危重病人生命體征信號質(zhì)量評估與分析.pdf

1、現(xiàn)代加強醫(yī)療病房應(yīng)用了大量的監(jiān)護設(shè)備對危重病人的生理和病理狀態(tài)進行監(jiān)測，然而由于監(jiān)護信號經(jīng)常受到噪聲、偽跡和數(shù)據(jù)缺失等的干擾，造成監(jiān)護參數(shù)的估值錯誤，導(dǎo)致監(jiān)護儀錯誤報警。有報道表明監(jiān)護儀報警假陽性率有時竟高達86％。居高不下的錯誤報警率不但剝奪了病人的正常休息，增加了病人和醫(yī)護人員的壓力，造成時間、資源上的浪費，更為嚴重的是造成醫(yī)護人員對報警信號的不信任和麻痹大意，這嚴重影響了臨床醫(yī)生對真實危重報警的及時響應(yīng)和處理，大大降低了重癥監(jiān)護效

2、果。 本文從危重病人生命體征信號的質(zhì)量評估入手，導(dǎo)出了反映信號質(zhì)量高低的信號質(zhì)量指數(shù)(Signal Quality Index，SQI)，研究了基于SQI的在嚴重干擾存在時生命體征信號的估計，實現(xiàn)了對嚴重心律失常錯誤報警的抑制。 本文首先研究了心電(Electrocardiogram，ECG)與動脈血壓(ArterialBlood Pressure，ABP)信號的信號質(zhì)量評估方法，提出了通過比較對干擾敏感性不同的QRS識

3、別算法結(jié)果來確定心電信號質(zhì)量的思想，并綜合多導(dǎo)聯(lián)同步分析與比較、信號峰度分析和信號功率譜分析等方法導(dǎo)出了心電信號質(zhì)量指數(shù)；應(yīng)用模糊邏輯算法和啟發(fā)式約束算法對血壓信號進行波形特征分析，導(dǎo)出了血壓信號質(zhì)量指數(shù)。信號質(zhì)量指數(shù)是一個介于0和1之間的數(shù)值，數(shù)值越大表明信號質(zhì)量越好，數(shù)值越小表明信號質(zhì)量越差。 導(dǎo)出SQI之后，研究了在嚴重干擾存在時生命體征信號的估計方法，主要研究了心率和動脈血壓值的估計。直接從ECG或ABP信號的搏動識別得

4、到的心率值和直接從ABP波形特征分析得到的血壓值很容易受到干擾的影響，造成估值的嚴重誤差?？柭鼮V波器可以避免干擾對信號估計的影響，提供對隨機信號的最佳估計，適用于對心率、血壓等心血管系統(tǒng)信號的估計。我們研究了應(yīng)用卡爾曼濾波器實現(xiàn)心率和血壓估計的算法，提出了通過信號質(zhì)量指數(shù)調(diào)節(jié)卡爾曼濾波器增益系數(shù)的思想，當(dāng)信號質(zhì)量高時，使卡爾曼濾波器殘差的增益系數(shù)增加，此時算法較多地依賴高質(zhì)量的心率(或血壓)測量值來調(diào)整心率(或血壓)估計；反之，當(dāng)信號

5、質(zhì)量低時，使濾波器殘差的增益系數(shù)減小，算法較少地依賴低質(zhì)量的測量值來調(diào)整參數(shù)估計。同時設(shè)定了一個信號質(zhì)量指數(shù)閾值，當(dāng)信號質(zhì)量低于閾值時，停止更新卡爾曼濾波器，以避免信號質(zhì)量過低時干擾對參數(shù)估計的嚴重影響，從而對卡爾曼濾波估計進行了優(yōu)化。心率信息可以通過對ECG、ABP及脈搏血氧飽和度等信號進行搏動檢測獲得，由于各通道間數(shù)據(jù)冗余且近似獨立，同時，各通道間的干擾往往不具有相關(guān)性，通過傳感器融合算法對多源信號進行數(shù)據(jù)融合可獲得更精確的心率估計

6、。我們首先研究了從多個包含干擾的信號估計中獲取最佳估計的數(shù)據(jù)融合算法，導(dǎo)出了多導(dǎo)數(shù)據(jù)融合公式。然后對基于多導(dǎo)心電和動脈血壓信號的卡爾曼濾波算法獲得的心率估計進行數(shù)據(jù)融合，得出了魯棒性的融合心率估計；提出了用信號質(zhì)量指數(shù)和卡爾曼濾波器殘差作為權(quán)重系數(shù)控制數(shù)據(jù)融合的思想，當(dāng)某導(dǎo)聯(lián)由于干擾造成心率估計誤差時，一方面由于干擾的存在使該導(dǎo)聯(lián)的SQI減小，另一方面心率估計誤差的存在使卡爾曼濾波器的殘差增大，從而在數(shù)據(jù)融合時控制減小該導(dǎo)聯(lián)的權(quán)重。數(shù)據(jù)

