（信号与信息处理专业论文）交界性和室性心律失常的检测以及联合熵分析.pdf

直宝匿生厶兰亟丛直生兰：位坌塞殛壁 摘要 心脏疾病是威胁人类生命健康的主要疾病之，如何有效的检测与评价心脏的功能 状况，对心脏疾病进行准确的预报和诊断，是目前治疗心脏疾病的一个重要研究课题。 对心电信号进行分析，是医学临床上检测和诊断心脏功能的重要手段。心脏是一个复杂 的、受到神经、血压、激素等多种因素调节并控制的、开放的、非线性的和远离平衡态 的动力学系统。心电信号分析的任务包括波形检测和心律失常分析两大部分。 论文中首先介绍了本文的选题依据和研究意义，然后作为基础知识介绍了心电图学 的一些基本概念和相关理论。接下来介绍了心电图q r s 波群、p 波、t 波检测的各种算 法，并着重对常用的差分阈值法和小波变换法进行了研究。本文的重点在第四章，即用 联合熵方法分析心律失常信号，找出一种规则将心电图时间序列化为符号序列，并选择 合适的方法产生原始时间序列的替代序列，使其具有和原始时间序列相同的线性特性却 没有原始时间序列的非线性特性。因为不同的心率信号动力学复杂性不同，计算原始序 列和替代序列的联合熵，就可以量化序列的动力学复杂性。根据联合熵的不同，可以对 不同的心率信号做出区分，从而为临床诊断心律失常信号提供参考依据。 关键词心电图信号、心电波形检测、联合熵、替代序列 a bs t r a c t h e a r td i s e a s el so n eo ft h es e r i o u st h r e e sf o rp e o p l e sh e a l t h h o wt od e t e c ta n de v a l u a t e t h ef u n c t i o ns t a t u so fh e a r te f f e c t i v e l y , a n dm a k ep r e c i s ep r e d i c a t i o no fh e a r td i s e a s ei sa l l i m p o r t a n tr e s e a r c ha r e a a n a l y z i n gt h ee l e c t r o c a r d i o g r a m ( e c g ) s i g n a li sa ni m p o r t a n t m e t h o di nc l i n i c a lp r a c t i c eo fm e d i c i n et od e t e c ta n d d i a g n o s et h eh e a r tf u n c t i o n h e a r ti sa c o m p l e x ，e x o t e r i c ，n o n l i n e a ra n dn o n - b a l a n c e a b l ed y n a m i c a ls y s t e m ，t h er e s e a r c ho fi tm a i n l y i n c l u d e st w op a r t s ：w a v ed e t e c ta n da r r h y t h m i aa n a l y s i s t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h er e s e a r c h i n gb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ；t h e np r e s e n t st h e b a s i cc o n c e p t sa n dk n o w l e d g eo fc a r d i o g r a p h n e x tt h ef o c u sm o v e st oe l e c t r o c a r d i o g r a m w a v ed e t e c t i n ga r i t h m e t i c ，a n de m p h a t i c a l l ys t u d yo nt h ed i f f e r e n c et h r e s h o l dm e t h o da n dt h e w a v e l e tt r a n s f o r mm e t h o d t h ep i v o to ft h i st h e s i si st h ef o u r t hc h a p t e r ，n a m e l ya r r h y t h m i a a n a l y s i su s i n gt h ej o i n te n t r o p ym e t h o d i tn e e d st of i n do u tar u l et ot r a n s f o r mt h ee c gt i m e s e q u e n c es i g n a lt os y m b o l i cs e r i e s ，a n ds e l e c ta na p p r o