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1、第三部分 生物医学信号数字处理技术的应用 （Applications of Biomedical Digital Signal Processing Techniques）,http:/ 心血管系统电信号处理 (Processing Electro-signal from Cardiaovascular System),心血管系统电信号简称心电信号（ECS: electrocardiosignal）。ECS处理的目的是根据心电信号的特征推断心血管系统的状态（正常或异常），并据之作出医学决策：药物治疗，还是外科治疗，还是介入治疗（如射频消融、起搏、除颤等）。,http:/ galvanomete
2、r）记录心电信号，并将正常心电波的主要波形命名为P、Q、R、S、T算起，对心电信号的记录和处理的历史已跨过了100年。在生物医学信号处理中，对心电信号中所含信息的挖掘是最为深入的，并使用了种类繁多的信号处理技术。最近出版的专著临床心电信息学对所涉及的技术范围，从临床的角度，进行了比较全面的收集。现在心血管疾病是发病和死亡率最高，对人类生命威胁最大的疾病，因此在临床工作中，县级以上的医院都普遍利用心电信号中所含的信息，普遍使用记录心电信号的心电图机。,http:/ 对心电信号的获取技术分为无创（体表）技术、微创技术（经由心导管记录心内心电信号）、有创技术（心脏手术时体内记录）。,http:/ t
3、he Fourier transformation of ECS），因为这里处理的是数字化的心电信号，而不是处理描在记录纸上的“图”。,http:/ monitoring）、高频心电信号处理(high frequency eletrocardiosignal processiing)、运动心电信号处理(exercise eletrocardiosignal processiing)、心房和心室晚电位（atrial and ventricular late potential）检测、房颤波分析(atrial fibrillation wave analysis )和多点电位标测(multiple
4、 electrocardiac potential mapping)等技术。,http:/ 常规心电信号数字处理 （Routine Digital Processing for ECS）,一、概述 常规心电信号处理系统有分时12导联单道记录式、分时12导联三道记录式、同时12导联3道记录式、6道记录式、12道记录式。同时（临床上多称为同步）12导联系统（12 lead simultaneous electrocardiograph）又分为真实12导联和计算12导联（实际8导联：2个双极标准导联，6个单极胸导联）。现代心电图机，几乎都是计算机化的数字系统，国际标准推荐500Hz采样频率，因此，所
5、谓同时（或同步）也是相对的，因为AD转换器是单道的，道间时差2ms。如果采用真实12导联技术，则第一道与最后1道间相差24ms。,http:/ 计算机化心电信号数字处理系统，又称为心电工作站（electrocardiac work station），其框图如图12-1。它有模拟和数字部分。,http:/ 二、导联系统 1.电极（electrodes） 电极的作用是将体内的离子电流转换为金属导体中的电子电流。早期所用的获取心电信号的电极是金属电极，一般是在金属铜或不锈钢片上镀以贵金属银或铬。金属电极的缺点是会产生极化电位，在变化的心电信号上附加一个直流偏移（offset）信号，产生“基线”（0电
6、势线）的直流漂移。现代获取心电信号的电极是电生理学家研究出的可消除极化电位的银-卤化银电极，称为乏极化电极(nonpolarizable electrode)，如图12-2。它是在银片上沉积（镀）上一薄层氯化银。再在上面涂上一层含氯离子的凝胶,http:/ V6为左腋中线V4水平，V7为左后腋线V4水平, V8为左肩胛角线V4水平, V9为脊椎左缘V4水平, V3R为V1与V4R联线的中点，V4R为右锁骨中线第5肋间，V5R为右前腋线V4水平。所有这些导联都是单极胸导联。前6个为常规导联，后6个为扩展导联，根据临床需要选作。由RA-LA、RA-LL、LA-LL构成三个标准肢体导联（standa