7、融合方法在僅有一個通道具有高質(zhì)量信號的情況下，仍能獲得精確的參數(shù)估計。 通過數(shù)據(jù)融合算法獲得心率估計后，研究了應(yīng)用融合心率和信號質(zhì)量指數(shù)抑制監(jiān)護儀嚴重心律失常錯誤報警的算法，提出了通過信號質(zhì)量指數(shù)判斷閾值的選取進行真實報警識別率和錯誤報警抑制率調(diào)節(jié)的思想。當(dāng)監(jiān)護儀發(fā)出嚴重心律失常報警時，用此時算法估計的融合心率與監(jiān)護儀設(shè)定的報警閾值進行比較，并根據(jù)信號質(zhì)量是否可信判斷接受或拒絕報警。當(dāng)融合心率未達到報警閾值且信號質(zhì)量指數(shù)指示信號

8、質(zhì)量好時，則信任此時的心率估計，認為此時監(jiān)護儀的報警是錯誤報警并加以抑制。 為對本文提出的算法進行驗證和評價，應(yīng)用美國麻省理工學(xué)院多參數(shù)智能重癥監(jiān)護數(shù)據(jù)庫 II(Multi-Parameter Intelligent Monitoring for Intensive care II， MIMIC II)中的高質(zhì)量連續(xù)監(jiān)護數(shù)據(jù)作為標準信號集，共選取437例、3762段長度為1小時以上(1.62±0.69 h)，總計6084小時的連

9、續(xù)高質(zhì)量的同步多導(dǎo)聯(lián)ECG和ABP波形數(shù)據(jù)，對標準信號集添加不同類型和強度的心電和動脈血壓干擾，建立了心電和血壓評價數(shù)據(jù)集。心電干擾采用了麻省理工學(xué)院標準心電干擾數(shù)據(jù)集的干擾數(shù)據(jù)，包括三類干擾和6種信噪比的18類干擾數(shù)據(jù)，動脈血壓干擾應(yīng)用我們自行設(shè)計的六類動脈血壓干擾生成算法生成的干擾數(shù)據(jù)，包括六類干擾和5種不同干擾段占據(jù)比例(占空比)的30類干擾數(shù)據(jù)。同時基于MIMIC II數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)護儀報警數(shù)據(jù)建立了錯誤報警抑制評價數(shù)據(jù)集，包括各

10、類嚴重心律失常報警信號5344次，經(jīng)專家確定，其中的錯誤報警率為42.74％。為進行心率估計算法性能評價，研究了在心率估計抗干擾研究中采用的確定心率金標準的算法，以標準信號集為基準計算得出了心率的金標準值，用于比較不同心率估計算法的抗干擾效果。我們對八種心率估計算法和三種動脈血壓估計算法進行了抗干擾效果評價。 研究結(jié)果表明，評價數(shù)據(jù)集的ECG和ABP信號的信號質(zhì)量指數(shù)均隨添加干擾的增加而減小，信號質(zhì)量指數(shù)較好地反映了生理信號受干

11、擾的水平；信號質(zhì)量指數(shù)在應(yīng)用卡爾曼濾波算法進行心率和血壓估計中發(fā)揮了重要作用，基于卡爾曼濾波和信號質(zhì)量指數(shù)的估計算法可獲得較好的心率和血壓估計，如不采用信號質(zhì)量指數(shù)對卡爾曼濾波器參數(shù)進行控制，當(dāng)信號質(zhì)量較低時估計誤差顯著增加；數(shù)據(jù)融合算法可有效克服干擾造成的心率估計誤差，獲得較好的融合心率估計，在嚴重ECG干擾存在時心率估計誤差小于1次/分，在嚴重ABP干擾存在時心率估計誤差小于2.1次/分；基于SQI的動脈血壓估計算法可以不同程度地減

12、小血壓估計誤差，當(dāng)SQI對干擾敏感時，可顯著降低干擾對血壓估計的影響，當(dāng)SQI不敏感時，干擾影響仍不同程度的存在；錯誤報警抑制算法對嚴重心律失常報警的真實報警正確識別率為100.00％，對錯誤報警的抑制率為53.68％，錯誤報警率從抑制前的42.74％降低為19.80％。 正確的生命體征信號估計和信號質(zhì)量評估是智能監(jiān)護的前提，只有獲取了正確的監(jiān)護參數(shù)和可信的信號，才能進行下一步對病人生理和病理狀態(tài)的正確解釋、預(yù)測和評估。本文在這