p r i a t em e t h o dt og e tt h es u l t o g a t e s e r i e so ft h eo r i g i n a lt i m e s e q u e n c e f o rt h ed i f f e r e n th e a r t b e a tr h y t h ms i g n a l sh a v i n g d i f f e r e n td y n a m i c a lc o m p l e x i t y , t h r o u g hc a l c u l a t i n gt h e j o i n te n t r o p yb e t w e e nt h eo r i g i n a la n d s u r r o g a t et i m es e r i e s ，i tc a nq u a n t i f yt h ed y n a m i c a lc o m p l e x i t yo fo r i g i n a ls e r i e s a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n t j o i n te n t r o p yv a l u e s ，t h ed i f f e r e n th e a r t b e a tr h y t h ms i g n a l sc a nb e d i s t i n g u i s h e d t h e nt h ej o i n te n t r o p ym e t h o dc a nb eu s e da sar e f e r e n c ei nc l i n i ct od i a g n o s e t h ea r r h y t h m i a k e y w o r d se l e c t r o c a r d i o g r a m ( e c g ) ，e l e c t r o c a r d i o g r a mw a v ed e t e c t i o n ， j o i n te n t r o p y , s u r r o g a t es e r i e s i l 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：瞪， 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：选叁：一 导师签名： 日期：丝丑，生f 生 第l 章绪论 1 1 选题依据 心脏是人体最重要的器官之一，心脏的泵血维系着人们的生存。正是因为它的重要 性，心脏疾病一直是威胁人类生命健康的主要疾病之一，2 0 0 3 年的调查结果显示，全世 界每年心血管病的死亡人数高达1 6 5 0 万。因此研究和发展心电检测分析方法与技术，有 效的检测与评价心脏的功能状况，对心脏疾病进行准确的预报和诊断，是目前治疗心 脏疾病的一个重要课题【l , 2 1 。 近年来，以计算机为主体的现代信息技术与现代医学科学的结合，使得心电图的自 动诊断和分析成为计算机在生物医学领域里应用最成功的范例之一【3 1 。计算机应用于心 电信号的自动分析源于5 0 年代末6 0 年代初，尽管经历了四十多年的研究，心电图自动分 析技术在理论上和实践上都逐渐成熟起来，可是随着人类文明的发展，人们对医疗诊断 系统的精度和可靠性的要求也在不断提高。心电信号自动分析的任务包括波形检测和心 律失常分析两大部分。波形检测部分主要进行q r s 波、p 波、t 波和s t 段检测以及心率变 异性分析。在波形检测的基础上，心律失常分析部分主要是结合医学经验判断各种心律 失常的性质，由于心律失常形态多样加之目前还没有统一的诊断标准所以心律失常分析 研究还处于初级阶段。 心脏是一个复杂的、受到神经、血压、激素等多种因素调节并控制的、开放的、非 线性的和远离平衡态的动力学系统降7 】。心律失常有几个大的分类：窄q r s 波形快速( 室 上性) 心律失常，宽q r s 波形心动过速，过早激动的心动过速等【8 】，本文要研究的交界性 心律失常属于第一类，室性心律失常属于第二类。由于心律失常信号的复杂性，对它进 行研究的方法也多种多样，有统计学分析方法，数学建模，基于混沌理论的方法等。统 计学分析方法，主要是建立在传统的线性信号处理理论和技术的基础上，有时域分析方 法和频域分析方法等。时域频域两种分析方法可以反映总体心律变化，但它不能够提供 系统动力学的信息，掩盖了瞬时心搏的变化。数学建模方法，可以检测时间序列的非线 性特性，但在数学模型本身的研究上，没有出现如线性系统a r 模型那样简单通用的数 学模型【9 1 。以t a k e n s 嵌入技术为基础、以关联维、k s 熵、l y a p u n o v 指数等参数为基 本描述手段的非线性动力学分析方法应用于心脏节律信号分析，经过了二十多年的发展 取得了很多成果1 0 舢1 ，但是，关联维，l y a p u n o v 指数的计算均需要很大的数据量【1 6 1 。 