本發(fā)明涉及壓縮編碼、信號重構(gòu)以及無線信道等領域，尤其涉及一種心電數(shù)據(jù)壓縮以及無線傳輸?shù)姆椒ā?/p>

背景技術(shù)：

心電數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)一般包括傳感器節(jié)點(ECG傳感器)、匯聚節(jié)點(協(xié)調(diào)器)和后臺基站。傳感器節(jié)點將采集到的心電數(shù)據(jù)首先發(fā)送到匯聚節(jié)點。協(xié)調(diào)器作為展示平臺將得到的數(shù)據(jù)顯示出來，同時將數(shù)據(jù)繼續(xù)發(fā)送到后臺基站。一般協(xié)調(diào)器可以是手機或者PDA，基站一般是醫(yī)療機構(gòu)。由于這種穿戴式無線傳輸系統(tǒng)對設備體積和重量都有限制，所以要對系統(tǒng)進行能量有效性設計，傳感器采集的心電數(shù)據(jù)需要經(jīng)過壓縮。傳統(tǒng)的壓縮方式一般用于有線心電設備，當無線傳輸出現(xiàn)丟包時，一般的壓縮方式就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)的缺失。壓縮感知技術(shù)主要有兩個特點：無差別采樣和分布式簡單編碼，這使得它成為傳感網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集的新方法。壓縮采樣采集的數(shù)據(jù)如果在傳輸中出現(xiàn)丟失，不會出現(xiàn)源數(shù)據(jù)的缺失，而是以誤差的形式表現(xiàn)在解壓的數(shù)據(jù)上。

很多先前工作指出基于稀疏性的壓縮可以用于ECG信號以及其他身體參數(shù)信號。當壓縮感知方法應用到心電信號壓縮時，一個重要的假設是心電信號的稀疏度是恒定的，這個假設當數(shù)據(jù)幀的長度足夠時可以成立，但是同時也增加了系統(tǒng)的響應時間。實際上，對于一個實時心電診斷系統(tǒng)來說，響應時間應當小于300毫秒，這就需要每一幀數(shù)據(jù)對應的采樣時間要更少。當數(shù)據(jù)幀長度減小后，數(shù)據(jù)稀疏度變化就非常大了。除了稀疏度變化以外，對于重構(gòu)誤差的估計是基于壓縮感知的心電監(jiān)測系統(tǒng)的另一個挑戰(zhàn)。理論上講，當系統(tǒng)滿足某些條件時(如數(shù)據(jù)為K稀疏的、采樣率滿足某些經(jīng)驗公式的要求、測量矩陣滿足限制等距原則等)，重構(gòu)誤差會有上界。但是，對于一個實時心電檢測系統(tǒng)，根據(jù)上面所說，數(shù)據(jù)的稀疏度是變化的。而且，不穩(wěn)定的無線信道會導致丟包率的增加，使得數(shù)據(jù)欠采樣，這也會影響系統(tǒng)的重構(gòu)質(zhì)量。因此，對于傳統(tǒng)的壓縮感知架構(gòu)，重構(gòu)誤差會有很大的波動。另外，由于協(xié)調(diào)器無法得到原始數(shù)據(jù)，所以很難得到重構(gòu)誤差的準確數(shù)值。

國內(nèi)申請?zhí)枮?01410428685.X的名稱為“一種具有無線傳輸功能的便攜式心電監(jiān)護儀”的專利申請，通過單片機處理采樣信號，通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到PDA并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，整個系統(tǒng)沒有考慮到數(shù)據(jù)的壓縮與能量有效性設計。國內(nèi)申請?zhí)枮?01110206698.9的名稱為“基于小波算法的心電信號傳輸方法和系統(tǒng)”的專利提出了通過小波編碼的心電壓縮方法，國內(nèi)申請?zhí)枮?01510974314.6的名稱為“心電信號壓縮傳輸方法及其心電監(jiān)護系統(tǒng)”的專利申請?zhí)岢隽送ㄟ^基于卷積壓縮編碼的方式將心電數(shù)據(jù)壓縮并傳輸，這兩種方法能夠提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男实菦]有考慮到傳輸出現(xiàn)丟包對解壓縮質(zhì)量的影響。

