本發(fā)明屬于心臟運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種基于ECG信號(hào)的心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

近年來，冠心病成為導(dǎo)致人類死亡的主要疾病之一，體外循環(huán)冠狀動(dòng)脈旁路移植手術(shù)作為治療冠心病的手術(shù)方式之一，由于手術(shù)中使用心肺儀，給病人帶來諸多術(shù)后并發(fā)癥，不但增加了醫(yī)療成本而且大大延長了病人術(shù)后恢復(fù)時(shí)間。手術(shù)輔助機(jī)器人的出現(xiàn)給心臟不停跳的冠狀動(dòng)脈旁路移植手術(shù)帶來了可能，手術(shù)輔助機(jī)器人的工作是消除心臟表面手術(shù)點(diǎn)與手術(shù)工具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，給醫(yī)生提供一個(gè)靜止手術(shù)場(chǎng)景畫面以便進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療操作。

一般手術(shù)中血管的直徑范圍是0.5-2mm，考慮到機(jī)器人動(dòng)態(tài)跟蹤誤差應(yīng)控制在1％內(nèi)才能保證病人的安全，因此，機(jī)器人跟蹤位置均方根誤差應(yīng)在100μm數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)，在心臟運(yùn)動(dòng)過程中，心臟表面某些點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)頻率最高可得26Hz，在每個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)幅度最高可達(dá)10mm。傳統(tǒng)的反饋控制無法滿足快速跟蹤的要求，提高心臟表面目標(biāo)點(diǎn)的預(yù)測(cè)精度可以提高跟蹤控制精度，所以對(duì)心臟表面目標(biāo)點(diǎn)的預(yù)測(cè)變得十分必要。

在以往的研究中很多預(yù)測(cè)方法和ECG信號(hào)有關(guān)，Ortmaier T等人在文獻(xiàn)《Motion compensation in minimally invasive robotic surgery》中提出ECG信號(hào)與心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)相關(guān)關(guān)系表明這2個(gè)信號(hào)在心臟運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)中可以交換使用。Bebek O等人在文獻(xiàn)《Intelligent control algorithms for robotic-assisted beating heart surgery》中提出可將時(shí)變的心跳頻率用于心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)的預(yù)測(cè)。Duindam Y等人在文獻(xiàn)《Geometric motion estimation and control for robotic assisted beating-heart surgery》中提出心臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)信號(hào)可以分離為2個(gè)周期信號(hào)，其中一部分就是通過分析ECG信號(hào)得到的心臟運(yùn)動(dòng)的相位和頻率。然而，這些方法在出現(xiàn)遮擋時(shí)無法獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)量值時(shí)，不能達(dá)到預(yù)測(cè)心臟目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于ECG信號(hào)的心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)預(yù)測(cè)方法，利用ECG信號(hào)與心臟表面目標(biāo)點(diǎn)歷史軌跡之間的相關(guān)性建立GLM模型，當(dāng)出現(xiàn)遮擋等無法獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)量值時(shí)，利用ECG信號(hào)通過GLM模型達(dá)到預(yù)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的目的。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明一種基于ECG信號(hào)的心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、建立并初始化GLM預(yù)測(cè)模型

(1.1)、建立GLM模型：利用心臟表面目標(biāo)點(diǎn)x的N個(gè)歷史測(cè)量值和ECG信號(hào)在k時(shí)刻的測(cè)量值建立GLM模型，用方程表示為：

其中，是三維列向量，表示心臟表面目標(biāo)點(diǎn)x在k時(shí)刻的三維坐標(biāo)預(yù)測(cè)值；w(k-1)是k-1時(shí)刻的模型參數(shù)，是由M個(gè)權(quán)值系數(shù)組成的列向量；Q(k-1)是3*M維的模型設(shè)計(jì)矩陣，表示為：

Q(k-1)＝[x(k-N) x(k-N+1) … x(k-1) e(k)]

其中，x(k-N)…x(k-1)是N個(gè)歷史測(cè)量值，e(k)是ECG信號(hào)在k時(shí)刻的實(shí)時(shí)測(cè)量值，且由一維的e(k)擴(kuò)展為三維列向量，即e(k)＝[e(k) e(k) e(k)]；

(1.2)、初始化GLM模型：令k＝1，將k＝1之前的N個(gè)歷史測(cè)量值初始化為0向量，即x(1-N)＝x(2-N)＝…＝x(0)＝0；將k＝1時(shí)刻的模型參數(shù)初始化為0矩陣，即w(0)＝0；令方差矩陣為V(k)，并初始化為V(0)＝σI_M×M；

其中，σ一般取遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1的正數(shù)，I_M×M表示M×M維單位矩陣，ECG信號(hào)在k＝1時(shí)刻的測(cè)量值e(1)可直接獲得；

