（电子科学与技术专业论文）模糊推理在心电诊断模糊专家系统中的研究与实现.pdf

国防科学技术人学研究生院学何论文 a b s t r a c t e l e c t r o c a r d i o g r a m ( e c g ) i so n eo ft h en e c e s s a r yl n s t r u m e n t su s e df o rc l i n i ch e a r td i s e a s e d i a g n o s i n g r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n ge c ga u t o - r e c o g n i z i n gs y s t e mc a l la v o i dm o s td e f e c t s b r o u g h tb yr e a d i n ge c gm a n u a l l y i tc a na l s oi m p r o v et h ea c c u r a t er a t i oo fh e a r td i s e a s e d i a g n o s i n g t h i ss y s t e mh a si m p o r t a n ts o c i a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i e dw o r t h i n e s s t h i sp a p e rd e v e l o p sa f u z z ye x p e r ts y s t e mf o re l e c t r o c a r d i o g r a md i a g n o s i s i t sf u z z y i n f e r e n c ei sb a s e d0 1 1t h ee x p e r i e n c ea n ds p e c i a l t yk n o w l e d g eo fe x p e r t s t a k i n gi n t oa c c o u n tt h e s p e c i a lr e q u i r e m e n t so fe l e c t r o c a r d i o g r a md i a g n o s i s w h a t sm o r e ，i td i s c u s s e st r a d i t i o n a l m e t h o d sf o rc r ia n dp r e s e n t san e wm e t h o do ff u z z yi n f e r e n c e - a ni n c r e a s i n go r i e n t e dc r i t h e np r o o fi s g i v e nt ot h ea p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o di nm u l t i d o m e n s i o n a l ，m u l t i - l a y e ro r c o m b i n e d ( m u l t i - d i m e n s i o na n dm u l t i l a y e rc o m b i n e d ) f u z z yi n f e r e n c e ，t h cn e wm e t h o dc a n o v e r c o m es o m es h o r t c o m i n g so fc o n v e n t i o n a lc r i ，s a t i s f ym o d u sp o n e n sa n da p p r o x i m a t et h e p r i n c i p l e i th a sp o w e r f u la g g l o m e r a t ea b i l i t ya n dh a sm u c hm o r er a t i o n a l i t y a tl a s t ，af u z z y e x p e r ts y s t e mf o re l e c t r o c a r d i o g r a md i a g n o s i s i s d e v e l o p e da n dd e t a i l s a b o u tf u z z yr u l e s ， k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ，f u z z yi n f e r e n c ei m p l e m e n t a t i o na n dt h es t r u c t u r eo fk n o w l