[发明专利]一种心电信号压缩率自适应调节无线传输系统和传输方法

说明书

本发明公开了一种基于压缩感知的心电信号压缩率自适应调节无线传输系统和传输方法，涉及信号压缩重构领域，包括传感器节点和协调器，传感器节点用于获取原始信号、数据采样压缩以及将压缩后的数据发送到协调器；协调器用于接收和恢复压缩数据；传感器节点包括稀疏度估计模块，协调器包括无线补偿模块和误差控制模块；稀疏度估计模块用于计算数据的稀疏度以及根据稀疏度估计采样率，无线补偿模块用于补偿无线通讯过程中的丢包，误差控制模块用于控制重构误差。本发明采用压缩感知技术加闭环控制来实现，有效针对不同患者不同数据稀疏度来实现不同的压缩采样率；同时可以根据无线信道的情况自适应的调整压缩率，实现出现丢包的时候不丢失心电数据。

技术领域

本发明涉及压缩编码、信号重构以及无线信道等领域，尤其涉及一种心电数据压缩以及无线传输的方法。

背景技术

心电数据无线传输系统一般包括传感器节点(ECG传感器)、汇聚节点(协调器)和后台基站。传感器节点将采集到的心电数据首先发送到汇聚节点。协调器作为展示平台将得到的数据显示出来，同时将数据继续发送到后台基站。一般协调器可以是手机或者PDA，基站一般是医疗机构。由于这种穿戴式无线传输系统对设备体积和重量都有限制，所以要对系统进行能量有效性设计，传感器采集的心电数据需要经过压缩。传统的压缩方式一般用于有线心电设备，当无线传输出现丢包时，一般的压缩方式就会出现数据的缺失。压缩感知技术主要有两个特点：无差别采样和分布式简单编码，这使得它成为传感网中数据采集的新方法。压缩采样采集的数据如果在传输中出现丢失，不会出现源数据的缺失，而是以误差的形式表现在解压的数据上。

很多先前工作指出基于稀疏性的压缩可以用于ECG信号以及其他身体参数信号。当压缩感知方法应用到心电信号压缩时，一个重要的假设是心电信号的稀疏度是恒定的，这个假设当数据帧的长度足够时可以成立，但是同时也增加了系统的响应时间。实际上，对于一个实时心电诊断系统来说，响应时间应当小于300毫秒，这就需要每一帧数据对应的采样时间要更少。当数据帧长度减小后，数据稀疏度变化就非常大了。除了稀疏度变化以外，对于重构误差的估计是基于压缩感知的心电监测系统的另一个挑战。理论上讲，当系统满足某些条件时(如数据为K稀疏的、采样率满足某些经验公式的要求、测量矩阵满足限制等距原则等)，重构误差会有上界。但是，对于一个实时心电检测系统，根据上面所说，数据的稀疏度是变化的。而且，不稳定的无线信道会导致丢包率的增加，使得数据欠采样，这也会影响系统的重构质量。因此，对于传统的压缩感知架构，重构误差会有很大的波动。另外，由于协调器无法得到原始数据，所以很难得到重构误差的准确数值。

国内申请号为201410428685.X的名称为“一种具有无线传输功能的便携式心电监护仪”的专利申请，通过单片机处理采样信号，通过蓝牙模块将数据发送到PDA并实现数据的上传，整个系统没有考虑到数据的压缩与能量有效性设计。国内申请号为201110206698.9的名称为“基于小波算法的心电信号传输方法和系统”的专利提出了通过小波编码的心电压缩方法，国内申请号为201510974314.6的名称为“心电信号压缩传输方法及其心电监护系统”的专利申请提出了通过基于卷积压缩编码的方式将心电数据压缩并传输，这两种方法能够提高数据传输的效率但是没有考虑到传输出现丢包对解压缩质量的影响。

现有技术中对一般数据采用传统编码压缩方式，未能考虑是否适合无线传输的需要；另外无线传输出现丢包时，数据重构质量无法保证；压缩方法对数据的时延没有设置上限，无法实现实时的监控。因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于压缩感知的心电信号压缩率自适应调节无线传输方法，将数据编码压缩方式和无线传输的特点结合起来，以保证数据重构质量，满足心电数据实时监控的要求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何保证数据重构质量，满足心电数据实时监控的要求，具体地说，如何在无线传输出现丢包的时候，不影响心电数据的传输；如何在没有原始数据的情况下估计数据的重构误差；如何保证系统的数据时延。