MIT-BIH-AF 数据集开发库

1 介绍数据集

MIT-BIH-AF 是一个心电图信号房颤数据集。本篇博客介绍针对该数据集开发的快捷使用的自开发函数。基础了解是MIT-BIH-AF 数据集采集有 23 人的两导联数据。总长十个小时。单个病人约920万个数据点长度。

数据集下载地址：https://www.physionet.org/content/afdb/1.0.0/
数据集可视化地址：https://www.physionet.org/lightwave/?db=afdb/1.0.0

信号例子如图：

2 本博客函数库代码地址以及介绍

如下介绍的库函数功能，都是平时用得最为频繁的基础功能，为了避免重复编写代码因此自己编写成库。
使用代码import MIT_BIH_AF_function as MIT_BIH_AF将本文件夹代码库加载。
库地址：https://github.com/liuqi34584/ECG_processing/tree/main/MIT_BIH_AF

读取dat,qrc,atr文件，获得 ECG_rpeaks，ann_aux_note，ann_sample，ECG0

使用数据集主要通过读取文件，其中dat后缀是记录心电实际信号的文件，atr后缀是心电实际信号对应的标注文件，qrs后缀是心电实际信号的每个R峰的标注文件。数据集所有的信息都在这三大文件中。

import wfdb

# 设置患者04015的路径
mit_bih_af_path = 'C:/mycode/dataset/mit-bih-atrial-fibrillation-database-1.0.0/files/04015'

# 读取患者文件
record = wfdb.rdrecord(mit_bih_af_path, physical=True)
signal_annotation = wfdb.rdann(mit_bih_af_path, "atr")
r_peak_annotation = wfdb.rdann(mit_bih_af_path, "qrs")

# 获取关键信息
ECG_rpeaks = r_peak_annotation.sample
ann_aux_note = signal_annotation.aux_note
ann_sample = signal_annotation.sample
ECG0 = record.p_signal[:, 0]

# 展示信号
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(ECG0[0:2000])  # 打印输出 ECG0 信号0-2000的值
plt.show()
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

寻找时间点函数----signal_time_sample

本函数用于在代码中找到我们看到的感兴趣段落的位置。 如可视化界面我们的时间点为 “00:06:50.316”。

import MIT_BIH_AF_function as MIT_BIH_AF 

# 输入时间点，获取该处时间点的索引值
index = MIT_BIH_AF.signal_time_sample("00:06:50.316","10:13:43",len(ECG0))

# 展示该索引值左右500的信号
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(ECG0[index-500:index+500])  # 打印输出 ECG0 信号
plt.show()
1
2
3
4
5
6
7
8
9

寻找R_R峰信号以及其位置----find_R_R_peak

日常使用时经常遇到提取单个R峰的情况，本函数具备此功能。

import MIT_BIH_AF_function as MIT_BIH_AF

# 获取该处时间点的索引值
index = MIT_BIH_AF.signal_time_sample("00:06:48.817","10:13:43",len(ECG0))

# 根据索引值找到 R 峰信号，起点s, 终点e
signal, s, e = MIT_BIH_AF.find_R_R_peak(index, ECG0, ECG_rpeaks)

# 展示信号
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(signal)  # 打印输出 signal 信号
plt.show()
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

寻找 nR 峰信号以及位置----find_nR_peak

平时使用时，我们除了需要寻找一个 R 峰。我们还需要寻找 2，3，4，5，6，7…等n个连续R峰信号范围以及其信号位置。此函数可以完成此功能。

import MIT_BIH_AF_function as MIT_BIH_AF

# 获取 一个时间点的索引值
index = MIT_BIH_AF.signal_time_sample("00:07:54.819","10:13:43",len(ECG0))

# 根据索引值找到 9R 峰信号
signal, s, e = MIT_BIH_AF.find_nR_peak(9, index, ECG0, ECG_rpeaks)
1
2
3
4
5
6
7

找到指定范围内的所有 nR 峰----find_nR_peaks

我们除了上面的要提取单独 nR 峰。很多情况下，我们还要在一段心电信号中提取出该段落的所有单个 nR 峰信号。下面代码展示了寻找一段信号中的所有 3R 峰的过程。

import MIT_BIH_AF_function as MIT_BIH_AF

# 获取 起点时间点的索引值
start_index = MIT_BIH_AF.signal_time_sample("00:06:48.067","10:13:43",len(ECG0))

# 获取 终点时间点的索引值
end_index = MIT_BIH_AF.signal_time_sample("00:06:51.764","10:13:43",len(ECG0))

# 根据索引值查找 3R 峰
r_peaks_position = MIT_BIH_AF.find_nR_peaks(3, start_index, end_index, ECG0, ECG_rpeaks)

for i in r_peaks_position: 
    r_signal = ECG0[i[0]:i[1]]
    
