信号处理结果

关于本页中的数字

以下数字全部是在 PC 上实际运行 C 参考实现测得的测试结果。输入为公开心电数据库记录（MIT · NST · CU · VFDB）和合成信号（合成 60 Hz 噪声、合成肌电噪声、合成起搏器脉冲、合成 4 导联）。不是在实际设备 · 实际人体上测得的值。

• 训练 · 阈值 · 规则选择只在排除测试 DB 的内部数据上进行（按 DB 分组划分，心搏分类按患者间分离）。
• 效果不好的和失败的也如实记录。目前还不是可以称为合格的阶段。
• MCU 运算时间是由 Mac 实测换算的估计值，尚未在实际 MCU 板上测量。

1. 概览（第 4 轮 — 减少误报警）

目标（在不增加漏检的前提下减少误报警）只实现了一半。VF 误报警减少了，但短 VF 片段的漏检增加了，VT 误报警没有减少，区分 VF 与 VT 失败了。

• VF 误报警：CU 61 → 44 次（12.6 → 9.1 次/小时，−28 %），VFDB 183 → 136 次（14.3 → 10.6，−26 %）。减少的手段几乎全部是报警确认规则（连续 3 秒 → 连续 4 秒）。MIT · NST 与第 3 轮一样为 0 次
• 8 s 以上 VF 在 9 s 内检出的数量：CU 45/47，VFDB 27/27，MIT 3/4（与第 3 轮相同）。延迟中位数 CU 3.7 → 4.7 s，VFDB 3.8 → 3.8 s
• 漏检增加之处：8 s 以下的短片段。按全部发作计 CU 47 → 46/47，VFDB 105 → 96/111，MIT 4 → 3/6
• VF 与 VT 区分：失败。加入 6 个新特征后按记录划分测量，AUC 0.44~0.61 — 相当于随机水平。两者都是高优先级，因此以「致命心律失常（VF/VT）」一种报警、名称仅作参考，是现有数据下可以采取的处理方式
• VT 误报警：没有减少。NST 24.8 → 27.1，CU 14.8 → 17.0，VFDB 21.8 → 20.0，MIT 0.8 → 0.7 次/小时。相应地，MIT 5 搏以上 VT 检出 5 → 8/11
• 致命心律失常报警（VF ∪ VT）误报警：MIT 0.8 → 0.8，NST 23.9 → 26.1，CU 21.7 → 20.7，VFDB 18.3 → 17.0 次/小时
• 心搏分类 V：LDA → 树桩提升（stump boosting）。DS1 V Se 66.6 → 86.3 %，+P 85.5 → 85.8 %。DS2 Se 86.8 → 96.5，+P 82.9 → 77.3（+P 下降）
• 心搏停止 肌电噪声 150 µV：在合成肌电噪声下报警开启比例 17 → 87 %。实际肌电噪声记录（NST ma）未变（开启比例 21 %）
• 合成 4 导联：仅 RA 一个电极有运动噪声时，VT 误报警 1 导联 11.4 → 2 导联 6.8 → 4 导联 2.9 次/小时
• MCU 运算（估计）：在 Mac 上实测处理 1 s 信号 168 µs（2 导联）· 318 µs（4 导联）。换算为 Cortex-M7 800 MHz 负载 0.5~0.9 %（2 导联）— 估计值。需要双精度 FPU

2. 双重自适应陷波（去除电源 60 Hz 噪声）

陷波器沿用第 2 轮（v2）所做的版本直至第 4 轮。以下为第 2 轮测试结果（合成信号，与第 1 轮测试相同信号 · 相同随机种子，排除最初 10 s）。

2.1 改动内容（第 1 轮 → 第 2 轮）

• 估计器输入加 40 Hz 4 阶高通滤波器 + 估计器延迟 400 ms
• 所有导联共用一个频率估计器（默认）
• Goertzel 初始搜索：以 2 s 窗口在 58.0~62.0 Hz 范围内按 0.1 Hz 间隔搜索 41 格。首次确认 60 Hz 之前不进行自适应
• QRS 斜率门控 + 输出级「QRS 冻结抵消器」：QRS 经过期间冻结权重，只减去固定的正弦波。为了在 QRS 开始前施加冻结，输出延迟 40 ms

