（生物医学工程专业论文）长时间记录动态心电数据格式研究、设计与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r c t s i n c et h es i x t i e so f t h e2 0 t hc e n t u r y , w i mt h ed e v e l o p m e n t o f t e c l l i l o l o g yo f t h ec o m p u t e r , t h ea m b u l a t o r ye c g t e c h n o l o g yh a sg o tv e r yg r e a ti m p r o v e m e n t i ns u c ha s p e c t sa st h ed a m g a t h e r i n g ，a n a l y z i n ga n dm a n a g i n g , a n da l r e a d yb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l em e d i c a lu e a t m e n t i nc l i n i c a ld i a g n o s i s a u t o m a t i ca n a l y z i n ga n d p r o c e s s i n g t oe c g r e c o r d i n g sb yc o m p u t e r , n o t o n l yr e d u c e dt h ed o c t o r sw o r k i n gi n t e n s i t y , b u ti m p r o v e dt h ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c yi n a n a l y s i sa n dd i a g n o s i s t h ee c gd a t u mf o r mi st h ef o u n d a t i o no ft h ea m b u l a t o r ye c g a n a l y s i ss y s t e m i tw i l l d r a m a t i c a l l yi m p r o v ep r o c e s s i n gs p e e da n da n a l y s i n gq u a l i t yb ye f f e c t i v eo r g a n i z a t i o na n d m a n a g e m e n tf o rt h el a r g ee c g d a t u m i na d d i t i o n , i ti sf a v o r a b l et om a n a g et h ee c gd a t a w i t ho t h e rs y s t e m s t h r o u g ht h er e s e a r c hw o r kf o rt h ec h a r a c t e r i s t i co fe c gd a t u mi na m b u l a t o r ye c g a n a l y s i ss y s t e m s ，t h ef o l l o w i n ga s p e c t s a r ei n v o l v e df o r d e s i g n i n g a n d r e a l i z i n g t h e o r g a n i z a t i o no f e c g d a t u m b a s e do ns u m m a r i z a t i o no n 也e p r o b l e m so f d a t u mo r g a n i z a t i o n t e c h n o l o g y o fa m b u l a t o r ye c ga n a l y s i s , t h e i nt h ee c g a n a l y s i ss y s t e ma r ea n a l y z e d t h e o r i g i no fe l e c t r o c a r d i