現(xiàn)有技術(shù)中對一般數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)編碼壓縮方式，未能考慮是否適合無線傳輸?shù)男枰涣硗鉄o線傳輸出現(xiàn)丟包時，數(shù)據(jù)重構(gòu)質(zhì)量無法保證；壓縮方法對數(shù)據(jù)的時延沒有設置上限，無法實現(xiàn)實時的監(jiān)控。因此，本領域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種基于壓縮感知的心電信號壓縮率自適應調(diào)節(jié)無線傳輸方法，將數(shù)據(jù)編碼壓縮方式和無線傳輸?shù)奶攸c結(jié)合起來，以保證數(shù)據(jù)重構(gòu)質(zhì)量，滿足心電數(shù)據(jù)實時監(jiān)控的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何保證數(shù)據(jù)重構(gòu)質(zhì)量，滿足心電數(shù)據(jù)實時監(jiān)控的要求，具體地說，如何在無線傳輸出現(xiàn)丟包的時候，不影響心電數(shù)據(jù)的傳輸；如何在沒有原始數(shù)據(jù)的情況下估計數(shù)據(jù)的重構(gòu)誤差；如何保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時延。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種心電信號壓縮率自適應調(diào)節(jié)無線傳輸系統(tǒng)，包括傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器，所述傳感器節(jié)點被配置為獲取原始信號、數(shù)據(jù)采樣壓縮以及將壓縮后的數(shù)據(jù)發(fā)送到所述協(xié)調(diào)器；所述協(xié)調(diào)器被配置為接收所述壓縮數(shù)據(jù)和恢復所述壓縮數(shù)據(jù)；所述傳感器節(jié)點還包括稀疏度估計模塊，所述協(xié)調(diào)器還包括無線補償模塊和誤差控制模塊；所述稀疏度估計模塊被配置為計算數(shù)據(jù)的稀疏度以及根據(jù)稀疏度估計采樣率，所述無線補償模塊被配置為補償無線通訊過程中的丟包，所述誤差控制模塊被配置為控制重構(gòu)誤差。

進一步地，所述傳感器節(jié)點采用的稀疏化方法為快速傅里葉變換、離散余弦變換或者小波變換中的一種。

進一步地，所述稀疏度估計模塊被配置為根據(jù)每幀數(shù)據(jù)的稀疏度分類和對應的模型以及根據(jù)所述協(xié)調(diào)器發(fā)送的丟包信息得到每幀數(shù)據(jù)所需要的采樣率。

進一步地，所述傳感器節(jié)點被配置為根據(jù)原始數(shù)據(jù)生成引導數(shù)據(jù)；所述引導數(shù)據(jù)被配置為在恢復數(shù)據(jù)時估計重構(gòu)誤差；在壓縮數(shù)據(jù)中隨機選擇10％的數(shù)據(jù)作為所述引導數(shù)據(jù)。

進一步地，所述傳感器節(jié)點被配置為根據(jù)原始數(shù)據(jù)生成控制數(shù)據(jù)。

進一步地，所述傳感器節(jié)點被配置為將壓縮數(shù)據(jù)、引導數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)打包發(fā)送給所述協(xié)調(diào)器，所述控制數(shù)據(jù)是無線傳輸過程中的包頭。

本發(fā)明還提供了一種心電信號壓縮率自適應調(diào)節(jié)無線傳輸方法，包括以下步驟：

步驟1、在傳感器節(jié)點，原始心電數(shù)據(jù)X^N*1首先被稀疏化得到X_S^N*1，其中N為每幀需要壓縮的原始數(shù)據(jù)長度；

步驟2、根據(jù)X_S的稀疏度K來計算隨機觀測矩陣A^M*N的維度M，通過離線建模得到M與K的關系；

步驟3、通過觀測矩陣A將數(shù)據(jù)壓縮成Y^M*1，

Y＝A·Xs

步驟4、根據(jù)原始數(shù)據(jù)生成引導數(shù)據(jù)，引導數(shù)據(jù)用來在恢復數(shù)據(jù)時估計重構(gòu)誤差，在壓縮數(shù)據(jù)Y中隨機選擇10％的數(shù)據(jù)作為引導數(shù)據(jù)；

步驟5、根據(jù)原始數(shù)據(jù)生成控制數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)是無線傳輸過程中的包頭；

步驟6、傳感器節(jié)點將壓縮數(shù)據(jù)、引導數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)打包，通過無線網(wǎng)絡發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點；

