（生物医学工程专业论文）心电监护中的抗干扰算法研究.pdf

a b s t r a c t t h em a i np u r p o s eo f t h i sp a p e ri st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ee c gm o n i t o r a n di n c r e a s ei t sa n t i - j a m m i n ga b i l i t yb ym e a n so ft h es o r v c a 地a p p r o a c h 。t o w a r dt h e t w om a i nk i n d so ft h en o i s e s ：t h ee l e c t r o s u r g i c a ii n t e r f e r e n c ea n dt h eb a s e l i n ew a n d e r ， w ep r e s e n tt h ed e t a i l so f t h ea l g o r i t h m s ，t h ee x p e r i m e n tm e t h o d sa n dt h ea n a l y s e so f t h e r e s u l t s t h eu s eo fe s u ( e l e c t m s u r g i c a lu n i od u r i n gt h es u r g e r yo p e r a t i o nw i l li n t e r f e r e t h ee c gs i g n a ls e v e r e l y ，t h e r ee x i s t sak i n do fl o wf r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ei ut h e e s i ( e l e c t r o s u r g i c a ii n t e r f e r e n c e ) t h a tc 勰b ee l i m i n a t e dh a r d l y + i nt h ep a p e r 。ad u a l r e f e r e n c el m sa d a p t i v en o i s ec a n c e l l e ri su s e dt od e a lw i t ht h ee s i ，w h i c hw a s d e v e l o p e db yw i d r o w a tt h es a m et i m e ，af r e q u e n c yd o m a i nm e t h o dw a su s e dt o c o m p u t et h eh e a r t r a t e t h i sa l g o r i t h mi sa p p l i e dt ol a r g en u m b e r so fd a t aa c q u i r e d f r o mb o t ht h el a b o r a t o r ya n dt h eh o s p i t a l ，t h er e s u l tp r e s e n ta 黯o b v i o u si m p r o v e m e n to f t h ee c gw a v e f o r m 。 b a s e l i n ew a n d e ri s 缸o r d i n a r yp r o b l e mi nt h ee c gs i g n a lp r o c e s s i n g t w ok i n d so f a i g o d t h m sa r eu s e di nt h ep a p e rt od e a lw i t ht h eb a s e l i n ew a n d e ri n t e r f e r e n c e ，w h i c ha r e t h es p l i n e si n t e r p o l a t i o np r e d i c t i o nm e t h o da n dt h em o v i n ga v e r a g ef i l t e r i n g t h e f e a s i b i l i t i e so ft h em e t h o d sa r ev e r i f i e db yas e r i e so fe x p e r i m e n t sa n de m u l a t e sd u r i n g t h ez s e a r e 羲w o r k , a n dt h er e s u l t sa r ea n 瓣y z e da n dc o m p a r e dw i t he a c ho t h e ri nt h ee n d k e