所以，对心律失常信号的非线性动力学分析研究目前仍不成熟，缺乏统一的标准，迫切 1 直痘唑出厶堂亟硒究生堂焦论塞丕! 童结盈 需要建立新的合理的分析手段。 熵是混乱和随机程度的测度，联合熵作为信息统计学中的一个统计量，可以描述不 同信号之间相关性，其值随着信号之问相关性的下降而增大【1 7 1 。当心脏本身病变时，心 脏内部组织结构的自谐控制受到了破坏，造成了心脏系统活动的动力学复杂性的降低， 表现为心脏生理信号的动力学复杂性下降【1 8 】。所以，联合熵方法应该能够很好的区分正 常心率和病变心率信号。因此，本文采用联合熵来分析心电信号的动力学信息，将动力 学符号统计理论以及替代数据的概念融入其中，通过计算原始时间序列和其替代时间序 列之间的联合熵值，来量化序列的动力学复杂性【1 9 1 。该方法可以有效的从短时的非线性 信号中提取出动力学信息，从而反映出序列动力学复杂性的强弱。可以揭示复杂生理信 号所具有的动力学特征和衰老、疾病所伴随的动力学复杂性的丢失以及降低的个体自适 应能力。能够成为临床上衡量心脏健康程度、诊断交界性心律失常和室性心律失常的一 个重要的辅助指标。 1 2 主要研究内容 1 2 1 心律失常 正常心律起源于窦房结，频率6 0 次1 0 0 次m i n ( 成人) ，比较规则。窦房结冲动 经正常房室传导系统顺序激动心房和心室，传导时间恒定( 成人0 1 2 1 2 1 秒) ，冲动 经束支及其分支以及普肯野氏纤维到达心室肌的传导时间也恒定( o 1 0 秒) 2 0 - 2 2 】。 心律失常( c a r d i a ca r r h y t h m i a ) 指心律起源部位、心搏频率与节律以及冲动传导 等任一项异常。按心律失常时心率的快慢，心律失常可分为快速性和缓慢性心律失常。 按心律失常发生的部位，可分为房性、窦性、交界性、室性等心律失常。近年来有些学 者还提出按心律失常时循环障碍严重程度和预后，将心律失常分为致命性、潜在致命性 和良性三类。本文主要针对按部位划分的交界性心律失常和室性心律失常进行研究。心 律失常是心脏出现严重的电活动异常，常导致心脏性猝死。心律失常还可分为窄q r s 波 形快速( 室上性) 心律失常，宽q r s 波形心动过速，过早激动的心动过速等，在这种分 类方法中，交界性心律失常和室性心律失常分别属于第一、二类。真正的交界性心律很 少见，大部分把室上性心动过速( p s v t ) 当作交界性心动过速【8 1 。 房室交界区连接心房与心室，除了房室结外，还包括心房下部及希氏束上部，通常 分为房结区、结区与结希区3 部分。交界区细胞纤维交织成网状，其电生理特点十分复 杂。交界性心律失常可起源于交界区任何一部分，其机制多为折返，少数是自律性增高。 交界性心律失常多为主动性，少数为被动性，常常是一种保护机制。交界性心律失常有 2 时出现传出阻滞及隐匿性传导，有时出现2 个以上节奏点，有时发出平行心律，故其心 电图与电生理特点变化多端【2 2 】。 室性心律失常是临床实践中经常遇到的重要课题。其心电图表现多种多样，从良性 的室性期外收缩到可以导致猝死的室性心动过速和心室纤颤。冠心病猝死病人的尸检结 果表明，许多病例仅发现有很小的损失和慢性疤痕，提示这些病人的猝死完成是由于心 律失常造成的。因此，危险性室性心律失常的检测和治疗应是冠心病预防和治疗的主要 任务之一【2 2 1 。这里主要针对室性心动过速和心室纤颤进行研究。 1 2 2 心电波形检测 在心电信号中，q r s 波群的检测是其首要的问题。q r s 复合波是一个e c g 信号的主 要特征，也是e c g 检测中最基本的问题，它不仅是诊断心律失常的最重要依据，而且只 有在q r s 波确定后才能分析e g g 的其它细节，获取更多的信息。如果q r s 波检测不准确， 会大大影响到后面的分析判断工作。而r 波的正确定位又是q r s 波检测及确定其它波位 置的关键【2 弱，只有确定了r 波的位置才能分析e c g 的其他细节。 目前已经有了很多检测r 波的方法，如差分阈值法、模板匹配法、图形识别法、基 于小波变换的方法、基于神经网络的方法等。随着计算机技术的发展，r 波检测和q r s 波群的监测速度及正确率都将会大大提高。本文应用差分阈值法和小波变换法对正常心 率信号和心律失常信号进行r 波检测，以做到对异常心率信号的监测。 1 2 3 心电信号的联合熵分析 时间序列分析在数学、物理、化学、生物、医学、信息科学、经济学等领域的研究 中起了非常重要的作用。线性方法是一种完美漂亮的工具，用它来研究时间序列，有时可 以得到令人满意的结果。但更多的时候，由于大自然非线性的本质，我们采集到的时间序 列都是非线性的，线性工具最多只能给出近似的结果。试想，要真实地反映出这些非线性 时间序列的本质，就必须使用非线性工具。上世纪下半叶，非线性科学得到了蓬勃发展， 其中包括混沌、分形等前沿科学，这正为我们利用非线性工具来研究时间序列提供了契 机。可以用来研究时间序列的非线性工具有许多种，而其中非线性动力学方法则是近年 来兴起的一个重要分支。 在物理学中，熵是描述系统的不规则性或不确定性的一个物理量。在不同的学科中， 一般都认为熵是混乱和随机程度的测度。