e d g e d a t a b a s ea r ep u tf o r w a r d t h ee f f i c i e n c yo f t h es y s t e mi ss h o w e di np r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：f u z z yi n f e r e n c e ；e x p e r ts y s t e m ；f u z z yr u l e s ；c o m p o s i t i o n ；e c g 第1 i 负 国防科学技术人学研究生院学位论文 图表目录 图1 1 心脏病诊断的基本过程3 图2 1 心脏解剖和传导系统示意图5 图2 2静息或极化状态6 图2 3 典型1 2 导联心电图波形8 图2 4 典型心电图及各波段测量法示意图9 图3 1维c r i 的模糊推理过程1 6 图3 2 专家系统一般功能结构1 8 图4 1以z 与爿的关系2 3 图4 2 不同参数s 时一维推理的输出2 8 图4 3 规则表2 8 图4 4五为大，x ，为中时采用不同蕴涵和合成的输出2 9 图4 5x 为大，暑为中偏小时各个方法的输出3 0 图4 6 五为大，马为中偏小时输出对y 为较大时的各海明贴近度3 0 图5 1心电诊断模糊专家系统结构3 2 图5 2 语义表示3 7 图5 3规则表3 7 图5 4规则表3 8 图5 5 推理步骤：3 8 图5 6 模糊数3 9 图5 7 模糊知识库的外部存储文件结构4 3 图5 8启动画面4 5 圈5 9启动系统4 6 图5 1 0 渗断输出4 7 图5 11解释说明一4 7 幽5 1 2 波形显示4 8 图5 1 ：j 特征值的娃示4 9 图5 1 4 参数设置4 9 图5 1 5 规则表中规则的显示5 0 图j 1 6 实例珍断结果5 1 第i i i 虹 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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谢意。 学位论文题目： 搓塑整理查尘垦途逝搓担童塞签红生煎亟盔皇塞趣 学位论文作者签名：丕乏癯孝 日期：加解，月出 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 搓塑整垄垄尘皇途逝搓捆童錾盘统主曲盈盔生塞窭 学位论文作者签名：乏主 鱼置日期：纠佃宰年，月d 日 作者指导教师签名：显殳- 悱 日期：。一乒年，月7 日 国防科学技术人学研究生院学位论文 第一章绪论 1 心脏病自动诊断的发展历史与现状 心电信号( e l e c t r o c a r d i o g r a m - e c g ) 是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，并具有直观的规律性。自1 9 0 3 年心电图引入医 学临床以来，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 断技术均得到飞速的发展，积累了丰富的资料。直到今天，心电信号的处理与诊断仍然 是生物学工程界的热点研究对象“3 。 通常，心电图能直接反映人体心脏的健康状况，根据心电图的变化特征，结合其他 临床资料对诊断心脏病具有独到之处。虽然超声心动图、彩色超声波等新的检测技术已 广泛应用于临床检查，近期又发展到了运用超导仪器检测生物体内的更微弱的磁信号， 包括心磁信号、脑磁信号等，但由于e c g 简便易行，检验花费很少，且对一些心血管疾 病如心肌缺血、房室肥大、各种心率失常的诊断有较大的准确性，所以仍是目前很实用 的l 临床诊断方法之一。然而，由于心电图是一门以图识病的特殊学科，各种图形、数据 的变化微妙、繁杂，且心电导联数目较多( 常用标准1 2 导联) ，临床医生在读图和诊断过 程中，需要精确测量大量的波形参数，同时还要具有丰富的临床诊断经验及理论知识， 不经过数年甚至数十年的实践是难以达到这个目标的，这势必影响医疗单位对临床心脏 疾病的正确诊断，经验不丰富的医务工作者判读困难且可能作出错误决策。另外，由于 需要有专业知识的医务工作者人工进行心电图阅读，所以不利于患者进行家庭自我检 测，也不便于对一些特殊地区( 如交通不便的山区) 的患者及时作出诊断。开发计算机辅 助心脏病自动诊断系统将使得这一状况得到极大的改善，临床医师可以快速自动获取心 电图报告，并据此判别患者心脏状态，再辅以患者其他临床资料可作出准确的病因、病 情诊断。随着医疗器械家庭化的发展，该系统还可以起到同常保健监测的作用，能够及 时报告，0 电异常情况，为患者进一步诊断、治疗赢得宝贵时间，具有重要的临床和实用 价值。 心脏病的自动诊断具有明显的学术价值、社会效益及经济效益，国际、国内，学 界、业界早已给以足够的重视，进行了深入研究并且已经有了一定程度的应用”3 。