o g r a m ，a sw e l la st h es h a p ea n ds i g n i f i c a t i o no f n o r m a l e c gi sd i s c u s s e d a n d , t h ec o n c l u s i o ni sd r a w nf o ri t sd a t u mc h a r a c t e r i s t i cb y s t u d y i n gf o ra l lk i n d s o f a m b u l a t o r ye c ga n a l y s i ss y s t e m s a c c o r d i n gt o t h er e s e a r c ho fh i g hp e r f o r m a n c ea n df l u e n tc o m m u n i c a t i o n 、晡也 o t h e ra n a l y s i ss y s t e m sf o rt h ea m b u l 矗：t o r ye c g a n a l y s i ss y s t e m , i tp u t sf o r w a r dt h e r e q u i r e m e m f o rt h ee c gd a t u m o r g a n i z a t i o n an e ws c h e m eo fe c gd a t u m o r g a n i z a t i o nw i t hs e g m e n t a t i o ni si n t r o d u c e do nt h e b a s i so f r e q u i r e m e n to f e c gd a t u mo r g a n i z a t i o ni nt h ea m b u l a t o r ye c g a n a l y s i s s y s t e m n e wm o d u l ei sd e v e l o p e db a s e do nc u r r e n t a m b u l a t o r ye c ga n a l y s i ss y s t e m t h e o r i g i n a le c g d a t u ma n dt h ea n a l 蚴gr e s u l ta r et r a n s f e r r e di n t ot h ed a mf i l e c o n s t r u c t e d a c c o r d i n g t ot h ed e t a i l so f t h ei n t r o d u c e ds c h e m eo f e c gd a t u m t h r o u g ht h ep l a y b a c k a n ds t a t i s t i c a l w o r k , a l lk i n d s o fi n f o r m a t i o ni nt h e t r a n s f e r r e dd a t af i l ea r cc o r x m n e d m 浙江大学硕士学位论文 致谢 首先感谢我的导师段会龙教授和叶建江高级工程师。本文课题的选取、研究方向 的确定、科研工作的开展至最后的成文，都得到了他们的精心指导和悉心教诲。在攻 读工程硕士学位的三年时间里，我在工程实践研究和业务方面的每一点进步都倾注着 他们的心血。他们渊博精深的专业造诣、正直的为人作风、严谨的治学态度，以及对 学科发展的前瞻性认识，都给我以深远的影响，不断地激励着我。在此，对他们表示 由衷的敬意和感谢，并送上我最诚挚的祝福。 感谢吕旭东副教授对我的关怀与指导，在科研和实际工作中给我提出了很多宝贵的 意见和建议，他对问题的分析、处理能力，对新知识、新技术的快速理解掌握能力，以 及在医学信息领域的广博的知识，都给我留下了深刻的印象。同时特别感谢尹登峰、周 群一等平时对我的支持。 感谢赵竟航、王旭飞、刘鹏飞等一起工作和研究的同事和同学；感谢叶枫副教授、 安继业、陈嗣祺、邓宁、刘娜、陈永利、赵晨晖等老师与同学对我论文的支持。 感谢我的父母家人，他们在精神上给予我的支持和鼓励，使我有信心克服一切困 难。 最后，向在此未提及的其他所有关心和支持我学业的老师、同学和朋友一并表示 感谢。 