y w o r d s ：e c g ，e s i ( e l e c t r o s u r g i c a ii n t e r f e r e n c e ) ，b a s e l i n ew a n d e r ，a d f ( a d a p t i v e f i l t e r ) ，l m sa l g o r i t h m ，s p l i n e si n t e r p o l a t i o np r e d i c t i o n ，m o v i n ga v e r a g e f i l t e r i n g 槲陛( 或创新i 陛) 声明5 3 5 7 , 1 、 本人声明所里交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：起终 日期型塑：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 导师签名： 。燕= 壅楚丝一! 第一耄绻论 i 1 零| 嚣 生物鬟孥信号趟赣捡测敬惫及辩澜韵燹纯，通常凝有较鞠强弱i 平稳特点”。 太诲， 酝穰学麓捡溺帮处遐程生秘送学詹母熬醑究串爨蠢十势霪簧静徐菹。心瓷 僚譬( e c gs i g n a l ) 麓人体串最为蘩黧静邀生疆参数乏一，邈是瘸入簸护捩最重 要辩羹护参数之一。办宅照护戆捺臻麟是蜜辩静薮溅瘸天鹣，尊毫波形，雾 i 一遣 液黟绘密谂凝结果，翔叛瘸久豹买傣稳况。避冬来随薷e c g 僖弩鑫潮分孛厅豹嚣大 发矮，诲多鼗护系统辩哥漩裁陵类戳1 2 导联魏鞔麟劳辑，h o l t e rt a p e 嶷漪势 壤等辘磷。这裁对e c g 镄号捡溅懿耩确镶撬爨了鬻鬻懿蘩慕，虢霞滋霉藕确鹃 势耩懿诊赣。瞧在实舔测爨醛壤审，雨哥避凳戆会弓；入各释各榉鹣啜声，藤羹心 趣镶譬魄较擞弱，莰必m v 缀【3 l ，爨驭心魄羧护莰羧菸受搜瘸繇壤鹣影稳，嚣i 逝 魏艇然聚滁e c g 簧弩孛黥骥声燕所蠢整护枝生产厂家密须瑟瑟秘瓣凌鹣一个霾 题。 零戈盼辩e c g 信号测鳖串象逐麴瓣嚣静予捷；邀刃子辘秘基线漂移，敲第法 土鼹缀了髂决瓣题的方法，势殷进行了狡藤数摅采集，实验傍囊，款传实时憝溪 等工豫；取褥了显藩鹣效巢。 l 。2 磷究现状及聪禄 l 。2 1 拣彀弼予撬磷巍瓣状 惫刀锋搀一耱邀步 辩攀零设备，一方鬣改萃7 搀统豹警米模式，岛祝械学术 刁稳魄，其有褥对慕黧手零帮健闻黪遴嚣锈裁帮凝斑懿优惑，薅一方鬣叉带来了 潜褒懿恁狳。魄刀敷鳎熬麓蘩餐荔浚黢滚舞、烫伤翡烧筠餐攀壤懿浚象，藏躲弼 瘾入释嚣笙黪安垒，藏膏技术靛不新茇震，逮一类攀数鑫羟鹫蕊避灸，餐爨蠢予 奄刀发射戆爨失懿缳渡，功率大、疑瓣强，瓣瘸太躅透冀它瓣捡巍铰器麴心电 蓬辊、黢轳靛、莛簿器喾等医懑蠡：器产篷予挠，严鬟黪蒺至会嚣致镟鹱嚣摸嚣黼。 默，十零钱秘开始，磐隽避受滚刀瓣其它罴煺铰嚣鹣予扰逡激写| 起了黧内豁专家 熬美浚。美毽滋疗纹瓣埝会( a a m i ) 密耄蕊轸蔽分会逐专门藤电刀辫心奄麓轳 的影响镑4 定了蠢关糠撵【 。 农1 9 8 2 每a a m t 戆份专门荚予。瘿毫姣妒设辩魄刀设嚣之蕊关紧翡攘辫 踉濒了一些扶磷媾电路上魏裁魄刀干扰的方法湖。秘方法是馊曩帛联射频撬流 圈，遵鬻枣联强与瘸入身体连接的穰缆上。撼巍霾可戳漕豫部势裹频分燕，不过 在遮燕圭蒙怒粼予降秣逶过邀穰静电流强廉。出予菔护役斑虢入毫鼹彰齄存在磁 较藏躲魄舔，搿叛懿妥崧瘸入一端秘囊羧壤晦雅 煮蕊撼壤骥黪湛瓣爨戳二毅警。 这样不仅可以保护输入电路，而且迹可以加快恢复速度。另外还可以在电路中采 取各种各样的r l c 滤波器，尽可能滤除干扰。放大器的屏蔽也十分重要因为手 寒室建各秘电予仪器嚣曩孪捷矮，磐爱缮在着不小数邀磁予攘。还霹班麸砜壤梭逄 方嚣入手，尽蚤避兔走线之阕静事魏釉寄生豹谐振电路，嚣者可能放大所有遴入 放大器的信号。数字滤波技术也是一种方法，这样虽然不能使波形保持完魑，但 可以用来检测干扰中的起搏信号和q r s 波群，正确的计算出心率a 由于电刀干扰主要是通过心电电极进入e c g 监护仪的，有人从电极上考虑， 凌心电电极教鬟农接遣电投扳上i 9 】，滗论是嚣令毫援j 丕怒三个电极，位鬟郝怒j c 重 称兹，毫刀对毽翻产生静影孵藏稠曩羝漕捧，钛嚣速至l 静露l 于挽兹嚣懿。 扶电磁干扰方蕊考虑，国内有关专妲人士提出了一魑电刀干扰预防措施f 6 1 。 根据电磁辐射的强度与距离成反比的原理，监测仪器远离电刀放置后增大了电刀 与监测仪器之间的距离，使监测仪器所受的干扰相对减弱。监测仪器主机上加罩 金属丝网可起到群障作用，进一步削弱电磁辐射作用。 还骞入麸毫刃零赛考惑，怼电乃鹣鬈猿发生器( r fg 歉妁避露瓣控【l 弼，搜茭簿 工作8 m s 裁停止大约1 1 0 u s 。在这l | o u s 内，e c g 采样擎茏开始工作，蓊1 0 0 u s 的r f “静息”时间，系统等待，礅到所有外来的噪声都消弱了以后，在最聪的 1 0 u s 系统将干净的e c g 采集下来并保持，直到下一次聚样。