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自动房颤检测算法:基于改进滤波与特征提取
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更新于2024-06-20
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"这篇毕业论文主要探讨了心电图中房颤(Atrial Fibrillation, AF)的检测算法设计,包括数据集构建、信号预处理、R波检测以及特征提取等多个方面,旨在实现更准确的房颤自动检测,并能识别不同类型的房颤。 在论文中,作者首先指出现有广泛使用的MIT-BIH心率失常数据库不足以进行房颤类型的深入分析,因此创建了一个名为AF-7的新数据集,包含了来自南京某医院的2023组心电数据,涵盖6种房颤类别和1种正常心电类别,丰富了研究数据。 接着,论文提出了一个改进的ECG信号滤波方法。传统的滤波技术可能无法有效处理ECG信号中的多种噪声。为此,论文采用了两步处理策略:首先应用改进的中值滤波器去除基线漂移;然后通过小波分解和重构来消除工频干扰和肌电干扰导致的噪声,提高了信噪比和均方误差。 在R波检测环节,论文指出传统的直接基于R波特征的检测方法在复杂心电图中可能存在误检和漏检。为解决这个问题,论文设计了一种补偿策略,结合心电生理特性来提高R波检测的准确性。 最后,论文不仅利用了房颤的两个典型特征——不规则的f波和绝对不规则的RR间期进行检测,还额外提取了P波、心室率、QRS波宽度、QRS波幅值和PR间期等特征,开发了一种能识别房颤具体类型的算法。这样的算法设计可以更好地服务于临床诊断,提供更详细的房颤信息,对疾病的预防和治疗具有重要意义。" 这篇论文通过创新的数据集构建、优化的滤波技术以及全面的特征提取,为房颤的自动检测提供了更高效和精确的方法,为后续的临床应用和研究打下了坚实基础。
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南京信息工程大学硕士专业学位论文
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第二章 房颤检测的相关理论
本章介绍了房颤检测的相关理论。首先介绍心电图的由来,以及心电图上各个波
形代表心脏的状态。其次阐述房颤的相关知识,包括房颤的产生机理、房颤的分类和
房颤在心电图上的特征。接着又介绍几种常用的去除噪声的相关技术,并分析每种方
法在心电信号中的优劣势。然后介绍几种常用的波形检测技术,以及每种技术在心电
信号中应用的优缺点。最后介绍医学上是通过心电图进行诊断心电疾病的方式和流程,
详细的房颤检测理论知识介绍,为后续的房颤检测算法设计做铺垫。
2.1
心电图介绍
2.1.1
心电图的原理
心电图(
ECG
)用来反映心脏状态,通过心电图可以了解一个人的心脏健康与否。
该技术是在心脏外围身体处安置电极,捕捉通过心脏的电流,从而了解心脏的各种机
能。目前诊断心电疾病的方法中,心电图是最常用的技术,它能够提供非常重要的信
息,医生通过心电图可以做出准确的诊断。图
2-1
是心电图一个导联的信号。
图 2-1 ECG 信号
一般来说,普通健康心脏的心电信号是具有一些典型特征的,心电图表现也是相
对规律的。当心脏状态出现变化,心脏的电流流动规律也会随之发生变化,作为心脏
之窗的心电图也会出现不同程度的改变。当患者感觉身体不适时,医生一般会根据患
者的症状进行分析。如果身体不适与心脏有关,则会安排患者做心电图,进行进一步
的检查。通过心电图(
ECG
)可以诊断出具体类型的心脏疾病,进而为患者治疗
[31]
。
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第二章 房颤检测的相关理论
9
2.1.2
心电图各波的意义
ECG
信号中存在许多相似且有规律的波形,这些波形代表着心脏不同部位的活动
状态
[32]
。
ECG
信号中的波形会因人而异,但是又有着相似的特征。
ECG
信号中最明