7、rd limb lead），分别称为I、II、III导联。RA称为参考电极，,http:/ 用高输入阻抗电路。,图12-3 标准12导联及扩展导联电极位置,http:/ 输入电阻网络,http:/ limb lead）。同时12导心电系统的电阻网络如图12-4。图中，RA、LA、LL分别接至图12-3的对应位置。 在图12-4中，RALA、RALL、LALL分别形成标准肢体I 、II、 III导联，RAC3、LAC2、LLC1分别形成加压肢体导联aVR、aVL、aVF。标准肢体I 、II、 III导联的电势差分别为 I = LA RA (12-1) II = LL RA (12-2) III
8、= LLLA (12-3) 极性如图12-4所示。,http:/ C3 = (LA +LL )/2 (12-4) C2 = (RA +LL )/2 (12-5) C1 = (RA +LA )/2 (12-6) 由偶极子电势分布理论可以证明，在偶极子场中，与中心等距的相差2/3的三点的电势之和为0，即,http:/ +LA +LL = 0 (12-7) 所以 aVR = RA C3 = RA(LA +LL)/2 = 1.5RA (12-8) 同理可证得 aVL = 1.5LA (12-9) aVF = 1.5LL (12-10) 上面的关系也可由第5章的（5-13）（5-15）式得到证明。,ht
9、tp:/ 用描出的心电信号图形进行诊断（评价心脏状态）已有100多年历史。以往都凭人工测量，然后凭积累的经验作出结论。这些经验形成了一门学问称为“心电图学”。直到现在，计算机自动诊断系统（专家系统）仍然不如有经验的专科医生，还不能代替有经验的专科医生。 心电信号的参数测量可分为时间测量、幅度的测量和波形分析三个方面。如第5章图5-6所示的各种间期和时限等时间参数测量具有重要的临床意义，它是诊断各类心律失常的基础。如P波时限过长表示心房内传导阻滞，QRS时限过长表示室内传导阻滞。RR间期过长表示心动过缓，RR间期过短表示心动过速。,http:/ 在心电信号的计算机自动分析中，最难的是波形分析，如
10、顿挫、双相、倒置、rS（小R波大S波）等。如果心电专家对于计算机自动分析有怀疑，可以通过人机对话的方法进行核查。一般使用移动光标来完成核查。每当移动到一个点，计算机自动显示位置和幅度。位置可显示为距起点的点数，或根据采样频率换算成的时间，见第5章（5-21）式。也可根据一定的操作而显示间期或时限或幅度。人工核查的例子如图12-5,http:/ 12导心电的纸记有各种格式，如34的格式，62的格式，121的格式。图12-6为121格式的例子。,http:/ 人机会话参数测量示意图,http:/ 这里以心电信号的QT间期测量来进一步说明时域参量的测量。应该说，QT间期测量是诊断LQTS（long
11、QT syndrome：长QT间期综合症）的金标准（gold standard 或gold criteria）。LQTS是一种严重的心律失常事件，现已证实LQTS是由于Na+、K+离子通道的基因突变造成的，典型地证实了基因型（genotype）与电生理表现型（phenotype）的关系。各导联间的心电信号QT间期的不一致，称为QT离散度（QT dispersion：QTd）。近来研究发现，QTd是由于心室肌的复极时间不一致造成的。QTd的测量可用以预测心肌梗塞、严重心律失常等心血管系统疾病。,http:/ QTd = QTmaxQTmin (12-11) 设Q波起点为N1，T波终点为N2，则
12、QT =(N2N1)t (12-12),图12-6 常规临床12导心电信号的121格式记录,http:/ R(自动峰值测量与人工测量)= 0.998353 R（自动峰值测量与自动始末点测量）= 0.997849 R(自动始末点测量与人工测量) = 0.997532,http:/ interval：QT间期 ）的一个例子。图的顶部的图注的意义是：第1行为各波的幅值，如Rm表示R波的幅值，Pm表示P波的幅值，Qm表示Q波的幅值，Sm表示S波的幅值，Tm表示T波的幅值。第2行为用测量各对应波的极值点的方法测量的心率，如HRp是用相继的两P波的极值点间的距离（点数），即PP间期计算的心率，HRq是用Q
