（电力电子与电力传动专业论文）心电自动诊断技术的研究及其应用实现.pdf

东南大学学位论文独创性声明 0 i l l l l1 11iij lt i lll l l l li l l l l l l l l l l l l l u l y 17 6 18 6 1 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，也不包含为获得东南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：期：塑生：! ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 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) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：丝遭导师签名： 日 。? 嚏 ， b 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h ec l i n i c a le x a m i n a t i o ni n s t r u m e n t si nm o d e mm e d i c i n ee l e c t r o c a r d i o g r a m ( e c g ) e x a m i n a t i o nh a sag r e a ts i g n i f i c a n c ef o rc e r t a i nd i s e a s e s ，p a r t i c u l a r l yc a r d i o v a s c u l a r d i s e a s e w i t ht h ei n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a da p p l i c a t i o no ft h ee c gi nt h ec l i n i c a lp r a c t i c e ，h o w t oa u t o m a t i cd i a g n o s et h el a r g ea m o u n to fe c gd a t af a s ta n da c c u r a t e l yi sr e c e i v e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n si nt h em a j o r i t yo fr e s e a r c h e r s i nt h i st h e s i s ，t h ep r e t r e a t m e n t , w a v e f o r mr e c o g n i t i o no fe c gs i g n a la r er e l a t i v e l y r e s e a r c h e d ，a n dt h ec a l c u l a t i o no fp a r a m e t e r sa n da u t o m a t e dd i a g n o s i sa r ea l s or e s e a r c h e d b a s e do nt h e s er e s u l t s ，a na u t o m a t e dd i a g n o s i ss o f t w a r es y s t e mi sr e a l i z e d f i r s t l y , t h eg e n e r a t i n gp r o c e s so fe c gs i g n a la n dt h el e a ds y s t e m sa r ei n t r o d u c e d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r o n t a lp l a n el e a d si sa n a l y z e d ，a n d t h es o u r c e so fe c gd a t ab e i n g a n a l y z e da n dt h er e s a m p l em e t h o da r ed e s c r i b e d s e c o n d l y , t h ei n t e r f e r e n c eo fe c gs i g n a l si ss y s t e m a t i ca n a l y z e d t h ec o r r e s p