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小波变换与概率神经网络的心电图分类
来源:电子技术应用2013年第3期
范玉庆, 王小华, 曹志锋, 程 欢
长沙理工大学 电力与交通安全监控及节能技术教育部工程研究中心,湖南 长沙410004
摘要: 提出了一种实时高效的心电图分类理论与方法。首先对心电图进行六尺度小波分解,将含有主要噪声的尺度进行系数置零,再将剩余层进行小波重构,从而达到除噪的目的。利用数学形态学定位心电图P、Q、R、S、T波位置,并提取计算各波间距离和斜率等12个特征值作为概率神经网络的输入向量,从而实现心电图的六分类。
中图分类号: R318.04
文献标识码: A
文章编号: 0258-7998(2013)03-0136-02
An electrocardiogram classification approach based on wavelet transform and probabilistic neural network
Fan Yuqing, Wang Xiaohua, Cao Zhifeng, Cheng Huan
Engineering Research Center of Electric Power & Traffic Safety Monitoring & Control and Energy Conservation Technology, Ministry of Education, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China
Abstract: An effective electrocardiogram(ECG) classification approach based on wavelet de-noising and probabilistic neural network is proposed. Firstly the ECG signal is taken six scaling wavelet decomposition.The coefficient of the scales, which contain main noise, are set to zero, inverse the wavelet transform. The mathematical morphology is used to find the positions of P,Q,R,S and T wave, then the 12 feature values are taken as the input of probability neural network to realize the six classification of ECG.
Key words : electrocardiogram(ECG); classification; wavelet transform; probabilistic neural network

    心电图是诊断心血管疾病的重要依据,对心电图的自动诊断具有很高的临床价值。近几年国内外对于心电图分类进行了广泛的研究,基于反向传播神经网络(BP)分类[1]方法,不能保证高实时性;支持向量机的方法[2],在训练样本较多时难以实施;参考文献[3]应用心电图的病理特点进行分类,但心电图的不规律性将对分类正确率有很大影响;静态链接库支持向量机分类器[4],但机器的学习能力过强,反而降低了其推广性。综上考虑,设计了小波滤波与概率神经网络相结合的心电图分类模型。

1 心电图滤波及特征提取
1.1小波变换的心电图滤波

     对心电图提升双正交小波变换[5]的六层小波进行分解、分析可知,心电信号的频率成分主要集中于3、4、5尺度中;而肌肉震颤、工频干扰及基线漂移频率成分主要在1、2、6尺度中,所以在进行小波重组时,将1、2、6尺度的细节信号系数置零,可去除大部分干扰。以美国MIT/BIH心律失常库的100.mat中前两秒的波形为例,可明显发现,除噪后的波形更加平滑,特征更加明显。如图1所示。

1.2 心电图特征提取
    MIT/BIH标准心电数据库中的波形采样,频率为360 S/s, 精度为11位实验环境为Matlab 7.4.0(R2007a)。在2 s内的样本波形中,首先利用数学形态学定位QRS波群[6]的起始点和大致范围,然后依次定位R波峰[7] (五角星表示的点)、 Q波峰、S波峰、T波峰、P波峰[8]。最后,用峰间间距和峰间斜率表示其余的特征值。以美国MIT/BIH心律失常库的100.mat中前2 s的波形为例,如图2所示。


    由于肌肉震颤、工频干扰和基线漂移等对心电图干扰较大,所以必须先进行除噪。而概率神经网络具有很高的正确率及较好的实时性,所以本文将小波滤波与概率神经网络进行组合。经仿真可知,本文设计的网络有较好的容错能力,在实际应用中若想判别更多类型的心脏疾病,只需将概率神经网络的输入层和输出层神经元个数,按本文对应的设置方式加以拓展即可实现。
参考文献
[1] 刘金江,王春光,孙即祥.基于稀疏分解和神经网络的心电信号波形检测及识别[J].信号处理,2011,27(6):843-850.
[2] MELGANI F,BAZI Y. Classification of electrocardiogram signals with support vector machines and particle swarm  optimization[J].IEEE Transactions on Information Technology  in Biomedicine, 2008,12(5):667-677.
[3] 李坤阳,胡广书.基于心电图分析的心律失常分类[J].清华大学学报(自然科学版),2009,49(3):418-421.
[4] 陈学琴.基于心电图分析的心律失常分类[D].北京:北京交通大学,2011.
[5] 凌朝东,刘蓉,钱江,等.基于5 /3 提升小波变换的心电信号压缩算法及VLSI实现[J]. 信号处理2010,26(6):930-935.
[6] ZHANG C F, BAE T W.VLSI Friendly ECG QRS complex detector for body sensor networks[J]. IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems,2012,2(1):52-59.
[7] BENMALEK M, CHAREF A. Digital fractional order operators for R-wave detection in electrocardiogram signal[J].  IET Signal Processing, 2009,5(3):381-391.
[8] LIN C, MAILHES C, TOURNERET J Y. P- and T-Wave  delineation in ECG signals using a bayesian approach and a partially collapsed gibbs sampler[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2010,57(12):3242-3255.

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