应永进 2 0 0 4 年5 月于求是园 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 心电图临床应用已百年有余，心电图检查是临床常用的器械检查方法之一。它在监 测心肌缺血、捕捉心律失常，帮助临床医生掌握患者各种情况下的心电变化、了解患者 病症和药物疗效与心电活动等方面具有独特的功能；而且由于其简单、方便、无创的特 点，在临床得到了广泛的应用。 心电图产生和发展的历史可以追溯到一个世纪之前。1 8 8 7 年，法l 蓍著名的电生理学 家a d w 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第一份心电图，开创了心电图 记录的先河。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 研制出弦线型电流计，描记出较 清晰的心电图波群，并于1 9 0 5 年正式应用和推广到临床，从而奠定了临床心电学的基 础【1 】。其后四十年间，随着标准导联系统的逐步形成，以及心律失常等研究的展开，心 电图在临床上得到了广泛的应用。另一方面，随着电子技术和心血管医疗技术的高速发 展，心电图机在设计、结构和工艺上都得到了极大的发展闭。起初的弦线式电流计心电 图机被采用电子管放大的千电池式和交流式心电图机所淘汰；而后，其中的电子管又被 晶体管和集成电路所取代。近年来，1 2 导联、1 8 导联同步心电图机的广泛应用，标志 着心电图描记技术的重大进步和发展。 临床常见的检查中，主要包含以下几种心电图： 静态心电图( r e s t e c g ) ：也称常规心电图，指被检者在静息状态下测得的心电 图，记录时间通常为1 0 秒，最常用的是1 2 导联同步心电图。 监测心电图：通过心电检测仪器对被检者的心电活动进行长时间、远距离的监 测，主要包括c c u 、 c u 的床边心电图监测( b m e c g ) 、电话传输心电图监测 ( t t m ) 等。 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。它利用一种 便携式的记录器，连续检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，它也属于监测心电图的一种。 运动负荷试验心电 ( s t r e s st e s to f e c g ) ：通过运动、药物、物理、心脏起搏 等方法增加心脏负荷，诱发心肌缺血，并记录这种缺血性改变的心电图。 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及应用目的来看， 有很大差异。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 浙江大学硕士学位论文 第一章结论 信息，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： 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【3 】。 1 2e c g 研究的发展 随着电子技术和计算机技术的发展，计算机的应用开始渗透到医学领域。计算机在 心电信号的自动分析、心电数据的压缩，以及心电仿真建模等领域，都得到了广泛的应 用。 早先的心电图是由专业的技师手工进行分析的。应用计算机进行心电图自动分析诊 断的研究始于2 0 世纪5 0 年代1 4 j 。 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。 六十年代初，c 删e s 验证了用计算机进行常规1 2 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。 1 9 6 6 年，s t a p l e s 等人提出采用分支树逻辑作为心电图诊断方法。 七十年代，一些心电自动分析程序从实验室投入临床使用。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分析技术的研究。 近年来，心电监测系统和诊断功能都有了突飞猛进的发展，如心率变异性的分 析、植入型心脏起搏器起搏信号的记录和分析、植入性h o l t e r 的应用等【”。 