吉林大学学报(工学版) ›› 2020, Vol. 50 ›› Issue (5): 1818-1825.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20190504

• 计算机科学与技术 • 上一篇    

基于卷积神经网络的脉搏波时频域特征混叠分类

刘国华1,2(),周文斌1,2   

  1. 1.南开大学 电子信息与光学工程学院,天津 300350
    2.南开大学 光电传感器与传感网络技术重点实验室,天津 300350
  • 收稿日期:2019-05-22 出版日期:2020-09-01 发布日期:2020-09-16
  • 作者简介:刘国华(1964-),男,教授,博士.研究方向:人工智能医学诊疗,生物医学检测技术.E-mail:liugh@nankai.edu.cn
  • 基金资助:
    中央高校基本科研业务费专项项目

Pulse wave signal classification algorithm based on time⁃frequency domain feature aliasing using convolutional neural network

Guo-hua LIU1,2(),Wen-bin ZHOU1,2   

  1. 1.School of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China
    2.Key Laboratory of Photoelectric Sensors and Sensor Network Technology, Nankai University, Tianjin 300350, China
  • Received:2019-05-22 Online:2020-09-01 Published:2020-09-16

摘要:

针对脉搏波信号识别准确率低和实现复杂等问题,提出了一种基于脉搏波时频域特征混叠的低复杂度分类算法。该算法首先基于卷积神经网络(CNN)自动提取脉搏波信号时域特征,包括表征周期内信号片段特征的单周期特征和本文提出的表征周期间关系的多周期特征;然后,补充基于小波变换的梅尔倒谱系数作为频域特征;最后,使用神经网络全连接层将时频域特征混叠、去冗余后,通过softmax分类器实现脉搏波分类。由于CNN权值共享和降维等特点,本文算法可通过低计算成本实现特征提取。基于python平台的仿真验证表明:本文算法对脉搏波的识别准确率可达93%,远高于传统的基于时域或频域特征的识别准确率。

关键词: 信息处理技术, 脉搏波信号分类, 卷积神经网络, 时频域特征混叠, 小波变换

Abstract:

A pulse wave classification algorithm of low complexity based on aliasing of time-frequency domain feature was proposed to solve the problems of low recognition rate and complex implementation in current research of pulse wave signal recognition. First, the time domain features of the pulse wave signal are extracted based on the Convolutional Neural Network(CNN), including the single-period feature characterizing the features of the signal segments in the period and the multi-period features characterizing the relationship between the cycles. Then the features in the frequency domain are expressed by the Mel cepstrum coefficients based on the wavelet transform. Finally, based on the aliasing and redundancy elimination of the time-frequency domain features using the neural network full connection layer, the pulse wave signal classification is realized by the Softmax classifier. The method can achieve feature extraction through low computational cost, due to the weight sharing and dimensionality reduction of CNN. In the simulation experiment based on Python platform, the recognition accuracy of the proposed method can reach 93%, which is much higher than the accuracy of traditional recognition algorithms based on time domain features or frequency domain features.

Key words: information processing technology, classification of pulse wave signal, convolutional neural network, aliasing of time-frequency domain features, wavelet transform

中图分类号: 

  • TN911.7

图1

单周期特征提取模块"

表1

脉搏波信号单周期特征提取模块参数配置"

卷积模块1参数卷积模块2参数
卷积层卷积核维度7*1*1卷积层卷积核维度5*1*32
卷积核步长3*1*1卷积核步长2*1*1
卷积核个数32卷积核个数64
激活函数ReLU激活函数ReLU
池化层池化方式最大池化池化层池化方式最大池化
卷积核维度3*1*1卷积核维度2*1*1
卷积核步长2*1*1卷积核步长1*1*1

图2

多周期特征提取模块"

表2

脉搏波信号多周期特征提取模块参数配置"

卷积模块3参数卷积模块4参数
卷积层卷积核维度7*3*1卷积层卷积核维度5*3*32
卷积核步长3*1*1卷积核步长2*1*1
卷积核个数32卷积核个数64
激活函数ReLU激活函数ReLU
池化层池化方式最大池化池化层池化方式最大池化
卷积核维度3*1*1卷积核维度2*1*1
卷积核步长2*1*1卷积核步长1*1*1

图3

频域特征提取模块"

图4

脉搏波分类的算法结构"

表3

分类网络的参数配置"

网络结构参 数
神经元个数(全连接层1)128
神经元个数(全连接层2)64
激活函数ReLU函数
神经元个数(输出层)K
激活函数(输出层)Softmax函数
交叉验证算法留出法
代价函数交叉熵
网络更新算法动量梯度下降

图5

脉搏波降噪前、后对比图"

表4

训练集、测试集以及验证集对分类网络的测试结果"

项目识别正确数识别错误数识别准确率
训练集407250.9421
验证集134100.9306
测试集13590.9375

表5

不同特征对脉搏波信号分类转准确率的影响"

项目识别正确数识别错误数识别准确率
单周期特征121230.8403
多周期特征125190.8681
单周期与多周期混合特征130140.9028
基于小波分析的MFCC75690.5208
时频域混叠特征13590.9375

表6

本文方法与其他方法的性能比较"

方法识别准确率输入维度
本文0.937 53 042
文献[8]0.838 117 000

图6

训练集数据组数对识别准确率的影响"

表7

不同激活函数对分类网络性能的影响"

项目ReLUSigmoidTanh
训练集识别率0.94210.87960.8750
测试集识别率0.93750.87500.8681
训练时间(100次)/s27.430.729.12
迭代次数8431875996
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