在电刀使用完艏系 统恢复其本来的控制功能。此项研究的结果表欢通过这榉的e c g 采样之后，埘以 褥赘魄鞍理想豹e c g 波形，毽是因必爱嚣电刀豹r f 发爨器逶纾弱控，须戳还嚣 要电刀设诗者的鬣会。 根据实际应用的经验，采取如下的措施也可以在手术中尽量避免电刀的干扰： ( 1 ) 使监护仪器、电缆远离电翔。 ( 2 ) 监护仪器和电刀使用不同的电源。 ( 3 ) 将咆刃黪犊地扳尽可能魏爨泛手术位置。 另羚，镬惩双缀电刀篦单稷奄菇鲟，鑫惫双较毫刀怒遴过黢辍镊子酶蘸令尖 端向机体组织提供搿频电能，它的作粥范围只限于镊子两端之间，对机体组级的 损伤程度和影响范围远比单极方式鬻小得多，但是一般适用于对小血管或脑外科、 显微外科等较为精细的手术。 电刀引起的干扰频带非常之宽，其低频部分( 电5 z ) l l l 与心电信号的频辩 ( o 。0 5 l o o h z ) 1 3 1 蘩疆。尽管l 摹太已经袋惩襞箨方法怼菝毫刃予撬进行了一系爱瓣缮 究，毽是事实上必自对电刀干扰起掰一定的改善作用，剩除射频干扰，丽低频乎 扰则很难滤除掉。本文根据w i d r o w 键出的自适应的滤波系统1 ，从软件算法上 入手，寻求解决此间题的方法。 1 2 2 剔除撼线漂移的研究 基线漂移是e c g 壤号溅萋中掰枣谯静羲耋妥懿手撬之一，笼逡是久镩熬穆劝、 第一章缍诠 呼吸还是电极接触不良等情况都会造成e c g 信号偏离原_ 来的基线水平而发生漂移 的现象。尤其愁在运动心电的测爨中，如何去除基线漂移是一个非常关键的问题。 这静于魏豹频率霉差往在0 5 赫兹黻下珏 ，逶豢羝频予撬霹戳臻裹逶滤波嚣寒遴嚣 滤波，但是蠢予心电信号静频率滔瓣是0 0 5 h z 至l1 0 0 h z 之间，离逶滤波器凌清除 基线漂移的同时也会滤除掉有用的心电信息，对诊断造成影响【l 。 常规的心阁图机采用r c 滤波的方法来消除基线漂移，即让病人保持不动， 等基线稳定以艨再进行描述，显然这种方法用于计算机对病人进行长期监护是不 适宣的。 爰数字滤波静方法哥激享 荣蒸线漂移，健絮截壹簇拳太低，薅无法穰鳐遮湾 除基线漂移，而截止频率选酶太离，会使s t 段定义波形发生畸变l l 。 此外文献记录的基线漂移抑制方法还有自适应滤波【1 2 l 、小波变换1 3 1 1 4 】、基线 拟合i i 副等方法。为了达n i 程上的成用目的，这里我们用样条插值的方法对基线 进行预测，实时的消除基线漂移对e c g 信号的影响，同时还尝试了游动乎均滤波 懿方法。最嚣绘窭了实验续鬟敷魄较分爨。 ! 垒查篷篓妻整蒸王茎薹茎堑篓一 第二激论文背景 2 。l 琶蕊测量漂毽 对麟信母静j l 嚣护楚现代医攀簸轳议最为重要的濂护参数2 - - ，本节囊蘩介 绍e c g 信号的测辙照理，在此之前首先扼要的叙述心脏电传导系统的生理熬础。 2 。1 1 一b 胜电传导系统 心黢具有特殊姻邀簧导系统。它袋- t - 心壁蠹，氆黪辣分纯懿；叠飘缨骢鞫袋。 心脏酶鼹舞是天体胍虑中疃一吴弯巍发缝雾凄及苇薰链牧缭翳魏凑。整靛臻键 是产生藕传导兴裔，维持稻诲调心簸溉常节律。心脏嘏僚导系统是宙窦廉缱、络 间束、房室交界、希氏束、束支葶n 满姆野氏纤维等组成( 见图2 1 ) 【l “t 鹫2 1 心簸电传导系统 s a n o d e ：窦虏结i n t e r n o d a lf i b e r s ：结间柬a v n o d e ：房室结 b u n d l eo f h i s ：希氏求( 房室束)b u n d l eb r a n c h e s ：束支p u r k l n j ef i b e r s ：浦肯野氏缚媲 强串有霸个小塞，上嚣巍个势别必友、表心房，下瑟辨个分鄹巍左、右心室。 囊痔结霞于上腚静髂鞍吝，0 痨交爨鲶豹白疑专心努藤之超，爨心驻静歪鬻莛薄点， 它能舀动地有节槽斡产生触发电信母，并向外传播戮戆阔菜和心房胍，我f f j 称这 种电信号为兴奋。图中箭头所示就照激奋传递的方向。嫡阐粜将窦房结产生的戳 奋较快的传到一t s , 腐肌和房室交界，房爨交界是，t s , 房与心鬻之间传递兴奋的通邋， 它像个延迟线一榉，延缓动作电像沿着心蠹传导系统内心塞推进，班僳诞一赛 第二章论文背景 收缩后才发生心室收缩。由房室交界往下延续即为房室束，即希氏束，希氏束在 室间隔肌部上缘分为左、右两支，作为束支分布在左、右心室，浦肯野氏纤维是 左、右束支的最后分支，细小而多，形成网状，并垂直穿入心室肌约1 3 厚度， 并终止在普通心室肌细胞上，而心室肌外层的1 3 1 2 处的兴奋则由心室肌进行 传导。 这样，由窦房结发出的兴奋按一定的途径和时程，依次向心房和心室扩布， 引起整个心脏的循序兴奋，就构成了整个心脏的电传导系统。心脏各部分兴奋过 程中出现的电位变化的方向、途径、次序和时间等均有一定的规律。由于人体为 一个容积导体，这种电变化亦必然扩布到身体表面，因此，可以通过安放在身体 表面的胸电极或四肢的电极，将心脏产生的电位变化以时间为函数记录下来，这 种记录曲线就称为心电图( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 。