“5 。“7 。“。 由于心电图在心脏病诊断中的广泛使用，人们早在1 9 5 7 年就丌始了心电信号在医学数据 自动处理中的实验性研究。1 9 5 9 年美国心脏联合会主席p i p b e r g e r 提出了自动诊断的模 裂，1 9 6 1 年s t a l i m a n n 和p i p b e r g e r 开始了e c g 波形自动识别的研究工作。第一个通过 第1 贞 国防科学技术人学研究生院学能论文 数字汁算机实现的能自动t ! 别e c g 波形的系统是出p i p b e r g e r 刃：发出来的。不久之后， c a n c e r s 设计出了著名的e c a n ( 心电图分析) 系统。到1 9 7 4 年时，用于心电图诊断的程序 人量涌现出米，应用这些程序的系统被称为是第一代心电图诊断系统。此时的程序大多 采用决策树结构进行诊断，在此结构中，每个决策点依据已固定的门限值来确定“是 否”的诊断结果，而实际中一个人的心电数据常常会有较大程度的变化，因而这些程序 的适用性不强。1 9 7 5 年，用于第二代心电图诊断系统的程序出现了。在这个程序中， p j p b e r g e r 首次使用了统计学中的b a y e s 决策理论进行e c g 分类。由于f 常状态与患病状 念本不存在明显的分界点，这种确定疾病的存在概率的方法使e c g 分析向前迈进了一大 步。但是，诊断结果的正确率高度依赖于相关事件的先验概率，而事件问的相关性使得 事件的先验概率难以准确获得，所以该类系统的正确分辨率并不高。八十年代中后期， 随着研究神经网络的热潮再度掀起，用神经网络技术实现智能诊断的程序大量出现 ”“1 。“。”1 。神经网络使诊断系统有了较强的自适应学习能力和容错能力，但其仍存在着无 法利用经验知识和不利于解释实现机制的缺点。进入九十年代后，人们开始将神经网络 和模糊系统有机结合，并将其应用到e c 5 智能诊断当中。模糊神经网络融合了二者之 长，弥补了各自的不足，使e c g 智能诊断有了更大的发展。将有关的现代科学技术理论 应用于医学行业，丌发和研制完善的医疗诊断自动化系统一直是科技领域和医学界工作 人员的努力目标。随着计算机软硬件技术的成熟发展和应用推广，特别是人工智能技术 应用的逐渐普及，学术界和应用界对心脏病自动诊断系统的开发研究将只趋成熟。 就产品方面来说，国外已开发出许多计算机辅助心脏病自动诊断系统的原型及商用 系统，如同本的f u k u d a 、荷兰的m e a n s 、美国的h e w l e t t p a c k a r d 等等。尽管国外的某 些产品在功能方面相对较强，但是价格十分昂贵，可诊断的心脏病种类比较少，而且对 某些心脏病诊断的正确率还不能满足实际的要求。国内的同类产品相对较少，且功能较 弱，这主要是由于其理论性强、技术难度大、周期较长且有风险等因素，许多研究所、 公司、工厂没有能力做或者不愿意做这方面的工作，因而目前国内心脏病自动诊断系统 还未得到工程化、产品化发展。研制功能强、通用性好、成本低廉的国内自己的心脏病 自动诊断系统非常必要，而且极具经济效益和推广价值。 1 2 心脏病自动诊断系统概述 1 2 1 心脏病诊断的基本过程 医生在进行临床诊断时，首先需要观察常规的1 2 个导联上心电波的各组成部分，量 测出各波形的参数，在此基础上判定心电图的各个组成波形是否正常，由各波形念与疾 鹕2 “ 国防科学技术人学研究生院学俯论文 痫的因果关系推断出几种可能的病种假设( 一般不超过5 6 种) ，然后重点根据这几种假 设的疾病再次检验心电图的相关特征，同时考虑患者的年龄、性别、家族病史等辅助特 征。如果某种疾病对应的各个特征都得到了一定程度满足，那么病人患这种疾病的可能 性就比较大，医师就会以此作为最终的结论形成心电报告。这就是人类在临床心电领域 运用经验性、因果性及结构性知识进行诊断的过程。 为了实现计算机化心脏病自动诊断，r 得到接近或超过心电诊断专家水平的诊断结 果，必须真实地模拟人类的思维、诊断过程。我们将心脏病的诊断过程简单概括为数据 采集、特征提取与选择、综合诊断和结果描述四个部分，具体如图1 i 所示。 数据采集 l ， 心电图检查 其他项目检 瘸况、病历、 家族病史等 专家意见 特征形成 t e c g 特征 提取与选择 辅助特征 提取与选择 综合诊断 t 图1 1 心脏病诊断的基本过程 1 2 2 心脏病自动诊断系统的结构组成 综 a u 诊 断 结果描述 ， 诊断 结果 及 病况 描述 仿照人类进行心脏病诊断的具体过程，基于心电图的心脏病自动诊断系统应由心电 图数据采集、特征提取与选择、智能识别与诊断、诊断结果描述等功能模块组成，下面 分别加以简单介绍。 1 e c g 信号数据采集和预处理。这部分主要完成前端信号获取、信号放大、去除噪 声和基线漂移等。由于智能检测、现代信号处理等技术的成熟发展，在心脏病自动诊断 系统中这一部分是相对较容易实现的环节。 