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首页生理信号驱动的心衰诊断与无创技术研究论文
随着社会经济的快速发展,人们的生活水平显著提高,但不健康的生活方式日益普遍,加之人口老龄化等因素的影响,心血管疾病的发病率持续上升。在这些疾病中,心力衰竭是各类慢性心脏病的终末阶段,其严重性不容忽视。由于较高的住院率和死亡率,心力衰竭成为了亟待关注和解决的重要问题。 当前,心力衰竭的诊断主要依赖于综合评估,包括体格检查、心脏相关影像学检查以及辅助检验等。然而,此类诊断方法存在价格高昂、过程复杂、操作不便、受操作者经验影响较大以及具有一定侵入性的局限性。这使得它们难以大规模推广并应用于日常医疗中。 为了解决这些问题,基于生理信号检测和分析的无创性疾病自动诊断技术成为研究的热点。这种技术通过收集和分析人体生理信号,如心电信号(ECG)、血压、血氧饱和度等多种生物标志物,能够实现对心力衰竭等疾病的非侵入式、实时监测和早期预警。相较于传统的诊断手段,这种方法具有成本效益高、操作简单、易于普及的优点,有望提高诊断的准确性和便利性,从而促进医疗保健的进步和生活质量的提升。 研究者们正积极探索各种先进的信号处理算法,如机器学习、深度学习等,来解析复杂的生理信号模式,提取关键特征,进一步提升诊断系统的敏感性和特异性。同时,结合大数据和云计算技术,可以对海量的生理数据进行高效分析,实现个体化、精准的疾病风险评估和治疗策略推荐。 基于多生理信号的心力衰竭诊断与分析技术研究是当前医疗领域的一个重要发展方向,它不仅挑战了现有的医学诊断框架,也带来了巨大的临床应用潜力。未来,随着技术的不断进步,这一领域的研究成果将对改善患者预后、降低医疗负担和推动医疗健康产业的发展发挥重要作用。
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东南大学硕士学位论文
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本文主要研究了基于多生理信号的心衰疾病诊断和分析方法并设计了一套
相应的多生理信号采集系统,主要研究内容分为三个部分,第一部分为基于心电
信号的心衰诊断算法研究,第二部分主要对正常心音信号和异常心音信号进行分
类识别,第三部分介绍了多生理信号采集与分析平台各模块的软硬件设计,通过
研制的采集系统实现多生理信号的采集、传输和保存,并对实际采集到的信号进
行分析处理,调用前两部分的分类算法进行验证。
为了实现基于心电信号的心衰诊断,本文提出使用 HRV 多特征参数和机器
学习的方法,综合选取心电信号心率变异性分析后计算得到的多个特征参数,并
使用多个机器学习的分类器对正常心电信号和心衰心电信号进行分类识别。
为了实现对正常心音信号和异常心音信号的检测,本文实现了一种基于多特
征参数和机器学习方法的异常心音分类算法。通过时域统计、离散小波变换和梅
尔倒谱系数分析提取相关特征参数共同构成特征空间,然后使用机器学习的分类
方法对特征参数进行训练和分类,最终通过对比试验得到一个最佳的心音信号分
类模型。同时探索了使用深度卷积网络模型进行心电心音联合分析的算法,取得
了初步的结果。
为了更方便地获得与心衰诊断相关的心电、心音和生物阻抗三种生理信号,
本研究设计研制了多生理信号采集系统,根据各生理信号特点分别进行各个模块
采集和处理电路的设计,选取高性能的微处理器芯片,并通过串口传输技术与上
位机的相关模块进行通信,将采集到的各通道生理信号数据传输至上位机中进行
后续的处理和识别。
本文共分为五章,各章节的具体内容安排如下:
第一章为绪论。主要介绍了心衰诊断的意义和价值,对目前心衰诊断的方法
进行总结和介绍,然后根据医疗模式的发展和变化,结合计算机辅助诊断技术,
提出一种基于多生理信号进行心衰诊断的方法,选取三种能够反映心脏状况的生
理信号参数即心电信号、心音信号和生物阻抗参数,对其各自应用于心衰诊断的
研究现状进行分析总结,证明了三种信号用于心衰诊断的重要价值。
第二章详细介绍了基于心电信号进行心衰诊断的具体方法。首先介绍了实验
中数据来源,以及数据的预处理过程,包括对长时心电信号的分割和 R 波检测
获取 RR 间期序列等。然后对 ECG 信号进行 HRV 分析,分别计算时域、频域、
非线性分析下的多个相关参数,并将其共同做为样本的特征值输入分类器中。最
后使用机器学习方法中的贝叶斯、决策树、SVM、KNN 等作为分类器,进行心
衰信号的识别分类。
第三章详细介绍了基于多特征参数和机器学习方法的异常心音信号分类识
别具体技术。首先介绍了心音数据集来源,以及心音信号的预处理过程,包括去
1.3
研究内容和结构安排
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第一章 绪论
9
噪和心音分割等。然后通过时域统计、离散小波变换和梅尔倒谱系数来提取特征
共同构成特征空间,使用机器学习的分类方法对特征参数进行训练和分类,最终
通过对比试验得到一个最佳的心音信号分类模型。此外还提出了一种基于深度卷
积神经网络的心电心音联合分析方法,训练了一个 34 层的卷积神经网络模型对