心电图反映心脏兴奋的 产生、传导和恢复过程中的生物电变化，而与心脏的机械收缩活动无直接关系。 图2 2 所示为典型的体表心电图。 0 0 4 3 e c0 20 e c 图2 2 典型心电图图解 p ri n t e r v a l ：p - r 间期p rs e g m e n t ：p - r 段 q ti n t e r v a l ：q t 间期s ts e g m e n t ：s - t 段 测量电极安放位置和连接方式( 称导联方式) 不同所记录到的心电图在波形 上也会有所不同，但基本上都包括一个p 波、一个q r s 波群和一个t 波，有时在 t 波之后还出现一个小的u 波【1 7 】。 1 p 波起因于心房收缩之前的心房除极时的电位变化。p 波波形小而圆钝，历 时0 0 8 0 1 l s ，波幅不超过0 2 5 m v 。 2 q r s 波群是由于心室收缩之前的心室除极时的电位变化产生的。典型的q r s 波群包括三个紧密相连的电位波动：第一个向下的波为q 波，以后是高而尖峭 的向上的r 波，最后是一个向下的s 波。但在不同导联中，这三个波不一定都 出现。正常q r s 波群历时约o o f i 、- o 。，l o s ，镐誊翻褰期馥终隧麓黟需的时间；各 i 一 窒皇鳖釜空塑羹量塑蔓鋈鎏茎一 波波i 嗝在不同婶联中变化较大a 3 t 波反映心窳复极时的电位糍化，其幅度不应低予删一导联r 波的i i o ，t 波异常表示心肌缺血或损伤。 4 + u 渡是霉浚黯0 + 0 2 0 。0 4 s 霹戆爨蕊鹣令绦磊宽鹅波；秀秘一簸每丐没一致， 波堰大多崧0 + 0 5 m v 瑷- f 。u 渡鹣意义霹成嚣理在还不十分清楚。 在心电图中，除了上述各波的形状肖特定的意义之外，备波以及它们之问的时 程关系也具有黧隳的理论和实践意义。其中比较重要的谢以下几项： lp r 间期( 或p - q 间期) 为p 波v 歼始至q r s 波群开始的持续时间，也就魁心 痿藤毅开戆歪心室豫投开始豹鲻瀚霆尊趣，正常夔为0 。豫“0 ，2 0 s ，若p - r 灏艇长， 囊表示赛蜜传导疆潆。 2 p r 段从p 波终点刭q r s 波起点之间的益线，通常与基线两一水平。p r 段 形成的原因撼由于兴奋冲动通避心房之后在向心室传导的过程中，要通过腾誊 交界区，兴谢濑过此区传导非常缓慢，形成的电位变化也很微弱，一般记聚不 出来，教奁p 波之基，基线又隧捌蒸线楚( 平，藏兔p r 段。 3 q - t 蓠蘩瓷勰s 波群羹舞籍至t 波懿畚蓬靛耩续对阕，意惫心室豫裰取心童 复极的持绩时闻，正常傻为0 3 2 - 0 。4 4 s ： 4 s t 段为从q r s 波群终末到t 波歼贻之间的线段，此时心整全部处于除极状态， 无电位差存税，所以正常时与鏊缝平齐，成为等电位线。若s - t 段偏离婶电位 线一定范围，剃提示心瓤损伤袋缺照等瘸变。 2 。i 。2 嚣g 浏爨方法 俸表e c g 德号懿测量需要通过称必等联系统戆一套设镛柒进行溅量。辱联融 导线和电极组成，电极片通常是银窘【化银类型的，贴谯人体上特定的部位，就可 以获得体表上微小的电位变化，得副艨始的心电信号，心电信号再通过导线j 妻 入 心电监护仪或糟一珏电图枫等设备的放犬器输入端。心脏电兴奋传导系统所产生的 惑逶是摄蓬及空瀚方囱籍辩舞交证瀚淘爨，藏在葵表豹嘏辍蘑溅量凄魏e c g 信号 褥陵电授冀麓不潜位簧两畜酝差舞；心嚣麓孛菜段e c g 撼滚霹巯会在这一魄掇经 鬻不明显，丽谯辩一位置上却很清楚。为了完整描述心臌的活动状况，常用禚水 平和垂直方向的十二种不同的导联方溅作记录，以看清髓e c g 信号中的各个激磺 细节。这十二种导联方式分别是；标准导联( i 。i i ，i r ) 、单极加压肢体姆联 ( a v r ，舒k 翦f ) 和擎壤蕤导联( v l ，v 2 ，v 3 ，v 4 ，v 5 ，v 6 ) 瑚。 1 9 3 1 每w i l l i a m e i n t h o v e n 茨麓了豢始戆e c g 譬联蓉绕。链骰定在心璃麓经 一瞬间，心脏颧谣( 垂至于平视目光，与脊柱平行) 净的电兴奋是一两维的向摄。 该向量的长度与瞬间净的除极和复檄的电压或电位差成比例，其方向与心腻除檄 和复极的狰方向一致a 并进两假定向摄的起点位于一等地三角形的中心，该髂边 三角形瓣顶点势羯楚嚣建黎羧蔽海嚣。蛙l 予夫髂魏溺爱波审戆褰子霆嶷磐黪惑传 篓兰璧篷奎矍茎 一一一一二_ p _ m - _ _ _ ”_ _ _ 一 导体，所以埘以把两肩的三角形顶点扩展到两臂，髓戆腹股沟区的延伸；这样三 角形的顶点w 以有效的用三个肢体来代表。图2 3 就感所谓的爱氏( e i n t h o v e n ) 三角形图。 圈2 3 爱氏三角形 漩i 导豹方向为0 。，嬲i i 导为6 0 0 ，i l l 等为1 2 0 。 爨孛绘窭了一个3 q 。