2 特征提取与选择。一次特征提取实现e c g 波形参数的识别，如获得各波形状特 征、幅度、宽度等数据，识别波群、判断波峰与波谷位置关系等，这部分是整个系统的 基础和关键环节之，其准确性和可靠性将直接影响最终的诊断结果。分析表明，探索 新方法以提高e c g 特征提取的准确性是改善系统自动诊断性能、扩大其应用范围的根本 途径，作为前端的e c g 信号特征提取，这一部分应该提供尽可能多而准确的e c g 波形信 第3 负 国防科学技术人学研究生院。7 ：何论文 息。二次特征提取对第一次特征提取后的结果进行选择和归类，判断某一类型的心脏病 变时只考虑与本类有关的特征。例如，对心房肥大的判断往往只需要各导联的p 波的特 征，而对于心室肥大的判断则主要依据q r s 波群的特征。 3 心电模式智能识别与诊断。该模块的功能分两个步骤实现：首先应用某种智能诊 断方法对二次特征提取后的心电模式进行智能识别，输出心电报告并以数值形式给出病 人患有某种心脏病变的可能性大小，这一步骤的具体实现技术正是本论文要探讨的核心 内容；再利用信息融合、模糊推理等智能处理技术，根据e c g 模式智能识别结果，结合 其他项耳的检查情况以及患者相关临床症状、家族病史等资料，融入有关的临床诊断经 验知识，迅速准确地实现病情、病况的定位，最后给出诊断结果的具体描述。 1 3 本文的主要内容及章节安排 论文的主体分为六部分。 首先在第一章介绍了心脏病自动诊断的发展历史与现状，概述了心脏病自动诊断系 统的几个生要技术环节。 第二章讲述了心电图的基本工作原理，介绍了心电图上各导联、各种波形特征对心 脏疾病渗断的意义。 第三章介绍了专家系统，以及模糊理论，模糊推理，简单的模糊专家系统模型。 第四章提出了一种新的模糊推理方法趋于增长的合成推理规则的方法，并证明 了其在多维、多重、多维多重模糊推理中的应用，是对模糊推理中合成推理规则的扩 展。通过实验比较说明了该方法的优越性。 第五章是心电智能诊断模糊专家系统的实现，构造了具体的模糊专家系统的模型， 详细说明了模糊专家系统中规则的建立，知识的表示，模糊推理的实现方法，知识库数 掘库的结构等。晟后系统仿真，介绍各功能模块，并以实例进行了分析。 第六章总结了所做的工作，并对进一步的研究提出设想。 第4 贝 国防科学技术人学研究生院学忙论文 2 1 1 心脏的解剖与生理 第二章心电图基本知识 2 1 心脏的解剖及电生理 人体心脏分为四个腔：左心室、右心室、左心房及右心房，心脏四腔的功能为一双 泵，两个心室泵出血液，而两个心房起着支援泵的作用。心脏窦房结的激动传到心房 后，使心房收缩，心房内压升高将其中的血液挤压入已大部分充满血液的心室，使心 室突然伸展，加强了心室肌的收缩力，右室泵出血液至肺循环，进行血液的氧合作用； 而左室将氧合的血液泵出至体循环。心脏的收缩出占心房与心室大部分的普通心肌纤维 柬完成，而在心肌发生收缩之前，心肌必须受到激动，然后才能引起心房、心室肌的机 械性收缩。心脏的传导系统由特殊的心肌纤维组成，它没有收缩性，但具有自发性产生 激动( 自律性) 与传导激动( 传导性) 的能力，因此由这两种心肌纤维构成了心脏的激动与 传导系统。 i 茎| 2 1 心脏解剖和传导系统不恿刿 心脏传导系统( 图1 1 ) 是由窦房结、结l 、日j 束、房室结、房室束、左右房室束支和 p u r kjn g j e 纤维构成。窦房结是心脏j f 常冲动的起源，位于上腔静脉入口与右心室交界 处。结问束是实房结与房室结之问的传导径路，分为胁、中、后三个传导束。房室结位 于房间隔的右后部，向下延伸为房室束，房室结与房室束构成房室交界区，再向前下伸 延到室问隔膜部，分成左、右房室束支，分别位于间隔的左、右侧内膜下。左束支在室 第5 贝 国防科学技术人学研究生院学位论文 | 日j 隔左侧起始部位又分为| j 上支和后下支两束纤维。右束支沿室间隔右侧下行直到心尖 处爿丌始分支为p u r k i n j e 纤维。两侧束支在心室内膜下分成无数p u r k i n j e 纤维与心肌 纤维相连接”“。 ， i 物体内各组织和器官活动时，伴有细胞电位的变化，将产生生物电现象，同样， 一c 肌细j 也以：活动过程中，始终伴随着电位的改变。一求心肌就如同一根电缆，出于局部 已被激动的细胞电位发生了变化，因而刺激了邻近细胞，于是激动沿着被兴奋的心肌细 胞向另一个心肌细胞传导。 2 1 2 心脏的电生理 在静息状态下，由于细胞膜对钾离子有一定的通透性，而膜内外存在着显著的钾离 子浓度差，细胞内的钾离子浓度高出细胞外约3 0 倍，因此，少量的钾离子顺着浓度梯度 向外扩散，增加了细胞膜外的正电荷，这样，就以细胞膜为中心形成了电场，膜外为正 电荷，而膜内由于存在不能扩敞的有机负离子而成为负电荷。由于这个电场的作用，使 钾离子继续外流受到阻碍，当由于钾离子浓度梯度而形成的向外扩散力和阻止钾离子外 流的电场力达到动态平衡时，细胞膜外的正电荷就稳定在一定的数值而不再增加，这就 是钾离子半衡电位。