一種基于LabVIEW8.2提取ECG特征點(diǎn)的新方法

1、引言

        目前的心電圖（ECG）還主要依賴于人工讀圖，而且對相關(guān)人員所具備的專業(yè)知識水平要求很高。在計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析識別方面，雖有研究但技術(shù)尚不成熟[1]，對心電波形的自動(dòng)識別還不準(zhǔn)確，使得計(jì)算機(jī)自動(dòng)診斷心電圖還未能有效應(yīng)用于臨床[2]，[3]。在ECG信號的自動(dòng)識別領(lǐng)域，有關(guān)P-QRS-T各波（群）的識別已經(jīng)有很多研究成果，如可變閾值法[3]、自適應(yīng)閾值的方法[4]、差分閾值法[5]、模板匹配法[6]、小波變換法[7,8]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[8]等。這些方法各有所長，但還沒有一種堪稱完美。在數(shù)據(jù)分析過程中，這些方法都要對時(shí)域內(nèi)包括噪聲在內(nèi)的所有信號樣本點(diǎn)進(jìn)行檢測、判別。

2、LabVIEW8.2中Waveform Peak Detection VI簡介

        在LabVIEW8.2中，新增了一個(gè)功能強(qiáng)大的“Waveform Peak Detection VI”，這一VI的功能是檢測出輸入波形中設(shè)定閾值范圍內(nèi)的所有波峰點(diǎn)(Peak)或波谷點(diǎn)（Valley）。該VI如圖1所示。

圖1 LabVIEW8.2中的Waveform Peak Detection.vi

　　在該VI的輸出中，包含了以下重要信息：

 1)所有波峰/波谷點(diǎn)的幅值（Amplitudes）；
 2)所有波峰/波谷點(diǎn)的二階導(dǎo)數(shù)(2nd Derivatives)；
 3)所有波峰/波谷點(diǎn)的位置索引（在波形數(shù)據(jù)序列中的序號）；
 4)找到的波峰/波谷點(diǎn)總數(shù)。

      這些數(shù)據(jù)均以數(shù)組的形式同時(shí)輸出，相互對應(yīng)，提供用戶直接使用。

3、使用Waveform Peak Detection VI檢測ECG特征點(diǎn)的方法

3.1 信號波形特征點(diǎn)的提取依據(jù)

        如果同時(shí)使用兩個(gè)Peak Detection VI，將給定的閾值條件分別設(shè)定為：

             VI1：大于零的波峰（Peak/Valley=Peak，Threshold>0 ）,
             VI2：小于零的波谷（Peak/Valley= Valley，Threshold<0 ）。

        則在該VI的輸出序列中，就包含了所有的大于零的波峰點(diǎn)和小于零的波谷點(diǎn)，方法如圖2所示。

圖2 Waveform Peak detection VI 抽取輸入波形的波峰/波谷點(diǎn)示意圖

         對于一段正常典型的心電波形來說，經(jīng)該VI處理后的結(jié)果，可形象地用圖3表示出來。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)ECG波形經(jīng)Waveform Peak detection VI 處理的前后對比圖

        當(dāng)然，對于實(shí)際的ECG信號，不可避免地會(huì)存在干擾和漂移，很顯然，這不會(huì)影響到PQRST各特征點(diǎn)的正確抽取，只不過，對于存在干擾、漂移的ECG，經(jīng)Peak Detection VI輸出的點(diǎn)序列中，不僅包括需要的特征點(diǎn)部份，而且還包括那些干擾波的波峰點(diǎn)和波谷點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)加以區(qū)分。

       根據(jù)正常ECG的特點(diǎn)，R峰點(diǎn)特征最為突出，具體表現(xiàn)為：

        1 幅值最大
            2 波形最尖銳

        所以，可以在經(jīng)VI提取出的點(diǎn)序列數(shù)組中，以幅值最大值或二階導(dǎo)數(shù)最小值為判別依據(jù)來認(rèn)定為R峰點(diǎn)。

3.2 ECG特征點(diǎn)的提取方法

        因?yàn)镻eak Detection VI的輸出中已包含有相應(yīng)點(diǎn)的幅值、二階導(dǎo)數(shù)及位置索引信息，在確定R峰點(diǎn)后，可進(jìn)一步根據(jù)ECG的特點(diǎn)確定出其它各特征點(diǎn)。完整的ECG特征點(diǎn)判別方法及步驟為：