13、Q间期计算的心率，HRr是用RR间期计算的心率，HRs是用SS间期计算的心率，HRt是用TT间期计算的心率。第3行为P波宽度的数据，pw表示均值。后继的是每一心动周期的P波宽度的测量值。第4行为用Q、T波的始末点的距离计算的QT间期，如qte表示用Q波的起点与T波的终点间的距离计算的QTI的均值，后继的是每一心动周期的qte的测量值。第5行为用Q、T波的极值点的距离计算的QT间期,http:/ domain cardiogram）。主要技术就是求II、V5导联心电信号的自谱、互谱和相位谱，并探讨其与心血管系统的状态和临床表现间的关系。由于其他的提法有许多争议之处，这里不展开叙述。如将II导联心
14、电信号当成对系统（人体）的输入信号，V5导联的心电信号当成系统（人体）响应于输入的输出信号。显然，II、V5导联的心电信号没有这种关系，它们都是心血管系统发出的同一信号，在不同方向（坐标轴）的投影。,http:/ QMxy(K) = X(K)/Y(K) (12-13) 也可表示为 QMxy(K) = X(K) Y*(K)/Y(K) Y*(K) = Rxy(K)/Ryy(K) (12-4) 或写为 QMxy(K) = Rxx(K)/Ryx(K) (12-15) 和相位商谱 QPxy(K) = x (K)/y (K) (12-16),http:/ x (K) = tg 1Im(X(K)/Re(X(
15、k) (12-17) y (K) = tg 1Im(Y(K)/Re(Y(k) (12-18) 式中，Im（imaginary）表示虚部、Re(real)表示实部。另外，在频域心电图研究中，还定义了“频域相干函数”（coherent function in time domain） R2xy(K) = |Gxy(K)|2/Gxx(k)Gyy(K) (12-19) 式中Gxy(K)、Gxx(k)、Gyy(K)分别表示II、V5导联心电信号的互谱（cross-spectrum）和自谱(auto-spectrum) 。,http:/ R2xy(K) = |Gxy(K)|2/Gxx(k)Gyy(K) 1
16、 最简单的改造是改成如下形式 R2xy(K) = |Gxy(K)|2/Gxx(0)Gyy(0) （12-20） 这个改造只是避免了恒等于1的问题，但（12-20）式对于任意性质的两信号，都有 R2xy(0) = 1 因此这样的改造是不完全的。更详细的讨论，参考文献12的讨论。,http:/ 心电监测（ECS Monitoring）,心电监测是指用心电检测仪器对监测对象的心电信号进行长时间和/或远距离的监测，通过计算机分析和处理后直接显示和/或打印出心电波形和数据，为临床诊断提供依据。心电监测系统可按传输方式分为有线系统和无线系统，可按传输距离分为床旁系统和遥测系统，可按应用环境分为医院系统和院
17、外个人系统（Holter系统和基于WEB的系统）。遥测系统又可分为有线遥测系统（临床称为电话传输心电图）和无线遥测系统。遥测系统还可分为普通专用系统和基于WEB的系统。还可分为实时系统和分时系统，如Holter系统。不能获得实时处理是Holter系统的一大缺点。,http:/ care unit：重症监护室）, 将床边心电作为危重患者长期监测项目。1962年Day首创CCU（central care unit or coronary care unit：中心监护室或冠心病监护室）应用床边心电监测技术持续监测AMI患者，及时发现与处理心律失常，使他所在医院该年度AMI住院患者死亡率从39降至19
18、。CCU因此迅速得到承认，床边心电监测的医疗价值蜚声一时，但床边心电监测只适宜于住院患者的院内监测，对院外患者无所帮助。,http:/ AECG: ambulatory ECG)的技术于1961年应用于临床，实现对院外患者长时间(一般24h)心电图记录，这对发现24h内心电活动的改变和心肌缺血具有重要价值。然而，传统的动态心电图所记录的仅为过去的事件，只能在24h后通过心电分析仪的分析和处理才能做出诊断，不能及时发现和处理正在进行动态心电图监测期间各种严重心脏事件。1978年电话传输心电图监测技术成功地应用于临床，使远离医院的患者在发生心脏事件时能够通过电话及时地将心电信号传送至心电监测中心，
