[發(fā)明專利]一種基于改進(jìn)帶通濾波器的壓縮域心電信號質(zhì)量評估方法

在審

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• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112274159A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉繼忠;徐文斌;趙鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 南昌大學(xué)
• 主分類號: A61B5/318
• 分類號: A61B5/318;A61B5/346
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 許瑩瑩

1.一種基于改進(jìn)帶通濾波器的壓縮域心電信號質(zhì)量評估方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、將心電信號的質(zhì)量評估結(jié)果分為可接受與不可接受兩類；

步驟2、根據(jù)預(yù)設(shè)的截取長度，從獲取的心電信號中截取心電數(shù)據(jù)x(N)，并對信號進(jìn)行類別標(biāo)記，標(biāo)記為可接受與不可接受兩個類別；

步驟3、對截取的心電數(shù)據(jù)x(N)進(jìn)行壓縮采樣，得到壓縮采樣信號y(M)；

步驟4、在基于離散小波變換DWT下，構(gòu)建修正壓縮域帶通濾波器，對壓縮采樣信號y(M)進(jìn)行頻帶分解，得出心電數(shù)據(jù)x(N)多個頻帶上的小波系數(shù)在壓縮域的等價形式；

步驟5、基于步驟4，計算壓縮采樣信號y(M)各子頻帶下的類似頻帶能量和類似小波熵，并將其作為該信號的特征數(shù)據(jù)，基于SVM方法構(gòu)建學(xué)習(xí)和分類系統(tǒng)；

步驟6、對新的心電測試信號，截取預(yù)設(shè)的長度后，進(jìn)行步驟3和步驟4，獲得新的心電信號特征數(shù)據(jù)，然后基于步驟5中訓(xùn)練好的SVM分類系統(tǒng)進(jìn)行分類；

步驟7、根據(jù)SVM分類系統(tǒng)的分類結(jié)果作為信號質(zhì)量的評估結(jié)果。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)帶通濾波器的壓縮域心電信號質(zhì)量評估方法，其特征在于，所述截取長度統(tǒng)一為在心電數(shù)據(jù)采樣頻率固定，采樣點數(shù)目為2048個時所采集到的心電數(shù)據(jù)長度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)帶通濾波器的壓縮域心電信號質(zhì)量評估方法，其特征在于，所述步驟3中，采用稀疏二進(jìn)制隨機(jī)矩陣作為測量矩陣對截取心電數(shù)據(jù)x(N)進(jìn)行壓縮采樣。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)帶通濾波器的壓縮域心電信號質(zhì)量評估方法，其特征在于，所述步驟4的修正壓縮域帶通濾波器具體構(gòu)建步驟如下：

參照常規(guī)域下ECG的DWT分解，假設(shè)一個N×N方陣D可表示ECG的L層DWT，即：

式中：框中的D_n(1≤n≤L+1)表示第n層小波系數(shù)對應(yīng)的求解矩陣，x為截取心電數(shù)據(jù)x(N)的向量形式，是一個N維列向量，z表示信號x經(jīng)L層分解后的小波系數(shù)；DWT分解的各尺度小波系數(shù)個數(shù)為2的倍數(shù)關(guān)系，小波系數(shù)的個數(shù)等于其求解矩陣的行數(shù)，因此小波系數(shù)求解矩陣的行數(shù)各不相同，但列數(shù)保持統(tǒng)一，且所有求解矩陣按行依次排列等于矩陣D，求解方式如下：

式中，C_N/2表示維度為N/2×N維的下采樣矩陣，和分別表示高通濾波和低通濾波過程；依次將一層或者連續(xù)的幾層小波系數(shù)求解矩陣保持，其他位置置零，構(gòu)成一個N×N帶通濾波器矩陣B_i，i表示頻帶分解個數(shù)；根據(jù)噪聲干擾以及ECG的頻率分布情況，對心電信號進(jìn)行DWT，并劃分為6個頻帶，每個頻帶小波系數(shù)用矩陣乘法表示為：

f_i＝B_ix；

式中：f_i為非壓縮心電數(shù)據(jù)x(N)進(jìn)行DWT分解后第i個頻帶的小波系數(shù)，B_i表示第i個帶通濾波器矩陣；

在得到非壓縮域下，心電數(shù)據(jù)x(N)進(jìn)行L層DWT分解后的L+1個小波系數(shù)和帶通濾波器的基礎(chǔ)上，假設(shè)對壓縮采樣信號y(M)進(jìn)行壓縮域帶通濾波，使得各頻帶下帶通濾波效果等價于對常規(guī)帶通濾波的結(jié)果直接壓縮采樣，運(yùn)用矩陣和向量乘法表示，等式表達(dá)如下：

式中，Φ是一個M×N的矩陣，為常規(guī)域下信號測量矩陣，f_i為DWT分解后第i層子空間的小波系數(shù)，是一個M×M的方陣，表示第i個修正壓縮域帶通濾波器，y為壓縮采樣信號y(M)的向量形式，y∈R^M×1是一個M維列向量；

由式子y＝Φx與f_i＝B_ix，x為截取心電數(shù)據(jù)x(N)的向量形式，是一個N維列向量，B_i表示第i個帶通濾波器矩陣，可得出下式；

進(jìn)一步簡化可得出修正壓縮域帶通濾波器的表達(dá)式；

式中，表示Φ的廣義逆矩陣。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)帶通濾波器的壓縮域心電信號質(zhì)量評估方法，其特征在于，所述步驟5的計算具體步驟如下：

特征1：各子頻帶下壓縮域的類似頻帶能量的計算

根據(jù)Johnson-Lindenstrauss引理，向量的內(nèi)積在隨機(jī)條件下保持不變，并且壓縮感知的約束等距性質(zhì)約束了壓縮采樣的能量守恒性質(zhì)，按照下式進(jìn)行壓縮域的類似頻帶能量的計算；

式中，E_i為第i層子空間信號壓縮域的類似頻帶能量，表示第i層子空間修正后濾波器的輸出，

特征2：各子頻帶下壓縮域的類似小波熵的計算

類似小波熵的計算過程如下；

先計算信號頻帶總能量E_t；

其次，求出各頻帶能量占總能量的比重P_i；

P_i＝E_i/E_t；

各子頻帶下壓縮域的類似小波熵S_i表示為；

S_i＝-P_ilogP_i；

式中，下標(biāo)i為1,2,…,n，n為子頻帶個數(shù)。