（生物医学工程专业论文）面向远程信息共享的大容量心电数据压缩与流式传输.pdf

浙江丈学 面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 ab s t r a c t t e l e m e d i c i n ei sa ne f f e c t i v ew a yt os h a r i n gh e a l t h yc a r er e s o u r c 卷r e m o t e d i a g n o s i sa n dc o n s u l t a t i o na r ei m p o r t a n tp a r t so fi t e c ge s p e c i a l l yt h el a r g e - s c a l e e c gd a t as u c ha s d y n a m i ce c go f f e r sp l e n t yi n f o r m a t i o nf o rt h ed i a g n o s i so f c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e s ，s ot h et e l e d a t as h a r i n go fl a r g e - s c a l ee c gi st h ep r i n c i p a l i s s u eo nr e m o t ed i a g n o s i sa n dc o n s u l t a t i o no f c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e s t h i sd i s s e r t a t i o nw a sb r o u g h tf o r w a r df o rt h es o l u t i o no ft e l e d a t as h a r i n go f l a r g e s c a l ee c gd a t a t h em a i nw o r k sa r el a r g e - s c a l ee c g d a t ac o m p r e s s i o na n d s t r e a m i n gw h i c ha r et h ek e yi s s u e so nt e l e d a t as h a r i n 吕d e t a i l e dw o r k sa r e f o l l o w i n g s ： f i m t l y , e x p o u n d e dt h eb a s i cf u n d a m e n t a la n dc h a r a c t e r i s t i c so fl o 鹞l e s se c g d a t ac o m p r e s s i o na n ds t r e a m i n g ；r e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n to ft h e s et e c h n i q u e si n b o t hd o m e s t i ca n df o r e i g nr e l a t e df i e l d ；a n di n d i c a t e dt h em a i np r o b l e m s s e c o n d l y p r o p o s e dat o s s l e s se c g d a t ac o m p r e s s i o na l g o r i t h mw h i c hi sb 躺e d o nj p e g 2 0 0 0a n di n t e g r a t e db o t hi da n d2 dc o m p r e s s i o nm e t h o d t h ep r o p o s e d a l g o r i t h mh a sh i g hc o m p r e s s i o nr a t ea n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h i r d l y , d e s i g n e das o l u t i o nf o rt e l e d a t as h a r i n go fl a r g e - s c a l ee c gw h i c h r a n g e de c gd a t ab ys e g m e n t s , s a m p l er a t e sa n dl e a d s ，a p p l i e dt h ep r o p o s e d c o m p r e s s i o n a l g o r i t h m ；d e f i n e d t h e o r g a n i z i n g f r a m e o f l a r g e - s c a l e e c g d a t 乱 f i n a l l y , e v a l u a t e dt h ep r o p o s e di o s s l e s se c gc