随着信息论的产生和发展，从香农熵【2 4 】开始， 信息熵的种类不断丰富，提出了相对熵、瑞利熵、重整化熵、尺度熵、模式熵等概念。 联合熵作为信息论中熵的一种，是不同信号之间相关性的量度，其值随着信号之间相关 性的下降而增大。本文研究一种用联合熵来分析心电信号的动力学信息的方法，将动力 3 崮鏖鳗盈厶堂巫班荭生生焦论塞 一 箍! 童绪盈 学符号统计理论和替代序歹j j 的概念融入其中，定量分析不同的心电信号的动力学复杂 性，对临床心电数据进行分析，鉴别出正常的心率信号和交界性心律失常与室性心律失 常信号，从而做到对该类心脏疾病的及早觉察和治疗。 1 3 主要创新点 1 3 1e c g 信号序列化为符号序列 对于心电信号的分析，主要有两类研究对象：一是心跳频率变异信号，即通常所称 的心率变异( h e a r tr a t ev a r i a b i l i t y , h r v ) 信号：二是心电幅度信号，即心电图 ( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 信号。对h r v 信号进行联合熵分析，已经有人进行了尝试， 并取得了较好的效果【1 9 1 。h r v 信号可以看作是进行了检测处理的e c g 信号，鉴于e c g 信号在临床和实验中的大量采用和采集的方便性，我们采用e c g 信号进行联合熵分析。 因为h r v 信号和e c g 信号的数值性质不同，本文要找出一种将时间序列化为符号序列 的新规则，使e c g 信号也能应用于联合熵方法研究。 1 3 2 替代序列的产生 用联合熵方法来量化序列的动力学复杂性，关键在得到合适的替代序列，研究中通 过参考大量相关资料，决定采用产生随机相位的方法，打乱原始序列频域信号的相位来 产生替代序列。 1 4 论文结构 本文共分五章，各章节的主要内容如下： 第1 章绪论。主要介绍了本文的选题依据，研究意义，并点明了本文的主要研究 内容、创新点等。 第2 章心电图基础知识。主要介绍了心电图的产生、特点，采集心电图的导联系 统和常用的心电图数据库等。 第3 章心电图波形检测算法。主要介绍了心电图q r s 波群检测的各种算法，并重 点对常用的差分阂值法和小波变换法进行了研究。 第4 章交界性和室性心律失常的联合熵分析。介绍了联合熵分析方法的基本原理， 应用该算法对正常心率信号、交界性和室性心律失常信号进行分析，得到其各自的联合 熵值范围，应用该范围做到对不同心电信号进行区分。 第5 章结束语。主要是全文内容总结和对本课题的前景和技术的发展进一步的展 望。 d 直立唑皇叁堂亟：蛆基垒堂鱼途塞 簋2 童：垒垒围基地塑迟 第2 章心电图基础知识 2 1 心电图的产生 活的细胞或组织不论在安静时还是活动时，都产生电的变化，称为生物电现象。心 脏是人体中电活动强度最大的器官，人的心脏在每次收缩之前会先产生电激动，产生微 弱的电流，约在o 0 2 秒至o 0 7 秒之后就有机械性的收缩活动。人体是一个良好的导体， 心脏正处于这一导体之中，可以将心脏产生的电流传导至全身各部。因此，人体体表的 不同部位会存在电位差，将电位差的变化曲线记录下来就得到了心电图。简单的说，心 电图记录的是心脏活动过程中所产生的生物电，它反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过 程中的生物电变化。 2 1 1 心脏的电活动和传导系统1 1 ，2 】【1 9 珑】 心脏是人体的泵血器官，是一个中空的肌纤维性器官，形似倒置的、前后稍扁的圆 柱体。心脏是连接动、静脉的枢纽和心血管系统的“动力泵”，并且具有重要的分泌功 能。心脏由无数个心肌细胞所构成。心肌细胞在静息状态时，细胞膜外排列着带正电荷 的阳离子，膜内排列着带负电荷的阴离子，此时细胞膜内外保持着- 9 0 m v 的电位差，这 种状态称为极化状态，膜内外的电位差称为静息电位。 心肌细胞膜上存在着离子闸门，又称为通道，当心肌细胞的一端受到刺激时，该处 细胞膜上的闸门开放，膜外的阳离子涌入膜内，膜内的阴离子移动到膜外。这样，膜内 外的电位就发生了改变，由静息时的- 9 0 m v 改变为+ 3 0 m y 。这种改变由心肌细胞的一端开 始，迅速波及到整个心肌细胞。这种极化状态消除的过程称为除极或去极化 ( d e p o l a r i z a t i o n ) 。心肌细胞的除极导致心肌细胞收缩。心肌细胞膜上除了离子闸门 外还存在离子泵，当心脏除极完成以后，细胞膜上的离子泵开始工作，将涌入到膜内的 阳离子泵回到膜外，同时还把移动膜外的阴离子泵回到膜内。从心肌细胞一端开始向另 一端延续，使心肌细胞恢复到之前的极化状态，这个过程称为复极( r e p o l a r i z a t i o n ) 。 心脏的机械活动首先启始于电活动，位于右心房上角一个被称之为窦房结的部位 存在一种特殊的起搏细胞。普通肌细胞静息电位可以长期保持，而起搏细胞的跨膜电位 则自发地增加直到兴奋阈值，再次出现动作电位。所以起搏细胞是一种自律细胞。在心 脏组织中，还有一类构成传导组织的细胞( 其传导速度是一般心肌细胞的2 到1 0 倍) ， 称为普肯野氏细胞( p u r k i n j ec e l l ) 。