izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2021-5-67-72izmertech-1891Research ArticleМЕДИЦИНСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯMEDICAL AND BIOLOGICAL MEASUREMENTSМетодика детектирования R-зубцов электрокардиосигнала на основе вейвлет-декомпозицииMethod for detecting R-waves of an ECG signal based on wavelet decompositionhttps://orcid.org/0000-0002-6022-6314ФедотовА. А.FedotovA. A.

Александр Александрович Федотов

Самара

Aleksandr A. Fedotov

Samara

fedoaleks@yandex.ruСамарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева (Самарский университет)РоссияSamara National Research University (Samara University)Russian Federation2021270720230567- 72Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1891

Повышение эффективности кардиологической диагностики на основе анализа вариабельности сердечного ритма человека обусловливает необходимость разработки точных методов обнаружения R-зубцов электрокардиосигнала. Разработана и исследована методика детектирования R-зубцов электрокардиосигнала на основе применения кратномасштабных вейвлет-преобразований. В предлагаемую методику обнаружения R-зубцов включены последовательные этапы цифровой обработки электрокардиосигнала: кратномасштабное вейвлет-преобразование; набор нелинейных операторов; адаптивный алгоритм обнаружения максимумов сигнала. Проведён сравнительный анализ предлагаемой методики с существующими подходами к обнаружению R-зубцов электрокардиосигнала. Для получения количественных характеристик оценки эффективности обнаружения R-зубцов использовано имитационное моделирование электрокардиосигнала, содержащего шумы и помехи различной интенсивности и природы возникновения. Эффективность рассматриваемых подходов к обнаружению R-зубцов электрокардиосигнала исследована для клинических записей биосигналов. Оценена абсолютная погрешность измерения длительностей RR-интервалов для модельных сигналов с различными уровнями зашумления. Показано, что предложенная методика обнаружения R-зубцов электрокардиосигнала на основе кратномасштабных вейвлет-преобразований характеризуется малыми погрешностями измерения длительностей RR-интервалов, высокими показателями истинного обнаружения и малыми ошибками ложного обнаружения и пропуска.

Increasing the efficiency of cardiological diagnostics based on the analysis of human heart rate variability necessitates the development of accurate methods for detecting the R-waves of the electrocardiosignal (ECG signal). A technique for detecting R-waves of an ECG signal based on the wavelet multiresolution analysis (WMRA). The proposed technique for detecting R-waves includes sequential stages of digital processing of an ECG signal: WMRA; a set of nonlinear operators; adaptive algorithm for detecting signal peaks. A comparative analysis of the proposed technique with existing approaches to the detection of R-waves of the ECG signal has been carried out. To obtain quantitative characteristics of evaluating the efficiency of detecting R-waves, we used imitation modeling of an ECG signal containing noises and interferences of various intensity and nature of occurrence. The effectiveness of the considered approaches to the detection of R-waves of the ECG signal was investigated for clinical recordings of ECG signal. The absolute error of measuring the RR-interval durations for model signals with different noise levels is estimated. It is shown that the proposed method for detecting R-waves of an ECG signal based on WMRA is characterized by small errors in measuring the duration of RR-intervals, high rates of true detection and small errors of false detection and omission.