o m p r e s s i o na l g o r i t h mu s i n gt h e a l l f o r t y - e i g h tr e c o r d s i nm i t - b 1 h a r r h y t h m i ad a t a b a s e ；s y n t h e t i c a l l y a n d q u a n t i f i c a t i o n a l l ye v a l u a t e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e ds o l u t i o nf o rt e l e d a t a 曲a r i n go f l a r g e - s c a l ee c g c o m p a r e d 淅t ho t h e ra l g o r i t h m sb yt h es a m et e s td a t a , t h ep r o p o s e de c g l o s s l e s sc o m p r e s s i o na l g o r i t h ms h o w sb e t t e rc o m p r e s s i o nr e s u l t ；t h ep r o p o s e d s o l u t i o nf o rt e l e d a t as h a r i n go f l a r g e - s c a l ee c gc o u l db ea p p l i e do i lr e m o t ed i a g n o s i s a n dc o n s u l r a t i o no f c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e sw i t hw e l lp e r f o r m a n c e 1 h y w e r a s ：e l e c t m c a r d i o g r a m ( e c g ) ，l o 抟l c c o m p r e s s i o n , s t r e a n g r e m o t ed i a g n o s i s ， e n t r o p yc o d i n gj p e g 2 0 0 0 u l a b s t r a c t 独创性声明 本人声叫所呈交的学位沦文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成 果。抓我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 一l-，lvir t j 研究成果，也卅i 包含为获得逝垄盘鲎或其他教育机构的学位或证m m 使 朋过的材利。4 j 我同工作的同志对奉研究所做的仔佃贞献均已在沦文中作了i 州确的晚 叫伟表小谢意。 产位论文作存掺识：马狃盏碜字| 二_ | 1 c l j ：矽叮q 。“j 。了卜 学位论文版权使用授权书 水o 位论文作者完全了解逝望盘茎有关保留、使川学f 口论文的舰定，有权保 带j 1 向闺家自关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允门沦文被查阅和借阅。本人授 权滥婆盘兰j 以将。t 似沦文的个翻：或部分内容蜀i 入仃必故wj i 进行险索，川以录f _ _ | 影 州、l “q 】! 戈 i 仙等复制r 段f * r j i 、；l - a ，j 叫- 论文 ( 侏密的学f 讧论文钮斛密肟适；f 】木授权is ) j 位沦文什睹掺私：品狠筮 f l i 西月。了几 僦论文作者毕、后去向 i 作1 1 1 似： 铷签名孑， 祥f ：研q ：加| 一 l 乜衍 | | f | ；编 浙江大学面向远程信息共享的大窖鼍心电数据的压缩和流式传输 硕士学佗论文 致谢 值此论文完成之际，首先要感谢我的导师段会龙教授。段老师学识渊博， 治学严谨，思想深邃，对事物总有独特的见解。他对科学研究一丝不苟的态度、 对学科发展的前瞻性认识，帮助我在科研工作中顺利前进。段老师的言传身教 是我一生的财富，在此向段老师表示诚挚的敬意和感谢l 感谢吕旭东副教授。吕老师广博的知识，对问愿的掌握能力和分析能力都 给我深刻的印象。感谢他在课题上给予的帮助和支持，帮我克服了很多问题和 难点。感谢他在本文撰写过程中提出的大量有益的建议。 特别要感谢我的爱人周群一，他不仅在生活上处处照顾我，而且在本文的 撰写过程中提了很多很妊的建议。 感谢邓宁师兄在科研工作中对我的指导和帮助。邓宁师兄对新知识、新技 术的快速理解掌握的能力，他的热诚，以及对待科研工作一丝不苟和认真负责 的态度深深影响了我。 感谢实验室的刘鹏飞、黄正行、赵晨晖、周幼静、陈星、李俊杰、李悦溪、 郭玮、姜涛、欧阳菡、王一宝等同学，与你们拭同学习、工作使我学到了很多 东西。 感谢维科软件公司的程贵红、傅彬、吕广字、刘丹、马振宇、王红霞、应 永进等对我平时工作的支持。 感谢我的父母养育我，教会我做人的道理，在他们始终如一的支持鼓励下， 我才能勇敢的面对一切困难。也感谢我的兄长：吕跃挺，伴我一起成才，带给 我很多美好的成长回忆。 最后，向在此未提及的其他所有关心和支持我学业的老师、同学和朋友一 并表示感谢。 