19、及时得到医师的诊断和医疗或急救指导，显著降低了院外恶性心律失常患者的死亡率。,http:/ ECS monitoring system）俗称HOLTER系统，因为他是由美国物理学家Holter发明的而得名，国内多称为动态心电处理系统（AECG：ambulatory ECG or ambulatory long-term ECG）。最长的记录时间可达48小时，甚至72小时。临床主要用于判断偶发心血管系统异常。早期是单导或双导或三导磁带记录系统，现在由于大容量闪存技术的出现，克服了早期的磁记系统的诸多弊端，因而12导系统可能成为常规。早期采样频率为128Hz，现在都在256Hz以上。导联系统为CM
20、1-6（C：chest，表示胸导联，,http:/ 柄，CM联合表示胸骨柄，16：V1V6），是双极胸导联系统。负端为胸骨柄，正端为V1-6。Holter系统记录的心电信号要输入到计算机用专用软件进行后处理，以判断各类心律失常。也可进一步计算QTd、ST段电压，或HRV（heart rate variability：心率变异性，见第16章）。现在，已经出现了实时显示、记录的12导Holter监测系统。,图12-7 Holter系统改良12导联电极位置,http:/ 床旁心电检测系统具有以下5个方面的特点： 1长时间性 床边心电图监测不需要病人主动协助，心电信号采集方法很简单，全部操作过程均为无
21、创伤性，因此，可以根据临床需要持续任意长的时间监测各种重危病人的全部心电信息变化情况。这一点与常规ECG检查不同，后者只能检查很短时间内(通常只有10s至2min)的心电信息变化。,http:/ 接受床边心电图监测的病人都相对固定于一定的监测场所(ICUCCU)，并有专业人员动态观察、分析、诊断和处理病人随时间变化而出现的各种心电变化。一旦病人发生心律失常或出现恶性心律失常先兆，监测人员可以及时发现和诊断，并迅速采取各种有效治疗措施。这一点与当前采用的Holter监测不同，后者由于只能在事后才能对记录结果进行分析和诊断，因此不能及时发现和处理各种严重心律失常事件 3可干预性 常规Holter监
22、测虽然也能长时间记录病人的心电活动，但由于要在记录结束后才能进行分析，因此对监测中发生的心电异常不能及时进行处理。,http:/ 4自动性 为了减轻监测人员的劳动强度，很多现代化的监护系统部带有功能强大的自动监测、诊断和报警功能，能实现对各种恶性心律失常的自动监测、记录和警示。 5适应性 由于床边心电图监测的无创性以及导联系统简单可靠，监测过程上也不影响各种常规的急救诊疗措施的实施，因此可应用于各种重危病人。,http:/ 设置在患者床边，通过导联直接从人体引入心电信号，可以独立地进行病情监测和显示心电波形，必要时可进行报警并自动记录。有的床边监测系统还配有除颤器、起搏器等心脏复苏设备。结构简
23、单，心电信号不易受干扰。常配备在抢救室、手术室等场所使用。 2. 无线遥测心电监测系统 该设备分为人体佩带的心电获取和无线发射部分以及中央接收和处理计算机。佩带的无线发射器将患者的心电信号发射至中央遥测心电监测计算机系统，进行分析和处理。遥测半径一般在30l00m。,http:/ 3. 中央心电监测系统 现代CCUICU内通常配备中央心电监测系统，由一台中央监测系统和48台床边检测仪组成，床边监测仪的心电信号通过电缆和网络交换器输入到中央监测台，中央台可有4-16个显示通道，同时监测多个患者的生命特征。该系统常与血压、呼吸、体温及其他生命特征信号监测组合在一起。,http:/ 高频心电信号处理
24、 (High Frequency Electrocardiosignal Processing),对心电信号中存在的高频成分（100Hz）与心血管系统疾病的关系的研究指出，在心血管系统状态出现异常的初期，心电信号中存在的高频成分增加；血管系统疾病的后期（更加严重的时期）心电信号中存在的高频成分反而减少。就是说，心血管系统从正常到异常到严重异常的三个阶段，,http:/ 一、概述 (一)高频心电信号 国内外文献曾用高保真心电图(high fidelity ECG)、宽频带心电图(wide band ECG)、高频心电图(high-frequency ECG)等不同的名称描述记录在纸上的含有100