这些细胞存在于某些特殊的传导束( 纤维束) 中， 像窦房结与房室结问的结间柬，通过房室结( 房室束管、希氏束) ，以及从房室结的心 s 查室些皇圭茎堡圭堡蓼兰兰丝堡些 篁；塞些皇型垫! 垫望 室一端向下连至心室心内膜的纤维柬。后者构成r 希氏一普肯野氏系统( 普肯野氏纤维 网) 。起搏细胞发生去极化，细胞膜内外电位发生反转，产生一个去极化电脉冲，经房 室结，普肯野氏神经纤维到达心肌细胞各处，激动心肌，导致心肌备部位按一定的时间 顺序收缩( 机械过程) ，完成心脏的泵血功能”圳。将窦房结、结间束、房间束、房宦结、 希氏束、左右柬支发其分支和普肯野氏纤维等构成的这种系统称为心脏的传导系统，如 图21 所示。这种先后有序的l 乜激动的传播，引起了系列的电位改变，形成了心电图 上的相应的波和段。 c o n d u c t i n g s y s t e mo fh e a r t r j g h ts i d e 21 人类心脏传导系统的剖面图 2l _ 2 心电向量环与心电图的形成 心肌细胞在除极和复极过程中的电荷运动可以用一个向量来表示称为心电向量。 心脏是由许多心肌细胞组成的，其排列方向也不一致。我们在体表所电录到的，心脏产 生的生物电，实际上是全部心肌细胞在除极和复极过程中产生的心电向量的合成，称之 为综合心电向量。在个心动周期中，每一时刻的综合心电向量其大小和方向均不相同， 称为瞬时综合心电向量。把一个心动周期的各个瞬时综合心电向量连续完整记录下来， 即构成了心电向量环。心房在除极时产生p 向量环；心室除极时产生q r $ 向量环：心室 复极时产生t 向量环。心电向量环是一个三维空间中的立体环将其投影到三个坐标面， 即额面( x y 面) 、侧面( y z 面) 和横面( x z 面) 上，就得到在这三个平面上的向量图， 6 该向量图称为心电向量的第一次投影，如图2 2 所示。 万 一 募，d _ 瞬 弋 阿 歹 o 路 q j 面、ry 图2 2 心电向量环在3 个坐标面上投影的示意图 正如匀速圆周运动在坐标轴上投影得到正弦曲线一样，心电图是心电向量环在导联 轴上投影所产生的曲线图形，称为心电向量的第二次投影。同一心电向量环在不同导联 轴上投影所成的波形与大小不同，如图2 3 所示。 图2 3 心电图形成示意图 图中黑色环为q r s 心电向量环，它经过投影在额面的不同导联轴上形成了形态不同 的心电图形。 2 2 心电图导联系统1 2 1 j 人体是一个很好的容积导体，心脏正处在这一导体之中，可以将心脏的动作电流传 到至身体各部。因此，在一定的两个体表部位放置电极板，用导线连接至心电图机，就 可描述心电活动的曲线，这种方法是从体表无损伤的检测心电信号，不会给病人带来任 7 直星虹虫本学亟丝盈生生僮监卫 一蔑童尘曳凰基出l 咝 何的痛苦2 “。为便于对不同患者或同一患者小同时期的心电例进行比较，临床统一规定 了电极的安放部位及心电图机接线的方法这种电极安放部位和导线连接方式所构成的 电路叫做导联。 2 21 标准导联 1 9 0 5 年，心电图学的先驱，荷兰人e i n t h o v e n 创立了心电图的3 个标准导鞋，即i 、 i i 、i i i 导联，形成了e 1n t h o v e n 二角。标准导联亦称积极肢体导联，反映两个肢体之 间的电位差。其连接方法如下： i 导联：将左上肢电极( l ) 与心电图机的正极端相连右上肢电极( r ) 与负极端 相连，反映左上肢与右上肢的电位差。当l 的电位高于r 时便描记出一个向卜的波形： 当r 的电位高于l 时则描记出一个向下的波形。 i i 导联：将左下肢电极( f ) 与心电图机的正极端相连，右上肢电极( r ) 与负极端 相连，反映左下肢与右 肢的电位差。当f 的电位高于r 时，描记出一个向上波：反之， 为一个向f 波。 i i i 导联：将左下肢电极( f ) 与心电图机的正极端相连左上肢电极( l ) 与负极 端相联，反映左f 肢与左e 肢的电位差，当f 的电位高丁l 时，描记出一个向上波：反 之，为一个向下波。 导联中正极为探查电极，负极为回路电极，其记录的心脏额面电活动的变化， 如图24 所示。 口 7 飞7 一、 l 一 2 7 1 ，t 图24e i n t h o v e n 三角及肢体导联 2 2 2 加压单极肢体导联 标准导联只是反映体表某两点之间的电位差，而不能探测某一点的电位变化。如果 把心电图机的负极接在零电位点上，把正电极( 探查电极) 接在人体任。点上就可以 测得该点的电位变化，这种导联方式称为单极导联。w ， s o n 提出把左上肢，右上肢和左 下肢的三个电极各通过5 0 0 0 欧姆高电阻连接在一点，称为中心电端( t ) 。理论平口实践 8 均证明，中心电端的电位在整个心脏撒动过程中的每一瞬阃时刻始终保持稳定井接近于 零因此中心电端可以与电偶中心的零电位点等效。在实际应用中，就是将一l l , 电图机的 回路电极与中心电端连接，将三个探查电极连接在人体的左上肢，右上肢和左下肢上， 这样就得到了左上肢单极导联( v l ) 、右上肢单极导联( v r ) 和左下肢单极导联( v f ) 。 