步驟7、協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，恢復所述壓縮數(shù)據(jù)。

進一步地，所述稀疏化的方法為快速傅里葉變換、離散余弦變換或者小波變換中的一種。

進一步地，步驟2中所述的離線建模的方法為：

首先，根據(jù)不同的稀疏度對數(shù)據(jù)幀進行分類，離線采集用戶大于10000個數(shù)據(jù)幀D，采用快速聚類算法將數(shù)據(jù)分為兩類；

其次，根據(jù)數(shù)據(jù)的稀疏度和采樣率的分布進行建模，所建模型為分段線性模型：

其中，Ω_i(i＝1,2)由上述的分類方法來確定，參數(shù)C_i(i＝1,2,3,4)通過求解優(yōu)化問題來得到：

s.t.s_i-ar_i-b≥0

其中，s_i表示每個數(shù)據(jù)幀的稀疏度，r_i表示每一幀的采樣率，a和b即為分段函數(shù)中的系數(shù)；

最后，根據(jù)每幀數(shù)據(jù)的稀疏度分類和對應的模型，可以得到每幀數(shù)據(jù)所需要的采樣率Ms，根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)送的丟包信息PLR得到

M＝Ms/(1-PLR)；

由此確定隨機觀測陣A的維數(shù)M*N。

進一步地，步驟7還包括以下步驟：

首先，確認所述壓縮數(shù)據(jù)、所述引導數(shù)據(jù)和所述控制數(shù)據(jù)是否完整，如果部分壓縮數(shù)據(jù)丟失，無線補償模塊將估計信道狀況；如果引導數(shù)據(jù)或者控制數(shù)據(jù)丟失，下一幀的采樣率將只由稀疏度估計模塊來決定；

其次，在傳感器節(jié)點端，稀疏度估計模塊的輸入是下一幀數(shù)據(jù)的稀疏度，輸出是對下一幀的壓縮率估計M_S；在協(xié)調(diào)器端，誤差控制模塊的輸入是誤差的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)這些歷史數(shù)據(jù)誤差控制模塊可以調(diào)整下一幀的采樣率；

最后，無線補償模塊可以獲取當前無線信道的丟包率PLR，然后將丟包率PLR發(fā)送給傳感器節(jié)點。

為了解決無線心電監(jiān)測系統(tǒng)中的時延限制和誤差估計問題，在本發(fā)明公開了一種針對實時心電監(jiān)測的自適應壓縮感知引擎。在傳感器節(jié)點端，采用一個離線稀疏度模型來獲取數(shù)據(jù)的采樣率，同時檢測無線丟包率以及在協(xié)調(diào)器端設計一種基于丟包和重構(gòu)質(zhì)量的在線更新模型。本發(fā)明設計了一個閉環(huán)的控制引擎以保證重構(gòu)質(zhì)量。系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)稀疏度的變化和無線丟包來調(diào)整采樣率。系統(tǒng)的延時不超過300毫秒。本發(fā)明分析了心電信號稀疏度的時變特性，建立了采樣率和稀疏度之間的離線模型并在傳感器節(jié)點端進行應用，幾乎沒有增加傳感器節(jié)點的計算量。本發(fā)明引入引導數(shù)據(jù)，估計數(shù)據(jù)的重構(gòu)誤差。建立誤差變化和壓縮率變化關系的模型。通過在線更新穩(wěn)定重構(gòu)誤差。

基于壓縮感知的無線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包含傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器兩個部分。傳感器節(jié)點主要負責獲取原始信號、數(shù)據(jù)壓縮以及發(fā)送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器負責接收壓縮數(shù)據(jù)和恢復數(shù)據(jù)。圖1的上半部分是傳統(tǒng)的壓縮感知模塊框圖。在傳感器節(jié)點端，壓縮感知模塊的輸入是原始心電數(shù)據(jù)X。經(jīng)過稀疏化和采樣后，傳感器節(jié)點的輸出是Y，然后發(fā)送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器接收到Y(jié)(有些數(shù)據(jù)在傳輸中丟失)并恢復出原始數(shù)據(jù)。一般來說，Ψ，K和M都是常數(shù)。由協(xié)調(diào)器計算恢復出來的數(shù)據(jù)X′就是對原始信號X的估計。如果數(shù)據(jù)稀疏度和無線信道變化很大的時候，恢復的數(shù)據(jù)X_′和原始數(shù)據(jù)X有很大的差別。圖1的下半部分是本發(fā)明提出的自適應壓縮感知引擎，包括3個部分：稀疏度估計模塊、無線補償模塊和誤差控制模塊。稀疏度估計模塊用來計算數(shù)據(jù)的稀疏度以及根據(jù)稀疏度估計采樣率。無線補償模塊用來補償無線通訊過程中的丟包。誤差控制模塊用來控制重構(gòu)誤差。