吕颖莹 2 0 0 7 年5 月于求是园 浙江大学 面向远程信息共享的大容量心电敬据的压缩和流式传输 硕士学位论文 l 。l 引言 第一章绪论 医疗信息共享是医疗行业信息化建设的目标之一，网络技术的迅速发展，为 实现医疗信息区域内共享提供了基础。心电图是临床诊断心血管疾病的重要依 据，因此，心电数据的远程共享是医疗信息共享的重要组成部分。常见心电图包 括常规静息心电图、动态心电图和监护心电图等。常规静息心电图一般只有几十 秒到几分钟的长度，数据量小，远程共享的实现，在技术上没有问题。而动态心 电图和监护心电图是二十四小时以上的长时间心电数据，由于其数据量非常庞 大，本文将其定义为“大容量心电数据”。大容量心电数据包含丰富的数据信息 和诊断依据，用于远程诊断和会议有着重要意义，但由于此类数据的数据量比较 庞大，在目前的网络发展现状下，远程共享的性能是一个非常突出的问题，亟需 解决。因此本文将对大容量心电数据远程共享的解决方案的进行探讨。本文主要 以动态心电图作为大容量心电数据的代表，进行研究。本章将介绍有关心电方面 的基础知识，并提出本文的研究目标。 1 2 心电图基础 众所周知，心脏是循环系统中重要的器官。由于心脏不断地进彳亍有节奏的收 缩和舒张活动，血液才能在循环系统中不停地流动。心脏在机械性收缩之前，首 先产生电激动。心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表 不同部位产生不同的电位。如果在体表放置两个电极，分别用导线联接到心电图 机( 即精密的电流计) 的两端，它会按照心脏激动的时间顺序，将体表两点问的 电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电图( e c g ， e l e c t r o c a r d i o g r a p h ) 。由各种病理原因引起的心脏疾病，几乎都与心脏的生物电活 动相关。 1 9 0 1 年，荷兰生物学家、莱顿( l e i d e n ) 大学教授e i n h h o v o n 首次描记出比较 满意的p - q r s - t 波群，并于1 9 0 3 年发明了世界上第一台采用弦线电流计和光学 记录的方法制成的心电图机，记录出每个心动周期的心脏变化曲线，将其命名为 第一章绪论 浙江大学面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 心电图，1 9 0 4 年，莱顿又提出e i n t h o v e n 三角概念，即所谓的三个标准导联( i 、 、1 1 1 ) 心电图，成为心电图的首创者。1 9 0 5 年，心电图被正式应用于临床。1 9 0 6 年，l e w i s 利用心电图开始研究期外收缩、心房扑动、心房颤动、心室传导阻滞， 为心电图的临床应用做出了巨大贡献。1 9 3 2 年，w i l s o n 等创立了著名的零电位 中心电端理论，设计了胸( 心) 前导联，使体表心电图标准化为1 2 导联，创立 了临床心电图学。 当心电图上出现异常，则表示心脏机能有某种障碍，由此可以诊断心律失常 以及各种心脏疾病所弓l 起的心脏形态的变化，并可用来及早发现心脏的疾病。临 床医生可根据波形的变化，来推测可能罹患下列疾病：如心肌梗塞、心脏移位、 冠动脉不全、心囊炎、电解质代谢失衡、心房或心室肥大症等。心电图诊断方法 已经成为心血管疾病诊断中一种十分重要的方法，由于其简单、方便、无创，在 临床上，以及远程会诊中得到了广泛的应用。 1 2 1 心电图波形 r r i r p p j t p ：3 划j一n q l 。 i _ r 1 os q 豁 j l 。q - tl 冒 一1 正常心电凰各个波段 心电信号是一种非平稳的、准周期的随机信号，每个心跳周期主要由q r s 复合波、p 波、t 波、s t 段和基线等组成，其中基线部分心电信号变化幅度不大， 而各类波段信号变化幅度较大，所需要的数据存储量也较大。正常的心电图波形 如图( 1 1 ) 所示，各个波段含义如下l l l ： 一、p 波 心电图的p 波是左、右心房除极的复合波。p 波的时间，在肢体导联中为 0 0 6 o 1 l s ，波幅不超过0 2 5 m v ，其波形小而圆钝。p 波在不同导联上的形状 2 第一章绪论 浙江大学 面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 可有差异。 二、 p 吨间期 p - r 间期，又称p - q 间期，由p 波起点到q r s 波群起点之问的问期，代表 自心房除极开始至心室除极的时间。正常成人为o 1 2 o 2 0 s ，但个体之间可有 差异。p - r 间期的长短与年龄及心率有关。 三、 q r s 复合波群 q r s 复合波群代表左、右两心室去极化过程的电位变化。在各导联中，正 常q 波不超过0 0 3 n o 0 4 s ，但不包括呈q s 型的导联。在正常成人中，q r s 时 间为0 0 6 0 1 0 s ，一般多在0 0 8 s 左右。在胸导联中，q r s 时间较肢体导联略宽 一些，但也不应大于o 1 0 s 。在儿童中或心率快时，q r s 时间可略短些，但不应 小于0 0 6 s 。典型的q r s 复合波群包含三个紧密相连的波，第一个向下的波为q 波，其后向上的高而尖的为r 波，继r 波之后的一个向下的为s 波。