（生物医学工程专业论文）心电分析软件的设计与实现.pdf

堕釜鎏王堡盔兰蟹圭兰垡笙兰 a b s t r a c t e c go fh u m a nb o d yo b j e c t i v e l yr e f l e c t i n gt h ep h y s i o l o g i c a lc o n d i t i o n so f h e a r tt oac g r t a i ne x t e n t , h a st h ei m p o r t a n tv a l u ei nt h ec l i n i c a ld i a g n o s i sa n dt h e p h y s i o l o g i c a lf e s e a r c ka l o n gw i t he c og a t h e r i n ga n dp r o c e s s i n gd e v e l o p i n g u n c e a s i n g l yt o w a r d sa u t o m a t i o na n di n t e l l e c t u a l i z e dd i r e c t i o n , t h ee c ga n a l y s i s s o r w a r ec a b 口r o v i i i ct h ec l e a re c gt od o c t o r , e n h a n c e st h ea c c u r a c yo fa n a l y s i s a n dd i a 印碰旧s s u m m i n gu pt h ew o r ko fp r e d e c e s s o r s ，t h i sp a p e rm a k e s a l li n t e n s i v es t u d y o ft h ec o m p u t e ra u t oa n a l y s i so ft h ee c g ，g h 妯g 也em e t h o dt oi m p l e m e n tt h e s o f t w a r e t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e ra r et h e s e ： as u m m a r yo fr e c e n tv a r i o u sd e v e l o p e dm e t h o d so fe c ge x a m i n a t i o nb e e n m a d e t a k i n gp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni n t o a c c o u n ts y n t h e t i c a l l y ，w ea d o p ts o m e w i d e l ya p p l i e ds o l u t i o n st oe x a m i n e t h ee c g ，a n dg i v ea na n a l y t i c a lc o n c l u s i o n a c c o r d i n gt oe a c hc h a r a c t e r i s t i cp o i n l a tp r e s e n t t h ed e v e l o p i n go fs o f t w a r ea 糟s h o r ta n dm o d u l a r , s oo d p h ii s u s e di nt h i sd e s i g n a l lm o d u l e sa 托g i v e nq m c l 【l yd e v e l o p i n gs o f t w a r es o l u t i o n s ， a n dt h ew a v eb r o w s e rc o n t r o lf o re c gb a s e do nv c l s t r u c t u r ei sd e s i g n e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h en e t w o r ko f m e d i c a li n s t n t m e n t s ，t h ep a p e rg i v e s t h em e t h o dt h a te l e c t r o c a r d i o g r a m sa n da n a l y t i c a lc o n c l u s i o n sa r es t o r e di nt h e d a t a b a s e ，a n dp r o v i d e st h ei n t e r f a c et oc o n n e c tw i t ht h eo t h e r m e d i c a li n f o r m a t i o n s y s t e m t h es o r w a r ei se x a m i n e db yt h ed a t ac o l l e c t e df r o mt h ee l e c t r