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深度学习在心电信号分类及降噪中的应用研究

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第 1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 心律失常自动识别研究现状

1.2.2 心电图降噪处理的研究现状

1.3 本文主要工作

1.4 本文组织结构

第 2 章 心电图及神经网络模型介绍

2.1 引言

2.2 基本心电知识和心律失常

2.3 循环神经网络模型

2.3.1 循环神经网络模型概述

2.3.2 循环神经网络模型结构

2.3.3 循环神经网络模型的计算

2.4 长短期记忆网络(LSTM)模型

2.4.1 长短期记忆网络模型概述

2.4.2 长短期记忆网络模型原理结构

2.5 生成对抗网络模型

2.5.1 生成对抗网络模型概述

2.5.2 生成对抗网络模型结构

2.6 本章小结

第 3 章 基于 CNN 和 BiLSTM 的心律失常分类研究

3.1 数据预处理

3.1.1 去噪及 QRS 波定位

3.1.2 心跳节拍提取

3.2 CNN-BiLSTM 分类模型

3.2.1 基本框架

3.2.2 分类模型介绍

3.3 实验和评估

3.3.1 实验设置

3.3.2 数据集描述

3.3.3 评估指标

3.3.4 实验结果与分析

3.3.5 对比分析

3.4 本章小结

第 4 章 基于 WGAN 算法的心电信号降噪研究

4.1 心电信号的噪声类型

4.1.1 肌电干扰

4.1.2 工频干扰

4.1.3 基线漂移

4.2 基于 WGAN 的心电信号降噪模型

4.2.1 数据预处理

4.2.2 降噪模型

4.2.3 损失函数

4.3 实验和评估

4.3.1 实验设置

4.3.2 数据集描述

4.3.3 评估指标

4.3.4 实验结果与分析

4.3.5 对比分析

4.4 本章小结

结 论

参考文献

附录 A 攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢

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摘要

随着物联网设备被广泛应用于心电数据的收集上,如何有效的对心律失常进行自动诊断分类,让患者得到快捷的诊断和医治,以及如何高质量地将干净心电信号从带噪声的心电信号中恢复出来,已成为智能医疗领域的重要研究课题。深度学习的日渐成熟为解决这一难题提供了有力的支撑。但在基于深度学习模型的心律失常分类应用中,现有的分类方法没有充分考虑心电序列数据中各个时间点前后信息对隐性特征的影响,以及心电信号存在的噪声影响心电信号的分类,而现有的降噪方法把噪声类型过于简单化和单一化,即使考虑了多种噪声类型同时存在的情况,也未充分考虑心电信号的局部相关性和全局相关性。针对上述提出的问题,本文运用深度学习技术和方法,重点研究了心电信号的心律失常检测分类方法和心电信号的智能降噪方法。其中,分类模型取得了较高的准确率,降噪方法取得了较低的均方根误差和较高的信噪比。主要内容介绍如下:  第一,提出了一种结合卷积神经网络和双向长短时记忆神经网络(CNN-BiLSTM)的心律失常检测分类模型。在数据预处理部分,首先采用预处理和自适应阈值的方法完成心电信号去噪和QRS波的定位,然后选择心跳节拍提取算法,以提取等长的不同类别的心跳节拍。在分类模型部分,利用卷积神经网络(CNN)模型善于提取局部平行特征的优势,提取心电信号的局部特征。基于长短时记忆神经网络(LSTM)善于提取长时间序列数据特征的优势,利用双向长短时记忆神经网络(BiLSTM)模型提取心电信号的长时间依赖特征。选择MIT-BIH心律失常数据集对CNN-BiLSTM分类模型进行验证,实现了正常窦性心律(N)、左束支传导阻滞(L)、右束支传导阻滞(R)和室性早搏(V)四种心律失常的自动检测分类。最终取得了99.18%的准确率,99.18%的精度,99.18%的召回率以及99.18%的F1分数。实验结果表明本文提出的分类模型能够很好的对时间依赖性的心电数据进行分类。  第二,提出了一种基于Wasserstein距离的生成对抗网络(WGAN)的心电信号降噪方法。为了反映现实生活中未知噪声类型的真实情况,在数据预处理部分,将信噪比为0db、1.25db和5db的三种不同的噪声叠加在干净心电信号上,将噪声数据与干净心电数据合成含噪的心电数据。在模型的降噪部分,考虑了七类噪声混合类型,并从心电信号的局部特征和全局特征的角度出发,在生成网络中额外增加了两个损失函数来指导降噪心电数据生成。采用MIT-BIH心律失常标准数据库和MIT-BIH噪声压力心电数据库对降噪模型进行验证,不管是对单一的噪声进行降噪,还是对混合噪声进行去噪,此降噪方法均取得了较低的均方根误差和较高的信噪比。实验结果表明本文提出的智能降噪模型可以很好地实现心电信号的降噪。

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