但是在不 同导联记录的心电图上这三个波不一定都出现，其波形和幅度变化也较大。正常 的q r s 波群形态多呈峻峭陡急形，少数在波顶或基线底部可有轻度钝挫，偶有 轻微切迹。在不同的导联，q r s 波群的电压各不相同。一般来说，正常q 波的 幅度应小于同导联r 波的1 2 1 4 ，其深度一般不超过0 3 m v 。在i 、i i 、i 导 联中，正常r 波的振幅分别为1 s m v 、2 5 m v 、2 0 m v 以内。正常s 波在标准导 联，其深度应在o 6 m v 以内。 四、s - t 段 s - t 段是自q r s 波群的终点( j 点) 至t 波起点之间的线段，代表心室缓慢 复极过程。正常的s t 段多为一等电位线。在正常情况下，j 点可因多种原因发 生移位，而影响s t 段。 五、t 波 t 波代表心室快速复极过程中的电位变化。波形圆钝，升降支并不完全对称， 波形的前肢较长而后肢较短。正常t 波的时限为o 0 5 o 2 5 s ，但t 波的振幅愈 高，其时限愈长。t 波的方向与q r s 波群的主波方向一致，在r 波为主的导联 中，t 波的幅度不应低于同导联r 波的1 1 0 。 六、铲t 间期 第一章绪论 浙江大学面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 从q r s 波群起点至t 波终点的时程，代表心室肌除极和复极全过程所需的 时间。这一间期的长短与心率密切相关。心率越快，q t 问期越短；反之，则 q - t 问期越长。心率在0 0 1 0 0 次，分时，q - t 间期的正常范围为0 3 2 0 4 4 s 。 正常的q - t 间期依心率、年龄及性别不同而有所不同。 七、u 波 在t 波后0 0 l o 0 4 s 可能出现的低而宽的波，代表心室后继电位。其方向 一般与同导联t 波方向一致，幅度较t 波低。u 波在肢体导联中不易辨认，一 般在胸导联中比较清楚。 常见心电图的种类包括常规静息心电图、动态心电图、运动负荷心电图、监 护心电图等。其中动态心电图和监护心电图能够长时间记录心电数据，分析心电 现象的动态变化，获取充分的诊断信息，因此，具有更为重要的临床诊断价值。 1 2 2 动态心电图 而因为心律不整或冠状动脉不全等疾病并不一定在什么时候发生，一天二十 四小时的任何时候都会出现，为了要抓住随时发生的变化，在1 9 5 7 年，美国物 理学家n o r m a nj h o l t e r 博士发明了连续生物电记录技术，即通常所说的动态心 电h o l t e r 。动态心电回放分析系统( a m b u l a t o r ye c g ，也称h o l t e r 系统) 伴随着 电子技术、计算机技术和心电自动分析技术的迅猛发展而产生和发展。动态心电 回放分析系统，是利用一种随身携带的记录器，连续记录人体在自然生活状态下 2 4 小时或更长时间的心电信息，并借助计算机进行回放处理分析及报告打印的 系统。分析软件的基本功能一般包括心律失常分析和s t 段形态及位移分析。 些先进的分析软件还增加了其它的功能，如心率变异性分析、信号平均心电图( 心 室晚电位) 分析，以及起搏心电图分析等 2 1 。 动态心电回放分析系统的主要价值，在于它可以记录到人体短暂的、一过性 的心电图改变，因而在i 缶床上主要用于对短暂性心律失常的捕捉、对心肌缺血的 辅助诊断，并对起搏器功能的评价、心脏疾病的早期诊断均起着显著的作用。同 时，它不受患者活动状态、记录时间和地点的限制，能为心脏疾病的正确分析、 诊断、治疗和监护提供客观指标。 4 第一章绪论 浙江大学面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 近年来动态心电图系统h o l t e r 在临床中得到了广泛应用，随着存储器技术和 医学数字信号处理技术的飞速发展，数字连续记录式h o l t e r 系统逐步取代传统的 磁带式己成为主流产品，记录导联数也从2 - 3 导联向1 2 导联发展，其连续大量 的心电信息( 一般情况下记录2 4 h 可获得约l o 万次的心电信息) 在协助临床诊 断方面已经突显了完整、可靠、准确、使用价值高的特性1 3 1 。 随着起搏技术的发展和心脏起搏器的大量使用，以高采样率和高精度a d 技术为基础的起搏心电图分析和心室晚电位分析成为h o l t e r 技术的研究热点 4 1 。 用于心律失常分析的常规h o l t e r 采样率一般在2 5 0 h z 以下，用于起搏脉冲和心 室晚电位信息包含1 0 0 0 h z 以上的频率成分，只有选择1 0 0 0 h z 以上的采样率才 能完整记录。 由此可见，h o l t e r 提供的功能越强大，它所需要存储的心电数据量就越大。 1 1 3 监护心电图 本节的心电监护主要指床边心电图监护，它通过心电检测仪器对被检者的心 电活动进行长时间的监测，主要包括重症监护室中的心电图监测。重症监护室中 的心电图监测是长时间实时显示和( 或) 记录病人的心电变化，及时发现和诊断 临床心律失常的一种方法。它是临床危重症监护( i c u ) 和冠心病监护( c c u ) 的主要监测内容之一。与临床上监测和诊断心律失常的其他方法相比，实时心电 监测具有明显的优越性。 