?。?）幅值最大或二階導(dǎo)數(shù)最?。ɑ騼烧咄瑫r(shí)滿足）的波峰點(diǎn)判定為R峰點(diǎn)；
?。?）R峰點(diǎn)之前的第一個(gè)小于零的波谷點(diǎn)（Valley）為Q點(diǎn)；
?。?）R峰點(diǎn)之后第一個(gè)小于零的波谷點(diǎn)（Valley）為S點(diǎn)；
?。?）Q點(diǎn)之前合理時(shí)限內(nèi)的最大波峰點(diǎn)為P點(diǎn)；
　（5）S點(diǎn)之后合理時(shí)限內(nèi)的最大波峰點(diǎn)為T點(diǎn)。
　?。║波幅度較小且目前對其認(rèn)識還不清楚，本文不作討論。)

4、基于虛擬儀器LabVIEW8.2的編程實(shí)現(xiàn)

        按圖2流程編制LabVIEW8.2程序，考慮到實(shí)際ECG波形中存在干擾，閾值（Threshold）不宜取零。程序中采用本周期段數(shù)據(jù)中最小波谷點(diǎn)的0.02倍作為Valley點(diǎn)閾值，最大波峰點(diǎn)的0.03倍作為Peak點(diǎn)的閾值，這樣可將基線附近的絕大多數(shù)高頻干擾點(diǎn)避開，這些干擾點(diǎn)將不會(huì)出現(xiàn)在輸出序列中。

        采用美國麻省理工學(xué)院的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫中的心電信號（ECG）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中某一典型的實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果界面如圖4所示。

圖4 MIT-BIH 209-MLII中的一段心電波形處理結(jié)果
a.輸入信號波形  b.輸出波峰點(diǎn)（實(shí)心點(diǎn)）及波谷點(diǎn)（空心點(diǎn)）序列，箭頭所
      指即為PQRST各特征點(diǎn)。 c.分離出的P-Q-R-S-T特征點(diǎn)（從左至右）           

        在圖4所示的ECG（圖4-a）經(jīng)該VI輸出的序列點(diǎn)（圖4-b）中，雖然輸出點(diǎn)還包括其它非特征點(diǎn)在內(nèi)，但運(yùn)用前述的判定方法不難發(fā)現(xiàn)，PQRST各特征點(diǎn)依然可以唯一確定，結(jié)果如圖4-c所示。

        圖4-b中箭頭所指即為PQRST各特征點(diǎn)，其判斷方法見前文所述，判別如圖4-c所示。

5、結(jié)論

        對于一個(gè)正常的心電波形，經(jīng)Waveform Peak Detection VI處理后，所有特征點(diǎn)都會(huì)被提取出來，如果采用合適的算法，僅僅針對輸出的若干特征點(diǎn)序列（如圖4-b）進(jìn)行分析判斷，可在最小數(shù)據(jù)冗余的條件下，將PQRST各波的峰點(diǎn)識別出來。

　　因?yàn)檫@種方法只須針對為數(shù)量極少的點(diǎn)進(jìn)行分析，不像其它方法一樣要遍歷整個(gè)時(shí)域內(nèi)的信號點(diǎn)，處理速度將大大加快；并且在舍去大量無關(guān)數(shù)據(jù)的同時(shí)，絕大多數(shù)的干擾噪聲也同時(shí)被舍去了，從而提高了識別過程的抗干擾力。

6、本方法的適宜領(lǐng)域和重要保證

?。?）最好在識別前進(jìn)行波形調(diào)理；
　（2）只能進(jìn)行時(shí)域內(nèi)的分析；
?。?）讀取數(shù)據(jù)時(shí)盡量保證在1~2周期內(nèi)，且大于1個(gè)周期的數(shù)據(jù)段讀取，要進(jìn)行時(shí)限上的閾值判斷。
?。?）本文所討論的信號處理方法還可以拓展到一維時(shí)域信號特征點(diǎn)分析的相關(guān)領(lǐng)域。