o n d i n g d e - n o i s i n gm e t h o d sa r ep u tf o r w a r df o rt h ee l e c t r o m y o g r a p h y ( e m g ) n o i s e ，p o w e rl i n e i n t e r f e r e n c ea n db a s e l i n ed r i f t ，a n dt h ee f f e c t so ft h e s ed i f f e r e n td e - n o i s i n gm e t h o d sa r e a n a l y z e dt h r o u g hc o m p a r i s o no ft h ed e - n o i s i n gr e s u l t s a l s ot h ed e n o i s i n gm e t h o d sb a s e do n w a v e l e tt r a n s f o r m ( w t ) a n dm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g ya r ea n a l y z e da n ds t u d i e d t h i r d l y , t h er e c o g n i t i o nm e t h o d so fe c gw a v e f o r ma r er e s e a r c h e d t h em o s to b v i o u s q r sc o m p l e xi nt h ee c gs i g n a li sr e c o g n i z e da ti n s tu s i n gt h em e t h o d sb a s e do nd i f f e r e n t i a l t h r e s h o l da n dw 正a n dt h em e t h o dc o m b i n i n gm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g ya n d孵i sa l s o s t u d i e d t h ep o s i t i o no fq r sc o m p l e xi sv a l i d a t e dt h r o u g ht h em i t - b i ha r r h y t h m i ad a t a b a s e ( s u b j e c tt o15 0m i l l i s e c o n d sr a n g e 诵也a n n o t a t i o np o i n t s ) a n dm o r et h a n9 9 5 9 r e c o g n i t i o n a c c u r a c yr a t ei sa c h i e v e d o nt h eb a s i s ，t h em e t h o d sb a s e do nt o p i c a lt r a n s f o r ma n dw t a r e u s e dt or e c o g n i z et h epw a v ea n dtw a v e ，a n dg o o da c c u r a c yi sa c h i e v e d t h e n ，t h ed e v i a t i o n l e v e la n dm o r p h o l o g yo fs ts e g m e n ta r ea n a l y z e du s i n gj + xm e t h o da n dp i e c e w i s el i n e a r f i t t i n gm e t h o d f i n a l l y , t h ec a l c u l a t i n g m e t h o do fp a r a m e t e r si s g i v e ni ne c gs i g n a l ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fe c gw h e nh a v i n gt h em y o c a r d i a li s c h e m i ao rm y o c a r d i a li n f a r c t i o na r e a n a l y z e d ，a n dt h ep o s s i b l ed i a g n o s t i ci n d i c e sa r