o c a r d i o g r a m c o l l e c t i o ne q u i p m e n ta n dt h ed a t ao f m i t b i hd a t i v e t h er e s u l ti sf a i r l yg o o d k e y w o r d s ：e c g ；v c l ；a u t o m a t i ca n a l y s i s ；d a t a b a s e ；d e l p h i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：迎 日期：口7 年，；月e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着社会韵进步和科学技术的不断发展，入们对生活质量的要求也越来 越高，健康状况已成为社会关注的焦点。心脏疾病是造成人类死亡的三大疾 病( 心脏病，脑血管病和癌症) 之一。长期以来，对心脏病的研究一直是医学 界的一个主要课题。目前出现了很多无创伤性早期诊断手段，在众多心脏功 能评估方法中心电图是应用最成熟、最普及的检查方法。心电图是各种心血 管疾病检查中必不可少的数据信息。在近几年，由于计算机在医学仪器中应 用同益广泛使得临床心电图的计算机自动分析和诊断更加实用化，井且取得 了很好的应用效果。其中对心电图波形的分析和处理是非常重要的一环，采 用算法优劣直接影响着分析的效率和准确性。 1 1 心电的产生和心电图 心脏是人体中血液循环的动力源泉，依靠心脏的有节律的搏动，使得血 液不断在体内循环，以维持正常的生命活动。心脏在搏动之前，心肌首先发 生兴奋，在兴奋过程中产生微弱的电流，该电流经人体组织向各部分传导， 由于身体各部分的组织不同，各部分与心脏间的距离不同，因此在人体体表 各部位，表现出不同的电位变化，这些电位变化可通过导线送至一种特殊的 记录装置一一心电图机记录下来，形成动态曲线，这就是心电图 ( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) ，也称体表心电图nj ，心电图的产生和心脏传导 系统有关n ，。如图1 1 ，心脏传导系统主要由窦房结、结间束、房室结、房室 束、左右房室束支以及p u r k i n g j e 纤维构成。 正常心脏的激动来源于窦房结发出的激动。窦房结有节律的定时发出激 动，沿房间、结间传导束分别传入两侧心房及房室结。窦房结位于右心房上 部，激动首先传入右心房，稍后传入左心房。相继引起右心房和左心房的除 极作用而产生p 波。激动自心房下传自房室结后，传导速度骤然减慢。当激 动缓慢通过房室结后，便以较高的速度穿过房室束，束支及p u r k i n g j e 纤维 到达心室，几乎同时传入左右心室的心内膜，随后从内膜传至外膜。心室除 极过程中产生的除极向量环在各个导联上的投影便形成了各导联中的q r s 波 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 i 心脏传导系统模式图 群。心电图反映心脏电激动的综合过程，它产生的基础是一个个心肌细胞的 动作电位。静息状态下，细胞膜内外的离子浓度差别很大，形成“跨膜电位”； 当心肌细胞收到刺激时，在浓度梯度，电场梯度以及细胞膜上钾、钠、钙通 道蛋白质的选择通透性及主动转运机剑的作用下，逶过控制各离子在膜内外 的转移，造成细胞膜内外的电荷分布变化，完成除极、复极的过程，形成细 胞动作电位。心肌细胞的除极、复极可以看作是一个等效电偶，刺激传播则 可以认为是等效电偶的移动。对各个电偶的电矩进行矢量合成，可以得出瞬 时综合心电向量“1 。在各周期中，瞬时心电向量作周期变化，其变化轨迹称为 心电向量环。临床诊断中广泛应用体表心电图所反映的就是立体心电向量环 二次投影的结果。第一次投影将立体向量环投影在额面及横面上，形成平面 向量环。第二次投影将平恧向量环按不同角度投影在移动的心电图纸上 ( 2 5 咖s ) ，便形成了心电图图形。临床应用的心电图是通过在体表特定部位 哈尔滨工程大学硕士学位论文 设置电极并使用一定的连接方式构成心电导联，由心电图机记录各导联心电 信号的变化情况，供医生对病人的心功能进行评价。 1 2 心电信号的特点 典型的心电图由重复出现的各波、段和间期组成。按发生的先后顺序依 次是p 波、q r s 波群、t 波和u 波等”，。每次心动周期均产生一组心电波形， 如图1 2 。 图1 2e c g 信号波形特征 ( 1 ) p 波：为左右心房的除极波。起点表示右心房开始除极，终点代表两 个心房除极完毕。p 波的前半部代表右心房除极，后半部代表左心房 除极。p 波在i i 及a v f 导联中表现得最明显，正常可达0 2 2 m v 0 2 5 m v 。 ( 2 ) t p ( 或t a ) 波：代表心房复极。位于p r 段( p 波结束至卯s 波开始) ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 并延伸至q r s 波群中。通常，t p ( t a ) 波不易观察到。房室传导阻滞或 心房梗塞时，t p ( t a ) 可变得明显。 ( 3 ) p - r 问期：指p 波起点到q r s 波群的起点之间的间期，代表从心房肌 开始除极到心室肌开始除极的时间。 ( 4 ) p - r 段：是p 波后的一段平线，代表激动在房室交界区、房室束及部 分束支内传导。其中含有心房复极波( t a 波) 的成分，因电力微弱而 反映不明显，故心电图呈一平线。成人一般为0 1 2 s o 2 0 s ，平均 为0 1 6 s 。 ( 5 ) o r s 波群：是反映左、右心室( 包括室间隔肌) 除极的电位变化。q r s 波群是广义的代表心室肌的除极波，并不一定每个q r s 波群都有q 、 r ，s 三个波。成人一般为0 0 6 s o 0 8 s ，不超过0 1 0 s 。不同体位 记录的q r s 复波振幅可有明显差别，双导联中q r s 振幅的算术和不应 小于1 o m v 。 ( 6 ) j 点；q r s 波群完毕与s t 段开始时的一点，代表心室肌除极完毕。 ( 7 ) s t 段：是q r s 波群的终点到t 波开始前的一段平线。代表左、右心 室全部除极完毕到复极开始以前的一段时间。s t 段可有抬高，不应 超过0 2 5 m v ，少数患者可达到0 1 0 m v 。下降时应小于0 0 5 m y ，s t 段的长度随心率增快而缩短，又随心率减慢而延长，一般在0 0 5 s 0 2 5 s 之间。 ( 8 ) t 波：是继s t 段后一个较低而宽的波，代表心室复极过程所引起的 电位变化。 ( 9 ) q _ t 问翔：自q r s 波群开始到t 波终结的间期，代表心室肌除极和复 极的全部过程。 ( i o ) u 波：是t 波后的一个矮小波。有人认为它代表心肌激动的激后电 位，也有人认为它表示p u r k i n g j e 纤维的动作电位。 人体的心电信号本身就十分微弱加上通常采用的无创体表采集方法，所 以使信噪比相当低。一般正常心电信号在0 o l l o o h z 频率范围内，而9 0 的心电信号频谱能量集中在o 2 5 3 5 h z 之间。在采集心电信号时，由于受仪 器、人体等方面的影响，所采集的信号常常存在三种主要干扰：基线漂移， 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 此由电极移动，人体呼吸等低频干扰所引起。频率小于5 h z 。肌电干扰， 是由于人体活动、肌肉紧绷等原因所引起的干扰。这种干扰的频率范围较广。 工频干扰，它是由公共电网以及各种用电设备产生的固定频率的干扰，频 率为5 0 h z 。在一些特殊情况下，该频率也会发生一定漂移。 从心电信号的波形上看，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，细胞相应不同的激励 电位虽然具有明显的变化规律，但每次又具有微小的随机差异。 综上所述，我们实际所采集的心电信号是有用信号极其微弱；噪声比较 强大且品种多。有用信号性质基本是只有确定规律，但同时又带有随机变化 的生物医学电信号。 1 3 心电分析概述 1 3 1 心电分析技术的发展 心电图的计算机分析方面的研究始于2 0 世纪5 0 年代末。1 9 5 7 年美国 p i p b e r g e r 等首次将模拟电子计算机和特殊的模数转换系统应用于心电图 研究，由于当时技术条件的限制，尚未进入临床阶段，但这是计算机最早涉 及的生物医学领域。最初，开展这项研究的动机主要是调查计算机是否能模 拟医生对心电图进行测量和诊断，并借此改进当时较落后的心电图记录技术。 1 9 5 9 年，p i p b e r g e r 开发出简单的心电图分析程序，用模拟电路识别出每个 心动周期波形，但不能自动识别p 、q r s 和t 波的分界点。1 9 6 1 年，p i p b e r g e r 与同事在f r a n k x 、y 、z 导联体系基础上，成功研制出心电图各波自动识别程 序，从而创立了计算机心电图分析的基本模式n ，。1 9 6 2 年，c a c e r e s 等相继开 发了常规1 2 导心电图分析程序。早期的微处理器分析技术在一定程度上决定 了e c g 自动分析系统最初只具备比较简单的监护报警的功能。七十年代以后， e c g 自动分析系统进入实用化和商业化阶段。八十年代的计算机技术快速发 展，使得心电自动分析系统的功能日趋丰富，出现了以医生读图这一逻辑分 析过程为依据的辅助诊断功能。此后，随着现代电子科技的进步和数字式计 算机的应用，心电图自动分析技术获得飞跃发展。心电图仪从长期使用的单 5 哈尔滨工程大学硕十学位论文 通道顺序描记方式发展到目前1 2 导同步记录方式。心电图仪已不仅只限于心 电图的图形记录，并且可以进行自动测量和自动分析诊断。现代先进的计算 机心电图分析系统还具有数据管理、检索和远程通讯等功能。1 2 导同步心电 图以及相应的临床资料可储存在数据库，医生可在诊所或家里观察分析病人 的心电图，并可通过网络系统在国家范围内或各国之问进行心电图信息传输 和交流。 1 3 2 心电图计算机分析系统的基本构成 心电图的计算机分析系统主要由测量和诊断分类程序二部分构成。 l _ 心电图测量程序的主要构成 ( 1 ) 数据采集，心电信号预处理； ( 2 ) 检测q r s 波和p 坡： ( 3 ) 识别p 、q r s 、t 波分界点； ( 4 ) 参数测量及特征提取。 