接受长时问心电监测的病人都相对固定于一定的监测场所，并有专业人员动 态观察、分析、诊断和处理病人随时问变化而出现的心电变化，因此，临床心电 监测具有很好的实时性。这与h o l t e r 监测不同，h o l t e r 只能用于事后对记录结果 进行分析和诊断，因此不能及时发现和处理各种重要的心律失常等事件。 虽然很多现代化的监护系统都带有一些自动检测、识别、诊断和报警功能， 其正确率和漏检率还不能l 每床中的需求。有人统计了一个儿科i c u 在7 天时间 内触发的2 1 7 6 个警报中，只有5 5 在临床上是有意义的，其余所有部是因为病 人或设备人为的或者虚假的操作所造成的。因此，无论是简单的示波心电监测， 还是具有高度自动化功能的监护系统，都离不开训练有素的专业监测人员的具体 第一章绪论 新江大学 面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 工作1 ”。 由于心电监测可以持续任意长时间，因此它所带来的心电数据也是可以不断 持续增长的。 1 2 心电数据远程共享的意义及面临的问题 动态心电图和监护心电图对于诊断心律失常等心血管疾病具有重要的价值， 但在实际临床应用中，却存在一些问题。 首先是医疗资源的有效共享，如。动态心电记录的是2 4 小时以上的心电数 据，数据量大，分析复杂，往往需要有经验的心电分析专家参与。而一般这样的 专家都集中在大城市的中心医院，这样就给很多中小医院进行动态心电分析提出 了难题。同时对于医学研究来说，尽可能多地获得医学数据是研究成功的保障。 将整个区域内的心电数据聚集到一起组成一个共享集合，一方面可以提供心电研 究专家更多的参考信息，另一方面，同一病人不同医院不同时期的数据可以放到 一起进行比较和融合，对医生来说，可以更加清楚病人的病情发展的情况，也可 以方便病人在不同医院间进行就诊嘲。 其次，我们国家的人口数据量大，人口密度高，“看病难”是老百姓生活中 的一大问题，社区医院和全科医生的出现是解决这个问题的重要途径。目前对于 全科医生的需求与日剧增，解决这个问题的途径之一是培养高素质的全科医生， 另一条途径，则可以通过远程诊断和会诊的方式适当降低对全科医生的专业技能 的要求，以心电图为例，全科医生只要具备采集心电数据的能力，就可以将心电 数据发送到远程会诊中心，由会诊中心的专家进行诊断。此外，这也是医疗领域 专业分工细化的需要。 由此可见，为了保证病患能够得到有效地、及时地诊断与治疗，远程诊断和 会诊是解决该问题的有效手段。显然，大容量心电数据的远程共享是远程诊断的 基本和首要问题，心电数据的远程共享可以分为两个过程： 1 大容量心电数据的实时采集与传输。为了对心血管疾病进行准确的诊 断，需要对患者的心电图进行较长时间的连续监测和记录。在心电网络监护系统 中，为传输大量的心电数据而需要较大的带宽；而动态心电和临床心电监护，也 6第一章绪论 浙江大学面向远程信息共享的大容量心电致据的压缩和流式传输硕士学位论文 有大量的心电数据需要记录。将这些心电数据传输到数据中心，是远程共享的第 一步。 2 大容量心电数据的回放浏览与分析。数据中心接收到心电数据后，心电 专家将对这些数据做出分析，另外，医生常常需要对病人的既往病史进行回顾与 综合分析，都需要数据存储服务中心向各个心电工作站或远程专家诊断中心提供 及时的数据传输服务。以2 4 小时1 2 导联心电图，数据精度为1 2 位，采样率为 1 0 0 0 h z 的数据为例，其数据容量大小为：1 0 0 0 1 2 1 2 2 4 3 6 0 0 8 = 1 4 5 g b ，对目 前的广域网的带宽条件下，整个数据的下载时闻会非常漫长。如果，需要同时下 载多个心电数据，则需要消耗的时间更久。因此，有必要研究一种有效的传输机 制，为专家及时进行诊断提供服务。 目前，国内外涉及心电数据的网络传输的研究多集中于远程实时监护领域 1 7 1 1 8 1 1 9 1 ，侧重于在窄带宽，无线通信介质( 如电话网，g p r s ，c d m a 等) 中的心 电数据传输问题的解决。受限于带宽，传输前基本都采用有损压缩以减少心电原 始数据量，以实现实时传输的效果。同时，这些为心电传输所设计的传输方案， 侧重于心电图机与上位机或远程终端的通信协议，如s c p - e c g 标准中定义的通 用e c g 传输协议1 6 1 ，这些研究为本文解决方案提供了思路。本文着重于大容量 心电数据的网络快速回教和测蹩。借鉴多媒体数据的网络传输的解决方案，本文 认为对心电数据进行压缩处理，并采用流的方式进行传输是解决大容量心电数据 远程共享的有效解决途径。本文将在第二章对这两个关键问题的展开讨论。 1 3 研究内容和目标 综上分析，本文目标是设计一个符合临床应用的、面向远程信息共享的大容 量心电数据的传输方案，主要研究内容如下： 研究大容量心电数据远程共享的发展现状及关键问题； 结合心电数据的信号特征和数据特征，研究适用于远程共享方式的心电无 损压缩算法； 基于多媒体流传输的思想，融合心电的无损压缩技术，设计大容量心电数 据传输方案和定义心电数据流传输格式； 7第一章绪论 浙江大学面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 对面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输方案进行实验 评估。 