心电自动分析诊断的研究，最早是针对静态心电图展开的。静态心电图的计算机分 析系统，主要由测量程序和诊断分类程序组成嘲。采集到的心电信号经过数字化和预处 理之后，首先由测量部分对心电波形的各波段( p 、q 、r 、s 、t ) 的幅度、形态、时限 进行测量，识别出各个波的起点和终点；然后，测量结果交由诊断部分进行波形形态的 分类和节律的分析，从而对心脏的生理病理状态作出诊断。 随着h o l t e r 技术和监护系统的产生和发展，心电自动分析技术在这两种心电检查技 术中也得到广泛应用和深入研究。由于静态心电图和动态心电图在导联记录方式、应用 目的等方面存在着很大差异，这就决定了它们使用的心电自动分析技术也各不相同。 近年来，随着计算机技术和心电理论不断向纵深发展。e c g 自动分析也被赋予了新 的内容，由起初的波形分类诊断和节律分析，拓展到心率变异( h r v ) 、q t 间期分析、起 搏器的功能评价等方面。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 动态心电分析系统的发展 1 3 1 概述 在1 9 5 7 年，美国物理学家n o r m a j h o l t e r 博士发明了连续生物电记录技术，即通常 所说的h 0 1 t e r 技术。动态心电回放分析系统( a m b l d 种o r y e c g ，也称h o l t c r 系统) 伴随着 电子技术、计算机技术和心电自动分析技术的迅猛发展而产生和发展【7 】。 动态心电回放分析系统，是利用一种随身携带的记录器，连续记录人体在自然生活 状态下2 4 小时或更长时间的心电信息，并借助计算机进行回放处理分析及报告打印的 系统。分析软件的基本功能包括心律失常分析和s t 段形态及位移分析。一些先进的分 析软件还增加了其它的功能，如心率变异性分析、信号平均心电图( 心室晚电位) 分析， 以及起搏心电图分析等【”。 动态心电回放分析系统的主要价值，在于它可以记录到人体短暂的、一过性的心电 图改变，因而在临床上主要用于对短暂性心律失常的捕捉、对心肌缺血的辅助诊断，并 对起搏器功能的评价、心脏疾病的早期诊断均起着显著的作用。同时，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。 1 3 2 系统构成 动态回放分析系统由采集记录和回放分析两部分组成。 采集记录部分 采集部分通常由体表电极、导联线、内含采集电路的记录盒、记录器组成。人体的 心电信号通过体表电极和导联线进入记录盒，经过a d 采样、放大等处理，存入记录器 中。有一些记录盒中还带有手动的事件记录器，当被检者感到身体不适时，可以按下事 件记录器的按钮进行记录，以便临床医生结合心电图进行综合判断。 早期开发的h o l t c r 系统采用磁带作为记录器，且只能记录一个通道的心电信号。从 人体体表得到的电信号首先被转换为磁信号存入磁带中，回放时再通过磁带机转变为电 信号。这类系统有很多缺陷，例如：由于该转换过程的非线性会产生波形失真【9 l ，磁带 的回放速度慢，且出于磁带机采用的是机械装置，容易发生机械故障。 目前，临床使用的h o h 盯系统多为2 通道或3 通道，电极的放置主要是模拟v 1 、 v 5 和a v f 导联。记录器多采用闪卡( f l a s hc a r d ) ，它的特点是重量轻、功耗低，且容量 大，可存储数百兆的数据。大容量存储器的使用为动态心电图仪的发展提供了条件，它 使得采样频率可以由原先的1 2 5 h z 提升到2 5 0 h z ：同时，导联数也可以增多。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 近年来，还出现了1 2 导联动态心电图仪，采用的导联配置方案主要有两种。一种 是采用5 个电极，通过得到心向量图推算出心电图。由于换算得到的心电图与实际的有 一定差距，该方法在临床上没有得到推广：另一种是采用1 0 个电极，模拟标准的1 2 导 联系统，该类产品目前还不成熟。 回放分析部分 回放分析部分包括记录器读取装置、配各回放分析软件的高性能计算机和打印机。 记录在磁带或闪卡中的心电数据，通过专门的磁带机或读卡器读入计算机。回放分 析软件对记录到的心电信号进行回放。