心电图测量程序的主要任务是准确识别各波( 段) 的分界点( p 、q r s 、 s t t 起点和终点) ，以此为基础，测量和计算出各种参数，并把这些参数传 递给心电图诊断分类程序。 2 心电图诊断分类程序的主要构成 ( 1 ) 节律异常分类( 心律失常分析) ： ( 2 ) 异常波形分类( 心肌梗塞、心脏肥大、心肌缺血、预激、束支阻滞 等) ： ( 3 ) 编码分类( 明尼苏达编码等) ； ( 4 ) 系列心电图比较。 心电图诊断分类程序的主要任务是对测量程序传递过来的各种测量参数 按照特定的标准和条件进行逻辑判断，并对心电图作出解释。 1 3 3 心电图自动分析的内容和重点 目前，关于e c g 自动分析研究可归纳为如下四个主要领域“1 。 ( 1 ) 静态e c g ：用于检测病人在安静状态下的心脏功能，一般检测时间为 数分钟，采用1 2 导联体系，适用于医院的病房检测，应用最为广泛。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 心律失常监护：它能够实时地检测并显示心率变化情况，常用于冠心 病病房( c c u ) 、外科手术室、急救中心等对心率失常的监护。 ( 3 ) 运动e c g ：它是在病人完成一系列规定运动中同步记录其e c g ，以诊 断其冠状动脉疾病。 ( 4 ) 动态e c g ：它是1 9 6 1 年由电子工程师n o r m a nj h o l t e r 发明，故又 称h o l t e r 。其基本结构是：一个重量较轻的e c g 记录盒由病人携带， 并连续长达2 4 小时或2 4 小时以上记录其e c g ；而后将记录的e c g 输 入一个由计算机组成的e c 6 分析系统，进行快速人工计算机辅助分 析，从而对心脏长时间工作情况加以研究。 e c g 自动分析的内容主要包括：信号的预处理、数字滤波、特征提取与 分类、数据压缩等。并且，随着计算机技术的不断提高，自动分析的内容也 在不断的增加，如近年来心率变异以及铲t 间期的研究就成为普遍关注的热 点。在这些内容中，特征提取、o r s 波形检测和分类、数据压缩是当今国内 外研究的核心。 e c g 自动分析方法依据信号记录方式的不同可以分为两种类型：一种是 用多个( 3 个以上) e c g 导联记录体表的心电信号，以获得某段时间内心脏电活 动较全面的信息，其目的侧重于了解心脏电活动是否发生异常、异常的性质 和程度以及病变发生的区域。多导联心电记录方式由于信号量很大且对病人 约束较大，不能进行长时间记录，因而在诊断心律失常方面，通常不能获得 充分的结果。另一种方式是使用一个或两个导联连续记录分析很长时间的心 电信号，时间长达数小时甚至数天，其目的侧重于了解心脏电活动在较长时 间里的节律以及各心拍是否正常，以及心律失常发生的时刻、类型、形态和 频度等情况这种方式因记录导联少，对于诊断心脏病变不是很充分，但其记 录操作方便，对病人约束较少，因而可以记录很长时间的数据，可以了解病 人在经历多种生理、心理和病理状况时的心脏电活动的情况，尤其对早期心 血管疾病的诊断有着十分重要的意义。 大多数的e c 6 分析技术都是针对第二种方式尤其是单导联形式提出的。 丽多导联分析也可以通过把每个导联的e c g 如权形成一个综合e c g 信号，而 后采用单导联的分析技术，因而单导联e c g 信号分析是e c g 信号分析和诊断 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 的基础。 1 4 国内外在计算机分析心电信号方面的发展历史与现状 心电分析中首要的关键问题是q r s 波的检测。关于q r s 波检测的方法， 己有不少研究成果，但是各种方法均有不足之处，因为各种类型噪声( 如肌电 干扰、基线漂移、工频干扰等) 的影响以及心电信号自身波形的复杂性和人生 理上的变异性，都使o r s 波的精确检测有很大的困难w 盯，m 。 1 4 1 软、硬件检测方法的比较 采用硬件实现q r s 波检测具有处理速度快、结构相对简单的优点，但是 方法上不如软件实现灵活，对于复杂的情况应付能力比较差；而且它处理的 参数比较少，一般仅检测q r s 波的位置，很难提取q r s 波宽度和面积等参量。 q r s 波硬件检测主要是依据o r s 波与p 、t 波和噪声的频率特性的差异来实现 的。典型的o r s 波检测由滤波电路、整合处理电路和判别电路等部分组成。 采用软件实现o r s 波检测可以灵活选择调节各类参数，对复杂情况进行 判断处理，能够方便地增加检测的参数，虽然它的速度与硬件相比较慢而且 软件结构相对复杂，但用软件方法可以方便地进行数字滤波、线性和非线性 变换以及判定处理等，显示出许多优越性，这也正是用软件方法提取的处理 过程。 通过比较软硬件方法，我们发现软件方法应用范围比较广泛，同时，为 了加快运行速度可以适当的增加硬件，软硬件结合对于o r s 波检测广泛应用 于临床更加有意义。 1 4 2 滤波 无论是用软件方法还是用硬件方法检测o r s 波，都涉及到滤波问题。滤 波的作用是提高信号( o r s 波) 对噪声( p 、t 波、肌电干扰和基线漂移等) 的比 率，这样更有助于下一步的提取工作。 人们在数字滤波软件方面作了许多工作：七十年代后期就有人设计了具 有线性相位的低通、高通和带通等不同形式的o r s 波滤波器，并且可用整形 数实现。