i 4 小结 本章首先对心电图的l 缶床诊断意义进行了说明，然后分析了正常心电图波形 各部分的信号特点，接着对大容量心电数据的临床价值和心电数据特点进行了说 明，重点提出了大容量心电数据远程共享的意义和面临的主要问题，最后，提出 本文研究的目标和主要内容。 s第一章绪论 浙江大学面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 第二章大容量心电数据远程共享的关键问题 2 1 引言 流( s f f e a m i n g ) 技术是在多媒体领域中对远程媒体流实现实时播放的技术。其 基本思想是，将传统的影像系统中的顺序处理结构转换成并行处理结构，而不必 等到整个文件全部下载完毕就能看到内容。采用s t r e a m i n g 技术的媒体播放系统， 只需经过短暂的启动延时，就能够将媒体不中断地播放给用户。谢顺华“1 利用流 技术解决了医学影像数据的“实时”搔放的功能，这种技术对于解决一维的、大 容量医学数据的网络实时浏览同样有效。因此本文将流技术的思想引入到大容量 心电数据的远程共享的方案体系中来。 同时，心电信号本身具有一定的冗余度，使用压缩的方法可以减少这部分冗 余，因而不仅可以节省服务器端的存储空间，同时也可有效减少心电数据传输对 带宽的占用。因此心电数据的压缩也是解决大容量心电数据远程共享的重要方法 之一。 本章将对目前心电数据流技术和压缩技术在国内外应用和发展现状进行详 细的介绍与分析，作为本文的研究基础。 2 2 心电数据流式传输 流技术的提出最早是为了解决音频和视频的网络浏览需要，与单纯的下载方 式相比，这种对多媒体文件边下载边播放的流式传输方式具有以下优点： 1 启动延时大幅度地缩短 用户不用等待所有内容下载到硬盘上才开始浏览，只要有短时间内足够用户 查看的数据，就可以将下载的工作交给后台的线程进行，只要下载的速度能够达 到单位时间内所需的数据量，整个过程就可以连续平稳进行。 2 对系统缓存容量的需求大大降低 由于网络是以包传输为基础进行断续的异步传输，数据被分解为许多包进行 传输，动态变化的网络使各个包可能选择不同的路由，故到达用户计算机的时间 9 第二章大容萤厶电数据远程共享的关键问露 渐扛大学面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 延迟也就不同。所以，在客户端需要缓存系统来弥补延迟和抖动的影响和保证数 据包传输顺序的正确，使媒体数据能连续输出，不会因网络暂时拥堵而出现停顿。 虽然流式传输仍需要缓存，但由于不需要把所有的动画、视音频内容都下载到缓 存中，因此，对缓存的要求降低。 3 流的格式支持用户对数据进行跳跃式浏览，可以直接浏览感兴趣的区域 流的格式中数据被分成各个按一定规则存放的包，如果用户需要浏览某一区 域的信息，过程控制部分将包含指定部分的包进行下载，在进行一定的缓冲处理， 用户就能顺利得到希望的内容。 流技术已经在二维和三维医学图像的网络传输中得到广泛的应用l ”】 1 3 1 4 1 ， 但由于早期心电信号数据量并不大，流技术在心电信号中的应用还不多。a m i n e l l s l 使用离散r a d o n 变换，对心电数据进行压缩，支持可渐近的心电数据传输。首先 将不同的心拍进行分类，构成不同的图像，然后对这些图像使用离散r a d o n 变换， 得到图像的主要能量，将图像主要能量变换后的结果和一些图像同步信息进行传 送，如果医生关心心拍的细节时，可再将原始图像和离散r a d o n 反变换图像的差 值传送到客户端，但该差值是一组相同类型心拍的差值，因此这些心拍在时序可 能也不是连续出现的，而且时间间隔可能很大，这样给医生分析心拍的细节带来 了不便。 李国荣使用一个改进的阶层式的多级树集合分裂算法( l s p i h t ) 对e c g 进行分层压缩。l s p i h t 算法基于多级树集合分裂算法( s e tp a r t i t i o n i n g i n h i e r a r c h i c a lt r e e s ，s p i h t ) ，继承了s p i h t 的优点，提出阶层式的概念。每一分 辨率层级均具有码率或压缩比可调的功能，因而更能适用于不同使用者的需求， 使得不同的接收端能共享相同的来源编码以减少通信网路的复杂度，而达到节省 传输频宽的特性，但该算法是基于心电数据的有损压缩。 可见，大容量心电数据的远程流式传输技术还由很多值得改进之处。 2 3 心电数据压缩 数据压缩技术是以减少描述给定信息集合所需的信号空间为最终目的，所谓 数据就是对给定信息集合的描述。信号空间一般是指数据占用存储介质空间的大 1 0 第二章大容量心电数据远程共享的关键问恿 浙江大学面向远程信息共享的大客量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 小、传输数据所需的时间以及传输数据所需的带宽。以近年出现的远程心电实时 监护系统为例，由于需要采用一定的信号精度( 采样频率2 0 0 f i z 以上，采样精 度8b i t 以上，三导联以上) 进行长时间实时监护( 2 4 小时或者更长时间不间断， 能够随时连接医生工作站) ，受监护终端存储器容量及移动通信网络传输带宽和 传输延迟的限制，监护过程中产生的大量数据必须进行压缩后才能够存储和传 输。 