通过细胞内的微电极，且使细胞外的参考电极为零，可以测得静息 膜电位，其近似等于钾离子平衡电位。一般情况下，静息膜电位约为罐o 一9 0 毫伏，此时 没有电流产生，此种状念称为极化状态。 图2 2静息或极化状态 对于钠离子，细胞外浓度显著高于细胞内，但静息细胞膜对钠离子的通透性小，只 有少量钠离子进入细胞内。当极化状态的心肌细胞某一部位受到刺激而兴奋时，细胞膜 变为对钠离子有较大的通透性，钠离子将进入细胞内，使膜电位降低，当膜电位降到闽 值电位时，膜对钠的通透性骤然增加，钠离子在电化学梯度作用下迅速进入细胞内，使 细胞迅速除极，由于细胞膜内增添了大量带币电荷的钠离子，这样会在刹那间使细胞内 由原来的负电位变为具有+ 2 0 + 3 0 毫伏的王f 电位。此时细胞膜内外电荷逆转，膜外为负 电荷，膜内为正电荷，这称为除极过程。心肌细胞除极完毕后，细胞内过多的钠离子排 出细胞外，同时，也有较大量的钾离子向细胞外渗出，以后细胞内外钾与钠离子又重新 分布，使细胞恢复极化状态，这称为复极过程。 第6 贞 。爹 籼n+缶斗卅卅 细、 国防科学技术人学研究生院学伉论文 2 2 1 心电的产生 2 2 心电的产生及心电图导联 心脏细胞除极与复极的电生理现象，是心脏运动的基础。由心脏内部产生的一系列 非常叻调的电刺激脉冲，分别使心房、心室的肌肉细胞兴奋，使之有节律的舒张和收 缩，从而实现“血液泵”的功能，维持人体循环系统的正常运转。心电信号就是从宏观 上记录心脏细胞的除极与复极过程，从一定程度上反映了心脏各部位的生理状况“”1 。 心电图的形成是各部位心肌细胞动作电位变化的综合。用有特殊电放大作用和描记能力 的设备一心电图描记器，把每次心动周期的电位变化曲线连续的描记下来，这就是心电 图。 前面已叙述了心肌细胞的各种电生理特性、心肌细胞的除极与复极过程，但临床心 电图学是将电极放于身体的体表，体表电极所记录的心电图与微电极插入心肌细胞内所 记录的动作电位不同，因为心电图是许多心肌纤维同时除极或复极所形成的波形，所以 从宏观来说，心电图的发生与心肌纤维的除极与复极过程紧密相关。心肌在极化状态 下，心电图记录仪上不能记录出波形，在心电图纸上画出一横线，称为基线，说明心肌 周围无电位差存在，没有电流产生。当刺激心肌的左侧时，则除极过程由左向右进行， 面对j 下电荷的电极描记向上的波形；面对负电荷的电极描记向下的波形，电极放置的位 置不同，记录仪所录得的波形也不相同。当电极放在右侧，电极始终朝着负电荷，故记 录出一个完全向下的波形；当电极放在左侧时，正电荷总是向着电极，因此曲线不断上 升，直到除极到达该点时才下降为零，产生一个完全向上的波形。将电极放在心肌纤维 的中点，当电偶刚到达或越过电极所在的一点时，曲线突然朝下曲折，下降到基线或基 线以下。在复极过程中，复极由右侧向左侧进行，电偶的负电荷在前，正电荷在后，因 此放在右侧的电极描记向上的复极波形；放在左侧的电极描记向下的复极波形：放在心 肌纤维中点的电极描记一个双向波形由于复极过程是通过细胞的代谢来完成的，因此 波形小而宽。 2 2 2 心电图的导联 心脏除极、复极过程中产生的心电向量，通过容积导电传至身体各部，并产生电位 差，用会属板作为电极，连接身体任何两点，通过心电图机记录经过身体组织传到体表 的一1 5 脏电流，这种放嚣电极并与心电图机连接的线路，称为心电图导联( 1 e a d ) 。心电 第7 负 国防科学技术人学研究生院学位论文 图上所记录的足讵、负极电位差的变化，而不是绝对值，心电图机记录向上的波代表正 电位，l 柚下的波代表负电位。目前临床上常用的导联有下列数种： 1 初i 准导联 这是最早使用的导联，可以反映出两个肢体之间的电位差，胡i 称双极肢体导联。其 中，导联i 的正极接左上肢，负极接右上肢：导联1 l 的j 下极接左下肢，负极接右上肢： 导联l l l 的i f 极接左下肢，负极接左上肢。 2 加压单极肢体导联 为了能达到探测某一部位电位变化的目的，将安置在左、右上肢及左下肢的三个电 极连接到一点，称为中心电端，并且在各肢体通向此点的线路上各加个5 0 0 0 欧姆的电 阻，以避免各肢体皮肤阻力差别的影响。描记心电图时，将中心电端与电流计的负极相 连，将左上肢、右上肢及左下肢分别连接至电流计的正极，即可得出各单极肢体导联， 分别称为v l 、v r 和v f ，实际中都使用加压单极肢体导联，其中a v l 是将探查电极置于左 上肢，切断中心电端与左上肢的连线；a v r 是将探查电极置于右上肢，切断中心电端与右 上肢的连线：a v f 是将探查电极置于左下肢，切断中心电端与左下肢的连线。 图2 3 典型1 2 导联心电图波形 ；f ；8 国防科学技术人学研究生院学位论文 3 胸导联 为了更清楚地反映探查电极探测的心肌电流大小，还设立了单极胸导联，探查电极 距心脏很近，能从不同角度反映心肌的电激动。连接时将负极接于中心电端，探查电极 接于胸| j i ，因胸前面积较大，常划分为六个位置，分别是导联v 1 、v 2 、v 3 、v 4 、v 5 和 v 6 。 