2.2 收敛 · 衰减

• 20 µVp-p 收敛：第 1 轮 50.5~60.0 s → v2 抵消器 5.3~10.1 s
• 100 µVp-p：9.8~10.0 s → 3.0~5.0 s
• 1 mVp-p：2.2 s → 在非 60.0 Hz 的频率下为 2.9~4.7 s，比第 1 轮慢（因为要等待首个 Goertzel 块 2 s）
• 60 Hz 衰减：v2 抵消器 −56.6 ~ −71.8 dB，第 1 轮改进方案 −41.7 ~ −92.1 dB。60 Hz 较小时 v2 更深，100 µVp-p 以上时第 1 轮更深的格较多
• 无 60 Hz 时：第 1 轮漂移到 58.16 Hz 附近，v2 停留在 60.000 Hz · HOLD 99 %
• 阶跃 60.0 → 60.2 Hz 重新收敛 5.5 s（第 1 轮 5.3 s）

2.3 陷波是否削减心电图 · 振铃

• 削减由输出级决定。改为抵消器后，普通 QRS 0.0~0.1 µV，窄 QRS 0.8~0.9 µV，三角波 20 ms 1.0~1.1 µV
• 代价是屏幕波形整体延迟 40 ms
• 在窄 QRS 下 v2 的估计频率也偏移 −6.4 ~ −8.6 mHz，始终未能达到「5 mHz」收敛标准（第 1 轮也是 −6.4 ~ −8.3 mHz）
• lead III 残差 ε = RMS(II − I − III)/RMS(II)：共用估计器 0.48~0.49 %（在判定值 ≤ 1 % 以内）
• 加入电极 DC 偏移 300 mV 时，IIR 陷波（第 1 轮结构）最大误差达 88 µV，抵消器为 0.59 µV，与偏移无关

3. QRS 检测第 1~4 轮对比

按心搏评分使用 WFDB bxb。从第 2 轮起为交叉验证（在选择时未看过的组上测得的值）。第 4 轮的心搏位置与第 3 轮一个样本也不差（已确认 4 个 DB 全部记录）。

• 第 2 轮误检减少了，漏检增加了（自适应阈值降低了 Se）
• 检测延迟（第 2 轮，MIT 48）：确定检测中位数 278 ms。另设显示用快速检测，心形闪烁在 R 之后中位数 36 ms（95 % 66 ms）。快速检测在 MIT 上 Se 97.37 · +P 99.90，准确度低于确定检测
• 起搏器（第 2 轮，合成）：外部标志（模拟 AFE 芯片内起搏检测 — 假设芯片能完美检出脉冲）+ 消隐 + 尾部校正，则合成 144 个条件下 HR 全部正确。500 SPS 软件检测只检出脉冲面积 5 mV·ms 以上的脉冲，在 MIT 102 · 104 · 107 · 217 中一个脉冲也未检出

4. VF · VT 误报警

4.1 能否区分 VF 与 VT — 失败

用 VF 窗 6,432 个 · VT 窗 5,044 个，对「VF 对 VT」提升模型按记录分组 5 折（同一记录不会同时进入训练和测试）进行了测量。

AUC 接近 0.5 即「无法区分」。未加入在 VF 报警内另行判定 VT 的步骤。VFDB 的 VT 窗中被判为 VF 的比例为第 3 轮 69.6 % → 第 4 轮 74.9 %。

4.2 报警确认规则

VF 报警 = 最近 m 秒中有 k 秒以上 P ≥ 阈值且当前秒也 ≥ 阈值则开启，连续不足 3 秒则关闭。第 3 轮为 k = m = 3。默认值从内部数据中选定（未使用外部测试组）。

4.3 VF 误报警 — 第 3 轮与第 4 轮

窗 Se/Sp 以确认规则之前的阈值为准，因此与第 3 轮几乎相同。误报警减少不是因为模型，而是因为确认规则。漏检的主要是 8 s 以下的短片段（VFDB 419 的 1.1~2.3 s 片段 9 个、422 的 6.8 s、MIT 207 的 5.9 s）。

4.4 VT 报警再确认 — 默认不加入

VT 报警 = 连续 5 个 V · 100 bpm 以上。以其他导联一致 · 形态一致 · 疑似噪声 · 连续数 · 速率进行再确认的候选 768 格，在内部数据中进行了选择。

导联一致（逐搏）几乎消除了 NST 误报警（27.1 → 3.3/h），但 VFDB VT 漏检 34 → 26/64。形态一致 · 连续数 · 速率也都是同一方向（误报警 ↓ · VFDB 漏检 ↑）。因此第 4 轮默认为关闭再确认（不增加漏检的一方）。

4.5 将致命心律失常报警（VF ∪ VT）合为一种来看

将 VT 判为 VF 在本表中不算误报警。

5. 报警延迟（合计 10 s 目标）

将「条件延迟 + 信号生成延迟 ≤ 10 s」也作为 VF · VT 的目标（提案）。信号生成延迟（声音 · 画面）尚未实现、无法测量，因此预留 1 s，以条件延迟 9 s 作为基准线（提案）。