硬件滤波一般采用带通滤波器，t h a k o r 等人在研究中提出了一种最 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 优的q r s 滤波器理论，并且给出种中心频率为1 7 h z 、q 值为4 的带通滤波 器m 。杨纪成认为利用微机做成带通滤波器虽然可行，但速度、成本及难度都 比模拟电路差，因此他用硬件电子电路做作成带通滤波器m - 。该滤波器滤去 了基线漂移也抑制了肌电干扰，但e c g 信号通过后，r 波成为心电信号的主 要成分，形态改变，q 、s 点也消失了。 软件滤波方法很多，但都是基于数字滤波器。t h a k o r 等人在硬件滤波基 础上又设计了巴特沃斯型带通滤波器，分析心电信号的频谱特性分布；后来 他又提出一种自适应线性滤波器，可以进一步提高信噪比mr 。9 2 年x u e 等人 采用的基于神经网络的非线性自适应滤波器可以较好地免除基线漂移和伪迹 的影响，但是这种算法的运算量较大，对于心电信号分析的临床应用存在很 大的局限性n ”。s e n h a d j i 等提出基于子波分析的e c g 滤波技术可以较好地抑 制嗓声进行o r s 波探测，但运算量还是较大n ”。此外，自适应滤波方法都能 很好地抑制工频干扰，因为自适应滤波器的中心频率能够跟随工频信号的频 率幅度变化而自动调节并抵消工频干扰，且可获得较高的q 值”。近年来， 将小波变换用于e c g 的滤波不仅能够很好地去除基线漂移，而且能够在很大 程度上滤掉肌电干扰以及尖脉冲，这种滤波方法有很大的发展前途”。 1 4 3 软件为主的方法实现o r s 波检测 滤波以后的信号往往经过某种变换以提高o r s 信号的分量，然后采用一 系列阈值进行判别，这是检测技术中的关键，也是各类检测技术的不同点。 对e c g 所进行的变换运用得最广泛的是对其求一阶差分，这其中有 j a c k s o n 的两点差分，为把e c g 转成易于判测的单向差分，m u r t h y 在一阶差 分上再平方以检测室性早搏p v c 。a h l s t r o m 研究的h o l t e r 实时检测系统在 e c g 一阶和二阶差分基础上检测q r s 波。 以上o r s 波检测方式都是用固定阈值进行判别，由于可能存在干扰，或 者有高p 波、高t 波，若其滤波后超过该阈值，会产生假阳性；另一方面， 当心律失常或o r s 波幅度变小。阈值调整过高，会导致漏检，即假阴性。因 此，在以上检测方法的基础上推出了相应的可变闽值检测法。所采用的可变 阈值有幅度阈值、斜率闽值和时间间隔阂值等几种。 在这些方法中，p a n 和t o m p k i n s 的工作具有代表性。p a n 的完整的检测 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 方法是：采样的e c g 信号经过带通滤波、一阶差分、逐点平方后，再通过移 动窗口求和得到变换的信号，该信号经过可变阈值检测器检测其幅度以识别 q r s 波，为减少高t 波带来的误码判，在所检测的q r s 波后设一段时问的不 应期，跳过不应期进行检钡4 。为了减少低幅o r s 波造成的假阴性检测，运用 r r 问期闽值对所检测到的两个q r s 波的r r 问期作判别。若当前r r 问期超过 该阈值，则认为中间可能漏检了一个低幅o r s 波，这时用较小的幅度阐值回 头重判一次。这种方法对于减少室性早搏具有一定的效果。 上述方法都是基于一种经验判断的基础上，没有明确的数学模型，但是 比较实用。在o r s 波检测中，也有人提出一些基于e c g 数学模型的检测方法， 但计算比较复杂。这里面较有代表性的工作有：i s n 1 d u t r t h y 等人的二阶零 极模型检测法，s o m o 等人提出的基于先验最大会计可变阈值q r s 波检测方 法。 1 4 ，4 心电信号分析的研究现状 ( 1 ) 心电图特征法：心电导联主要有e i n t h o v e n 的标准导联，w i l s o n 的单极加压肢体导联和胸导联，f r a n k 导联校正体系等，也有描述 心脏电活动的空问向量和心电向量图。 ( 2 ) 心脏仿真法：这是根据物理上电偶极子和电学的理论，及心脏电 生理的特性，采用仿真的方法来模拟心脏的电流活动和电流传导， 记录它们在心电图上的反映，并可人为改变仿真模型上的某个条件 来观察相应的心电图变化，以期找出在正常和异常情况下心电活动 变化规律的方法。 ( 3 ) 体表电位图法：体表电位图法是胸部和背部安放多极导联，同时记 录出的各电极部位的心电波形，由此可绘出的心动周期中任意时刻 体表心电的等电位图，极值轨迹图及等时线图等等，这些图谱即体 表电位图，它们有助于了解心电场在体表分布的全貌。 ( 4 ) 判定模型法：在建立仿真模型和描绘体表电位图的同时，临床上每 年有成千上万例的心电图被记录和诊断。因此要为这些海量的数据 寻找正式的解决方案。这里也有不同的研究方向，一方为“实用主 义者，”另一方为“纯正主义者”。与此相关联的是“纯正主义者” 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 则更倾向于采用直接推断法。看来“实用主义者”。已占了上风， 但是争议尚未结束，因为计算机的心电图诊断能力不再受限于只有 记录1 2 导联心电图。