临床上除了常用的导联以外，为了诊断需要，有时还做一些不常用导联，如右胸导 联、食道导联等，由于在f 常情况下，描电1 2 个常规导联心电图已经够用，所以在此不 再详述。一个币常的典型1 2 导联心电图波形如图2 3 所示。 2 3 心电各波的形成及其生理意义 在描记心电图时，无论采取哪一组导联方式，在每一个心动周期中所记录的基本波 形都大同小异。图2 4 是一个心动周期内的e c g 信号波形，一般出现五个波，依次命名 为p 波、q r s 波群和t 波，有时t 波后面尚有一个小u 波。各波的形态、幅度、出现次序 与心房或心室的除极和复极有直接关系，这些波的命名是为了叙述和记录的方便，名词 的本身并没有任何意义“。 r 卜一q t 阈期一一 图2 4 典型心电图及各波段测餐法示意图 1 p 波 1 ) 波足心电周期的第一个波，由心房激动产生。心房丁f 常激动起于窦房结，通过三条 结问束抵达房室结，同时激动心房肌产生p 波。p 波前半部分代表右房除极过程，后半部 分代表左房除极过程。 笫9 贞 国防科学技术人学研究生院学位论文 除a v r 导联中的p 波外，其他导联的p 波都呈向上的钝圆形，可有轻微切迹。p 波的 振幅( 电压) 为0 0 5 o 2 5 毫伏：波长( 也称时限) 为0 0 6 o 1 1 秒。p 波方向在i 、 1 1 、a v f 、v 4 6 导联直立，a v r 导联倒置。在i i i 、a v l 、v l 一3 导联可直立、倒置或双向。 f ，波的起始点代表心房兴奋丌始，心房肥大时p 波的电压可增高，时限亦可延长。正 常窦性心率的p - p 问期应小于0 1 2 秒，i 日j 期缩小常见于窦性心动过速或阵发性窦性心动 过速；| 、日j 期增大常见于窦性心动过缓；若各个p - p 问期显著不等，可见于窦性心率不 齐、窦房传导阻滞或窦性停搏。p 波的振幅和宽度超过上述范围即为异常，常表示心房肥 大。p 波在a v r 导联直立，i i 、1 1 1 、a v f 导联倒置者称为逆行型p 波，表示激动自房室交 界区向心房逆行传导，常见于房室交界性心律，这是一种异位心律。 2 o r s 波群 代表心室激动过程，房室结的激动经房室束、左、右束支及浦肯野纤维传到心内膜 下心肌后，j 丌始在心肌中出心内膜面向心外膜面传递，使整个心室激动产生q r s 综合 波。第一个向f 的波为q 波，其后向上的波为r 波，紧接着又一个向下的波称为s 波。 如果s 波后面还有向上的波则叫r 波，再有向下的波则叫s7 波。 q r s 综合波的宽度即代表激动经房室束至两侧心室肌的全部激动所需时间，正常成人 为0 0 6 o 1 秒，儿章为0 0 4 0 0 8 秒。v l 、v 2 导联的室壁激动时间小于o 0 3 秒， v 5 、v 6 的室壁激动时间小于0 0 5 秒。q r s 波群时问或室壁激动时间延长常见于心室肥大 或心室内传导阻滞等。正常左心室电压在v 5 导联上r 波不应超过2 5 毫伏，v 5 导联r 波 与v l 导联s 波振幅相加时男性 4 o 毫伏，女性 3 5 毫伏。正常右心室电压，v l 导联中 的r 波 1 0 毫伏。加压单极肢体导联a v l 导联r 波不超过1 2 毫伏，a v f 导联r 波不超 过2 o 毫伏，如超过此值，可能为左室肥大。“r 导联r 波不应超过0 5 毫伏，超过此 值，可能为右室肥大。如果六个肢体导联每个q r s 波群电压( r + s 或q + r 的算术和) 均小于 0 5 毫伏或每个心i j i 导联q r s 电压的算术和均不超过0 8 毫伏称为低电压，见于肺气肿、 心包积液、全身浮肿、粘液水肿、心肌损害，但办见于极少数的正常人等。个别导联q r s 波群振幅很小，并无意义。 除a v r 导联可呈q s 或q r 型外，其他导联q 波的振幅不得超过同导联r 波的1 4 ，时 | 、日j 不超过0 0 4 秒，而且无切迹。j 下常v l 、v 2 导联不应有q 波，但可呈q s 波型。超过正 常范围的q 波称为异常q 波常见于心肌梗死等。 3 t 波 t 波位于s t 段之后，是个比较低而占时较长的波，代表心室激动后的恢复过程， 由心室肌的恢复产生。 t 波平滑宽大，占时较长，它由上升肢和下降肢构成。上升肢的上升速度较慢，而下 降肢下降较快，故上、下两肢不对称。t 波方向常和q r s 波群的主波方向一致。在i 、 国防科学技术人学研究生院学位论文 i i 、v 4 6 导联直立a v r 导联倒置。其他导联可直立、双向或倒置。如果v l 直立，v 3 不 能倒置。在以r 波为主导联中，t 波的振幅不应低于同导联r 波的i 1 0 ，心i j 仃导联的t 波 可高达1 2 1 5 毫伏。在o r s 波群主波向上的导联中，t 波低平或倒置，常见于心肌缺 血、低血钾等。