由于单极肢体导联( v l 、v r 、v f ) 的心电图形振幅较小，不便于观测，g o l d b e r g e r 提出 对上述的导联系统加咀修改。当描记某一肢体的单极导联心电图时，将该肢体与中心电 端相连接的电阻断开这样就可使这三个导联的心电图波形的振幅增加5 0 ，这种导联 方式称为加压单极肢体导联分别用a v l 、“r 和a v e 表示。 2 2 3 单极胸前导联 在标准导联和加压单极肢体导联的基础上，w i l s o n 又进一步发展了导联系统，将6 个吸附电极与胸前的特定部位连接产生了水平面( 横面) 上的6 条轴线，即v 1 、v 2 、 v 3 、v 4 、v 5 和v 6 六个胸前导联。胸前导联亦是一种单极导联，由于这种导联方式的探 查电极离心脏很近，只隔着一层胸壁，因此心电图波形振1 2 幅较大，能从不同角度反 映心肌的电激动。胸前的6 个电极都是探查电极，负极则连接在由三个肢体导联通过电 阻联在一起组成的中心电端上。胸前导联每个电极安放的部位以心前骨骼为标志，v l 导联位于第四肋间隙胸骨右侧，v 2 导联位于第四肋间隙胸骨左侧，v 4 导联位于锁骨中 线第五肋间隙，v 3 导联位于v 2 、v 4 导联连线的中点，v 5 导联位于腋前线第五肋间脓， v 6 导联位于腋中线第五肋间隙，如图2 5 所示。 置爝獭 图2 5 胸前导联的组成及部位示意图 在常规心电图检查时，通常应用以上导联即可满足临床需要，但在个别特殊情况下， 例如疑有右室肥大，右位心或特殊部位的心肌梗塞等情况，还可以根据需要添加若干个 导联，例如右胸导联v 3 r v s r ，其部位与v 3 v 5 相当不同的是在右侧；v 7 导联在左 腋后线与v 4 水平线相交处。 直宝蛏生厶堂亟! ：蛆宜生堂焦i 盆童 箍2 童! 坠生图基地赳迟 2 2 4 十二导联系统 将3 个标准导联，3 个加压单极肢体导联和6 个单极胸前导联组合起来，就形成了 1 2 导联心电图系统。 标准导联：i ，i i ，i l l ； 加压单极肢体导联：a v l ，a v r ，a v f ； 单极胸前导联：v 1 ，v 2 ，v 3 ，v 4 ，v 5 ，v 6 。 1 2 导联心电图是临床上常规采用的心电图，为瓶床诊断提供了更加全面可靠的依 据，有助于指导治疗、防止急性心肌梗死和致死性心律失常的发生，对心律失常的定性、 定量诊断及心肌缺血的定位诊断方面具有十分重要的临床应用价值。 临床常见的心电图： 1 ) 静态心电图( r e s te c g ) ，也叫常规心电图，是指被检测者在静息状态下测得的心 电图，记录时间通常为l o 秒，最常用的是1 2 导联同步心电图。 2 ) 监测心电图，通过心电检测仪器对被检测者的心电活动进行长时间、远距离的监 测，主要包括c c u 、i c u 的床边心电图监测( b i e c g ) ，电话传输心电图监测( t t m ) 等。 3 ) 动态心电图( a m b u l a t o r ye c g ) ，也即通常所说的h o l t e r 心电图，它用一种便携 式的记录器连续监测人体在自然生活状态下2 4 小时甚至更长时间内的心电变化。从广 义上来说，它属于监测心电图的一种。 4 ) 运动负荷试验心电图( s t r e s st e s to fe c g ) ，通过运动、药物、物理、心脏起博 等方法增h i , e , 脏负荷，诱发心肌缺血，并用心电图记录这种缺血性改变。 静态心电图与监测心电图、动态心电图就采用的导联记录方式和应用目的来看，是 大不相同的。前者使用多个导联记录心电信号，以获得某段时间内心脏电活动较全面的 信息，侧重于了解心脏活动是否发生异常、异常的性质和程度，以及病变发生的区域； 而后者是用2 至3 个导联连续记录，分析长时间的心电信号，侧重于了解心脏电活动在 较长时间里的节律，以及发生心律失常的时刻、类型、形态、频率等情况。 2 3 心电图波形简介 心脏的除极和复极过程形成了心电向量环，心电向量环在各导联轴上的投影后就可 以看见心电图中的各波、段和间期。各个波的形态、幅值，各个段和间期所经历的时间 是心电图的重要数据，是对心电图进行诊断的基础。图2 6 是正常心电图在i 导联上所 形成的图形。 1 0 直鏖整出厶堂亟硒宜生堂焦淦塞簋2 重：坠盟国基熊幼迟 日 5 图2 6 正常心电图的波形组成 1 ) p 波：与心房去极化同时出现，反映左、右心房的除极过程。正常的p 波有不同的形 态( 从平坦到尖峰形) ，波幅从0 - - 0 3 m y ，时程为o - l o o m s 。p 波在不同导联上的形状 可有差异，在a v r 导联的p 波倒置，在其它的导联中则以向上的正波为主。心律不齐可 导致不规律的p 波甚至无p 波。p 波形态发生改变可能意味着心房发生病变。 2 ) p - r 间隔：表示从心房去极化到心室开始去极化结束的电活动。如果心电图缺少q 波， p r 间隔要延伸到r 波。正常的时程范围为1 2 0 2 0 0 m s ，它随年龄和心律的不同而变化。 3 ) q r s 波群：是心室除极波。q r s 波是心电周期中最高、最陡峭因而也是最显著的波。 由于心室所拥有的心肌细胞多于心房，心室肌肉远比心房肌肉有力，所以其波形的幅度 要远大p 波。