eg i v e n o nt h i sb a s i s ，ad i a g n o s t i cs o f t w a r e s y s t e mi sd e s i g n e da n da ne c g a u t o m a t e dd i a g n o s i ss y s t e mi sp r o g r a m m e db a s e do nv i s u a l c 拌2 0 0 8a n ds q ls e r v e r2 0 0 5 k e yw o r d s ：e c gs i g n a l ，q r sc o m p l e x ，s ts e g m e n t ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，a u t o m a t e d d i a g n o s i s 摘要 摘要 心电图检查作为现代医学临床器械检查方法之一，它对某些疾病尤其是心血管疾病 的诊断具有重要意义。随着心电图在临床上日益广泛的应用，如何对大量的心电数据进 行快速精确的自动诊断越来越受到广大研究者的重视。 本文对心电信号的预处理、波形识别、参数计算及自动诊断等，做了较为详细的研 究，并在此基础上实现了相应的自动诊断软件系统。 1 ) 论文首先介绍了心电信号的产生过程及导联系统，分析了额面导联之间的关系 以及心电数据的来源和重采样的方法。 2 ) 针对心电信号的噪声来源展开系统的分析，并对肌电噪声、工频干扰和基线漂 移三种主要的噪声分别给出了相应的去噪方法，通过去噪前后的对比分析了不同方法的 去噪效果，并对基于小波变换和数学形态学的去噪方法也进行了分析和研究。 3 ) 针对心电信号的波形识别方法进行了研究。首先，分别使用了基于差分阈值、 小波变换以及数学形态学与小波变换结合的方法识别出心电信号中最明显的q r s 波 群，通过m i t - b i h 心率失常数据库进行验证，q r s 波群的定位( 以标注点1 5 0 m s 范围 为准) ，可以取得9 9 5 9 以上的识别准确率；然后，在此基础上使用局部变换法和小波 变换法完成了对p 波、t 波的识别，取得了较好的准确性；最后，使用j + x 方法及分段 直线拟合的方法对s t 段的电平偏移及形态进行了分析。 4 ) 论文给出了心电参数的计算方法，并对心肌缺血、心肌梗塞时心电图的特征进 行了分析，给出了可能的诊断指标；在此基础上，对自动诊断的软件系统进行了设计和 编程，实现了基于v i s u a lc 群2 0 0 8 和s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库的心电自动诊断系统。 关键词：心电信号，q r s 波群，s t 段，小波变换，自动诊断 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义l 1 2 动态心电图的发展2 1 3 心电自动诊断技术的发展3 1 4 本课题的主要工作3 1 5 章节安排4 第二章心电学基础及心电数据说明5 2 1 心脏的电生理5 2 2 心电导联系统。6 2 2 1 额面导联6 2 2 2 横面导联8 2 3 典型e c g 波形特征9 2 4 心电数据的来源及信号的重采样1 1 2 4 1 心电数据的来源。1 1 2 4 2 信号的重采样1 2 2 5 本章小结1 2 第三章心电信号的预处理1 3 3 1 心电信号的特点及噪声分析1 3 3 1 1 心电信号的特点1 3 3 1 2 心电信号噪声分析1 3 3 2 肌电干扰的去除1 5 3 2 1 低通滤波1 5 3 2 2 分段低通滤波1 6 3 3 工频干扰的去除1 8 3 - 3 1 自适应模板法1 8 3 3 2 简单整系数滤波。19 3 4 基线校正2 0 3 4 1 中值滤波2 1 3 4 2 基于特征点插值的方法2 3 3 5 基于小波变换的噪声去除2 4 3 5 1 小波变换简介2 4 3 5 2 小波变换去噪方法。2 6 3 6 基于数学形态学的噪声去除3 l 3 6 1 数学形态学介绍。31 3 6 2 数学形态学去噪方法3 2 3 7 本章小结3 4 第四章心电信号波形的识别3 5 东南大学硕士学位论文 4 1q r s 波群的识别 4 1 1r 峰的识别 4 1 2o 峰、s 峰的识别 4 1 3q r s 波群起止点的识别 4 2p 波、t 波的识别 4 2 1 基于局部变换的方法 4 2 2 基于小波变换的方法 4 3s t 段的识别 4 3 1s t 段电平和斜率的测量 4 3 2s t 段形态的识别 4 4 本章小结 第五章心电信号的诊断及软件设计 5 1 心电信号参数的计算5 8 5 2 心肌缺血、心肌梗塞的诊断5 9 5 2 1 心肌缺血5 9 5 2 2 心肌梗塞5 9 5 3 心电自动诊断系统软件设计6 1 5 3 1 需求分析。