标准肢体导联的t 波超过0 7 m y ，单极肢体导联的t 波超过0 5 m v ，胸前 导联的t 波超过2 o m v ，称为t 波高耸。常见于心肌梗死的超急性期、对应侧心肌梗死、 心内膜下缺血、束支传导阻滞、心动过速、急性心包炎等。t 波低于0 2 m y ，或当q r s 主 波向上，t 波小于同导联r 波1 l o 时称为t 波低平。在i 、i i 、v 5 、v 6 导联出现t 波低平 时提示心肌缺血、心肌炎、低血钾等。 4 u 波 u 波位于t 波之后，比较低小，其发生机理未完全明确。一般认为是心肌激动的“激 后电位”。 正常u 波的时限仅0 o l o 0 3 秒之间，其方向与t 波一致。在心前导联特别是v 3 较清楚，呵高达0 2 o 3 毫伏。u 波明显增高常见于血钾过低、服用奎尼丁等。u 波倒 置见于冠心病或运动测验时；u 波增大时常伴有心室肌应激性增高，易诱发室性心律失 常。 5 p - r 问期 自p 波起点到q r s 波群的起点所经历的时问，即代表从心房开始激动到心室开始激 动的时间，有时亦称p q 问期。 在f 常成人中p r 问期为0 1 2 0 2 0 秒，心率愈快，则p r 问期愈短。p r 问期随 心率与年龄而变化，年龄越大或心率越慢，其p r 问期越长。当p r 问期超过0 2 0 秒可 诊断为i 度房室传导阻滞。如果p - r 间期延长超过0 2 0 秒而p 波并不增宽，则反映兴奋 通过房室结和房室束时有了过长的停滞，说明有房室传导障碍，为房室传导阻滞提供最 有力的证据。 6 s t 段 从q r s 波群终了至t 波开始之间的一段为心室完全除极而尚未复极的状态所占用的 时自j 。此时无电位变化，故正常人的s t 段大多处在基线水平。 正常任一导联s t 向下偏移都不应超过0 0 5 毫伏，超过正常范围的s t 段下移常见于 心肌缺血或劳损。正常s - t 段向上偏移，在肢体导联及心前导联v 4 6 不应超过0 1 毫 伏，心前导联v 卜3 不超过0 3 毫伏，s t 上移超过j 下常范围多见于急性心肌梗死、急性 心包炎等。 7 0 一t 间期 为邮s 波群的起点到t 波的终点所经历的时间。q - t 反映整个心室从兴奋到恢复所需 要的全部时j 、日j 。q t 问期同心率有密切关系。心率越快，q t 问期越短；反之，则越长。 第1 1 负 = = = = = l _ e l 口= = i - - l l l 自_ _ _ ，o o o o o ! 亏：_ ：! = 百= _ ：f r * 日 一般心率7 0 次分左右时，q t 间期约为o 4 0 秒。一般司鱼表。儿q 一。l i h j 别趟愿j 卜吊最 高值0 0 3 秒以上者称显著延长，不到0 0 3 秒者称轻度延长。q - t 问期延长见于心肌缺 血、束支传导阻滞、低血钙、低血钾等心脏疾患；q - t 间期缩短常见于高血钙、心动过速 及洋地黄作用等。 在诊断过程中经常用到患者的心率数据作为特征输入量，心率进一步又可分为房率 和室率，分别对应心房和心室的活动，根据心脏的电生理特性， 叮以用5 个以上的p - p 问期求平均值得到房率，用5 个以上的e - r 间期求平均值得到室率。 第1 2 狐 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章模糊推理及模糊专家系统 3 1 模糊理论简介 计算机不能象人脑一样的思维、推理和判断，只有当给定准确的信息之后，计算机 才能做出对错的判断。但人脑即使在只有部分、甚至不完全准确的信息情况下，也能够 进行判断。计算机要模拟人的思维和判断过程，就必须将人类的语言中所具有的多义、 不确定信息定量地表示出来。模糊集的概念就由此而来。 1 9 6 5 年美国加州大学柏克莱分校的控制论专家l a z a d e h 教授在i n f o r m a t i o na n d c o n t r o l 杂志上发表了关于模糊集的开创性论文“模糊集合”，他在研究人类思维、判断 过程的建模中，提出了用模糊集作为定量化的手段，宣告了模糊数学的诞生。此后， z a d e h 又分别于1 9 6 8 年、1 9 7 3 年发表了模糊算法和基于语言变量建立模糊逻辑系统方法 等具有开创性的研究论文，奠定了模糊逻辑作为一门新学科的理论基础。后来，许多学 者不断加以完善。模糊集合理论的产生和发展到现在不过是3 0 多年的历史，但它已经逐 步地渗入到自然科学和社会科学的各个领域，并且取得了引人注目的成果“7 “”1 。下面给 出基本的定义及其性质脚“2 2 2 “。 定义3 1 所谓在域x 上的一个模糊子集一是指： v x j ，都有心0 ) e o ，1 】与之相对应，并且称其为工属于模糊子集一的隶属度； 即指的是映射：j ( x ) ：肖_ 【0 , 1 x 呻( x ) 为了和模糊集区分别，常规的集合称为分明集或非模糊集。域j 上的分明子集由如 下的特征函数定义：加( 刁= i 。