6. 心搏停止 — 肌电噪声 150 µV 对策

心搏停止计时器每次出现心搏时归 0。第 4 轮只让「可信心搏」（幅度 / 40 Hz 以上 rms ≥ 6）使计时器复位（在训练半数中选定）。心搏输出（HR 计算）保持不变，仅用于心搏停止。

格 = 心搏停止事件 10 s 内报警的记录数 · 心搏停止 30 s 中报警开启的比例 · 无事件 8 条记录的误心搏停止秒数合计

• 实际肌电噪声（ma）未解决。实际肌电噪声在 1~30 Hz 能量较多，无法与 QRS 在频率上分离
• 300 µV 合成噪声 + 正常心电图下新出现了误心搏停止（各导联独立 3/8 条记录 133 s，共模 4/8 条记录 109 s）。150 µV 以下为 0 s
• 将第 3 轮合成 13 种用第 4 轮重新运行，只有「肌电噪声 150 µV」改变（开启比例 21 → 87 %）。其余 12 种（平坦 · 仅 P 波 · 导联脱落等）的报警类型 · 延迟与第 3 轮相同

7. 心搏分类 V — 保持患者间分离

分类器由 LDA（第 3 轮）改为每类树桩提升（64 · 128 个）。选择只用了内部 4 折，任何记录都没有用以其自身心搏训练的模型来测量。

• DS1 V Se 66.6 → 86.3 % 上升，+P 也未下降。但 DS2 +P 82.9 → 77.3 %，NST V 误检 3,429 → 3,589 增加，这导致了 VT 误报警增加
• 连续异位心搏（MIT 44）：couplet Se/+P 36.0/69.5 → 54.5/69.8 %
• 最初的尝试（LDA + 新形态特征 + 患者自适应归一化）反而使 DS1 V Se 降至 54.4 %。之后将分类器类型加入选择候选 — 即候选是在看过一次测试结果之后增加的

8. 合成 4 导联（I · II · III · V）电极噪声

用 MIT 20 条记录的两个通道近似合成 4 导联（I = III = 0.5·II 近似），将实际电极运动噪声（em）按电极从不同区段截取，加到 RA · LA · LL · V 上。

• III（LL−LA）不进入 RA 噪声，因此 SQI 选择该导联。四个电极都晃动时，导联数量没有帮助
• 此合成把 I · III 做成 II 的缩小版，导联之间的形态差异比实际小。需要用实际多导联记录或设备信号重新测量

9. MCU 运算量（Mac 实测 → 估计换算）

在 Mac（Apple M6，clang -O2）上用 MIT 207 30 分钟（2 导联）和同一记录的合成 4 导联将 C 参考实现运行 5 次进行测量。Cortex-M7 值为估计值（假设指令数相同，CPI 0.8~1.5，800 MHz）。

• Cortex-M7 构建确认：静态浮点指令 f32 3,263 条 · f64 802 条 → 必须是带双精度 FPU 的 M7。代码 .text 68 KB
• RAM（估计）：2 导联 117 KB · 4 导联 187 KB
• 1 s 块（VF 特征：每导联 1024 点 FFT 5 次等）集中一次运行，因此期间输入的样本（500 SPS）需要用 DMA · FIFO 接收缓存（设计事项，尚未测量）

10. 第 1~4 轮对比

11. 局限 · 未能确认的事项

• VF 与 VT 区分失败（AUC ≈ 0.5）。是否将报警名称统一为「VF/VT」一种：未定
• VT 误报警 NST 27.1 · CU 17.0 · VFDB 20.0 次/小时。再确认规则都会导致 VFDB VT 漏检
• 8 s 以下 VF 片段漏检更多（VFDB 9 个 · MIT 1 个）。是否对短暂结束的片段发出报警：未定
• 实际肌电噪声（ma）下心搏停止漏检。300 µV 合成噪声下出现新的误心搏停止
• DS2 V +P 77.3 %（第 3 轮 82.9），起搏记录 V +P 20.0 %，其他心搏（SVEB 等）未涉及
• 陷波：1 mVp-p 收敛比第 1 轮慢，窄 QRS 下频率估计偏移 −6~−9 mHz。需要用实际模拟器 · 实际 AFE 噪声重新测量
• MCU 时间是由 Mac 实测换算的估计值。尚未在实际 M7 板上测量。报警信号生成延迟（声音 · 画面）也尚未测量
• 确认规则 · 可信心搏阈值 · ±120 ms 等均为开发中确定的提案值，并非确定规格