c s e 研究显示“实用主义”和“纯正主义”都 已接近各自方法的上限，要进一步改进和精致，设计人员已开始关 注心脏仿真模型和体表电位图的研究。 1 4 5 国际上心电信号分析软件设计的主要研究趋势 采用所有心跳中可获得的所有信息：许多程序只用到一个所选定的或平 均的心博来进行分类，未考虑到心电图内在的变异性。研究表明，通过综合 对各个心搏的分类，可以改进对心电图的鉴别。 采用在不同程序中得到的所有知识：进一步的改进可来自于综合不同的 心电图程序中的专家知识，即有直接推断法或统计法，也有用神经网络或贝 叶斯信任网络。现已解决了把心向量转换成心电图和把心电图转变成心向量 图的方法。c s e 研究已表明综合那些具有不同的特性知识和不同的分类知识 的不同程序来进行心电分类的优越性。 吸收心电学其它研究领域中所得到的知识：体表电位图研究人员已对心 电图的临床分析做出了很有价值的贡献，如k o r n i e i c h 等人已从1 2 6 个电极 位置中确定了诊断心肌缺血最重要的9 个位置；s e l v e s t e r 等人根据正向模 型判断，表明有可能定量地描述心肌缺血的程度；s c h i j v e n a a r s 等人已证明 用体表电位图对心电图或心向量诊断作灵敏度分析的优势所在。心电图诊断 程序的研制人员可以从别人的研究中获益。 采用非心电图的信息：如采用存贮在综合心血管工作站中与心电图无关 的病人数据，通过计算条件概率和先验概率这些数据也许能更好地修正最后 的诊断结果。 1 评价心电图程序：用记录完整的心电数据库来评价心电图诊断程序看来 对心电图诊断程序质量的提高有积极的作用。c s e 项目的成果之一是建立一 个记录完整的、有1 2 2 0 条心电记录的数据库，该数据库对心电图计算机诊断 程序的改进和用户对这些诊断程序的认可起了很大的促进作用。通过这类项 目实现就可以更容易地按标准方法收集记录完整的心电数据，这样就可建立 更大的，包含有更广泛的诊断类别和综合疾病的数据库。 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 5 本文的主要工作 在目前心电分析软件中，主要针对心电采集装置进行数据分析，软件缺 乏良好的移植性、易用性。针对这一情况，本文作者对心电信号计算机分析 软件设计方面的应用进行了深入研究，并在w i n d o w s 环境下设计了心电分析 软件，能够对心电数据文件及心电采集装置的心电数据进行计算机自动分析， 同时支持与其他医疗系统集成的数据库接口，取得了良好的效果。 心电分析软件实现的主要工作有： 针对心电采集装置进行软件部分的设计，支持对m i t b i h 心律失常标准 数据库文件的读取。采用目前广泛应用的心电分析算法，对心电信号检测和分 析，并在计算机上显示心电图，同时给出分析结论，自动形成分析报告。此 外，为了便于对心电数据保存和交流，软件提供了网络数据库的存储功能， 能够使心电图分析诊断与其他医疗系统无缝连接。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章心电分析软件的总体设计 2 1 需求分析 心电分析软件主要用于心电数据的分析和处理，以此来帮助医生进行心 电图的诊断。心电分析软件首先帮助医生获取心电数据，进行心电数据的显 示和测量，避免医生手工测量容易产生误差的缺点，同时很多心电数据较大， 医生在较短的时间里很难细致地查看每一个心电波，计算机通过心电数据的 分析，剔出其中没有诊断价值的数据，对需要诊断的心电数据，给出一定的 说明和解释，帮助医生做出诊断。 2 2 功能概述 2 2 1 输入模块 心电信号的获取有两种途径，一种是通过心电信号采集装置获得数据， 在本设计中包含了这部分功能，即与现有心电信号采集装置通讯，设置硬件 采集参数，并先进行预采集，采集波形正常后采集心电数据并存储到磁盘文 件中；另一种是通过识别其它心电数据文件获得，这里支持m i t b i h 心电数 据库中的心电数据。 2 2 2 显示模块 心电波形的显示是采用v c l 控件实现，在本设计中利用d e l p h i 开发v c l 波形 浏览控件，显示波形时借鉴心电图的网格形式，包括在硬件预采集时的显示 和波形回放时的显示，两种显示模式基本一致。 2 2 3 分析模块 分析模块是心电分析软件的重要功能模块，分析模块针对硬件采集的数据或 是其他数据源得到的数据进行处理。首先是可选心电的滤波处理，如果心电 数据波形较好，则不需要进行滤波处理。其次是波形的识别，这是分析的基 础，包括q r s 波群及其它波的识别，这里采用目前比较常用的波形识别算法。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 心电分析软件的功能结构图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 然后是对心电波的分析和注释，识别出各种波形后就能够计算横轴上各参数 的时间值和纵轴上的幅值。再作相应的注释，并保存识别和注释的结果。 2 2 4 存储模块 心电数据的保存分为文件存储和数据库存储两种方式，并可相互转换。 文件存储包括硬件采集的原始数据的存储以及分析处理后的数据保存；数据 库保存是将心电数据保存到s q l s e r v e r 数据库中，便于数据的共享及心电数 据与其它医疗系统的集成。 