6 1 5 3 2 数据库设计。6 2 5 3 3v i s u a lc 拌2 0 0 8 简介一6 2 5 3 4 软件结构的设计6 3 5 4 本章小结6 5 第六章结论与展望6 6 6 1 论文结论6 6 6 2 对进一步工作的展望6 6 至5 【谢6 8 参考文献6 9 攻读硕士期间发表的论文7 2 第一章绪论 第一章绪论 心电图( e c g ) 检查作为现代医学临床器械检查方法之一，它对某些疾病尤其是心 血管疾病的诊断具有重要意义。由于其诊断可靠、方法简便，对病人无损害，故已在临 床上得到了广泛应用【l 】。同时持续发展的心电图技术为人类的生命与健康，为生物学、 临床医学做出了巨大贡献，成为临床不可缺少的、最重要的常规检查技术。 1 1 课题的研究背景及意义 临床医学中，有两项诊断技术历经百年而不衰，一项是x 射线技术，另一项为心 电图技术。心电图的产生和发展的历史可以追溯到一百多年前。在1 9 世纪末，法国著 名的电生理学家a dw a l l e r 应用l i p p m a n 毛细管静电计描记出人类史上的第一份心电 图，开创了心电图记录的先河。心电信号作为人类最早研究并应用于医学临床的生物电 信号之一，它比其他生物电信号更易于检测，并具有较直观的规律性。1 9 0 3 年，荷兰 生理学家w i l l e me i n t h o v e n 采用弦线式电流计进行描记，使心电图的测定技术标准化， 并对心电图各波形进行了命名，将心电图引入医学临床，自此，心电图无论是在生物医 学方面，还是在工程学方面，心电信号的记录、处理与诊断技术均得到飞速发展，并积 累了相当丰富的资料1 2 j 。经过不断地分析研究，学者们发现心脏的生物电过程与心脏组 织的生物化学过程、心脏的机械运动以及有关控制心脏活动的神经系统有着密切的关 系，各种病理原因引起的心脏疾病，几乎都与心脏的生物电活动相关。而心电图诊断方 法，由于其简单、方便、无创，也成为心血管疾病诊断中的一种十分重要的方法，在临 床上得到了广泛的应用。进入2 1 世纪以来，随着现代人们生活水平的提高，心血管疾 病的发病率和死亡率逐年上升，对心脏的定期经常检查，及早发现隐患，已成为大多数 人尤其是心脏病患者的需要。 尽管心电图在诊断心脏类疾病方面有着重要作用，但早期的心电诊断工作是由医生 独自完成的，这一过程既费时又费力而且可靠性不高，而且病态的心电图种类繁多、变 异很大，同种病理的不同患者的心电图甚至同一患者本身的心电图在不同时刻都存在着 很大的差异，而要对其作出准确判断，需要医师们的大量图形的识别工作，这极易产生 疲劳，很容易出现漏检、出错。同时患者的人数逐年增加，准确可靠的心电自动诊断技 术亟待探索和研究。 本课题就是在这个基础上产生的，主要以家庭保健用心电采集仪采集的微弱的人体 体表心电信号为研究对象，对心电信号的识别、诊断的技术进行了探索和研究，目的是 实现心血管类疾病中心肌缺血与心肌梗塞的自动、高效、快速的诊断。 2 ) 心电信息量远远大于常规e c g ，尤其对短暂性心律失常的捕捉及一过性心肌缺 血的检出有独到之处； 3 ) 选择导联必须不影响日常生活的活动和防止由这种活动所产生的伪差和干扰， 一般选择心前导联v 1 、v 3 、v 5 作三通道同步记录； 4 ) 能对心电信号进行快捷的分析诊断，其结果可以用不同的方式输出，为临床提 供有价值的资料。 d c g 自从发明以来，由于对早期心血管疾病和一过性心律失常的检测有其独特功 能，一直对心脏疾病的早期诊断起着显著的作用。它不受患者活动状态、记录时间和地 点的限制，能为心脏疾病的正确分析、诊断、治疗和监护提供客观指标。它不但广泛应 用于心血管疾病的常规检查，而且还应用于对运动员、航空航天飞行人员等特殊专业人 员的基础和临床医学研究上，具有十分重要的社会价值和经济价值，这些使得动态心电 图得到越来越广泛的应用。 2 第一章绪论 1 3 心电自动诊断技术的发展 早期的心电监护系统要护理人员长时间地观察，往往会因为视力疲劳和( 或) 注意 力分散造成漏检。五十年代末以来，随着计算机技术的发展，人们开始了对心电自动诊 断技术的研究1 4 j ： 1 ) 1 9 5 9 年，p i p b e r g e r 等人完成了一个可以区分正常和异常心电图的程序，并于1 9 6 1 年首先研究出导联心电图分析程序； 2 ) 六十年代初，c a s e r e s 验证了用计算机进行常规十二导联e c g 分析的可行性， 开发了利用测得的平均e c g 参数进行波形模式识别的程序； 3 ) 1 9 6 6 年，s t a p l e s 等人提出采用分枝树逻辑作为心电图诊断方法； 4 ) 七十年代，经过许多人的努力，一些心电自动分析程序从实验室投入临床应用。 