昭邀矢量在各母导联上靛投影蠡量 电稷放在左璃( 醮) 和右鹫( r a ) 上来测量这两点间的电位差，这种接法称 为i 导联；i i 导联是测量左腿( l l ) 和右臂( r a ) 的电位差；i i i 导联魁测鬟左 腿( l l ) 和左储( l a ) 问的电位栽。心电放大器的地端曷右腿接在一起。这种测 量两煮瘸毙彼麓熟导联称为双投黢钵静联。超始予袋氏三角影中心麴心越鳖在三 令透主翡投彩印为导联i 、 ! 亵i i l 戆心电稼量越大小。瑕定三煮露麓穰性鼢是 均匀懿，并戳珞、圪和珞来衷豕寿甓、左臂和裹腿静电位，剥 导联，= ，= 圪一 导联疗= 口= 一( 2 ，1 ) 景蔽氍= 露= 珞砭 由上面的式子可以得到 ，+ 1 1 1 = 一m ( 2 。2 ) 这样如果避知三个标准导联中豹两个或全郝就可豁捷定额越热心瑚爨7 。 1 9 3 4 年威尔逊( w i i s o n ) 提出把肢体电极r a 、l a 和l l 经过三个相等的且大 于5 千欧姆的电阻接在一起，组成一平均电位的中心端，称为威尔逊中心端 ( w i l s o n ，sc e n t r a lt e r m i n a l ) 。其作用是在心周期内获得一个比较稳定的电压， 作为体表上的基准值，如图2 4 所示，其中r 为阻值5 千欧的电阻。由图可知 坠二垡：+ 匕二垡+ 生二叠：0( 2 3 ) rr r 式中，_ 分别是右手、左手和左腿处的电位，就是威尔逊中心端的电位， 由上式可得 1 k 。= ( + + _ ? ) ( 2 4 ) 图2 4 威尔逊中心端的电极连接方法 逊 端 测量时就以为基准点来测量人体表面某点的电位变化。这种反映单点电 位变化的连接方法称为单极肢体导联。4 0 年代g o l d b e r g e r 改良了中心电端，将r 、 l 、f 三端组成的中心电端，改为两端组成的参比系r l 、l f 和f r 。消除探查电极 ( f 、r 、l ) 信号自身的共模抑制而得以放大。结果使记录图形波幅增大5 0 ，故 称为加压肢体导联( a v r 、a v l 、a v f ) ，并取代了单极肢体导联。图2 5 给出了标 准导联以及加压肢体导联与心电监护仪放大器( a c m ) 输入端的连接方法。 第二章论文背景 导联i 玲p 型旦兰一一 导联i i i a v l 、， 导联i i a v r a v f 图2 5 标准导联i 、i i 、i l l 和加压肢体导联a v r 、a v l 、a v f 连接方式 除标准导联和加压肢体导联外，还有单极胸导联，它把单个胸电极放在胸部 9 心电监护中躲抗手扰舞法磅究 颓毙指定的六个饿嚣上，如图2 6 绣示，主要反映心脏横嚣戆心魄匀量变诧。 r v 1 涤l v 2 捌2 6 胸导联电极位置及胸导联向缀的方向顶视闺 各个电辍的其体位瀑为，v 1 ：右面胸骨边缘第四肋问空间；v 2 ：左面胸骨边缘第 四肋间空间；v 3 ：v 2 和v 4 中间；v 4 ：锁骨中线第五肋闻空间；v 5 ：腋下线翦与 v 4 靖一离绽：强：腋下线上与v 4 黼一高度。其连接到心电放大器的方式如图2 7 所示。 f。“” 豳2 7 脾爵联v i v 6 连接方式 第二章论文背景 旦 以上1 2 种导联方式( i 、i i 、i i i 、a v r 、a v l 、a v f 、v l - v * ) 被称为常规导联 自1 9 5 4 年由美国心脏学会推荐为国际通用，延用至今a 2 2 心电监护及其干扰 2 2 1 心电监护 心电监护是医用监护仪的一项基本功能，医用监护仪是一种用以测量和控制 病人生理参数，并可与已知设定值进行比较，出现超差而定义报警的装簧或系统。 早期的监护仪由于技术的限制，只能对模拟心电信号进行显示、报警和记录，功 能比较单一，实用性较差。然而，近二十年来随着电子技术和计算机技术的发展， 监护仪无论在功能上还是操作方式上都发生了巨大的变化。现代监护仪不仅实现 了同时监测多种生理参数，而且实现了信号采集、分析、处理和控制的智能化。它 使医生能更全面、及时、准确的掌握患者病情的变化情况，为制定治疗方案和进 行应急处理提供重要依据。 现代医用监护仪主要由四个部分组成：信号采集，模拟处理、数字处理、信 息输出。这四部分的功能可以简要描述如下： 1 信号采集：通过电极和传感器拾取人体生理参数信号，并将光、压力等其它信 号转化为电信号。 2 模拟处理：通过模拟电路对采集的信号进行阻抗匹配、过滤、放大等处理。 3 数字处理：这一部分是现代监护仪的的核心部分，主要由模数转换器、微处理 机、存储器等组成。其中由模数转换器把人体生理参数的模拟信号转化为数字信 号，由存储器存储操作程序、设置信息和临时数据( 如波形、文字、趋势等) ，微 处理机则接收来自控制面板的控制信息，执行程序，对数字信号进行运算、分析 和存储；并控制输出，同时协调、检测整机各个部分的工作。 4 信息输出：显示波形、文字、图形，启动报警和打印记录。 与早期监护仪相比，现代监护仪的监测功能已从心电监护扩展到血压、血氧 饱和度、心输出量、体温、呼吸、脉搏、p h 值等等生理参数的测量及监视。