从PPG重建ECG心电图的初步研究

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从PPG重建ECG心电图的初步研究

从PPG重建ECG心电图的初步研究

ECG Reconstruction via PPG: A Pilot Study Apr.2019

摘要：
本文研究了心电图（ECG）与光体积描记图（PPG）信号之间的关系，通过PPG信号推断出ECG的波形。(即PPG->ECG),为了解决这个逆问题，提出了一种变换，PPG周期要对应于相应的ECG周期，映射每个的离散余弦变换（DCT）系数。得到DCT系数反变换为重建的ECG波形。提出的方法在各数据集中（各年龄和体重）平均相关系数效果达到了98%的高精准度。

- 引言：

ECG在临床中是重要工具[1]，但接触式的电极才能提供质量良好的信号，会引起皮肤刺激，长时间会产生不适感，这样就限制了设备的长期使用。PPG[2]设备更容易方便，也更经济。现在PPG在诊所和医院中几乎无所不在的应用在手指、脚趾以及血氧仪，还有消费级穿戴设备也越来越受欢迎。PPG设备提供连续、长期监测，不会引起皮肤刺激。
PPG和ECG在本质上是相关的，左心室心肌活动影响血容量变化，这些又是源于窦房结（SA）的电信号控制的。PPG波形序列，振幅以及形状，包含了心脏和相关信息，这些信息被应用于测量心率、心率变异性、呼吸率[3]、血氧饱和度[4]、血压[5]，还可以评估血管功能[6][7]。因为PPG设备可以一直佩戴在身上，所以我们想着能不能从ECG-PPG相关性中从PPG推断/重建ECG，若成功，就能提供低成本的ECG筛查以进行连续和长期监测，并利用丰富的临床ECG经验加上PPG的简单易用，双赢！
现有的PPG-ECG重建的相关文章[8]，作者训练了几个分类器来推断RR，PR，QRS和QT间隔参数的量化级别，分别来自PPG选定的时域和频域。即使在医院数据集上产生90％的精度，但仅限于推断在之前采集的ECG参数上。我们通过用PPG信号学习两个序列相关的模型，来估算ECG信号。首先，我们预处理ECG和PPG信号对以获得时间对齐和标准化的信号集，再把信号分割成成对的周期，训练一个线性变换，对应PPG周期的DCT系数，与ECG周期对应，（We then segment the signals into pairs of cycles and train a linear transform that maps the discrete cosine transform (DCT) coefficients of the PPG cycle to those of the corresponding ECG cycle. 这句话在这…）ECG波形通过逆DCT获得。这项工作意义有三个：1、从处理的数据库结果表明，我们提出的系统可以准确重建心电图信号；2、这是第一次提出PPG->ECG重建，它可能会打开一个新的心脏医学从业者、可穿戴技术专家和数据科学家的方向，以利用丰富的临床知识心电图知识并传递理解以建立心电图PPG和可穿戴设备数据的知识库；3、该技术可以实现更人性化，低成本，连