七十年代后期，微处理器技术的高度发展更加促进了心电自动诊断技术的研究。 至此，装配了微处理机的心电自动分析装置大大提高了心电数据处理的速率和一致 性，并增加了心律监护的种类和提高了监护准确率，这在很大程度上使护理人员从繁重 的图形识别和数据处理中解脱出来，大大提高了工作效率。 心电自动诊断技术的研究所涉及的内容非常广泛，基本上可以归纳为以下三个主要 方面【5 】： 1 ) 心电信号预处理：主要对心电信号所含的噪声干扰进行抑制。由于心电信号较 微弱，仅为毫伏级，极易受环境的影响。体表电极检测到的e c g 信号所受干扰一般可 分为七种，即工频干扰、基线漂移、电极接触噪声、电极极化噪声、肌电干扰、放大电 路内部噪声和运动干扰。这些噪声的去除对心电信号特征点的准确识别有着重要意义。 2 ) 心电波形的识别与参数提取：主要对心电信号各特征波形进行识别和参数计算， 是心电自动诊断系统的关键，其准确性和可靠性决定着诊断的结果。在心电信号中，由 于q r s 波群相对明显，识别过程通常先检出q r s 波群位置，而后以q r s 波群为参考， 在一定时窗内进行搜索，实现其它特征波形的检测。因此，q r s 波群的准确识别最为 重要，心电波形中其他特征点的准确识别大都建立在q r s 波群的准确识别基础之上。 3 ) 心电的自动诊断：心电信号经过预处理、波形检测与参数提取之后就可以根据 其各参数的临床意义，通过诊断标准利用计算机进行自动诊断，以判断检测者的e c g 是否正常、是否可能患有某些疾病。 1 4 本课题的主要工作 本课题主要工作是寻找较准确的心电自动诊断方法，以实现标准十二导联心电信号 的自动分析诊断，特别是实现心肌梗塞、心肌缺血两种疾病的自动诊断，并设计编写基 于m i c r o s o f tv i s u a lc 撑2 0 0 8 和s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库的心电诊断系统软件，实现对相 包括q r s 波群、p 波、t 波、s t 段。 第五章：心电信号的诊断及软件设计。给出了心电信号各参数的计算方法，对心肌 缺血、心肌梗塞诊断的常用心电图指标进行介绍，并给出心电诊断系统软件的设计。 第六章：结论与展望。对本课题的总体工作做出总结，对下一步的工作做了展望。 4 第二章心电学基础及心电数据说明 第二章心电学基础及心电数据说明 心脏在跳动时均伴随有电的变化产生，叫心脏的电活动，简称心电，由于人体是可 以导电的物体，所以心电变化便可传导体表部位，因而在体表部位用两个引导电极就能 把这种规律记录下来。心脏的兴奋和传导是有规律的，所以心电变化也是有规律的，由 体表部位记录到的这种有规律的心电变化曲线就是心电图【6 】。本章将对心脏的电生理、 导联系统及心电的特征进行介绍，并对心电数据的来源进行说明。 2 1 心脏的电生理 心脏细胞除极和复极的电生理现象，是心脏运动的基础。由心脏内部产生的一系列 非常协调的电刺激脉冲，分别使心房、心室的肌肉细胞兴奋，使之有节律地舒张和收缩， 从而实现“血液泵 的功能，维持人体循环系统的正常运转。心电信号则在宏观上记录 心脏细胞的除极和复极过程，从一定程度上客观反映了心脏各部位的生理状况，因而在 临床医学中有重要意义1 2 j 。 心电是心脏有规律地舒张和收缩过程中产生的动作电位综合而成的电信号，是心脏 中各心脏细胞综合作用的结果，其具体的形成过程较为复杂，这里仅对心电的传导过程 进行简单介绍。如图2 1 所示，心脏传导系统主要由窦房结、结间束、房室束、房室结、 左右束支以及浦金野纤维等构成。 上暄静酥 图2 1 心电传导系统 人体心脏的原发性起搏兴奋点是窦房结，它位于上腔静脉和右心房的交界处。在正 常时，由窦房结的起搏细胞每分钟自发地产生5 0 1 0 0 次可传导的动作电位。这种兴奋 5 东南大学硕士学位论文 以有序方式通过心房内的传导束，首先激活右心房，然后是左心房，相继引起右心房和 左心房的除极而产生p 波。兴奋通过房室结时，稍有延迟，然后进入希氏束和左、右束 支到达浦金野( p u r k i n j e ) 氏网，浦金野氏网是个大而特化的传导细胞系统，它分别在 两心室内膜下，电兴奋通过浦金野氏网迅速激动心室壁的普通工作性心肌细胞，心室的 除极过程产生的除极向量环在各导联轴上的投影便产生了q r s 波群。而心室除极后的 复极过程中产生复极向量环，投影到导联轴上便形成了t 波。这样，电兴奋波传播到整 个心脏，从而完成一次正常的心搏动，而用心电图机把这种随时间周期性变化的电位差 经过放大滤波等处理后描记下来的一系列的波形曲线，即为心电图。 