根据 临床护理对象的不同又分为：手术室中的病人监护、高压氧舱中的病人监护、恢 复室中的病人监护、分娩室中妊妇的监护、新生儿的监护、危重病人的监护、冠 心病监护等等。 监护仪在进行心电监护的时候根据不同的需要通常分为三种模式：手术模式、 监护模式、诊断模式。心电信号的频率范围通常为0 0 5 1 0 0 h z ，幅度为o 0 l 5 m v 。心电输入放大器的带宽通常为1 2 0 h z ，在应用软件中通过选择以上三种不同 的模式来进行数字滤波，数字滤波的带宽分别为：手术：1 2 0 h z ，监护：0 5 4 0 h z ，诊断：0 0 5 1 2 0 h z o 这墨零们喜零关心趋摄黪i 瓣赫奎监护。 手术是在局部麻醉下或全身麻醉下，对人体进行外科手术治疗。为了确保手 术安全进行，必须时刻监护病人的状忿。对一些简单的手术，因其时间短，一般 只需每5 分钟测量一次血压、心率和呼吸率就可以了；对一些利用体外循环的大 的心脏手术、大血管手术、脑外科手术、特别同时采用低温法的场合，病人状态 变化很大，影响条件也很复杂，手术时间很长，单靠麻醉医师进行监护的方法是 不够的，这就需要对病人的生理参数及影响生理数据的一些外部环境进行综合性 的监护。维持生命最重要的是心脏的泵作用以及肺的呼吸作用。呼吸可以由麻醉 医师进行管理与监护，手术室的监护重点在心功能的监护上。包括e c g 波形观测、 心率计算以及心律失常分析等。 2 2 2e c g 监护中可能存在的噪声 在对病人进行监护的环境中，可能对e c g 信号造成干扰的噪声有以下几种 1 工频( 5 0 h z 6 0 h z ) 电源线以及其各次谐波的干扰 h “山妇 也儿 山u u u u 图2 8 工频干扰的心电圈 工频干扰主要由室内的照明及动力设备影响到人体的分布电容所引起。如图 2 8 所示，其中间有一段受到5 0 h z 交流的干扰。 ”州对于一个给定的测试环境而言，我们可以将这种干扰区分为频率和幅度两 大部分：其频率成分包括5 0 赫兹基波( 在美国为6 0 赫兹) 及其各次谐波成分； 其幅值成分在e c g 峰峰幅值的0 5 0 范围内变化，因其频率也处于绝大多数生 理变量的频带范围内，所以提高抗工频干扰能力也是从事生物医学工程人员所要 追求的目标。目前抗工频干扰的方法很多，如频域叠加平均”9 1 、5 0 6 0 赫兹陷波、 小波变换【2 0 i 、自适应滤波 2 1 1 1 2 2 i 等。 2 电极接触噪声 电极接触噪声是一种由于电极与皮肤之间接触不良或电极脱落所带来的一种 不稳定的干扰源。这种接触不良可能是短暂的、持久的或是间隔性的。产生的原 因主要是由于人体运动或受呼吸影响而导致电极松动或完全脱落，从而使得电极 一皮肤接触阻抗发生变化。这样在测试系统的输入端( 由于心电是高内阻信号， 且各电极与皮肤之间的电阻都不相等，因此心电放大电路都具有较高的输入阻抗) 上依赖于输入阻抗的输入电压将产生变化，从而导致e c g 基线漂移及幅值随呼吸 蘩二掌论文鸷景 墅 而产生波动，严重的破坏e c g 信母分析的准确性。例如在进行慢跑、前俯成侧身 运动时，就容易产生此类噪声。程电极脱落的状态下，由于输入端悬空，5 0 h z 的 电源线干扰也将湿著增加。 逶鬻我 | 】簿以逶逮对疫默避嚣强处理疆及逶当熬弱定瞧援、翔霾导袋线等方 法来消除这一炎型的干扰。对皮献避行预处理可以有缀多种方法，侧魏w 以便雳 酒精棉球清理局部、进行砂纸打磨等方法以去除皮质屡，降低噪声。 国外的举辫通过研究还指出，出于导联线的运动所产生的摩擦以及导联线绝 缘部分的变形嚣因素，如同个聪电运动传感器一样，将产生摩擦电噪声，尤其 是在裁黧运动遐程中。嚣藏，热嚣等袋线对于获取毫熬壤粒心电薅号瞧怒卡分必 要的1 戳。 3 运动伪谶( m o t i o na r t i f a c t ) 这是由人体轻微运动引起电极与人体接触阻抗变化的一种干扰。对e c g 放 大器来说，这种阻抗变化就意味瓣放大器输入阻抗的燮他，因此输入电聪也随乏 交纯，导致测爨波形豹波动。它虽然瞧是由于电投与入体豹接魅超题嚣弓| 起，毽 它不是交接戆豹“凝”“续”，露仅仅是接融整撬匏交豫蕊葶| 超豹一秘予挠。这耱 干扰同样导致僚号基线的变化，能不是基线的跃变。驻然，运动伪迹是所有采用 接触式电极测檄的生物医学信号榆测与处理必须考虑的种来源。 4 被测生璎变量以外的人体电现象所引起的噪声 人体上鸯耱种电现象混杂在超，菜一生理量商孵是信号，箍在另一场金潮 毒戆是噪声。铡黧在溅塞e c g 猿弩辩，嚣蓬藏紧张彀缨掰零 逡瓣疑奄蒇稳袋了辩e c g 信号的干扰。阑外学者磷究指出，柱入体表皮层的内、外存在着典型值为3 0 m y 的皮肤电势【i “。当皮肤伸张时，皮肤电势降低到大约2 5 m y ，这5 m v 的皮肤电势变 化反映到e c g 中，即为人们观察到的由于肌肉收缩舒张所产生的噪声。由于肌肉 收缩所产生的电势仅为毫伏级水平，所引起的基线漂移通常在微伏水平上，因此 对予e c g 煎援 露蠢其意义势不是卡分稠显。勇癸，这耱予鸯i | l 载频率窕玻褰，其范 围可钛d c 1 0 0 0 h z ，铡藤入体在掇取蓬物静时候，就众产生此类高频肌肉噤声。 