Synthetic ECG generation and Bayesian filtering using a Gaussian wave-based dynamical model

卡尔曼滤波器 降噪 计算机科学 模式识别(心理学) 室性心动过速 心房扑动 高斯分布 贝叶斯概率 窦性心动过速 人工智能 算法 心房颤动 心脏病学 医学 物理 量子力学
作者
Omid Sayadi,Mohammad Bagher Shamsollahi,Gari D. Clifford
出处
期刊:Physiological Measurement [IOP Publishing]
卷期号:31 (10): 1309-1329 被引量:71
标识
DOI:10.1088/0967-3334/31/10/002
摘要

In this paper, we describe a Gaussian wave-based state space to model the temporal dynamics of electrocardiogram (ECG) signals. It is shown that this model may be effectively used for generating synthetic ECGs as well as separate characteristic waves (CWs) such as the atrial and ventricular complexes. The model uses separate state variables for each CW, i.e. P, QRS and T, and hence is capable of generating individual synthetic CWs as well as realistic ECG signals. The model is therefore useful for generating arrhythmias. Simulations of sinus bradycardia, sinus tachycardia, ventricular flutter, atrial fibrillation and ventricular tachycardia are presented. In addition, discrete versions of the equations are presented for a model-based Bayesian framework for denoising. This framework, together with an extended Kalman filter and extended Kalman smoother, was used for denoising the ECG for both normal rhythms and arrhythmias. For evaluating the denoising performance, the signal-to-noise ratio (SNR) improvement of the filter outputs and clinical parameter stability were studied. The results demonstrate superiority over a wide range of input SNRs, achieving a maximum 12.7 dB improvement. Results indicate that preventing clinically relevant distortion of the ECG is sensitive to the number of model parameters. Models are presented which do not exhibit such distortions. The approach presented in this paper may therefore serve as an effective framework for synthetic ECG generation and model-based filtering of noisy ECG recordings.
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