    # 展示信号
    import matplotlib.pyplot as plt
    plt.plot(r_signal)
    plt.show()
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

为信号建立伴随标注信号----AFDB_create_mate_ann

建立伴随标注信号在代码中存在很大的好处。使得波形提取对应的标注更加方便。避免麻烦的原信号标注类型寻找。如图下面的波形可视化原信号，根据atr文件的标注可以看到，患者发生了一秒左右的房颤。但数据集并不是对每一个点进行标注，伴随标注信号应运而生。

import MIT_BIH_AF_function as MIT_BIH_AF

# 获取 一个起点时间点的索引值
start_index = MIT_BIH_AF.signal_time_sample("00:08:04.772","10:13:43",len(ECG0))

# 获取 一个终点时间点的索引值
end_index = MIT_BIH_AF.signal_time_sample("00:08:11.672","10:13:43",len(ECG0))

# 建立原信号的伴随标注信号
ECG_ann = MIT_BIH_AF.AFDB_create_mate_ann(len(ECG0), ann_sample, ann_aux_note)

# 展示波形
import matplotlib.pyplot as plt
plt.subplot(2,1,1)
plt.plot(ECG0[start_index:end_index])  # 展示原信号
plt.subplot(2,1,2)
plt.plot(ECG_ann[start_index:end_index])  # 展示标注波形
plt.show()
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

原图像：

标注图像：

重采样信号长度----resample_signal_length

在我们提取信号之后，最终将信号送入模型训练。但多数情况下，模型信号输入长度有要求。而我们采集的信号可能不是固定长度的，于是开发了本函数将一段信号重采样到指定的长度。注意本函数是基于 scipy 库实现的，如果出现缺少 scipy 库缺失相关的报错，请使用 pip install scipy

import MIT_BIH_AF_function as MIT_BIH_AF

# 获取 一个起点时间点的索引值
start_index = MIT_BIH_AF.signal_time_sample("00:08:04.772","10:13:43",len(ECG0))

# 寻找一段 R 峰信号
signal, s, e = MIT_BIH_AF.find_R_R_peak(start_index, ECG0, ECG_rpeaks)

# 将信号长度重采样到500
resample_signal = MIT_BIH_AF.resample_signal_length(signal, 500)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

运行结果如图，原信号长度 200（蓝色），重采样到了 500 长度（橙色）

利用小波变换去噪滤波----wavelet_denoise

有的时候需要对信号进行去噪。这里简单封装了一个小波去噪的方法，使用的是 小波pyhon库。因此使用时要注意安装软件 pip install PyWavelets

import MIT_BIH_AF_function as MIT_BIH_AF

# 获取 一个起点时间点的索引值
start_index = MIT_BIH_AF.signal_time_sample("00:08:04.772","10:13:43",len(ECG0))

# 寻找一段 R 峰信号
signal, s, e = MIT_BIH_AF.find_R_R_peak(start_index, ECG0, ECG_rpeaks)

# 对一段信号进行小波去噪
denoise_signal = MIT_BIH_AF.wavelet_denoise(signal)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

利用小波变换去趋势----wavelet_detrend

去趋势也叫 ”基线偏移“，”基线漂移“，描述的都是同一个现象，即原波形被一种频率更低的波形干扰，而产生整体波形的移动。本函数封装了一个小波去趋势的方法，使用的是 小波pyhon库。因此使用时要注意安装软件 pip install PyWavelets

import MIT_BIH_AF_function as MIT_BIH_AF

# 获取 一个时间点的索引值
index = MIT_BIH_AF.signal_time_sample("00:06:48.772","10:13:43",len(ECG0))

# 获取一段信号，该时间点左右 800 范围
signal = ECG0[index-800:index+800]

# 将信号进行去趋势处理
detrend_signal = MIT_BIH_AF.wavelet_detrend(signal)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10