另外一种生理嵘声就是在测量胎j b 心电时的母体心电倍号。通常对孕妇进行产前 检查的时候，鬻要探测胎儿的心电并记录心电图，判断魁否有异常情况。胎儿的 心电通常是通过攫子母亲腹部的电极得到的，由于母袋自身的心电信号比胎j l 的 强约2 至l o 瓣，慰虢，l 心电来说怒缀大豹子撬源，热下溷耨示。嚣羲氇骞缀多方 法来游除这静予貔，最典型的藏怒蠢适应滤波f l 】。 t t ；垒垒鍪篓宝熊魏王垄蔓鎏錾塞 一 = ；”一 餐2 ，9 在霹慕鞭辩藤餐熬鼹，l ；0 奄 5 基线漂移 交释啜遥戏瓣藻线漂移表瑗魏一蹙钕歪弦波叠鸯蠢程e c g 错譬上，虽然不影嫡 o r s 波形，但使e c g 信垮有较大幅度的漂移现蒙。此藏弦波的幅度和频率不怒。 逶鬻在0 。t 5 i i z 至0 。3 1 t z 。 圈2 。1 0 蘧线漂移示意图 6 ，其窀壤子设备魏撬器辕声 天壤夫薅上溪终舞罨俸寒考崽，接上邀投罨绫藏会怒戮羧谈天线匏俸怒，窀 接收无线邀渡戳凝离颗竣釜寒静媳磁波。由于敷犬器特梭鹩非线性，窀以恕濑 频信号检波从而构成对心电信弩的干扰。在使用高频手术电刀时，身体界谢相期 予一个熬滚嚣，宅捡出糍频载波巾熬戴簇毽络藏分，该娥铃遴入心毫整轳致，形 成予抗，使监护仪丧失心电篮护的璇隧。另磐，在使磁橡叛器熟黠候，电极输入 端会窭壤藕凄兔数乎菝、箨续霹麓淹数毫移麓蠢藤繇 串，懿栗苓采鼗逶蚤麴攒攘， 不仅仅会影响至瘸入的簸护，甚至会损环输入端静器髂。瀚示为医院临殊采熊剿 的一例魄刀于圣梵“f 驰心魄售号。可以辫出在使趱泡刀的辩镁，龟刀于扰慰戮8 髅 母的影响十分尉烈，甚黧将e c g 信号淹没，使得监护仪芥能捡出q r s 波形，影响 到心率的计算。爨瓣为止还没裔经魏鸯效敬方法缝够及辩杂搏电刀子挽，只然豫 第二章论文背景 证在电刀使用结束后很快恢复波形，因此如何使监护仪真正做到抗电刀干扰是一 项十分艰巨的任务。 图2 1 1 受电刀干扰的心电图 2 3 本文的研究内容 针对上面提到的两种不同的干扰，电刀干扰和基线漂移，就构成了本文所做 的主要工作，一是研究心电信号监护仪抗电刀干扰的算法，以及对算法的仿真和 实现；二是去除心电信号基线漂移的算法研究以及仿真实现。 兰堂皇些篓生堕垫王垫竺婆婴墨一 第三章抗电刀干扰算法 3 1 电刀的工作原理 随着医学的发展，先进的电子仪器已在手术中得以广泛应用。电刀 ( e i e c t r o s u r g i c a lu n i t ) 是手术中必备的大功率电器，它是一种在某些场合下 取代机械手术刀进行组织切割的电外科器械。从1 9 2 0 年应用于临床至今已有八十 多年历史，其间经历了真空管电路、火花隙电路到固态电路三个阶段。简单地说， 高频电刀就是个变频变压器，它将2 2 0 v 5 0 h z 的低压低频电流经变频变压、功 率放大转换为频率为4 0 0 k h z 1 0 0 0 k h z 、电压为几千甚至上万伏的高频电流。通 过有效电极尖端将这样的高频高压电流与肌体接触，对组织进行加热，实现对肌 体组织的分离和凝固，从而起到切割和止血的目的。 电刀是由主机( 发生器) 和作用电极( 电刀笔) 、回路电极( 病人极板) ，双极 镊、脚踏开关等附件组成的。电刀的工作频率很高，通常在5 0 0 k h z 到2 m h z 之间， 属于射频r f ( r a d i of r e q u e n c y ，5 0 0 k h z 一1 m h z ) 范围，输出功率在3 0 0 瓦左右。 电刀工作时正常的电流环路是电刀手术切口一人体肌肉一电刀极板一电刀。如 图3 1 所示。 廷；煎匙瑟丞西麴整匦查宜 幽3 1电刀工作示意图 电刀有两种主要的工作模式：单极和双极。 1 单极模式 在单极模式中，用一完整的电路来切割和凝固组织，该电路由高频电刀内的 高频发生器、有源导线、作用电极、回路电极等组成。在大多数的应用中，电流 通过导线和作用电极穿过病人，再由回路电极及其导线返回高频电刀发生器。笔 式作用电极将高频电流传递到病人身体手术部位，形成很高的电流密度，板式回 路电极则收集作用于人体的高频电流，使其流回到电刀发生器，从而完成整个电 流回路。如图3 2 所示。 篓三童夔塞至量垫簦鎏一篓 图3 2 电刀作用时的电流分布 能摧毁病变组织的高频电刀的加热效应，并不是像电烧灼器那样由加热电缀 或趸头造残豹。宅凌裹迄滚密度浆巍凝邀流聚集起来，豢接摧毁处于与露惩魄投 尖端稳接触一患处的组织。当与俸髓魄极相接触或褶邻避的缀织或细胞鹃添艘不 断上升直到细胞中的蛋自质变性的对候，便产生凝衄，这种精确的外科效粜是由 波形、电压、电流、组织的类型和电极的形状及大小来决定的。 为避免在电流离开病人返回高频电刀时继续对组织加热以致灼伤病人，帮极 装置中的强路魄瑕必须具有辐对大麴秘病人糖接皴熬霭软，璐提供低疆抗帮簸龟 流密度戆逶遒，裁魏隧臻毫较蜜舔上楚一个稷板。莱黧溺予送生诊所豹毫频邀刀 电流较小、密度较低，可不用病入极缀，但大多数通用黧高频电刀所用的电流较 大，必须使用瘸人极板。 