典型的q r s 波群是指三个紧密相连的波：第一个向下的波为q 波，继q 波 后的一个向上的高波为r 波，然后向下的为s 波。“q r s 波群是广义的代表心室肌的除 极波，并不一定是每一个q r s 波群都具有q 、r 、s 三个波。q r s 波群时间变异较大，通 常不超过0 1 0 秒。q r s 波形的异常通常意味着心室发生病变，如心室性心动过速、心室 肥大等。 4 ) s - t 段：是q r s 波群到t 波起点的一段等电位线，代表心室除极完毕到复极开始的一 段时间，其开始部位s - t 交接点称为j 点。观察s - t 段有无变化要从j 点后0 0 4 s 为准。 5 ) t 波：t 波反映的是心室复极过程中的电位变化，是一个波形圆钝、占时约为0 0 5 至0 2 5 秒的波，波形的上升部分较平缓，而下降部分较陡峭。t 波的方向与q r s 波群的 主波方向一致。在以r 波为主的导联中，t 波的幅度不应低于r 波的1 1 0 。 6 ) q - t 间期：从q r s 波群起点至t 波终点的时间，代表从心室开始除极到完全复极到静 s iq孕i r 路一 哪一 息状念所需要的时间。这一问期的长短与心率密切相关。心率越快，q t 间期越短；反 之，则间期越长。正常成人的q - t 间期约为0 4 0 秒。 7 ) u 波：在t 波后面有时可以发现一个很小的波动，间期约为1 0 0 - - - 2 0 0 m s ，其方向与t 波方向一致。u 波在正常心电图通常不明显，在i i 、v 导联中相对明显。关于u 波产生 的机理尚有争论，可能是由于普肯野氏纤维的延迟复极或心肌的“后电位”引起。最近 的研究表明，心室的机械性活动可影响电活动，即“收缩一兴奋反馈”引起u 波，关于 此问题尚待进步研究。 通常p 、t 波的波形比q r s 波平滑很多，p 波、q r s 波、t 波的交替出现就构成了整 个心电周期。从心电信号的波形看，它是比较接近于一个周期重复的确定信号，但实际 上它又有很大的不确定性。心电信号波形总是不断地进行细微变化，它们不仅会随着人 体各种生理因素的变化而变化，而且如果心脏功能出现异常，就会出现更复杂的心电图。 各波频率特性不尽相同，心电信号它是一种非平稳信号，在采样过程中，常常掺杂 各种噪声和干扰。心电信号的主要特点是：1 微弱：l l l v 级；2 超低频：心电的主要成份 5 0 h z ；3 信噪比低，对放大器要求严格；4 工频干扰强且在有效频带内，故滤除工频 干扰的技术要求高也比较难【3 2 】。 2 4 常用的标准心电数据库 心电数据库是发展心电分析的基础，它可为心电分析软件和仪器的科研开发提供有 效的辅助，可对有关软件和仪器进行权威性客观的检测评价，可为心电图学教学研究及 临床诊断提供标准基础资料。标准心电数据库是指数据库内的心电分类是以临床证据作 为分类标准、或是经过权威的专家小组确认的( 主要指心律失常数据库) 心电数据集。标 准心电数据库在心电信号自动分析程序的研究、开发和测试过程中起着非常重要的作 用，它不仅用于临床研究，而且还可以检测和客观评价市场上各种心电图自动分析仪器 的性能。目前国际上公认的可作为标准心电数据库的有4 个，分别是欧共体的c s e , c , , 电数 据库、美国心脏学会的a h a 数据库、欧洲s t t 心电数据库，及美国麻省理工学院提供的 m i t - b i h 数据库。其中m i t b i h 数据库近年来应用比较广泛，为我国的心电医学工程界所 重视。近几年该数据库的所有者将数据库的全部数据放到了互联网上，免费供给大家使 用，为广大心电分析研究者提供了有力的工具。本文采用的也是m i t - b i h 数据库中的数 据，后面将对其做重点介绍。 2 4 1c s e 数据库【3 3 】 1 9 8 0 年，鉴于心电图自动测量和诊断程序的大量涌现，而在波形定义、测量和诊断 1 2 分类上，以及数据传输上都缺乏统一标准，欧共体启动了一个名为定量心电图共同标准 ( c o m m o ns t a n d a r d sf o rq u a n t i t a t i v ee l e c t r o c a r d i o g r a p h y ，c s e ) 的项目，其目标在 于减小不同心电信号自动分析程序之间的差异，统一心电图数据的采集、编码和交换， 以及为心电信号自动测量、诊断和分类程序提供评价的依据 c s e t 作小组组织了来自不同国家的心血管专家，于2 0 世纪8 0 年代末，建立起一套 心电图测量和诊断标准数据库。在建立标准数据库时，为了最大限度地降低不同专家在 测量上的变异性，数据库每例心电图的手工测量结果均经事先设计的测量程序和统计学 方法产生，以保证测量参考标准的可靠性和准确性。 c s e , 心电数据库包括三导联数据库、多导联数据库和诊断数据库三个部分。其中前 两个数据库用于心电测量程序的开发和测试，最后一个数据库用于心电诊断程序的评 价。该数据库的数据采样频率为5 0 0 h z ，记录长度为l o s ，适用于静态心电图测量和分析 程序的研发和评价。 