本發(fā)明所述的心電信號壓縮率自適應調(diào)節(jié)無線傳輸系統(tǒng)運行的步驟如下：

步驟1：在傳感器節(jié)點，原始心電數(shù)據(jù)X^N*1首先被稀疏化得到X_S^N*1，其中N為每幀需要壓縮的原始數(shù)據(jù)長度。稀疏化方法一般采用的方法是快速傅里葉變換、離散余弦變換或者小波變換等。

Xs＝fft(X)或者Xs＝dct(X)或者Xs＝dwt(X)

步驟2：根據(jù)X_S的稀疏度K來計算隨機觀測矩陣A^M*N的維度M，首先要離線建模得到M與K的關系，建模的方法為：

首先，根據(jù)不同的稀疏度對數(shù)據(jù)幀進行分類。離線采集用戶一定數(shù)量的數(shù)據(jù)幀D(數(shù)目大于10000)，采用快速聚類算法將數(shù)據(jù)分為兩類：

其次，根據(jù)數(shù)據(jù)的稀疏度和采樣率的分布進行建模。確定模型為分段線性模型：

其中，Ω_i(i＝1,2)由上面的分類方法來確定，參數(shù)C_i(i＝1,2,3,4)通過求解優(yōu)化問題來得到：

s.t.s_i-ar_i-b≥0

其中，s_i表示每個數(shù)據(jù)幀的稀疏度，r_i表示每一幀的采樣率，a和b即為分段函數(shù)中的系數(shù)。

根據(jù)每幀數(shù)據(jù)的稀疏度分類和對應的模型，可以得到每幀數(shù)據(jù)所需要的采樣率Ms，根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)送的丟包信息PLR得到

M＝Ms/(1-PLR)

由此確定隨機觀測陣A的維數(shù)M*N。

步驟3：通過觀測矩陣A將數(shù)據(jù)壓縮成Y^M*1。

Y＝A·Xs

步驟4：根據(jù)原始數(shù)據(jù)生成引導數(shù)據(jù)。引導數(shù)據(jù)用來在恢復數(shù)據(jù)時估計重構(gòu)誤差。在壓縮數(shù)據(jù)Y中隨機選擇10％的數(shù)據(jù)作為引導數(shù)據(jù)。

步驟5：根據(jù)原始數(shù)據(jù)生成控制數(shù)據(jù)?？刂谱止?jié)是無線傳輸過程中的包頭。這三種數(shù)據(jù)同時傳送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)，同時確定數(shù)據(jù)的完整性。

步驟6：傳感器節(jié)點將壓縮數(shù)據(jù)、引導數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)打包，通過無線網(wǎng)絡發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。

步驟7：協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，首先確認三部分數(shù)據(jù)是否完整。如果部分壓縮數(shù)據(jù)丟失，無線補償模塊將估計信道狀況。如果引導數(shù)據(jù)或者控制數(shù)據(jù)丟失，下一幀的采樣率將只由稀疏度估計模塊來決定。在傳感器節(jié)點端，稀疏度估計模塊的輸入是下一幀數(shù)據(jù)的稀疏度，輸出是對下一幀的壓縮率估計M_S。在協(xié)調(diào)器端，誤差控制模塊的輸入是誤差的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)這些歷史數(shù)據(jù)誤差控制模塊可以調(diào)整下一幀的采樣率。無線補償模塊可以獲取當前無線信道的丟包率PLR，然后將PLR發(fā)送給傳感器節(jié)點。

本發(fā)明的優(yōu)點是：采用壓縮感知技術(shù)加閉環(huán)控制用來實現(xiàn)無線心電傳輸系統(tǒng)，可以有效的針對不同患者的不同數(shù)據(jù)稀疏度來實現(xiàn)不同的壓縮采樣率；同時可以根據(jù)無線信道的情況自適應的調(diào)整壓縮率，實現(xiàn)出現(xiàn)丟包的時候不丟失心電數(shù)據(jù)。

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一個較佳實施例的系統(tǒng)架構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的一個較佳實施例的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