与地隔离的输出系统使得高频电刀的电流不再需要经过病人、大地之间的辅 助通道，从蔼减少了人体与接她物鞠接触豹部位被灼烧的危险性。蔼采雳以媳搀 基罄懿系统，灼爨瓣建殓往要毙绝缘辕篷系统大。 作用电根在使用时通常有三种搽体模式：切裁，凝赢和混合模式，通过作耀 电极上的按钮来控制。三种模式的输出波形各有不同。作切割使用时，输出几乎 为纯的正弦波，频率为5 0 0 - - 7 5 0 k h z ，电极作用处的切割电流使细胞膨胀、爆裂、 气化。作凝血使用时，输出为阻尼射频脉冲波，以2 0 - - 4 0 k h z 的频率进行调制，璺 现蔻一令窝凝麓辩关波形，绥藏哥敬攫箨建嫒窭絮瘸冷瑟，这样；缨瘫被予缘蓑 j # 汽纯从丽减少失盘。混合模式愚鼹种波形的叠糯，在切割的同时又具有凝斑的 作用。图3 3 为混合模式下的输出波形。 彗 堂垒篷篓塞麓篷至鋈墨鎏笙茎一 幽3 ，3 混殍i l 模式。f 的电刀输i 出波形 2 双极模式 葳较龟凝是遴过载强镊予靛嚣个尖溃巍税诲缝织援供薅频毫能，谈双较辍予 两端之间的血管脱水丽凝固，达到业瓶的目的。它的作用范围只限于镊子两端之 间，对机体组织的损伤程度和影响范豳远比单极方式要小得多，适用于对小搬管 ( 直径 4 m m ) 和输卵管的封闭。故双极电凝多用于脑外科、显微外科、五寓料、 妇产科以及手外科等较为精细的手术审。它与单极模式的缀大区别裁是不霭鼗瘸 久援叛，毫滚在镊子豹嚣令尖臻处裁稳袋了嚣鼹，滚经瘸久身体嚣逛滚塞穰夺， 对心电的监护几乎没有影响，同时也魄肇极模式要安全的移。 电刀的使用搬普遍，但也有其特殊性。人们很少在乎术室之外的地方使用电 刀，因此不得不考虑它的使用环境。通常手术室里有很多敏感的电子仪器，如监 护仪、麻醉机、除颤器等。首先，备碧孛仪器之闻不可避篼的会产生电磁干扰，这 凌佼器设诗孛是工稷拜磐矮考虑懿一令霪要阕蘧。其次，仪器豹壹接揍皴溺诺会 造成千挠，魏便掰魄刀对，遇_ i 童宅刃棒用电极迸入病入髂内的电流通常都会干扰 监护仪的e c g 波形、呼吸波形的显示及参数的计算。干扰的程度由多方面因豢决 定，包括电刀的输出功率大小、输出频率、作用电极的工作方式及其如何与措体 接触、作用电极岛监护仪导联电极乏间的距离和方位等。实际使用中，若警米部 霞在褰心逛检测魄缀较远熬遮方，鲤溺肢，镬麓邀刃送褥零零对，怼心瞧波形粼 没有弱显静影确。氆是在对瘸久避行辩胸手术黠，整护役瓣心电检测电极蔗黪始 于高频电刀的工作环路之中，漏电流通过检测电极进入髓护仪的输入电路，对监 护信号的接收和驻示造成一定的影响，尤其是当电刀极板的导电性较差时，j i 鑫护 仪所显示的心电传号会出现完全或部分失真，心率计算错误导致错误报警，将影 响燕护纹豹正常工作帮对瘸情豹判凝。 在研究魏露漓除毫乃子抗豹逶稳，葜鍪翦电路设谤歇溪俸方霹可滋对舔戆 信号进行处理，般监护仪的输入电路中的过压保护、离频滤波等电路就是用予 确保病人安全和髅护仪免遭高压冲击尉设置的，同时也阻成了外界高频干扰信号 进入监护仪的前鬣级，这样可以部分的改善电刀干扰造成的影响。但是电刀干扰 中存在静低频予扰( 2 5 h z ) ，恰铪奄心奄信号处于弱一皴搴范曩痨，瘸营遴鲍 第三章抗电刀于撬算法 滤波方法很难消除掉。究其原因，撼因为电刀电极在人体上滑动时造成r f 电流的 缓慢变化引起的。本章主要讨论的就是用一种双路参滞的自适应滤波系统策消除 电刀于抗对心电播号造成豹影响。 3 2 垂逶应滤波器愿建及舞法 在随橇僚弩她理中，若信号愚平稳随机过程并置信母的统许特性已知，我们 便可以预先设计出一个最佳滤波器( 如维纳滤波器、聪配滤波器等) 来处壤这类 信号。然而，猩实际应用中常常念遇到这样的情况：随帆信号的统计特性憝来知 的，或者蕴母鹣统计将蕊是缓漫静嶷傀若熬( 平稳璃弩) ，这裁健镶人稍去磷究 一粪篱豫戆滤波嚣，这类滤渡器具有豁下特点；耋戆入过程戆统诗褥毪泰甄簿+ 或者输入过裰的统计特往交纯酵，够穗应的调整鑫身的参数，以满足菜种凇粼 的要求，由予这类滤波器能变动自麝的参数以“适应”输入过程统计特性的估计 或变化，因此，就把这类滤波器称为自适应滤波器i l l 。基于电刀干扰信号的特殊 特性，我们选撵彝适瘦滤波器雩# 为消豫电刃于挠的主要乎段。 3 ；2 。l 趣遥皮滤渡器藜理 一。横礴f i r 滤波器 首先考虑如图3 4 所示的横忒f i r 滤波器。 鹜3 。4 横越f i r 滤波器 它的输入序列以向鳖的形式记为 x ( k ) = 【x ( k ) x ( k - i ) ax ( k m + 1 ) 】 ( 3 i ) 心媳监护中鹘摭干扰撵法研究 假没爿( 女) 取自均值为零，自帽关矩阵为r 的广义平稳随机过程，耐滤波器的 系数矢濑( 常称为加权矢量) 为 f 矿( 詹) = b ( 是) z 矿l ( 是) a f o 1 露) 】 ( 3 。2 ) 以上二式中括号内的k 为时间擀数，因此，x ( 女) 和w ( k ) 分别表泳时刻意的滤波器 输入序列和加权值，滤波器的输出y ( k ) 为 m 一| y ( ) = w , ( k ) x ( k - i ) ( 3 3 ) = i 式中m 为滤波