(2)、判斷測(cè)量系統(tǒng)是否提供k時(shí)刻的心臟表面目標(biāo)點(diǎn)x的測(cè)量值x(k)，如果提供，則記錄下該測(cè)量值x(k)，然后執(zhí)行步驟(3)；否則執(zhí)行步驟(4)；

(3)、更新GLM模型參數(shù)

基于迭代最小二乘濾波原理，利用k時(shí)刻心臟表面目標(biāo)點(diǎn)x的測(cè)量值x(k)，以及k時(shí)刻ECG信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量值e(k)，更新模型參數(shù)w(k)以及方差矩陣v(k)，待更新完畢后，跳入步驟(5)；

(4)、基于當(dāng)前GLM模型以及k時(shí)刻ECG信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量值e(k)，獲取心臟表面目標(biāo)點(diǎn)x的預(yù)測(cè)值：

再用預(yù)測(cè)值代替測(cè)量值，即令然后執(zhí)行步驟(5)；

(5)、更新GLM模型設(shè)計(jì)矩陣

利用k時(shí)刻心臟表面目標(biāo)點(diǎn)x的測(cè)量值x(k)以及k時(shí)刻ECG信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量值e(k)更新模型設(shè)計(jì)矩陣，得到：

Q(k)＝[x(k-N+1) x(k-N+2) … x(k) e(k+1)]

(6)、當(dāng)前時(shí)刻值k加1，即k＝k+1，返回步驟(2)，進(jìn)入下一時(shí)刻k+1的處理流程。

其中，所述步驟(3)中，更新模型參數(shù)w(k)和方差矩陣v(k)的具體方法為：

(2.1)、計(jì)算模型當(dāng)前的預(yù)測(cè)誤差和增益矩陣

預(yù)測(cè)誤差：

增益矩陣：

其中，μ為遺忘因子，0<μ<1；

(2.2)、利用預(yù)測(cè)誤差和增益矩陣更新模型參數(shù)w(k)和方差矩陣v(k)

更新后的模型參數(shù)為：w(k)＝w(k-1)+δK；

更新后的方差矩陣為：

本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明一種基于ECG信號(hào)的心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)預(yù)測(cè)方法，將ECG信號(hào)與心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)的相關(guān)部分建模為GLM模型互相關(guān)項(xiàng)，利用迭代最小二乘法實(shí)時(shí)地估計(jì)GLM模型互相關(guān)項(xiàng)的系數(shù)，將ECG信號(hào)非平穩(wěn)心率變化信息的全過程通過GLM模型互相關(guān)項(xiàng)引入心臟表面目標(biāo)點(diǎn)的預(yù)測(cè)中，增強(qiáng)了對(duì)心臟信號(hào)中非平穩(wěn)變化的適應(yīng)能力，提高了對(duì)運(yùn)動(dòng)信號(hào)的估計(jì)精度，完成了心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。

同時(shí)，本發(fā)明一種基于ECG信號(hào)的心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)預(yù)測(cè)方法還具有以下有益效果：

(1)、本發(fā)明利用ECG信號(hào)與心臟表面目標(biāo)點(diǎn)歷史運(yùn)動(dòng)軌跡之間的相關(guān)性，提高預(yù)測(cè)精度；而現(xiàn)有技術(shù)只考慮目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上的自相關(guān)性，利用目標(biāo)點(diǎn)的歷史測(cè)量值預(yù)測(cè)未來運(yùn)動(dòng)，這類方法在進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)預(yù)測(cè)時(shí)，預(yù)測(cè)誤差會(huì)急劇增大；

(2)、本方法首次將ECG信號(hào)與心臟表面目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)的相關(guān)部分建模為相關(guān)項(xiàng)，利用迭代最小二乘法估計(jì)模型參數(shù)，將ECG信號(hào)非平穩(wěn)特征表征并引入心臟表面目標(biāo)點(diǎn)的預(yù)測(cè)當(dāng)中；

(3)、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不僅僅利用ECG信號(hào)的單點(diǎn)特征，而是將兩種信號(hào)進(jìn)行耦合進(jìn)而預(yù)測(cè)，這樣可以實(shí)時(shí)更新ECG信號(hào)以達(dá)到實(shí)時(shí)更新模型參數(shù)的目的，進(jìn)而可提高預(yù)測(cè)精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于ECG信號(hào)的心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)預(yù)測(cè)方法流程圖；

圖2是基于GLM模型的心臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

實(shí)施例

圖1是本發(fā)明基于ECG信號(hào)的心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)預(yù)測(cè)方法流程圖。

