[發明專利]基于自適應預測和改進變長編碼的心電信號實時無損壓縮方法及裝置

在審

• 申請號: 201410391796.8
• 申請日: 2014-08-11
• 公開（公告）號: CN104159108A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 潘赟;李珂;陳方劍;王吉軒;朱永光;茹晨光;朱懷宇
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H04N19/13
• 分類號: H04N19/13;H04N19/103
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 黃芳

技術領域

本發明涉及一種信號處理領域，更具體的，涉及人體心電信號的數據壓縮方法及裝置。

背景技術

近年來，心電圖(ECG)逐漸成為了診斷心臟疾病的最常用手段之一。有研究指出，包括心搏驟停在內的多種心臟疾病均有較大可能性在病發前表現出特定的征兆，且持續時間超過15分鐘。其中一些征兆可以從ECG的波形特征上檢測到，因此，需要長時間的連續ECG監測，來對突發心臟疾病做出有效預警。然而，傳統的Holter監測機因體積較大等缺點從而給攜帶者的生活帶來諸多不便。目前，通過可穿戴式心電監測設備與智能手機協同工作的方式有較大潛力取代傳統Holter機成為醫院外的主要心電監測手段。

可穿戴式心電監測設備實時采集人體ECG信號，并以藍牙等無線的方式傳送到智能手機端進行顯示和處理。可穿戴設備要求具有較小的體積，從而達到攜帶方便的目的，這限制了可穿戴設備的電池容量。因此，可穿戴設備要求具備較低的功耗從而可采用較小容量的電池來達到較長時間的連續監測。

通信功耗往往在穿戴設備的總功耗中占據較大的比例，因此通過降低通信功耗可有效降低設備整體功耗。通過數據壓縮可以大幅度減少要發送的數據量，從而帶來減小存儲空間、降低通信帶寬和降低通信功耗等優點，有研究顯示，通信功耗降低的倍數與壓縮比成正比。同時，ECG信號包含了豐富的醫學意義，醫生通過測量ECG波形中細微的形狀和周期的變化來判斷心臟是否出現異常，因此，對于ECG信號應采用無損壓縮方法來保留波形中的所有信息。

ECG信號數據壓縮方法還需要具備強實時性的特點，該特點保證了疾病識別方法能夠第一時間檢測到異常的發生，從而盡早提醒使用者到醫院進行治療。

然而，目前ECG信號的壓縮技術在可穿戴設備中的應用還較少，已有的技術往往不能同時具備上述全部優點。較高的通信功耗依然是可穿戴式ECG監測設備普及的瓶頸。

發明內容

為了克服已有ECG信號數據壓縮技術的無法兼具實時性、無損性和低功耗的不足,本發明提供了一種兼有實時性、無損性和低功耗的基于自適應預測和改進變長編碼的心電信號實時無損壓縮方法及裝置。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于自適應預測和改進變長編碼的心電信號實時無損壓縮方法，所述方法包括以下步驟：

1)自適應分區預測，將實時的心電波形根據其波動強度劃分為不同分區，所述分區包括：a)初始區，用于表示系統啟動后的初始化狀態；b)R波區，用于表示R波或QRS波群所在的區域；c)平坦區，用于表示相鄰R波間波形較為平坦的區域；d)波動區，用于表示平坦區到R波區的過度區域，即R波到來前的短暫區域；

自適應地選擇對于當前分區最優的線性預測方法，過程如下：

1.1)R波檢測方法，對斜率設定閾值來檢測R波的上升沿和下降沿，當連續出現多點斜率大于閾值時，則判定識別到R波邊沿；

1.2)分區轉換控制方法，根據1.1)的檢測結果來控制分區間的相互轉換，過程為：

1.2.1)當檢測到R波上升沿，進入R波區；

1.2.2)在檢測到R波上升沿后的長度為經驗值的窗口內，若檢測到R波下降沿，則判定該R波為真，維持R波區直到R波窗口結束，進入平坦區；

1.2.3)若在上述窗口內未檢測到R波下降沿，則判定該R波為假，回到初始區；

1.2.4)通過存儲心跳周期長度來預測下一個R波的到來時間，當預測R波即將出現時，進入波動區；

1.3)自適應預測方法，根據1.2)的當前分區自適應地采用最優化的線性預測方法，采用的線性預測方法包括0階、1階和2階預測：對于波動強度較大的R波區和波動區，采用2階線性預測方法；對于波形較為平穩的平坦區，采用0階線性預測方法；對于初始區，采用1階預測方法；

2)改進變長編碼，采用4比特編碼出現概率最高的2⁴＝16種預測誤差，其余預測誤差采用12比特輸出原始數據，并將編碼后的數據兩兩打包，得到每個數據包長度固定為一、二或三個字節。

進一步，所述步驟2)中，改進變長編碼過程如下：

2.1)通過4比特來表示最常出現的16種預測誤差；

2.2)當預測誤差超出4比特可表示范圍時，通過12比特直接輸出原始數據；

2.3)將相鄰兩個數據結合成一組進行發射。