[发明专利]一种基于边信息先验的多导联心电信号重构估计方法

摘要

本发明公开了一种基于边信息先验的多导联心电信号重构估计方法，涉及计算机医学信息技术领域。本发明首先将单个导联心电信号的估计值作为边信息先验输入进行下一个导联心电信号的压缩感知过程，然后在每个编码器进行编码时，对于不被用作边信息的信号，编码器选用行数较小的测量矩阵，在联合译码端，收到的测量值的数目远远小于普通的正交匹配追踪重构算法所要求的数目。使用本发明方法能够适当的将编码端的复杂度转移到译码端中，降低编码的复杂度并提高压缩过程的抗噪性和鲁棒性，节省心电采集节点的存储、计算能力和剩余能量，在保持良好压缩效果的同时延长无线体域网络节点的生存周期，实现长时间伴随式监测的目的。

主权项

1.一种基于边信息先验的多导联心电信号重构估计方法，其特征在于：将单个导联心电信号的估计值作为边信息先验输入进行下一个导联心电信号的压缩感知过程，在每个编码器进行编码时，对于不被用作边信息的信号，编码器选用行数较小的测量矩阵，再联合译码端进行译码，收到的测量值的数目小于普通的正交匹配追踪重构算法所要求的数目；包括如下步骤：步骤1：设置导联心电信号的序号值，在译码端先通过压缩感知贪婪算法对首个导联心电信号进行信号重构，得到首个导联心电信号的重构信号所述的重构信号，记为其中，导联心电信号的序号值为i，第i个导联心电信号为x_i，使用压缩感知贪婪算法得到的信号重构估计值为初始化i＝1，即首个导联心电信号为x₁，使用压缩感知贪婪算法得到的信号重构估计值为步骤2：将步骤1重构的心电信号作为先验边信息，确定多导联心电信号重构估计过程的输入参数：测度矩阵和观测向量；其中，测度矩阵，即Ai+1，通过公式(1)计算：Ai+1＝φi+1·ψ                         (1)其中，A_i+1是第i+1个心电信号的M_i+1×N维测度矩阵，φ_i+1为M_i+1×N维的测量矩阵，ψ为N×N维的稀疏矩阵，即：其中，E_N是N×N维的单位阵；其中，φi+1为标准正态分布的随机数矩阵，ψ是通过对离散傅里叶变换做归一化处理后得到的快速傅里叶变换基；观测向量，即yi+1是观测所得的Mi+1×1维向量，通过如下公式(2)计算：yi+1＝φi+1·xi+1                        (2)其中，xi+1是第i+1个导联心电信号；步骤3：初始化迭代过程的迭代次数、计数最大值、导联心电信号总数、迭代残差初值、列索引序号集合和测度矩阵中对应索引的列集合；其中，迭代次数记为t、迭代残差初值记为r₀、计数最大值T_max、导联心电信号总数i_max、第t次迭代的列索引序号集合记为I_t、根据I_t得到测度矩阵A_i+1中对应索引出的列集合记为Ω_t；初始化t＝0，设置r₀＝y_i+1‑φ_i+1·x_i|_i＝1，其中，表示空集；再将t加1，跳至步骤4开始的循环；其中，计数最大值Tmax的范围为20‑200，具体为原始心电信号稀疏度的2‑5倍；步骤4：计算测度矩阵与迭代残差的内积求取列索引序号，具体为：列索引序号其中，αj表示测度矩阵Ai+1的第j列，N为测度矩阵Ai+1的总列数；μt表示在第t次迭代中，用迭代残差rt‑1与αj做内积所得的最大项对应所在的矩阵列；其中，表示使参数|<r_t‑1,α_j>|取最大值时所对应变量α_j的值，记为μ_t；μ_t表示与残差作内积运算的结果取最大值时对应的测度矩阵A_i+1中的列，将μ_t列所在的列序号记为j_max；则可推导出等式关系：μ_t＝α_jmax；其中，<·,·>表示向量求内积运算；表示rt‑1和αj的内积；步骤5：将步骤4求取的列索引序号jmax添加入列索引序号集合It中，根据It得到测度矩阵Ai+1中对应索引出的列μt添加到列集合Ωt中；具体为：将步骤4中计算出的列索引序号添加到列索引序号集合It中，具体为It＝It‑1∪{jmax}、Ωt＝Ωt‑1∪{μt}；其中，符号∪表示集合并运算；步骤6：计算第t次迭代中信号的表示系数具体为：通过最小二乘方法求解方程yi+1＝Ωt·θt计算出第t次迭代中信号的表示系数为:其中，为t×1维的列向量；Ω_t^T表示对Ω_t进行转置运算，(Ω_t^TΩ_t)^‑1表示对Ω_t^TΩ_t进行求逆运算；其中，argmin||y_i+1‑Ω_t·θ_t||表示求使得参数||y_i+1‑Ω_t·θ_t||取最小值时所对应变量θ_t的值，记为||y_i+1‑Ω_t·θ_t||表示求参数y_i+1‑Ω_t·θ_t的二范数值；步骤7：更新第t次迭代中的迭代残差r_t；具体基于步骤6中计算出的信号表示系数通过公式(4)更新迭代残差r_t：步骤8：判断迭代次数t是否已经达到计数最大值Tmax，并根据判断结果进行相应的操作，具体为：8.1若迭代次数t大于计数最大值T_max，则输出第t次迭代中信号的表示系数并跳至步骤9；8.2若迭代次数t小于等于计数最大值T_max，则输出第t次迭代中信号的表示系数并令迭代次数t＝t+1，跳至步骤4；步骤9：得到第i+1个导联心电信号的重构估计信号具体为：将步骤8输出的第t次迭代中信号表示系数作为第i+1个心电导联信号的稀疏表示系数，通过求出第i+1个心电导联信号得重构估计信号步骤10：判断是否已经重构完成所有的导联心电信号，并进行相应的操作：10.1若已重构的心电信号数量达到导联心电信号总数imax，则表示所有的导联心电信号已经完成重构估计，压缩感知过程结束；10.2若已重构的心电信号数量未达到导联心电信号总数imax，则增加心电信号序号i＝i+1，并返回步骤2重复步骤2到步骤10过程。