显的波形就是 R 波,幅值最大。在 R 波左右两侧的是低于基线水平值的 Q 波和 S 波,
它们与
R
波共同构成了
ECG
信号中的
QRS
波群。除此之外,
ECG
信号中还会存在
P
波和
T
波,幅值比
R
波小很多,分别分布在
QRS
波群左右两侧。
ECG
信号如图
2-2
所示。
图 2-2 ECG 信号中的波形
P
波、
QRS
波和
T
波构成了一个完整的
ECG
信号,它们分别是心室和心房在心
脏激动的不同时期的直观反映
[33]
。下面对各个波形以及波形之间的间期作详细介绍:
(1)P 波:指的是在 QRS 波群前出现的第一个波,幅度较小,在正常人的心电
图中,
P
波后面紧接着
QRS
波。
P
波是心房的活动过程在心电图上的外在表现,在
P
波
的上升部分,代表此时有电流流过心房,心房处于激动状态。在
P
波下降的部分,代
表电流流出心房,心房开始恢复正常状态。P 波的持续时间一般在 0.12s 内,振幅一般
情况下低于
0.24mV
。
(
2
)
QRS
波群:指的是心房发出的电流信号传导至心室,左右心室去极化过程
的产生的波形。首先是产生一个波峰向下的 Q 波,代表心房中的电流信号传导至心室
时的一个阻碍。紧接着是电流信号传导至心室之后,心室由于电激动兴奋产生一个
R
波,
R
波的幅值在心电信号中最大,特征最为明显。接下来是心室中的电流信号流出,
心室处于复极状态,产生一个峰值向下的 S 波
[34]
。在一次完整的心拍中,QRS 波群的
持续时间大约是
0.05~0.12s
,幅值一般不超过
5mV
。
(
3
)
T
波:指的是心室电流信号流出之后,心室复极完成的过程中产生的波形
[35]
。
在 QRS 波群后面出现,波幅相对较小,在正常心电信号中的持续时间比 P 波长,一般
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南京信息工程大学硕士专业学位论文
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在
0.1~0.25s
之间。
(4)PR 间期:指的是在同一次心动周期内,P 波和 R 波的之间的距离,可通过
R
波的横坐标减去
P
波的横坐标获得。此距离表示着电流从心房到心室所花费的时间。
当心房率过快时,电流信号从心房传导至心室的频率也会增加,导致
PR
间期会缩短,
正常成年人的 PR 间期在 0.12~0.20s 范围内。
(
5
)
ST
间期:指的是同一个心拍中的
S
波和
T
波的时间间隔。在
ECG
信号中,
ST
间期表示的是心室从激动状态下缓慢恢复到正常状态的过程。在此期间,心室的
电流开始流出,心室处于由激动到平静的恢复过程
[36]
,当到达 T 波后,心室的恢复过
程结束。
(
6
)
QT
间期:指的是
Q
波和
T
波之间的时间间隔。在正常人的
ECG
信号中,
QT 间期的范围是 0.36~0.44s。QT 间期表示的是心房将电流传导至心室,再由心室流
出的过程。再临床上,可以通过
QT
的间期来判断心室的状态是否正常
[37]
。表
2-1
是
对心电图上的波形代表的心脏状态。
表 2-1 不同波段代表的心脏状态
心电图波形
意义
P
波
反映心房的除极过程
QRS
波
反映心室的除极过程
T
波
代表心室兴奋的恢复过程
PT
波
房室激动传导时间
PR
波
代表心室兴奋的终极期
QT
波
心室电收缩时间
在心电图中,每个波形和间期都会有一个正常的区间,这些区间值也是医学工作
者判读心电图的重要指标。通过这些指标,可以诊断出心电信号中存在的疾病问题。
表
2-2
为心电信号参考范围。
表 2-2 心电信号参考范围
特征
正常值
/ms
正常偏差
/ms
特征
正常值
/mV
正常偏差
/mV
P 波时限
110
20
P 波幅值
0.115
0.05
P-R 间期
160
40
R 波幅值
1.5
0.5
QRS
时限
100
20
S-T
水平
0
0.1
Q-T 时限
400
40
T 波幅值
0.3
0.2
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