1 , ，当其x 他e e 定义3 2 模糊集的基本的运算是由下列隶属函数分别定义成的模糊子集： 1 ) 并集：约帅x ) = g a ( x ) v 砌( x ) = m a x 胁( 工) ，胁( x ) j 2 ) 交集：n 口( x ) 二( x ) l a a ( x ) = r a i n # ( x ) ，日( x ) j 3 ) 补集：，乞( 0 = 1 一肌( x ) 模糊集具有下列性质： 1 ) 等价关系：a = b h 肋( 曲= 脚( 曲v x x 2 ) 包含关系：a c b 付l , t ( x ) g e ( x ) 垤x 3 ) 复原律：彳= a 第1 3 页 里堕型兰垫查盔竺竺茎尘堕兰竺丝苎 4 ) 对偶律( 得摩根定律) ：劢= j n 否而= 一a u b 但是：爿u j xa r i a g 域x 和空集的隶属函数为：以( x ) = l ，m ( x ) = 0 ，v x x 主要的模糊集的运算： 1 ) 代数和：a o b 卜呻g a * b ( x ) = , u a ( x ) + u b ( x ) 一2 a ( x ) 。z s ( x ) 2 ) 代数积：a 。b 卜号砌。口( x ) = u a ( x ) 。e ( x ) 3 ) 边界和：a o b + _ 斗心。口( x ) = ( 约( 习+ 鳓( x ) ) l 4 ) 边界差：一 b 卜寸。比鲫( 工) = ( 肌( 工) 一砌( 工) ) v 0 5 ) 嬲噪再h 吻= 踹( 一“ o o ) 定义3 3 所谓正规集是指具有隶属值1 的隶属函数所定义的模糊集，即： m ( 工) = l o n a 定义3 4 模糊数是指由分断连续的隶属函数所定义的正规凸模糊集。 定义3 5 模糊集4 的口割集是指下列定义的分明子集： 如= 纠卢。g ) a ) o “y 为口”看成是一种模糊关系“( 工，y ) 为r ”。 模糊推理一般采用下面形式： 前提：如果x 为a 。贝0y 为b 条件：x 为a 结论：j ，为b 7 这个模糊逻辑推理可根据模糊关系的合成法求出结论的部分，即： b = a o ( a b ) 对于上式的推理，一般应有：如果a “a ，那么b “b 的性质。 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 2 模糊推理 3 2 1 带模糊或不精确自口件的演绎推理 由一组已知为真的事实出发，直接运用经典逻辑的推理规则推出结论的过程称为自 然演绎推理。其中，基本的推理规则有假言推理、拒取式推理、假言三段论推理等。对 于模糊推理，相应的也有这三种基本模式，即模糊假言推理、模糊拒取式推理及模糊三 段论推理。 1 、模糊假占推理 设模糊集a f ( ，b f ( v ) ，且它们具有如下关系： i fxi sat h e nyi sb 若有模糊集a f ( u ) ，并且4 与4 可以进行模糊匹配，则可推出yi sb ，b f ( v ) 。 这样的推理称为模糊假言推理。可表示为 规则知识： i fxi sat h e nyi sb 证据事实： 石i sa 推理结论： yi s b 对于复合条件，可表示为： 规则知识：i f 五i sa la n d a n d 而i s4a n d 矗i s 以t h e nyi s b 证据事实：x ii s4 a n dx 2i s4a n d a n d i sa ： 推理结论： yi s b 2 、模糊拒取式推理 设模糊集a f ) ，b f ( v ) ，且它们具有如下关系： i fxi sat h e nyi sb 若有模糊集f ( v ) ，并且曰与可以进行模糊匹配，则可推出xi sa ，a f ) 。 这样的推理称为模糊拒取式推理。可表示为 规则知识： i fxi sat h e nyi sb 证据事实： yi s b 7 推理结论： 工i sa 3 、模糊三段论推理 设模糊集a f ( u ) ，b f ( y ) ，c f ( 矽) ，如果出以下关系： i fxi sat h e nyi sb i fyi sbt h e nzi sc 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学何论文 可以推出 i fxi sat h e nzi sc 则称它为模糊三段论推理。 3 2 2 合成推理规则( c 砌) 方法 一、简单模糊推理 有简单规则形式：i f xi sjt h e n y sb 一维c r i 模糊推理过程，如图3 i 所示： 图3 i 一维c r i 的模糊推理过程 已知规则一寸b ，由某个蕴涵算子可导出蕴涵关系r ( _ ) ，再将观察事实a 与 r ( 一) 合成，最后可得出推理结果曰：b = 彳o r 。 一些常用的蕴涵算子主要有：e a r yz a d e h ( r 。) 算子；l u k a s i e w i c z ( r , ) 算子； m a m d a n i ( r 。) 算子；g s d e l