检出所记录到的每一心拍并进行逐拍分析，从而 给出人体在记录时间内的心率、s t 段的变化趋势，并能自动分析出期前收缩、心动过 速、停搏等心律失常事件；同时通过良好的人机界面，以图表等直观的表现形式将分析 结果提交给用户，并生成报告以便用户浏览和打印：此外，利用强大的编辑功能，方便 用户对分析结果进行编辑和修改，以弥补自动分析程序的不足。 1 3 3 动态心电分析系统 h o l t e r 技术自发明以来，由于可以连续记录人体长时间内的心电活动，迅速得到了 广泛的应用。然而，对其产生的海量心电数据进行手工分析，是一项极其繁重且枯燥的 工作。由于心电图分析技师的视力疲劳或注意力下降，很容易造成错检或漏检。利用计 算机对动态心电数据进行自动分析，可以使技师们将注意力集中在心电活动异常的时间 段内，从而提高效率，减轻他们的工作负担1 0 1 。 动态心电系统的工作流程如下： 病人基本信息设定，心电数据的采集及存储。 预处理，减少干扰的影响。 检出每一个q r s 波，将2 4 小时的心电数据划分成单个心拍波形。 根据r r 间隔和波形的形态，对心拍进行分类，并对这些类别的性质进行判断 以区分是室性搏动的q r s 波，还是窦性或房性搏动产生的q r s 波。 根据r r 间隔和心拍类型的节律分析，以判定早搏以及成串的异位搏动事件。 对每一心拍进行基线和s t 段的测量。 根据每一心拍s t 段的变化，进行s t 段事件( s t 段上升、下降) 的判断。 对各种分析结果进行分析、统计，提供显示、编辑和报告功能。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 4 动态心电分析系统的发展 动态心电分析系统不仅广泛应用于心血管疾病的常规检查，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，具有十分广阔的社会价值和 经济价值。 传统的动态心电回放分析系统以临床检查作为主要目的，一般包括数据采集、q r s 检 测、e c g 分析、报告打印等功能。虽然这些功能足以对临床医生的诊断起到辅助作用，但 是尚不能达到医学研究所需要的高性能。 高性能动态心电分析系统通过对传统系统在数据管理、网络支持等功能的扩展，为 系统提供了更强大的功能。另外，由于动态心电数据对医学研究工作具有特殊价值，它 可以应用在疾病分析、e c g 参数研究、远程教学等方面，因此扩展传统系统的功能使之 能满足研究工作的要求有重要的意义l ”j 。 1 3 5 心电数据组织方式的发展 现在，心电分析系统应用越来越广泛。在医疗领域中，心电分析已日益与各种其它 数据的处理结合在一起，因而对心电数据的组织、存储和通信提出了各种需求。目前心 电数据主要有两种标准：s c p e c g 标准和i v i f e r 标准。 1 标准心电数据交换协议( s c p - e c g ) 随着心电图的应用越来越普及，人们对心电数据的传输也提出了要求。由于各个心 电图机的生产厂家定义的数据格式和通信机制均不相同，以致于e c g 数据的交换很不方 便。因而，一个统一、灵活的心电传输标准s c p e c g 于1 9 9 9 年经由c e n ( 欧洲标准 委员会) 和a a i v i i ( 美国高级医疗仪器协会) 讨论、修改形成修订版v i 3 。目前，s c p - e c g 协议在国外已得到广泛应用，在国内也已有心电图机的厂商声明兼容s c p - e c g 标准【l ”。 s c p - e c g 是一种专为传输e c g 数据而制订的协议，其目的就是使不同厂家生产的心 电图机之间，以及数字心电图机和e c g 管理系统之间能实现e c g 数据的交换和传输【1 2 1 。 s c p e c g 规范了用于存储、传输的e c g 数据的格式，主要用于常规心电图，即，在病人 静息状态下测得的记录长度为1 0 秒的e c g 数据【l 3 1 。 s c p - e c g 协议对e c g 数据包含的e c g 波形数据、患者信息、e c g 的采集信息，以及 心电图机的测量信息等大量丰富的内容进行了合理化的组织。另外，协议还预留了一些 可以由厂家进行自定义信息的扩展部分，使得厂家在按照协议存取信息的同时，又可以 存放额外的信息。既约定共性又容纳个性的特点，使该协议具有良好的兼容性和扩展性。 s c p - e c g 协议适用于静息状态下测得的长度为1 0 秒的心电数据的存储和交换，对于 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 组织长时间动态心电分析系统的数据，不是n c p - e c g 协议所研究的对象。 