2 2 5 输出模块 心电数据经分析处理后可以输出到w o r d 等软件中自动形成分析报告，报 告包括心电数据的片断，分析注释内容，可长期保存。此外显示的波形也可 直接保存为图片，方便使用。 2 3 数据流程 心电采集装置iim i t - b i h 心电数据库文件li 本系统心电文件 报告、图片 硬件采集b 电数据心电数据文件读入 保存输出 w o r d 心电数据 分析结果 图2 ，2 t l , 电分析软件数据流程图 心 电 文 件 存储 数据流 示 显 一 析 分果人蛾黼r ，j 分 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4d e l p h i 开发心电分析软件的优势 d e l p h i 是全新的可视化编程环境，为我们提供了一种方便、快捷的 w i n d o w s 应用程序开发工具。它使用了m i c r o s o f tw i n d o w s 图形用户界面的 许多先进特性和设计思想，采用了弹性可重复利用的完整的面向对象程序语 言( o b j e c t - o r i e n t e dl a n g u a g e ) 、当今世界上最快的编辑器、最为领先的数 据库技术。 d e l p h i 之美在于它令人迷惑般的简单。作为一种工具，d e l p h i 建立在 成熟的面向对象语言o b j e c tp a s c a l 之上。使用d e l p h i ，您可以做到能用 c + + 完成的任何事情但避免c + + 的大部分麻烦；使用d e l p h i ，您可以创建 v i s u a lb a s i c 应用程序。d e l p h i 既具有c + + 的强大性又具有v i s u a lb a s i c 的易用性。对于广大的程序开发人员来讲，使用d e l p h i 开发应用软件，无疑 会大大地提高编程效率。 在d e l p h i 的v c l ( v c l 是v i s u a lc o m p o n e n tl i b r a r y 的缩写，即可视化 组件库) 中，还提供了非常多的伪a p i ，它们可以对软件开发提供迸一步的 支持。利用这些伪a p i 函数能够在程序中方便地与硬件打交道，使得d e l p h i 与硬件接口的功能强大且简单，在这一点上是其它开发语言所不能比拟的， 如v b 很难与硬件接口，v c + + 虽可，但大部分要使用w i n d o w s 的a p i 函数，开 发周期长，因而很适合应用于心电软件的快速开发”7 n m “”。此外，在d e l p h i 中，专门定义了一组对象和部件用以绘制图形，利用这些对象、部件的方法， 可以方便地绘制各种常用图形；通过设置它们的属性，能得到不同风格的图 形。另外，通过对鼠标事件的定义，可以方便的设计图形绘制程序。因此利 用d e l p h i 可以方便地绘制心电波形。同时，d e l p h i 在数据库上的开发有很 大优势，因为它本身支持d b a s e 、o r a c l e 、s y b a s e 、s o ls e r v e r 、a c c e s s 、 i n t e r b a s e 和i n f o m i x 等数据库，甚至还支持了姆s q l 数据库，而这些丰富 的支持，再加上内建丰富的数据库组件，就足以设计出很好的数据库应用程 序，利用d e l p h i 在数据库方面的优势，可以将心电数据存储到数据库中存储， 方便数据的管理。以上这些都是在心电分析软件中涉及到的功能模块。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章详细论述了心电分析软件的总体设计，进行了功能模块的分解，定 义了数据流程。同时，根据软件设计的需要，确定了程序设计的语言，给出 了其优势和特点。 第3 章输入模块设计 3 1 硬件采集 3 1 1 心电采集装置简介 系统包括： 1 特种功能放大器，即m v 级的放大电路来采集生理电信号。 2 模数转换及u s b 2 0 接口电路，由8 9 c 5 2 单片机控制a d 转换和数据传 输。 3 p c 机显示控制程序，用来设置参数、储存显示心电信号数据m ，。 系统框图如图3 1 所示。 图3 1 硬件采集装置系统框图 3 1 。2 硬件采集功能 硬件采集模块主要分为采集参数设置，预采集和文件采集功能。首先将 硬件与计算机连接好，通过软件设置单片机工作状态，设置成功后进行心电 预采集，预采集的目的是查看准备采集的心电数据是否正常，如果波形预览 正常，贝l j 进行文件采集。此部分功能由一系列功能子函数完成。 首先介绍程序中使用的重要w i n d o w sa p i 函数： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h a n d l ec r e a t e f il e ( l p c t s t ri p f il e n a m e ， 文件名 d w 0 r dd w d e s i r e d a c c e s s ，访问方式 d w o r dd w s h a r e m o d e 。