胸外按壓過程中偽跡抑制與心電節(jié)律辨識算法研究.pdf

1、目的：
　　心臟驟停是一種嚴重威脅人類生命健康的致死性疾病，如不能得到有效救治，絕大多數(shù)將立即死亡，是衛(wèi)生醫(yī)學領(lǐng)域最危急的情況之一。據(jù)調(diào)查，我國每年發(fā)病人數(shù)約為50萬人，居全球各國之首；隨著近年來人口進一步的老齡化和冠心病發(fā)病率的增加，該數(shù)字將會更高。
　　針對心臟驟停最有效的搶救措施被稱為心肺復蘇，主要包括人工通氣、胸外按壓和電除顫三個環(huán)節(jié)，能幫助患者建立起暫時的血流灌注和呼吸，促使心臟恢復機械活動，最終再現(xiàn)自主循環(huán)。過去

2、的幾十年里，心肺復蘇技術(shù)的發(fā)展和宣傳在全世界范圍內(nèi)挽救了數(shù)以萬記的生命，充分肯定了該領(lǐng)域工作的意義。
　　早期電除顫是心肺復蘇的關(guān)鍵鏈條之一，大量報告顯示，如果能在3-5分鐘內(nèi)實施電除顫，存活率能提升高達50–70％。為了縮短從院外心臟驟停發(fā)作到患者接受電擊的時間，越來越多的公共場所配備了自動體外除顫儀，該儀器能對患者的心電圖信號進行自動分析，并且在合適的時機提示施救者實施或自動實施電擊除顫。
　　然而，胸外按壓過程會將大量

3、心肺復蘇偽跡噪聲引入心電圖信號中，嚴重干擾自動體外除顫儀進行心電節(jié)律分析。按照目前的傳統(tǒng)做法，為了保證心電節(jié)律辨識的可靠，會在進行心電分析前要求所有施救者停止所有接觸離開患者。調(diào)查顯示，平均每次心電分析將要中斷胸外按壓15s以上，胸外按壓中斷的時間占心肺復蘇總時間的24%-57%。這種中斷會嚴重降低患者恢復自主循環(huán)的可能性：一些動物實驗顯示，胸外按壓每中斷20s，心肺復蘇的成功率就降低50%。胸外按壓的中斷已經(jīng)成為心臟驟停患者低存活率的

4、主要原因之一。
　　綜上所述，設(shè)計出一套能在不間斷胸外按壓的同時進行可靠的心電節(jié)律辨識的算法，就能在最大程度上減少胸外按壓的中斷，最終提高心臟驟?；颊叩拇婊盥省?br>　　方法與內(nèi)容：
　　本文從胸外按壓過程中心肺復蘇偽跡抑制和抗干擾心電節(jié)律辨識兩方面入手，設(shè)計了一套不間斷胸外按壓過程中可靠的心電分析算法，主要進行了以下工作：
　　(1)自適應心肺復蘇偽跡濾除算法研究。本文首先對各類典型的心電節(jié)律信號和心肺復蘇偽跡信號

5、作了頻譜分析，比較了兩者在頻譜分布上的特征；在此基礎(chǔ)上，利用改進的噪聲輔助多通道經(jīng)驗模態(tài)分解，直接從受干擾的心電信號中獲取心肺復蘇偽跡的基礎(chǔ)頻率信息，并以此為參考信號，構(gòu)建多諧波最小均方濾波器模型，進一步對心肺復蘇偽跡精確建模；并通過信噪比增益指標對濾波器的關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化，最終實現(xiàn)無需參考信號的條件下，從受干擾的心電信號中還原出真實的心電節(jié)律。
　　(2)抗干擾的致死性心電節(jié)律辨識BP神經(jīng)網(wǎng)絡構(gòu)建與優(yōu)化。文本通過對致死性心電節(jié)律

6、辨識相關(guān)領(lǐng)域文獻的回顧性研究，利用10種不同的分析算法，提取了21個反映心電信號形態(tài)分布、高斯性、頻譜成分、變異性、信息復雜度等各個方面特征的參數(shù)，并對這些特征值在進行致死性心電節(jié)律分類辨識中的性能作了比較分析；利用這些特征值，構(gòu)建了一個用于心電節(jié)律4分類的BP神經(jīng)網(wǎng)絡，并結(jié)合遺傳算法進行了輸入向量篩選降維與網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
　　(3)仿真實驗分析與驗證。利用公開心電數(shù)據(jù)庫與心肺復蘇偽跡信號，人工合成受到不同程度心肺復蘇偽跡信號干擾

7、的心電信號；基于該合成信號數(shù)據(jù)庫，檢驗本文構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡在不同干擾程度的心電信號中的辨識性能，并在同樣的條件下，比較本文設(shè)計的自適應心肺復蘇偽跡濾波器與已存在的幾種其他濾波算法的濾波性能。
　　(4)動物實驗驗證。在長白豬心臟上通過電擊誘導建立動物室顫模型，并進行標準心肺復蘇，獲取真實急救過程中的受干擾心電信號數(shù)據(jù)，并根據(jù)同時獲得的主動脈壓、呼末二氧化碳等生理信號進行分類標注；基于該數(shù)據(jù)庫，驗證本文設(shè)計的不間斷胸外按壓期間心電

8、節(jié)律辨識算法的可靠性，并與已存在的其他算法進行比較。
　　本文的創(chuàng)新點主要在于結(jié)合噪聲輔助經(jīng)驗模態(tài)分解、多諧波最小均方濾波器、遺傳算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡，在僅利用心電信號的條件下，設(shè)計出了一種無需任何參考信號即可在不間斷胸外按壓期間進行可靠心電節(jié)律辨識的算法。
　　結(jié)果：
　　(1)本文構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡，在無心肺復蘇偽跡干擾下的辨識敏感性、特異性和準確性分別為99.36%、100.00%和99.11%，相較傳統(tǒng)的特征值分

9、類方法性能更好；隨著心肺復蘇偽跡干擾程度的增加，傳統(tǒng)辨識算法的辨識特異性迅速下降，在干擾程度較低時(SNR=-3)，特異性已經(jīng)下降到16.36%，而此時BP神經(jīng)網(wǎng)絡的辨識特異性仍能保持在82.66%，說明 BP神經(jīng)網(wǎng)絡具有更好的抗干擾性能。
　　(2)本文結(jié)合經(jīng)驗模態(tài)分解和多諧波最小均方濾波器設(shè)計的濾波算法，在受干擾的各類心電信號中，都能很好地抑制心肺復蘇偽跡的干擾，從而顯著提高心電節(jié)律辨識的特異性；即使在干擾程度極高的情況下(S

10、NR=-12)，經(jīng)過濾波器濾波后的辨識特異性仍在86.55%，ROC曲線下面積為0.9733，比已存在的其他濾波算法表現(xiàn)更優(yōu)，且針對一些形態(tài)較復雜，諧波成分較多的心肺復蘇偽跡時優(yōu)勢更明顯。
　　(3)在動物實驗中，本文設(shè)計的自適應濾波算法，能使受干擾的心電信號節(jié)律辨識中的敏感性、特異性分別提高到95.78%、91.58%，ROC曲線下面積為0.9805，明顯優(yōu)于其他算法。
　　結(jié)論：
　　本文設(shè)計的不間斷胸外按壓期間心