2 。医学波形数据编码标准( m f e r ) 医学波形数据目前在生理学研究、身体检查和辅助诊断等领域得到了广泛的应用。 但一直以来，不同的研究部门和产商都使用各自的格式来组织医学波形数据，没有一个 专门用来表示医学波形数据的统一标准。h l 7 和d i c o m 虽然可以用来描述医学波形数据， 但都是针对某种类型的医学波形数据，使用范围有限。同时为了更有效地使用医学波 形数据，使各种类型医学波形数据有统一的表达方式，就有必要将医学波形数据与其它 的信息( 包括分析结果甚至病人的基本信息等) 分离f 1 4 】。 m f e r ( m e d i c a lw a v e f o r mf o r m a te n c o d i n gr u l e s ) 是日本官方提出的关于医学波形 数据的编码标准，用于描述包括e c g 、e e g 在内的各种监护波形数据。m f e r 标准的最新 版本v 1 1 l 于2 0 0 3 年8 月份正式公布，并已提交给i s o 。 m f e r 标准的目的主要在于有效地标准化对医学波形数据的描述，但不包括医学波形 数据通讯与存储及相应的病人基本信息和分析结果。因此，m f e r 数据在各种系统或设备 之间的交换主要是通过其它的协议或信息管理系统来完成的，例如可以采用h l 7 协议、 数据库管理系统等等。 从m f e r 标准的特点可以看出，采用m f e r 标准作为动态心电分析系统数据组织形 式并非是最好的选择。因为动态心电分析系统在记录心电数据的同时，同样十分关注病 人的基本信息和分析结果。 1 4 研究内容和目标 本文的目标，是针对动态心电分析系统数据格式的特点，研究并提出相应的长时间 动态心电分析系统的数据组织格式。围绕以上目标，本文将在以下几方面展开工作： 对动态心电数据格式的特点进行研究，提出动态心电分析系统对于数据组织方 式的需求。 针对动态心电数据格式的特点，提出动态心电的数据组织方式，并对其进行详 细描述。 通过与现有动态心电分析系统的数据进行转换，对提出的动态心电数据文件格 式进行验证。 总结并展望动态心电数据结构研究在实际应用中的发展。 浙江大学硕士学位论文第二章动态心电分析系统对心电数据的需求 第二章动态心电分析系统对心电数据的需求 2 1 引言 心脏的基本生理功能，包括电活动和机械活动。心肌的兴奋是电活动，包括细胞的 除极复极周期性规律，形成心电周期；心肌的收缩是机械活动，包括肌纤维的收缩一 舒张周期性规律，形成心动周期。心肌细胞的电兴奋引发心肌的收缩，称为兴奋一收缩 偶联。心脏就是在电活动的产生、传导，以及兴奋一收缩偶联机制的驱动下，形成心房 和心室周而复始的顺序、协调的收缩和舒张交替活动，从而使心脏实现泵血，维持周身 血液循环的功能。心肌细胞的兴奋发生和传导异常可形成心律失常，从而影响心肌的收 缩功能和血液循环。 在正常人体，由窦房结发出的一次兴奋，按一定的途径和进程，依次传向心房和心 室，引起整个心脏的兴奋。因此，每一个心电周期中，心脏各部分兴奋过程中出现的电 变化传播方向、途径、次序和时间等都有一定的规律。这种生物电变化通过心脏周围的 导电组织和体液，反映到身体表面，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的 电变化。将测量电极放置在人体表面的一定部位记录出来的心脏电变化曲线，就是临床 上记录的心电图。心电图反映了心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化【l ”。 动态心电分析系统通过心电数据采集部设备采集心电图数据，经过相应的数据转 化，使之成为心电数据文件结构的一部分；在此基础之上，系统的分析模块对数据文件 进行读取和分析，提供对诊断所关注的如心律变化、r r 间期变化、s j r 段变化等等各种详 细信息；同时，系统提供交互功能，医生能够对2 4 小时1 2 导联的心电图数据做适当地编 辑处理，从而提高分析准确度：系统的报告管理部分可以对分析结果进行打印、存档和 检索，对其提供在线分析。 本章将从两个方面对动态心电分析系统的数据组织结构需求进行分析。