2 2 心电导联系统 心电传导系统所产生的电位差是幅值及空间方向随时间变化的向量，这样放在人体 体表的电极所测量出来的e c g 信号将随不同位置而异。为了完整描述心脏的活动状况， 常用在水平( 额面) 和垂直( 横面) 方向的多种不同导联作记录，以完整地描记出心脏 的活动信息。心电信号通过导线和电极加到心电图机放大器的输入端，一般总把这种导 线和电极合在一起的形式称为导联。常见的导联较多，这里仅介绍标准十二导联，它由 六个额面导联和六个横面导联组成，其中额面六个导联由三个“标准导联 和三个“a v 肢体导联”组成，横面六个导联由六个心前导联组成，这十二个导联可以在一定程度上 把各个方向的心电变化有效地反映出来，下面分别对它们进行简要介绍i 7 儿剐【9 】。 2 2 1 额面导联 额面导联包括三个“标准导联”和三个“a v 肢体导联 ，反映心脏在垂直平面上心 电的状态，能够把上下、左右方向上是心电变化反映出来。 1 标准导联 标准导联产生于1 0 0 年前，由e i n t h o v e n 最先使用，把记录电极放在左右两手腕及 左脚踝上，包括i 导联、i i 导联、i 导联三个导联，如图2 2 所示。 l 字联 l i 譬联 | l f 诤联 图2 - 2 标准i 导联、i i 导联、导联 6 第二章心电学基础及心电数据说明 1 ) i 导联： 2 ) i i 导联： 负极。 3 ) i i i 导联： 负极。 两个电极分别放在左、右手腕上，其中左手腕为正极，右手腕为负极。 两个电极分别放在右手腕、左脚踝上，其中左脚踝为正极，右手腕为 两个导联分别放在左手腕、左脚踝上，其中左手腕为正极，左脚踝为 2 a v 肢体导联 a v 肢体导联又叫加压肢体导联，是由w i l s o n 等人在e i n t h o v e n 标准三导联基础上 发展来的，他们把标准导联的三个肢体导联电极通过电阻联在一起，创制了中心电端， 即w i l s o n 中心端，并把标准i 、i i 、三个导联的负极分别于中心端相联，形成了a v r 导联、a v l 导联、a v f 导联三个导联。但是，在a v 肢体导联中，由于正极和三个负极 成分的电极都与同一个肢体相联，当把中心端与一个肢体记录电极相联时会产生另外一 个额面导联，导致记录电极所产生的电信号部分被抵消了，结果所描记出的的电信号较 小，而这一电信号的幅度可以用与本肢体相联原有的与中心端相联的正极与肢体断开的 方法而增大，如图2 3 所示。 图2 - 3a v r 导联、a v l 导联、a v f 导联 1 ) a v r 导联：正极联到右手腕，负极联到w i l s o n 中心端。 2 ) a v l 导联：正极联到左手腕，负极联到w i l s o n 中心端。 3 ) a v r 导联：正极联到左脚踝，负极联到w i l s o n 中心端。 由图2 2 、图2 3 可以看出，额面六个导联可以近似组成图2 - 4 所示的六轴系统， 其中标准i 、i i 、i i i - - - 个导联形成爱氏( e i n t h o v e n ) 三角形，导联之间各为6 0 度，而 7 东南大学硕士学位论文 a v 肢体导联在爱氏三角形中相互之间为1 2 0 度，且与相邻的标准导联夹角为3 0 度，记 左、右手腕、左脚踝的电位分别为圪、琢、珞，则由电路理论知识可得到额面六个导 联的电压为： 右手腕f i t ) 。 导联i + 左手睨( l ) 刃 导联 。、 左脚蹑( f ) 图2 4 额面六个导联关系图 k 2 圪一 k 1 2 一v r 2 一圪 圪豫= 一( 圪+ 珞) 2 圪儿= v l 一( k + 珞) 2 圪陌= 一( k + 圪) 2 由式2 1 消去圪、珞、珞可得到额面六个导联之间的电压关系： ( 2 1 ) = 一k 圪限2 一( k + ) 2 ( 2 2 ) z o 况= k 一2 圪陌= 一k 2 由式2 2 知，额面六个导联中知道任意两个导联的电压均可以求出另外四个导联的电压。 2 2 2 横面导联 横面导联包括六个心前导联v 1 、v 2 、v 3 、v 4 、v 5 及v 6 ，反映心脏在水平方向上 心电的状态，能够把心脏前后方向上的心电变化反映出来。六个心前导联的负极均联到 w i l s o n 中心端，正极对应的导联在心前的位置如图2 5 所示。 8 1 ) v 1 导联： 2 ) v 2 导联： 3 ) v 3 导联： 4 ) v 4 导联： 5 ) v 5 导联： 6 ) v 6 导联： 图2 5 横面六个导联电极片位置 位于胸壁第四肋间隙，紧靠胸骨右缘。 位于与v 1 导联同一肋间隙，紧靠胸骨左缘。 位于v 2 与v 4 导联位置连线的中心点。 位于锁骨中线与第五肋间隙相交处。 位于与v 4 导联同一水平，但与腋前线相交处。 