[发明专利]一种适用于低功耗系统的快速实时心电数据压缩算法

说明书

技术领域

本发明涉及心电数据处理的技术领域，具体为一种适用于低功耗系统的快速实时心电数据压缩算法。

背景技术

随着社会的快速发展，社会压力越来越大，社会老龄化日趋严重，心血管疾病逐渐成为人类健康的头号杀手，并正在快速蔓延。由于缺乏足够的预防和监护手段，心脏病患者往往忽视病情，直到疾病发展严重后才进行救治，错过最佳治疗时机，甚至在毫无预料的情况下突发心脏病。因此，可以方便、长时间使用的便携式心电采集及实时监测系统的需求越来越大，针对相关产品和发明也应运而生

在心电图数据处理中，通常需要将数字心电信号进行压缩，以增加数据传输和存储的效率，降低功耗和成本。这一点在对系统资源分配和低功耗要求苛刻的微型心电设备中尤其重要。经典心电数据压缩算法(如Huffman算法，Lempel-Ziv-Welch算法)是为在复杂系统诸如PC机或服务器上运行而设计，使用了较为复杂的运算逻辑；一些高压缩比算法还会使用诸如小波变换等极为复杂的运算逻辑。而微型心电设备基于嵌入式系统设计，系统资源极为有限，通常的压缩算法会遇到系统资源占用过多，甚至无法运行的问题。另外，如果需要在实时监护的情况下进行数据压缩，就要求算法可以实时运行，并且运行快速以保证低延时。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种适用于低功耗系统的快速实时心电数据压缩算法，可以使用极少的系统资源快速将心电数据进行压缩，可以实时运行并提供较高的压缩比。

一种适用于低功耗系统的快速实时心电数据压缩算法，其特征在于，其压缩算法的具体步骤如下：

a.根据可使用的内存系统资源以及对实时性的要求，设置数据压缩包长度N和计算深度D，设置压缩模式为无损压缩或者有损压缩；如进行有损压缩，设置有损压缩参数：近似阈值K、近似数上限H；

b.根据计算深度D，对输入数据流的前N个数据进行D阶差分运算，得到差值数组dev_1，…，dev_N-D-1；

c.对差值数组进行排序，得到自小至大的数组a_1，…，a_N，以及最大值Max，并找到满足2的n次方≤Max的最小n值；

d.如果允许有损压缩，增加如下判断：如果数组中有数量不超过H的连续小于K的值的段，则记录此段开始数值位置b和数量h，此段所有数据按0处理；

e.设置结果比特流单位长度为n，将差值数值按顺序写入结果比特流中，不足此长度的前导补零。如果允许有损压缩，按0处理的数据将不加入到比特流中，而仅记录参数b和h；

f.典型的压缩包数据结构为：头数据|dev_1|…|dev_N

g.比特流设置结束后，在两端分别增加2字节的边界标记，并在开始标记后增加整个压缩数据包的长度；

h.解压缩：根据记录的参数组，进行以上步骤的反向运算，即通过边界标志，找到头数据，然后顺序与后面的数据进行加法操作，如果进行了有损压缩，则根据b和h将数值0插入到对应的位置后，再进行以上操作。

其进一步特征在于：

步骤a中，设置为有损压缩时可以提高压缩比。并可通过调整数据压缩包长度N和计算深度D来平衡压缩比、运算的实时性、以及系统资源占用，以满足不同应用要求；

步骤g中，在两端分别增加2字节的边界标记和长度用来在存储中隔离压缩数据包，并在传输后验证压缩包的完整性；

另外设置一组数据，用于记录步骤1中的设置参数，如果需要动态适应，则此数据应该随压缩过程动态调整，并记录下对应原始数据起始位置的参数组。

采用本发明的技术后，其有益效果如下，

1.简单高效：算法针对心电数据的特点，巧妙避免了复杂运算逻辑，可以使用极少的系统资源(CPU运算资源和内存资源)快速进行心电数据的无损压缩，达到可观的压缩比；可以在2MHz MCU、200字节内存下实时运行(每1K字节数据压缩时间小于1毫秒)，特别适合在低功耗微型设备上使用；

2.动态适应：可设置为无损压缩保证信号还原性，或设置为有损压缩以提高压缩比。可根据系统资源，自动平衡压缩质量和资源占用；

3.压缩比高

无损压缩时：250Hz采样率/16bit精度下平均压缩比可达到1∶3.8，最大压缩比1∶4.5；500Hz采样率/16bit精度下平均压缩比可达1∶4.8，最大压缩比1∶6

有损压缩时：50Hz采样率/16bit精度下平均压缩比可达到1∶5.5，最大压缩比1∶7.7；500Hz采样率/16bit精度下平均压缩比可达1∶6.9，最大压缩比1∶9.2。

具体实施方式