首先，从心 脏的电生理学基础出发，探讨心电产生的原理，并在此基础上对心电图波形及其特征进 行研究，从而对动态心电分析系统所关注的各类分析数据进行总结：其次，从动态心电 分析软件开发的角度出发，根据动态心电分析系统的特点，探讨动态心电分析系统对于 数据文件组织方式的要求。 浙江大学硕士学位论文 第二章动态心电分析系统对心电数据的需求 2 2 心电产生的生理学基础 2 2 1 心肌细胞的电生理 心肌细胞具有以跨膜生物电活动为基础的电生理特性，包括自律性、兴奋性和传导 性。 心肌细胞与其它体细胞一样，具有静息电位，即：在细胞未受刺激时，细胞膜内外 具有电位差。当心肌细胞受到有效刺激时，在细胞膜两侧会产生快速、可逆，并有扩布 性的电位变化，即动作电位：心肌细胞的这行为也称为“兴奋”。心房肌和心室肌细 胞的静息电位是稳定的，而起搏细胞、过渡细胞和浦肯野纤维的静息电位是不稳定的， 会缓慢变小，从而转入自动除极过程。 心肌细胞在一次应激兴奋过程中，其膜电位将发生一系列有规律的变化，兴奋性也 随之发生相应的周期性改变。以心室肌细胞为例，在一次兴奋后，细胞的兴奋性依次发 生以下改变，如图2 2 1 所示： 时阚c v ) 图2 2 。1 心室肌细胞兴奋性周期 有效不应期( e f f e c t i v e r e f r a c t o r y p e r i o d ) ：包括绝对不应期。在此期间内，无论 施与任何强度的刺激，均不能产生可扩布的动作电位。心室肌细胞的有效不应 期为2 0 0 m s ，相当于心电图中包括q r s 波、s t 段和t 波升支前期在内的部分。 相对不应期( r e l a t i v er e f r a c t o r yp e r i o d ) ：在此期间，给心肌细胞施加一定强度 的刺激，可引起扩布性兴奋，产生动作电位。 1 浙江大学硕士学位论文第二章动态心电分析系统对心电数据的需求 超常期( s u p e r n o r m a lp e r i o d ) ：在这一时期，心肌的兴奋性高于正常水平，给予 稍低的刺激，也可引起心肌细胞的兴奋。 2 2 2 心脏传导系统 心电图反映了心脏电兴奋在心脏传导系统中产生和传导的过程。心脏传导系统是由 心肌分化而来的一种特殊的神经肌肉组织。能够自主地产生兴奋，并向心肌细胞传导。 心脏传导系统主要由窦房结、心房传导组织( 结间束和房间束) 、房室交界区、心室传 导组织( 房室束、左右束支和浦肯野纤维) 组成，如图2 2 2 所示。 痔阊覃 图2 2 - 2 心脏传导系统蚓 如上节所述，心肌组织中存在着一些特殊的细胞，它们能依靠自身内在的变化自发 有节律地兴奋，称为自律细胞。自律细胞存在于心脏传导组织中，而以窦房结的自律性 为最高。由窦房结作为心脏起搏点形成的心脏节律为窦性节律，其它的具有自律性的组 织称为潜在起搏点。 正常情况下，窦房结发出的兴奋通过房间束和心房肌传导到整个心房，通过结间束 传导到房室交界区，经过一定的时延，经房室束及其左、右束支传导到浦肯野纤维网及 9 - 浙江大学硕士学位论文第二章动春心电分析系统对心电数据的需求 其所支配的心内膜，最后兴奋由心内膜向心外膜扩布，从而引起整个心室的兴奋和收缩。 在某些病理情况下，窦房结自律性下降，或其兴奋传出受阻时，或潜在起搏点的自 律性增高，而大于窦房结的自律性时，可由潜在起搏点作为心脏的起搏点引起整个心脏 的兴奋。这时，产生的心拍即为异位拍，包括早搏( 室性早搏、室上性早搏) 和逸搏。 当异位拍持续地主宰整个心脏节律时，称为异位节律，包括主动异位节律( 如室性、室 上性心动过速) 和被动异位节律( 如逸搏心律) 。 另外，在某些异常情况下，由心脏起搏点传来的兴奋不能顺利地传导扩布于整个心 脏，而在心脏传导系统的某个环节产生延缓或停滞，称为传导阻滞。 2 2 3 心电图的产生与导联 在人体不同部位放置电极，并通过电联线与心电图机的正负极相连，在心电图仪上 便可记录到周期变化的心电图。这种电路连接方法，便称为心电图导联。电极位置放置 不同，便形成不同的导联。 根据二次投影学说，心电图是经过二次投影形成的。整体心肌细胞的除极和复极所 产生的每一瞬间的除极、复极综合向量轨迹，在立体心脏的三维空间内依时间顺序将其 顶端相连，便构成立体心向量环。立体心向量环在额面和横面的投影，形成平面的心向 量环；将平面向量环在导联轴上进行二次投影，就形成相应的心电图。对于标准1 2 导 联来说，额面心向量环在肢体导联上的投影，形成i 、h 、i i 、a v r 、a v l 、a v f 导联 心电图；而横面心向量环在胸导联轴上的投影便形成了v 1 v 6 导联心电图。 