25、0Hz以上的高频成分的心电信号。这三个术语含义相近但又不完全相同。建议今后一律采用高频心电图这一术语，缩写为HFECG。高频心电图主要是研究高频成分的变化。,http:/ frequency component) 高频成分是指频率在100Hz以上，时程10ms(一般为17ms)，幅度82V的成分。在时域中，可将高频成分分为三种类型：切迹、扭挫和顿结。 1. 切迹(notching，以N表示) 指在某一波的上升支或下降支上既有斜率改变又有方向改变的节段(R顶、S底除外)，时程10ms为高频切迹，超过10ms则为低频切迹。 2. 扭挫(slurring，以S表示) 指仅有斜率改变而无方向改变的节律
26、，时程同切迹。 3. 顿结(beading，以B表示) 指某一波的上升支或下降支上出现的圆顿。此高频成分在点阵式打印机或低分辨率显示器上不易分辨，,http:/ 上述高频成分必须在接续的心动周期的心电信号上的对应位置连续出现三次以上，形态相同，方可认定为高频成分。P、Q、R、S、T五个波上均有可能出现高频成分，但目前的研究范围一般仅指ORS波群中的高频成分。 二、导联和电极位置 1X、Y、Z正交导联：心脏解剖位置的几何三维正交双极导联，电极位置可参考第5章图5-7。 2六组合导联：在6个肢体导联中，选择三个电压最高的导联加上V4V6胸导联。,http:/ 4十二组合导联：在6个肢体导联加上V1
27、V6胸导联。 三、软硬件要求 心电信号放大系统的高端截止频率不得低于1000Hz。如果要进行频域分析，则放大系统的高端截止频率和信号采样频率和信号采集点数，要根据要求统一设计。如要求谱分辨率有0.5Hz，放大系统的高端截止频率为1500Hz，则根据采样定理，采样频率不得低于3000Hz。由采样频率和谱分辨率的要求，至少应采集的数据点数N可由下式计算： N = fs/fo 式中，fs为采样频率，fo为谱分辨率,http:/ 1时域分析波形识别与切迹计数 识别和计数切迹(扭挫或顿结数)的方法分为人工识别和计数或计算机自动识别和计数两种方法。不管哪种方法都主要是识别和计数QRS波群上的切迹(扭挫或顿
28、结数)。 计算机自动计数也有两种分析方法，其一是利用一阶导数法(first derivative method)，其二是叠加平均法。,http:/ 一阶导数法是先求取心电信号的一阶导数（数值微分），再判断一阶导数的过零点。一阶导数的过零点就可能是切迹存在的位置，如图12-7。由于高频干扰和P、Q、R、S、T、U各波极值处都可能存在一阶导数的过零点的条件，因而可能有假阳性存在。因此必须附加另外的判别条件加以排除。首先利用第5章叙述的R波识别技术（如一阶导数最大值和极值双重搜索技术）定位R波，再用极值搜索技术搜索P、Q、S、T各波的位置，将这些位置对应的过零条件排除掉。排除高频干扰造成的假阳性可用
29、过零前后一阶导数不变号的（正和负）的总点数。,http:/ (2)信号叠加平均技术 信号叠加平均技术可排除无规律的随机噪声，而使固定存在于心电信号中的周期性的高频切迹显现出来(图12-8)，从而可排除高频干扰造成的假阳性。但是，信号叠加平均次数的多少对结果的判别有直接影响。有报道说，信号信号叠加平均128次，可使高频切迹从叠加图中“消失”，以致造成假阴性。这可能与心脏跳动周期并非绝对一致，每次叠加的QRS波触发点变异有关。,http:/ 2频域方法：计算分带功率 将各通道信号，通过FFT获得功率谱，再分别计算分带功率：1001000Hz高频带功率，100250Hz功率，150250 Hz功率，
30、80150 Hz功率。,http:/ 运动心电信号处理 (Exercise ECS Processing),Einthoven于1908年发现并记录到第一份运动心电图。次年Nicolai及Simons描记出首例心绞痛病人运动后的心电图。因为当时多数心电图检查室设在楼上，病人做心电图检查需爬几层楼梯，因此不断有人记录并描述运动后的心电图变化。1928年Feil和Siegel正式报告心绞痛病人在运动后出现ST段下移，,http:/ 心电图运动试验的重大进展在于分级运动试验(graded exercise test)的兴起和推广应用。20世纪50年代中期，Bruce提出了一个比Master试验更加完善的运动平板试验(treadmill test)方案，并在70年代初进行了有关分级试验的研究通过改变平板运动的速度和运动平板的坡度，逐级增加负荷量并规定各级的运动时间，形成了既可定量又便于对受检者进行功能评定和监测的Bruce方法。除了运动平板试验方案外，尚有踏车运动试验(bicycle ergometer)方案。踏车运动试验又分直立式和仰卧式。,http:/