随着心电临床诊断需求的提高和硬件技术的发展，心电信号采集的导联数、 量化级数、采样精度和采样时间随之增加，需要传输和分析的心电数据的大小增 长是相当大的。同时，大容量的心电数据常常和其他的医学信息在共享带宽中同 时传输，因此，为了提高传输效率，对心电数据进行压缩是十分必要的。 心电信号的冗余信息主要表现为相邻采样点问的统计相关性、量化幅值分布 的非均匀性以及各心搏间的相似性。心电压缩算法可分为：无损压缩编码和有损 压缩编码。任何有损压缩编码，都可能使心电信号的一些数据特征被改变，而且 有些重要诊断特征与原始信号相比，可能会出现比较大的差异，从而造成诊断信 息的丢失。无损压缩的缺点是压缩率很难有大的提高，但可以保证采集后的心电 信息无损失地保存、传输，进而用于诊断。 也有一些学者或组织提出心电无损和有损压缩相结合的方式，即对与心电诊 断相关的有用或重要信息的数据部分进行无损压缩，无用信息的数据部分进行有 损压缩的方式。如，s c p - e c g 标准【lo i 中规定，首先将q r s 复合波减去参考拍得 到剩余拍，然后对q r s 复合波范围以外的心电数据先进行低通滤波，再进行下 采样( 将采样间隔由2 m s 扩大为s i n s ) ，接着对下采样后的数据以及剩余拍进行 二阶差分，最后对差分结果进行h u f f m a n 编码。但这样存在二个问题，心电特征 提取( 如q r s 波的识别) 的正确率和精度对信息的丢失有重要的影响，同时， q r s 复合波以外的数据段也常常包括有用的信息( 如s t 段) ，因此，该方法的 实际应用价值难以评估。闫相国等【1 卫结合数据无损压缩和信息无损( 数据微损) 压缩的方法，在多分辨分解中，对2 5 0 i - - i z 以下( 如q r s 复合波) 的信息使用数 据无损压缩的方法，心室晚电位和起搏脉冲等高频成分，在2 5 0 h z 以上采用信 息无损( 数据微损) 压缩。从f i 缶床角度来看，该方法无法信服地证实高频成分的 有损压缩对心血管疾病诊断是否有影响，如q r s 复合波中也存在高频的有用信 l l 第二章大容量心电数据远程共享的关键问题 浙江大学面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 息。 显然，保持心电诊断信息的完整性，应当是心电压缩中首要考虑的因素。其 次，才应当考虑心电数据的压缩率。因此，对心电信号的无损压缩在临床上的诊 断更有意义，也是本文研究的重点。下面，对今年来国内外的心电无损压缩算法 进行回顾。 闰相国等提出了一种基于整整映射滤波组的数据无损压缩算法和优化编 码方案。以m i t - b i h 心律失常数据库为基础，通过多级整整变换把心电信号分 解成在不同频带上的频率成分，然后对分解后的变换数据作统计分析，按空间优 化和速度优化并重的原则，提出了一种适合心电无损压缩的优化编码方法。使用 m i t - b i h ( 采样率为3 6 0 h z ) 数据库测试表明，该算法的平均数据无损压缩率为 2 5 2 。 赵国良等”9 1 针对心电波形变化的特点，在分析增量调制压缩方法和自适应增 量调制压缩方法的基础上，提出了一种心电图数据组合式增量调制压缩方法。针 对量化级数为1 0 位，采样频率为5 0 0 i - i z 的心电数据的压缩率为1 ，8 左右。 刘大茂等1 2 0 1 采用2 4 8 三字节编码算法对心电信号进行了无损压缩。通过对 m i t - b i h 的6 组数据( 每组数据4 0 0 0 个采样点) 进行了验证，压缩率在2 4 9 3 5 8 之间。 杨胜天等i 提出一种基于上下文的近无损压缩算法( 该算法同时也支持无损 压缩) 。它采用的基本技术是差分脉冲编码调制，然后在此基础上运用了基于上 下文的非线性偏差消除技术以适应信号的非线性特点，并且采用自适应的最d - - 乘线性预测器技术以更好的处理非平稳信号，算法还引入了一类特殊的g o l o m b 编码方案。该算法并非给出任何基于标准心电数据集的实验评估结果。 管庶安圆先对原始心电信号进行抗5 0 h z 干扰的二阶差分运算，然后采用基 于转义开关码的编码模型对运算结果进行无损压缩。针对量化级数为9 位、采样 频率为5 0 0 h z 的7 组采集的心电数据进行实验，该算法的压缩率在1 7 7 和3 4 2 之间。 姜向中等 2 a l 对心电数据使用一种类似d p c m 的方式计算差值，缩小数值范 围，再运用h u f f m a n 编码和算术编码的无损压缩算法，使之适用于八位单片机。 1 2第二章大容量心电数据远程共享的关键问题 浙江大学面向远程信息其享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 对实际采集的心电信号( 采样率为2 5 0 h z ，精度为8 位) 进行实验评估，压缩效 果较好。 g i u r c m e a n u 等脚结合上下文和r r 间期估计的方法实现了一种心电数据的 无损压缩算法。该算法是一个短期预测与长期预测相结合的方法，短期预测期和 编码器根据少量的上下文进行调节，长期预测基于r r 间期估计算法。预测的残 差主要用g o l o m b - r i c e ( g r ) 编码。为提高编码效果，某些地方采用了g o l o m b - r i c e e s c a p ec o d e ( 转义码) 。