共享方式 l p s e c u r i t l f - a t t r i b u t e s1 p s e c u r i t y a t t r i b u t e s ，安全描述符指针 d w o r dd w c r e a t i o n d i s p o s i t i o n ，创建方式 d w o r dd w f l a g s a n d a t t r i b u t e s ， 文件属性及标志 h a n d l eb t e m p l a t e f i l e ) ；模板文件的句柄 c r e a t e f i l e 这个函数用处很多，这里用它“打开”设备驱动程序，得到设备 的旬柄。操作完成后用c l o s e h a n d l e 关闭设备句柄。与普通文件名有所不同， 设备驱动的“文件名”形式固定为“o e v i c e n a m e ”，d e v i c e n a m e 必须与 设备驱动程序内规定的设备名称一致。一般地，调用c r e a t e f i l e 获得设备句 柄时，访问方式参数设置为o 或g e n e r i c _ r e a d f g e n e r i cw r i t e ，共享方式参 数设置为f i l e _ s h a r e _ r e a d i n l e _ s 姒r e _ w r i t e ，创建方式参数设置为 o p e n _ e x i s t i n g ，其它参数设置为0 或n u l l 。 b o o ld e v i c e l o c o n t r o l ( 卧n d l eh d e v i c e ，设备句柄 d w o r dd w i o c o n t r 0 1 c o d e ，控制码 l p v o i dl p l n b u f f e r ，输入数据缓冲区指针 d w o r dn l n b u f f e r s i z e ，输入数据缓冲区长度 l p v o i dl p o u t b u f f e r ，输出数据缓冲区指针 d w o r dn o u t b u f f e r s i z e ，输出数据缓冲区长度 l p d w o r dl p b y t e s r e t u r n e d ，输出数据实际长度单元长度 l p o v e r l a p p e di p o v e r l a p p e d ) ：重叠操作结构指针 在n t 2 0 0 0 ) 【p 中，应用程序可以通过a p i 函数d e v i c e i o c 0 n t r o l 来实现对设 备的访问一获取信息，发送命令，交换数据等。利用该接口函数向指定的设 备驱动发送正确的控制码及数据，然后分析它的响应，就可以达到目的。 现在介绍程序中的功能函数，具体如下： o p e n d e v i c e ( c l a s s g u i d ：t g u i d ：p d w e r r o r ：d w o r d ) ：t h a n d l e ： 哈尔滨 _ 程大学硕士学位论文 此函数利用c r e a t e f i l e 函数打开c l a s s g u i d 提供的设备，并返回设备句 柄。 l e d s e t ( e t r l p a r a ：p o i n t e r ：l e n ：i n t e g e r ) ：b o o l e a n ： 此函数利用d e v i c e 【o c o n t r 0 1 函数往设备写入控制字及数据，其中 c t r l p a r a 为指向写入数据的地址指针，目的为设置硬件采集指示灯的工作状 态。 w r i t e b u l k b a t a ( 1 p g u f ：t d a t a ：w l e n g 乞h ：i n t e g e r ) ：b o o l e a n ： 此函数利用d e v i c e l o c o n t r o l 将 p b u f 所指向的长度为w l e n g t h 的数据 写入设备，这里是将设置好的采集参数写入设备。 r e a d d m a d a t a ( w l e n g t h l o w ：l o n g w o r d ：w l e n g t h h i g h ：1 0 n g w o r d ：o u t l p b u f ： t b u f ) ：b o o l e a n ： 此函数利用d e v i c e i o c o n t r o l 函数写入硬件控制字，采集心电数据到 o u t p b u f 指向的缓存中，读取长度高位部分是w l e n g t h h i g h ，低位部分是 w l e n g t h l o w o 读取后返回采集结果，包括采集时间和字节数，给出采集失败 次数，程序中以此来判断读取数据是否正确。 3 1 2 1 参数设置 参数设置窗体界面如图3 。2 所示。需要设置的参数如下： 通道号：因为此装置不但能采集心电信号，而且能够采集其它生理信号。 在硬件装置上共设置8 个通道，目前利用第1 通道采集心电信号。 导联：目前支持心电采集的1 2 导联，每个导联均可采集数据。 衰减：对于不同的生理信号，由于其电压幅值不同，相应不同的放大倍 数，目前心电数据采集设置衰减为