在本實(shí)施例中，測(cè)量心臟表面目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量系統(tǒng)可以為基于立體內(nèi)窺鏡的視覺測(cè)量系統(tǒng)、基于超聲波測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)或基于激光和視覺的測(cè)量系統(tǒng)等，在本實(shí)施例中，如圖2所示，采用基于立體內(nèi)窺鏡的視覺測(cè)量系統(tǒng)。無論何種測(cè)量系統(tǒng)，在其對(duì)心臟表面目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行直接測(cè)量時(shí)，通過本發(fā)明所述的方法會(huì)在每個(gè)測(cè)量時(shí)刻，利用最新獲取的心臟表面目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量值以及ECG信號(hào)測(cè)量值實(shí)時(shí)更新GLM模型參數(shù)和設(shè)計(jì)矩陣，當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)因心臟表面目標(biāo)點(diǎn)被遮擋而無法獲取測(cè)量值時(shí)，可通過GLM模型預(yù)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的位置，彌補(bǔ)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量空白。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明一種基于ECG信號(hào)的心臟運(yùn)動(dòng)信號(hào)預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

S1、建立并初始化GLM預(yù)測(cè)模型

S1.1、建立GLM模型

在本實(shí)施例中，利用本發(fā)明所屬方法對(duì)心臟表面目標(biāo)點(diǎn)的近4個(gè)歷史時(shí)刻的測(cè)量值以及ECG信號(hào)的測(cè)量值，建立5階的GLM模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，用方程表示為：

其中，是三維列向量，表示心臟表面目標(biāo)點(diǎn)x在k時(shí)刻的三維坐標(biāo)預(yù)測(cè)值；w(k-1)是k-1時(shí)刻的模型參數(shù)，是由5個(gè)權(quán)值系數(shù)組成的列向量；Q(k-1)是3*5維的模型設(shè)計(jì)矩陣，表示為：

Q(k-1)＝[x(k-4) x(k-3) x(k-2) x(k-1) e(k)]

其中，x(k-4),x(k-3),x(k-2),x(k-1)是4個(gè)歷史測(cè)量值，e(k)是ECG信號(hào)在k時(shí)刻的實(shí)時(shí)測(cè)量值，且由一維的e(k)擴(kuò)展為三維列向量，即e(k)＝[e(k) e(k) e(k)]；

S1.2、初始化GLM模型：令k＝1，將k＝1之前的4個(gè)歷史測(cè)量值初始化為0向量，即x(-3)＝x(-2)＝x(-1)＝x(0)＝0；將k＝1時(shí)刻的模型參數(shù)初始化為0矩陣，即w(0)＝0；令方差矩陣為V(k)，并初始化為V(0)＝σI_5×5；

其中，σ一般取遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1的正數(shù)，I_5×5表示5×5維單位矩陣，ECG信號(hào)在k＝1時(shí)刻的測(cè)量值e(1)可直接獲得。

S2、判斷測(cè)量系統(tǒng)是否提供k時(shí)刻的心臟表面目標(biāo)點(diǎn)x的測(cè)量值x(k)，如果提供，則記錄下該測(cè)量值x(k)，然后執(zhí)行步驟S3；否則執(zhí)行步驟S4。

S3、更新GLM模型參數(shù)

基于迭代最小二乘濾波原理，利用k時(shí)刻心臟表面目標(biāo)點(diǎn)x的測(cè)量值x(k)，以及k時(shí)刻ECG信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量值e(k)，更新模型參數(shù)w(k)以及方差矩陣v(k)，待更新完畢后，跳入步驟S5；

其中，更新模型參數(shù)w(k)和方差矩陣v(k)的具體方法為：

S3.1、計(jì)算模型當(dāng)前的預(yù)測(cè)誤差和增益矩陣

預(yù)測(cè)誤差：

增益矩陣：

其中，μ為遺忘因子，0<μ<1，在本實(shí)施例中取μ＝0.98；()^T表示轉(zhuǎn)置；

S3.2、利用預(yù)測(cè)誤差和增益矩陣更新模型參數(shù)w(k)和方差矩陣v(k)

更新后的模型參數(shù)為：w(k)＝w(k-1)+δK；

更新后的方差矩陣為：

S4、基于當(dāng)前GLM模型以及k時(shí)刻ECG信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量值e(k)，獲取心臟表面目標(biāo)點(diǎn)x的預(yù)測(cè)值：

再用預(yù)測(cè)值代替測(cè)量值，即令然后執(zhí)行步驟S5。

S5、更新GLM模型設(shè)計(jì)矩陣

利用k時(shí)刻心臟表面目標(biāo)點(diǎn)x的測(cè)量值x(k)以及k時(shí)刻ECG信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量值e(k)更新模型設(shè)計(jì)矩陣，得到：

Q(k)＝[x(k-3) x(k-2) x(k-1) x(k) e(k+1)]

通過更新模型設(shè)計(jì)矩陣后，進(jìn)而完成對(duì)心臟表面目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)。

S6、當(dāng)前時(shí)刻值k加1，即k＝k+1，返回步驟S2，進(jìn)入下一時(shí)刻k+1的處理流程。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。