электрокардиосигналR-зубецпогрешностьдетектированиекратномасштабные вейвлетпреобразованияECG signalR-waveuncertaintydetectingmultiresolution wavelet transformsReferencesФедотов А. А., Акулов С. А. Математическое моделирование и анализ погрешностей измерительных преобразователей биомедицинских сигналов. М.: Физматлит, 2013. 280 с.Fedotov A. A., Akulov S. A. Matematicheskoe modelirovanie i analiz pogreshnostej izmeritel’nyh preobrazovatelej biomedicinskih signalov [Mathematical modeling and analysis of errors of measuring transducers of biomedical signals], Moscow, Fizmatlit Publ., 2013, 280 p. (in Russ.)Task Force of the European Society of Cardiology and North American Society of Pacing and Electrophysiology, Circulation, 1996, vol. 93, no. 5, pp. 1043–1065. https://doi.org/10.1161/01.CIR.93.5.1043Task Force of the European Society of Cardiology and North American Society of Pacing and Electrophysiology, Circulation, 1996, vol. 93, no. 5, pp. 1043–1065. https://doi.org/10.1161/01.CIR.93.5.1043Friesen G. M., Jannett T. C., Jadallah M. A., Yates S. L., Quint S. R., Nagle H. T., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1990, vol. 37, no. 1, pp. 85–98. https://doi.org/10.1109/10.43620Friesen G. M., Jannett T. C., Jadallah M. A., Yates S. L., Quint S. R., Nagle H. T., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1990, vol. 37, no. 1, pp. 85–98. https://doi.org/10.1109/10.43620Biomedical Digital Signal Processing: C Language Examples and Laboratory Experiments for the IBM PC, ed. Willis J. Tompkins, Prentice Hall, New Jersey, 1993, 368 p.Biomedical Digital Signal Processing: C Language Examples and Laboratory Experiments for the IBM PC, ed. Willis J. Tompkins, Prentice Hall, New Jersey, 1993, 368 p.Theis F. J., Meyer-Base А., Biomedical signal analysis: Contemporary methods and applications, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 2010, 423 p.Theis F. J., Meyer-Base А., Biomedical signal analysis: Contemporary methods and applications, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 2010, 423 p.Xue Q., Hu Y. H., Tompkins W. J., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1992, vol. 39, no. 4, pp. 317–329. https://doi.org/10.1109/10.126604Xue Q., Hu Y. H., Tompkins W. J., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1992, vol. 39, no. 4, pp. 317–329. https://doi.org/10.1109/10.126604Kadambe S., Murray R., Boudreaux-Bartels G. F., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1999, vol. 46, no. 7, pp. 838–848. https://doi.org/10.1109/10.771194Kadambe S., Murray R., Boudreaux-Bartels G. F., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1999, vol. 46, no. 7, pp. 838–848. https://doi.org/10.1109/10.771194Pan J., Tompkins W. J., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1985, vol. BME-32, no. 3, pp. 230–236. https://doi.org/10.1109/TBME.1985.325532Pan J., Tompkins W. J., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1985, vol. BME-32, no. 3, pp. 230–236. https://doi.org/10.1109/TBME.1985.325532Ruha A., Sallinen S., Nissila S., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1997, vol. 44, no. 3, pp. 159–167. https://doi.org/10.1109/10.554762Ruha A., Sallinen S., Nissila S., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1997, vol. 44, no. 3, pp. 159–167. https://doi.org/10.1109/10.554762Mourad K., Fethi B. R., Measurement, 2016, vol. 94, pp. 663–670. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2016.09.014Mourad K., Fethi B. R., Measurement, 2016, vol. 94, pp. 663–670. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2016.09.014Park J.-S., Lee S.-W., Park U., J Healthc Eng, 2017, vol. 2017, 4901017. https://doi.org/10.1155/2017/4901017Park J.-S., Lee S.-W., Park U., J Healthc Eng, 2017, vol. 2017, 4901017. https://doi.org/10.1155/2017/4901017Strang G., Nguyen T., Wavelets and Filters Banks, WellesleyCambridge-Press, Wellesley, MA, 1996, 490 p.Strang G., Nguyen T. Wavelets and Filters Banks, WellesleyCambridge-Press, Wellesley, MA, 1996, 490 p.McSharry P. E., Cliff ord G. D., Tarassenko L., Smith L. A., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2003, vol. 50, no. 3, pp. 289–294. https://doi.org/10.1109/TBME.2003.808805McSharry P. E., Cliff ord G. D., Tarassenko L., Smith L. A., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2003, vol. 50, no. 3, pp. 289–294. https://doi.org/10.1109/TBME.2003.808805Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1991. 304 с.Novitskiy P. V., Zograf I. A. Otsenka pogreshnostey rezul’tatov izmereniy [Error estimation of measurement results], Moscow, Energoatomizdat Publ., 1991, 304 p. (in Russ.)Moody G. B., Mark R. G. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, 2001, vol. 20, no. 3, pp. 45–50. https://doi.org/10.1109/51.932724Moody G. B., Mark R. G. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, 2001, vol. 20, no. 3, pp. 45–50. https://doi.org/10.1109/51.932724

The authors declare that there are no conflicts of interest present.