2 4 2a h a 数据库【3 4 1 a 姒数据库是由美国心脏协会( a m e r i c a nh e a r ta s s o c i a t i o n ，a l l a ) 于2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初组织构建，并于1 9 8 5 年完成的该数据库共包含1 5 5 条( 早期有1 6 0 条) 动态心电数据，每个数据又有长度分别为3 5 分钟和3 小时两个版本的记录，其中最后 半小时是经过三个心电专家逐拍独立标注确认的，整个数据库标注的心拍数大约有4 0 万个左右。a h a 数据库的每条记录都包含2 个通道的数据，采样频率为2 5 0 h z ，精度为 1 2 位。a h a 数据库可以用于评价室性心律失常的检测，目前并不包括房性心律失常类型。 2 4 3 川i - b 川数据库 1 9 7 5 年，m i t 与b o s t o n sb e t hi s r a e lh o s p i t a l 开始合作进行心律失常的分析和相 关研究，并于1 9 8 0 年完成m i t b i ha r r h y t h m i ad a t a b a s e 3 5 1 。m i t b i h 心律失常数据库是 最早的用于评n , b 律失常检测器的标准测试数据库。它包括4 8 条各半小时长的数据记 录，分别来n b i ha r r h y t h m i al a b o r a t o r y 在1 9 7 5 - - 1 9 7 9 年所采集的4 7 个样本，其中有 2 3 条是从4 0 0 0 条2 4 d , 时连续记录的e c g 记录中随机选择的。这4 0 0 0 条记录中约6 0 来自 b o s t o n sb e t h i s r a e lh o s p i t a l 的住院病人，约4 0 来自门诊病人。考虑到那些出现 可能性比较小但对临床诊断有重要意义的心律失常现象，少量的随机样本并不能很好地 反映这些症状，为此又从同一数据源中精心挑选了2 5 条比较典型的记录来弥补。 其中每个记录数据长3 0 分钟6 秒，总计约有1 1 6 ，0 0 0 多个心拍，包含了正常心拍和各 种异常心拍，并且有医学专家对每个心拍作出的识别和标注。其内容丰富而完整，在美 国常被用作心电仪器的检验标准。m i t - b i h 数据库中的信息是数字化了的心电数据，含 1 3 有临床心电信号全面的特征。该数据库中含有除了含有房性、室性节律病例、各种传导 阻滞之外，还有异常传导、异位搏动、预激综合症、起搏信号、非捕获尖峰信号、轴移 尖峰信号等病症信息，甚至还有某些药物治疗后的心电的变形信号。因此数据库的信息 既可以为科研工作用作标准来检测分析程序的辅助诊断功能，也可以用在工厂对心电仪 器的产品检验，以及医院里对心电图作临床诊断上的辨识参考库。 由于该数据库中的数据是通过将录制在磁带上的模拟信号进行模数( a d ) 转换后的 数字信号，在存贮时为了减少文件长度，以节省存贮空问，使用了自定义的格式，无法 通过通用的方式去读取数据。因此必须先识别该自定义的格式，并考虑使用转换技术， 把其中包含的数据信息转换成为直接可利用的类型。 0m i t - b i h 数据库的识读 m i t - b i h 数据库包含了多种类型的心率信号，下面以a r r h y t h m i ad a t a b a s e 为例进行 介绍。a r r h y t h m i ad a t a b a s e 由4 8 个经过注解的记录组成。每一个记录时间约为3 0 分钟， 由两路导联信号组成，信号的采样率为3 6 0 h z ，a d 分辨率为l i b i t ，如图2 7 所示，每一 数据库记录包含三个文件，分别是头文件( 扩展名为h e a ) 、数据文件( 扩展名为d a t ) 、注 释文件( 扩展名为a t r ) 。 1 ) 头文件的识读 头文件的内容是由一行或多行a s c i i 码字符组成，并且至少包含一个记录行。通常 还有信号技术规范行、片段技术规范行( 对于多片段数据记录) 和信息注释行等内容。 记录行中依从左到右的顺序记录了信号的名称、片段数( 可选，对多片段记录，且 与名称之间以“ 分隔) 、信号数量、采样频率、计数频率( 可选) 、计数基值( 可选， 与计数频率配合使用且以圆括号而非空格分隔) 、每信号采样数、采样开始时间( 可选) 、 采样开始日期( 可选) 。这些字段之间除前面指明的之外都是以空格分隔。 紧跟记录行的是信号技术规范行。该行的内容主要包括存储信号的文件名、存储格 式、a d c 增益、基线值、a d c 分辨率、a d c 零值、信号初始值等字段。 片段技术规范行主要包括记录名称和每信号的采样数两个字段。该行只有在多片段 记录的头文件中才有。 信息注释行一般在文件的最后。每行的开头以“# ”开始，内容一般是说明患者的 简单情况。 2 ) 数据文件的识读 数据文件是以自定义的格式按二进制存储的信号原始数据，该文件所用的数据格式 在头文件中已经进行了说明。如心律失常数据库的数据都是以“2 1 2 ”的格式( 即每一个 1 4 ll b it 的数占1 2 b it