压缩结果由原先1 2 位采样点降低到3 - 4 位采样点。 m i a o u 等埂出一种基于小波的矢量量化方法来压缩心电数据，该算法对作 者原有的无损算法闭进行了改进，实现了一个无损和有损都支持的框架，有损压 缩采用9 7 滤波器，无损采用5 3 整数滤波器。另外，该文提出了新的编码策略 来提高多级树集合分裂的编码效率。算法用m i t - b i h 数据进行评价，其平均的 无损压缩比为3 0 6 8 。 c h o u 掣2 7 1 的心电压缩算法同样支持有损及无损的模式。算法的核心思想是 将心电信号通过q r s 检测算法转成二维矩阵，用j p e g 2 0 0 0 的方法对其进行压 缩。j p e g 2 0 0 0 具有有损和无损两种模式，因此该算法也可以同时提供无损和有 损的压缩方式。该算法的优点是对心电波形的不规则区域效果也较好。该算法将 一维心电信号转为二维的方式时，取当前q g s 前1 3 0 个点到下一个q r s 波的前 1 3 0 个点作为二维矩阵中的一行，矩阵的列数为5 0 0 个点( 蛐t - b m 心律失常数 据库，3 6 0 h z 采样率) ，大多数的r r 间期不到5 0 0 的长度，因此矩阵每行的行 末都用均值补齐。c h o u 提供了两个m i t - b i h 数据库中的数据的无损压缩比，其 中记录1 0 0 的无损压缩比为3 0 8 ，记录1 1 9 为2 8 5 。 尽管从理论上来说，任何有损压缩的技术，例如变换编码或子带编码，都可 以通过传输量化误差而用于无损压缩，但是正如r o o s 等瞄l 所指出的，这必将导 致相当低的压缩率。因此，这样的方法不适合于在无损压缩中运用。目前关注心 电信号无损压缩的专家学者还较少，大部分人都对有损压缩体现出更多的兴趣。 但是根据有些国家的法律准则( 如美国) ，有损的数据是不能用户临床诊断的嘲。 因此，心电数据，尤其是大容量心电数据的无损压缩算法还需要进一步研究。上 面所述的算法除了无损压缩率还有提高的空间外，考虑更多的是算法本身的效 1 3 第二章大容量心电数据远程共享的关键问恿 浙江大学面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 果，大部分算法都没有对性能进行评估，故这些压缩方法更适用于心电数据存储， 而对于心电数据传输的效果和性能上往往被忽视。 2 4 小结 本章对心电数据的流技术及压缩技术的国内外发展现状进行了回顾与分析。 流技术在心电信号中的应用还不多，而心电压缩算法大部分集中在对有损压缩的 研究上，无损压缩算法的压缩效果还不够理想。因此本文将对心电无损压缩算法 展开进一步研究，并结合无损压缩技术，研究心电数据的远程流式传输方法。 1 4 第二章大容量心电数据远程共享的关键问题 浙江大学面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 3 1 引言 第三章心电数据无损压缩 根据第一章的讨论，解决大容量心电数据的远程共享，需解决的问题有两个： 一是对心电数据有效的快速的无损压缩，二是针对心电信号及其临床应用的特点 设计合理的符合流式传输的心电数据格式。本章将研究心电数据的无损压缩算 法。 通用的无损压算法分为统计压缩和词典压缩算法。因此，直接使用这两种算 法对心电数据进行压缩，压缩效果一定不是最佳。所以，一个适用于心电信号的 压缩算法，必须针对心电信号的特点进行压缩。心电信号是一种准周期信号，其 波形呈现某种相似性，因而是一冗余度较大，而熵较小的信号，从理论上来讲， 应该具有较大的压缩比。而传统的很多方法，包括时域与变换域方法，没有考虑 这种相似性，因而压缩比受到很大的限制。 由于心电信号容易受到各种噪声干扰，因此，在对心电数据进行压缩前，往 往需要进行某些信号预处理，以达到最好的压缩效果。由于本文采用心电无损压 缩并应用于传输，因此，任何对心电信号的处理，都应当是完全可逆的、简单的。 本文选择m i t - b i h 标准心律失常数据库( 将在第五章进行具体说明) 作为实验 研究和评估数据集，首先对心电数据进行一阶差分处理，不仅滤除了可能存在的 基线漂移，而且可以直接将心电数据由1 2 位降低到8 位。在对心电数据进行一 阶差分的基础上，为了有效提取波形中周期性的相似性，本文首先通过q r s 波 形检测算法找出q r s 差分波形的峰值位置，将差分后的心电数据按心拍分段进 行压缩。 3 2 差分0 r s 波波峰检测 本节我们首先研究r 波波峰的检测算法，然后再比较差分q r s 波波峰和r 波波峰之间的关系。在心电图中，r 波具有波形陡峭、幅度大、宽度窄的特点。 r 波实时检测中比较有代表性的是h a m i l t o n 等阈值检测法。该算法对r 波检 第三章心电毅据无损压缩 测率非常高，对m i t - b i h 标准心律失常数据库的检测率高达9 9 6 9 ，而且简单、 快速。h a m i l t o n 的r 波峰值检测算法基本流程如图( 3 1 ) 所示。 围3 - 1r 峰检测算法 图( 3 - 2 ) 显示了使用h a m i l t o n 的r 波峰值检测效果。 1 6第三章心电数据无损压缩 浙江大学面向远程信息共享的大容量心电数据的压缩和流式传输硕士学位论文 1 o 9 o 8 0 7 0 6 o 5 0 4 0 3 0 2 o 1 0 图3 - 2 记