位于与v 4 、v 5 导联同一水平，但与腋中线相交处。 2 3 典型e c g 波形特征 心电图是记录心脏各组织电压变化的图形，各个导联上记录的心电波形虽然有所不 同，但基本上都包括一个p 波，一个q r s 波群和一个t 波，有时还能看到一个小的u 波。图2 - 6 示出了典型的体表心电波形的一个周期，各波形介绍如下【8 j 【1 0 】： 图2 - 6 典型的体表心电图 9 东南大学硕士学位论文 1 ) p 波：由左、右心房激动形成，由于心电激动过程从右心房传导至左心房，所 以右心房的除极过程比左心房较早完毕，故一般p 波的前部代表右心房的激动，中间部 分代表左、右心房共同的激动，后部代表左心房的激动。p 波在标准i i 导联和a v f 导联 中表现最明显。正常情况下，p 波在标准i 、i i 、a v f 、v 4 、v 5 、v 6 导联中都是直立 的，在a v r 导联中都是负向的，在其他导联中p 波可能是双向的；p 波在额面六个导 联中幅值不超过0 2 5 m v ，在横面六个导联中直立的p 波幅值不超过0 1 5 m v 。正常的p 波宽度不超过o 1 1 s ，p 波较小在临床上一般没有重要性。 2 ) p r 段：p 波终点到q 波起点的一段，是p 波后的一段水平线，正常时位于等 电位线上，代表心房除极结束到心室除极开始。其中含有心房复极波( y a 波) 的成分， 因其电压微弱而反映不明显，故呈一平线。成人一般为o 1 2 s 0 2 0 s ，平均为0 1 6 s 。 3 ) p r 间期：自p 波起点到q r s 波群起点的一段时间，正常值在o 1 2 s - - 一0 2 0 s 之 间，代表窦性激动自心房除极开始到心室除极开始的时间。 4 ) q r s 波群：在心电波形中变化最明显，代表左右心室包括室间隔除极所产生的 电位变化，一般由三个波组成，第一个负向波为q 波，其后的正向波为r 波，继r 波 之后的负向波为s 波，三个波紧密相联。正常健康人的q r s 波群时间大多为0 0 8 s 左 右，通常为0 0 6 s 一- 0 1 0 s ，持续时间不超过o 1 l s ，若达到o 1 2 s 便可认为是传导阻滞或 室内差异性传导。由于每个人个体的差异，q r s 波群振幅的正常值很宽，其振幅均是 测定波群最高的正向波到最低的负向波之间的电位差。q r s 波群时间延长见于室内传 导阻滞；q r s 波群振幅增大，多见于心室肥厚；异常q 波或q s 波，多见于心肌梗塞， 心肌病，药物中毒，脑血管意外等。 5 ) j 点：q r s 波群结束与s t 段开始的衔接点，代表心室己经除极完毕。 6 ) s t 段：心室除极结束至心室开始复极的一段线段。正常的s t 段通常位于基线 上，部分正常人也可有轻度抬高或降低。s t 段异常抬高超过0 3 0 m v ，多见于急性心肌 梗塞、心肌病、损伤、心包炎、早期复极综合征等，s t 段异常下降超过0 0 5 m v ，见于 心肌缺血、损伤、心室肥厚。心肌病、束支传导阻滞、预激综合征等。 7 ) t 波：代表心室复极波，振幅比q r s 波群小，时间比q r s 波群宽。正常的t 波前支长，后支短，波顶圆钝。t 波异常高尖见于急性心内膜下的心肌缺血、急性心肌 梗塞、高血钾症、二尖瓣狭窄、早期复极综合征等；t 波倒置见于心肌缺血、心肌梗塞、 心室肥厚、心肌病、神经系统疾病、电解质紊乱、早期复极等。 8 ) q t 间期：自q 波( 或r 波) 起点到t 波结束的时间，代表心室开始除极至复 极结束的全部时间。q t 间期会随着心率增快而缩短，随着心率下降而延长。q 。t 间期 异常延长见于心肌缺血、心肌梗塞、脑出血、电解质紊乱、q t 间期延长综合征等。 9 ) u 波：位于t 波之后的一个低而宽的微小的波，u 波方向与t 波一致，正常的 u 波并不在每个导联中都明显易见，一般在v 2 、v 3 导联最明显。它究竟代表什么，尚 无定论，有些学者认为它是心室乳头肌或心室中传导纤维的复极波。 1 0 第二章心电学基础及心电数据说明 图2 7 给出了十二导联心电图中各导联心电波形的典型形态【7 1 。 厶t v l 厶i - 厶。, v l t 厶r s v f 一_ 一v j rr v 2 叶v 3 久斗土1 2 4 心电数据的来源及信号的重采样 本论文分析的心电数据主要有以下三类： 1 ) 十二导联心电采集仪( 实验室另一位研究生的研究课题) 采集的数据。采集仪 采集额面六个导联中的标准i 、i i 导联和心前六个导联共八个导联的数据，而额面其他 四导联的数据由式2 2 计算得到，并直接将八个导联心电电压的a d 转换值保存为对应t 的二进制格式文件，采样频率为2 0 0 h z ，a d 转换器的精度为1 2 位。