值獲取所述目標用戶的待測r波的寬度；根據所述目標用戶的待測r波的寬度確定所述待測r波的波峰位置。本發明實施例對r波雙側進行一階差分極值動態閾值判斷，尋找一階差分為零的r波峰位，快速、準確地實現心電信號的r波檢測。本領域內的技術人員應明白，本發明的實施例可以是方法、系統、或電腦程式產品。因此，本發明可採用完全硬體實施例、完全軟體實施例、或結合軟體和硬體方面的實施例的形式。而且，本發明可採用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限於磁碟存儲器、cd-rom、光學存儲器等)上實施的電腦程式產品的形式。本發明是參照根據本發明實施例的方法、設備(系統)、和電腦程式產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解為可由電腦程式指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些電腦程式指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使其成為通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。需要說明的是術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。本發明的說明書中，說明了大量具體細節。然而能夠理解的是，本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下實踐。在一些實例中，並未詳細示出公知的方法、結構和技術，以便不模糊對本說明書的理解。類似地，應當理解，為了精簡本發明公開並幫助理解各個發明方面中的一個或多個，在上面對本發明的示例性實施例的描述中，本發明的各個特徵有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。然而，並不應將該公開的方法解釋成反映如下意圖：即所要求保護的本發明要求比在每個權利要求中所明確記載的特徵更多的特徵。更確切地說，如權利要求書所反映的那樣，發明方面在於少於前面公開的單個實施例的所有特徵。因此，遵循具體實施方式的權利要求書由此明確地併入該具體實施方式，其中每個權利要求本身都作為本發明的單獨實施例。以上實施例僅用於說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。當前第1頁12