正常信号和异常信号进行分类识别。
第四章详细介绍了多通道生理信号采集与分析平台系统。首先描述了平台的
整体框架,介绍了上位机、下位机和服务器的功能。然后详细介绍了多生理信号
采集系统的硬件设计,包括微处理器及其外围电路、三种生理信号的采集电路及
对应的信号处理电路等。软件部分首先介绍了多生理信号采集系统的相关软件设
计,包括使用 DMA 方式对多生理信号进行 ADC 采样、使用 DMA 方式通过串
口将采集到的数据传输至上位机等。上位机软件部分着重描述了数据接收与显
示、数据管理和信号分析三个模块。最后使用多生理信号采集系统进行实验,实
际采集受试者的三种信号并进行处理和分析,将数据通过相应的分类模型,对之
前提出的分类算法进行验证。
第五章针对本文的主要任务和工作内容进行了总结,对已经实施完成的相关
算法和采集系统进行回顾和反思,最后对未来的进一步研究做出展望。
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东南大学硕士学位论文
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第二章 基于心电信号的心衰诊断算法研究
在目前已有的根据心电信号进行心衰信号分类识别的相关算法中,虽然神经
网络和深度学习方法可以取得很好的分类准确度,但所得结果很难被解释,且特
征参数无明确的实际医学意义,在模型优化方面也存在困难。为使分类模型具有
更高的可解释性和可应用性,可以通过
ECG
信号分析得到有实际意义的特征,
再进行分类识别。本研究综合选取基于心率变异性 HRV 分析计算得到的多个特
征参数,并使用机器学习的分类方法进行心衰检测。首先,对 ECG 信号进行 HRV
分析,从时域、频域、非线性分析中各选取多个相关指标,并将其共同作为样本
的特征参数。然后,使用机器学习方法中的决策树、SVM、KNN、随机森林等
作为分类器,进行心衰信号的识别分类。
2.1 心电信号特性
心脏是人体维持细胞正常代谢的重要器官之一,心脏在反复运动时能够分别
通过一次正常收缩和一次正常舒张过程(即一个完整的心动循环周期)为人体血
液的正常流动和循环提供驱动力。在心脏节律性收缩和舒张运动的过程中会产生
心电信号,且同样有特定规律可循,通过曲线图的形式将这种规律变化描述出来
即为心电图(
ECG
),在时域上接近周期信号,且信号波形变化具有规律性,如
图 2-1 所示。ECG 一般由各波、段、间期组成,分别是 P 波、QRS 复合波、T
波,PR 段、ST 段,PR 间期和 QT 间期,这些波、段、间期都蕴含着丰富的生
理信息,也代表着相应的生理特征。在频域上,心电信号频率相对较低,去除直
流因素外有效心电信号频率范围一般在 0.5Hz~100Hz 之间,绝大部分信号能量
由 QRS 波贡献,集中在 0.5Hz~40Hz 之间。
图 2-1 典型心电波形
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第二章 心电信号用于心衰诊断的算法研究
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心电信号是在无数心肌细胞去极化和复极化电活动的综合作用下产生的。心
肌细胞在接收到一定的外部刺激后,随着细胞膜的通透性发生变化,膜内的负电
子与膜外的正电子交换位置形成去极化过程,当外部刺激消失或褪去后,细胞内
外的正负电子再次交换位置,回归至复极化状态,这种节律性的电势变化在人体
这个容积导体中传导,使体表同样发生规律性的正负电势变化,由于人体各部位
组织结构及距离心脏远近不同,体表不同位置会拥有不同的实时电势,但特定位
置之间的电势差存在规律性,这样可以通过在这些位置放置电极,来实现心电信
号的采集。这种通过将测量电极放置在人体表面来进行信息采集所得到的心电信
号拥有如下特点:
(1)信号微弱:由于心肌细胞极化而产生的电势差经过人体细胞和血液等
器官组织的传导到达皮肤表皮时会被减小或削弱很多,正常状态下人体心电信号
的幅值大约在
0.01mV~4mV
之间。
(2)噪声背景强:由于心电信号进行采集时受到的干扰噪声很多,包括人
体活动引起的肌电干扰、外部电源或磁场产生的 50Hz 工频干扰、由于电极接触
不良或呼吸引起的基线漂移以及其他高频噪声等,都会对信号产生一定的影响,
一些有效信号甚至可能被噪声信号所淹没。
2.2 心电数据集
本研究使用的数据都来自于复杂生理信号研究资源库 PhysioNet
[32]
。
正常组的数据来源于正常窦性心律数据库(MIT-BIH Normal Sinus Rhythm
Database
)该数据库包括了
18
例患者长期的心电图记录,纳入该数据库的受试
者没有明显的心律失常,其中包括 5 名男性(年龄 26 至 45 岁)和 13 名女性(年
龄 20 至 50 岁)。每个病例的平均记录时长约为 22 小时左右,包括两个通道的心
电图数据,采样频率为
128Hz
,示例图如
2-2
所示。
图 2-2 正常组心电图
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