本實施例硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，系統(tǒng)中傳感器端微處理器采用ADSP-BP592；藍牙模塊采用HC-06無線藍牙串口透傳從機模塊；存儲模塊采用ADSP-BP592片上flash；心電采樣模塊采用AD8232運放前端；AD采樣芯片采用PCF8591T；傳感器和協(xié)調(diào)器之間通訊采用CC2530節(jié)點；協(xié)調(diào)器由PDA擔當。

本實施例硬件系統(tǒng)運行的步驟如下：

第一步：設備佩戴

步驟11：將心電傳感器設備佩戴在胸前。

步驟12：通過平板電腦連接ECG藍牙模塊。傳感器以360Hz的頻率實時采集人體心電數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器會將無線信道的實時狀況發(fā)送到傳感器。

第二步：建模過程

步驟21：傳感器首先采集10000組(至少)用戶數(shù)據(jù)，通過隨機生成觀測矩陣A。用觀測矩陣以恒定的壓縮率50％對用戶數(shù)據(jù)進行壓縮，并把原始數(shù)據(jù)和壓縮數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器解壓縮數(shù)據(jù)，獲得數(shù)據(jù)重構(gòu)質(zhì)量，并生成用戶數(shù)據(jù)庫D。D的每個數(shù)據(jù)中都包括數(shù)據(jù)幀的壓縮率和數(shù)據(jù)的稀疏度。

步驟22：采用快速聚類算法進行聚類：

輸入：數(shù)據(jù)集合D

輸出：聚類中心μ'₁,μ'₂

1)計算數(shù)據(jù)集合中各幀的稀疏度出現(xiàn)的次數(shù)，將出現(xiàn)次數(shù)最多的兩個峰值μ₁,μ₂做為初始聚類中心；

2)判斷若滿足|mu_j-μ'_j|＞∈則執(zhí)行第(3)步，若不滿足，執(zhí)行第(5)步；

3)根據(jù)c⁽ⁱ⁾:＝argmin||d_(i)-μ_j||²將數(shù)據(jù)集合分為兩類；

4)每一類重新計算聚類中心

5)輸出μ'₁,μ'₂。

步驟23：根據(jù)數(shù)據(jù)的稀疏度和采樣率的分布進行建模。確定模型為分段線性模型：

其中，Ω_i(i＝1,2)由上面的分類方法來確定，參數(shù)C_i(i＝1,2,3,4)通過求解優(yōu)化問題來得到：

s.t.s_i-ar_i-b≥0

其中，s_i表示每個數(shù)據(jù)幀的稀疏度，r_i表示每一幀的采樣率，a和b即為分段函數(shù)中的系數(shù)。

第三步：正常工作

步驟31：在傳感器節(jié)點，原始心電數(shù)據(jù)X^N*1首先被稀疏化得到X_S^N*1，其中N為每幀需要壓縮的原始數(shù)據(jù)長度。稀疏化方法采用離散余弦。

Xs＝dct(X)

步驟32：根據(jù)上面得到的稀疏度K和采樣率Ms關系的模型來計算隨機觀測矩陣A^M*N的維度Ms。

稀疏度K的計算公式為：

K＝||X_s||₀

步驟33：根據(jù)每幀數(shù)據(jù)的稀疏度分類和對應的模型，可以得到每幀數(shù)據(jù)所需要的采樣率Ms，根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)送的丟包信息PLR得到

M＝Ms/(1-PLR)

此確定隨機觀測陣A的維數(shù)M*N。

步驟34：通過觀測矩陣A將數(shù)據(jù)壓縮成Y^M*1。

Y＝A·Xs

步驟35：傳感器節(jié)點將壓縮數(shù)據(jù)Y通過無線網(wǎng)絡發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。

步驟36：協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，首先確認數(shù)據(jù)是否完整。如果部分壓縮數(shù)據(jù)丟失，無線補償模塊將估計信道狀況。如果引導數(shù)據(jù)或者控制數(shù)據(jù)丟失，下一幀的采樣率將只由稀疏度估計模塊來決定。在傳感器節(jié)點端，稀疏度估計模塊的輸入是下一幀數(shù)據(jù)的稀疏度，輸出是對下一幀的壓縮率估計MS。在協(xié)調(diào)器端，誤差控制模塊的輸入是誤差的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)這些歷史數(shù)據(jù)誤差控制模塊可以調(diào)整下一幀的采樣率。無線補償模塊可以獲取當前無線信道的丟包率PLR，然后將PLR發(fā)送給傳感器節(jié)點。

以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。