需要说明的是， 由于采集仪本身的一些缺陷，采集到的心电信号含有与心动周期无关的周期性的尖峰毛 刺噪声，可能会影响分析的准确性，故本论文也对这种尖峰毛刺噪声的消除进行了研究。 2 ) 图片扫描识别后得到的数据。将有关心电诊断医学出版物中列举的已由专家批 注的标准十二导联e c g 所得到的现成图形识别出来得到的数据，用以验证心电自动诊 断方法的有效性，数据格式保存为文本文件。 3 ) m i t - b i h 心律失常数据库( m i t - b i ha r r h y t h m i ad a t a b a s e ) 。为了验证q r s 波群 中r 峰识别算法的有效性，本课题使用了己由专家标注的m i t - b i h 心律失常数据库进 行验证，即将通过识别算法识别出来的r 峰点与专家手工逐心拍标注的r 峰点进行了 比对验证。下面对m i t - b i h 心率失常数据库作简要介绍【l l 】【1 2 】【1 3 】： m i t - b i h 心律失常标准数据库( 以下简称为m i t - b i h 数据库) 中的数据来自于1 9 7 5 年到1 9 7 9 年间b e t hi s a r e l 医院心律失常实验室( b e t hi s a r e lh o s p i t a la r r h y h t m i a l a b o r a t o r y ) 采集的4 0 0 0 多个动态心电记录数据，由麻省理工学院( m i t ) 和b e t hi s r a e l 医院合作在1 9 8 0 年完成。该数据库共有4 8 个记录，取自4 7 个个体( 其中2 0 1 和2 0 2 来自同一个个体) ，这些个体包括年龄从3 2 岁到8 9 岁的2 5 名男性和年龄从2 3 岁到8 9 岁的2 2 名女性，大约6 0 的数据来自于住院病人。其中记录1 0 0 到1 2 4 之间的2 3 个记 录( 第一组) 从上述动态心电数据中随机选取；而记录2 0 0 到2 3 4 之间的2 5 个记录( 第 二组) 包含不常见且有非常重要临床现象的数据。其中有几个记录的节律信息、q r s 波群形态和信号质量对心律失常检测器来说是非常难以检测的。第一组数据选取的是具 有代表意义的各种变化的波形和伪迹，两导联信号中至少有一段可被心电专家用来进行 1 1 东南大学硕士学位论文 识别分类；而第二组包括一些复杂的室性、结性、室上性心律失常和传导异常。 m i t o b i h 数据库中的每个记录都是从2 4 小时的心电记录中选取的具有代表性的3 0 分钟左右的数据片段组成，且每个记录都包含两个通道的数据，第一通道采用校正的肢 体i i 导联；第二通道大多是校正的v 1 导联，小部分是v 2 、v 5 导联，还有一个是v 4 导联，采样频率为3 6 0 h z ，采样精度为1 1 位。整个数据库大约有1 0 9 4 9 6 个心拍，都是 经过至少两个以上的心电图专家手工独立标注。其中有总长度大约1 0 秒的7 段信号由 于信号缺失或噪声干扰太过强烈而无法识别q r s 波群。另外，m i t - b i h 数据的头文件 ( h e a d e r ) 保存了信号的格式、采样频率、长度等信息，标注文件( a n n o t a t i o n ) 包括心 拍、节律、信号质量等信息，而每个记录的数据文件采用固定格式的二进制文件保存。 m i t - b i h 数据库中所有的4 8 个记录均可通过网络免费获得，更多详情见网站： h t t p ：w w w p h y s i o n e t o r g p h y s i o b a n k d a t a b a s e m i t d b 。 2 a 2 信号的重采样 从前面介绍看出，心电数据的采样频率不等，为了更方便的对这些心电数据进行分 析诊断，这里将采样频率统一重采样至2 5 0 h z ，下面对重采样的方法做一下介绍【l4 1 。 假设原信号为“胛) ，重采样后信号为灭胛) ，重采样后频率是原信号采样频率的p q 倍( 其中，p 、q 为正整数) ，对信号珂，2 ) 的重采样过程可分为插值和抽取两个阶段。在 插值阶段首先是对信号“门) 的插值，使其采样频率增加至原来的p 倍，得到y i ( 刀) ，这里 采用最简单的插值方法，在文，2 ) 每相邻两个点之间补p 1 个零，v l ( 甩) 计算如下： ，、f x ( m p ) ，m = p ，2 p ，3 p ，。 ( 聊) 3 1o ，m 为其他值 屹j 但根据奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样定理，当新信号的采样频率小于原信号采样频率 的两倍时，插值以后的v l ( 门)