目前，对于3 通道的h o l l e r 系统，导联的设置如下：第一通道模拟v 5 ，第二通道 模拟a v f ，第三通道模拟v 1 ，并且三个导联的信号幅度相仿。 2 3 心电图波形及其意义 不同导联所记录到的心电图，在波形上有所不同，但基本都包括一个p 波、一个 q r s 波群和一个t 波。有时在t 波后，还出现一个小的u 波。正常的心电图波形如 图2 3 1 所示： 浙江大学硕士学位论文第二章动态心电分析系统对心电数据的需求 图2 。3 1 正常心电图波形 p 波 p 波代表左右心房去极化过程的电位变化。历时0 0 8 0 1 1 s ，波幅不超过0 2 5 m v ， 其波形小而圆钝。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，尤以和a v f 导联最为明显。 t a 波 t a 波代表心房复极过程中产生的电位变化。始于p 波后，方向与p 波相反，波幅 很低，约为0 0 5 0 i m v , 持续时间为0 2 2 0 2 6 s ，经常被q r s 波所掩盖而无法看到， 故一般心电图上看不到t a 波。只有在房室分离或高度房室传导阻滞时的心电图中，才 可清楚看到t a 波。 p r 间期 由p 波起点到q r s 波群起点之间的间期，代表自心房除极开始至心室除极的时间 【瑚。正常成人为o 1 2 o 2 0 s 。在幼儿及心率较快的情况下，p - r 间期相应缩短；而经常 进行体育锻炼的人，如职业运动员，其p - r 间期较长，有的可超过0 2 0 s 。 q r s 波群 q r s 波群代表左、右两心室去极化过程的电位变化。历时0 0 6 o 1 0 s 。典型的q r s 波群包含三个紧密相连的波，第一个向下的波为q 波，其后向上的高而尖的为r 波， 继r 波之后的一个向下的为s 波。但是在不同导联记录的心电图上这三个波不一定都出 现，其波形和幅度变化也较大”9 】。 s t 段 自q r s 波终点至t 波起点之间的线段，代表心室缓慢复极过程口伽。正常的s t 段多 为一等电位线，有时也可有轻微的偏移。在任一导联，s t 段下移一般不应超过o 0 5 m v ： 浙江大学硕士学位论文 第- - 章动态心电分析系统对心电数据的需求 s t 段上抬在v 1 、v 2 导联不超过0 3 m v , 在v 3 不超过0 5 m v ，在v 4 v 6 导联与肢体导 联不应超过o 1 m v 。 t 波 t 波代表心室快速复极过程中的电位变化【2 1 1 。波形圆钝，历时o 0 5 o 2 5 s ，波形的 前肢较长而后肢较短。t 波的方向与q r s 波群的主波方向一致，在r 波为主的导联中， t 波的幅度不应低于r 波的1 1 0 。 q t 间期 从q r s 波群起点至t 波终点的对程，代表心室肌除极和复极全过程所需的时间。 这一间期的长短与心率密切相关。一t l , 率越快，q - t 间期越短；反之，则q t 间期越长。 心率在6 0 1 0 0 次分时，q t 间期的正常范围为o 3 2 o 4 4 s 。由于q - t 间期受，t l , 率的 影响，临床常用校正的q - t 间期，通常采用b a z e t t 公式计算：q 死= q t 兄r 。q t 。 就是r r 间期为l s ( 心率6 0 次分) 时的q t 间期。q t c 的正常上限值为0 4 4 s 2 2 1 1 2 3 1 。 u 波 在t 波后o 0 2 0 0 4 s 可能出现的低而宽的波，代表心室后继电位。其方向一般与 同导联t 波方向一致，幅度较t 波低。u 波在肢体导联中不易辨认，一般在胸导联中较 清楚。 2 4 动态心电分析系统的数据特点 动态心电分析系统涉及的数据包括以下几类：第一类为从心电采集设备获得的2 4 j 、 时原始心电数据，包括e c g 波形数据，起搏器信号数据信息等；第二类是将原始心电波 形数据经q r s 波检测识别处理产生的结果数据，包括q r s 波类型及相关拍信息1 2 4 j 、s t 段电平信息等，参照2 3 节关于心电图波形的描述；第三类为对分析结果数据进行统计产 生的信息，包括h r 、r r 间期的最大、最小和平均值及各种心律异常的统计信息( 如： 房早、室早，心动过缓、心动过速等等) ：此外，还有其它的辅助信息，包括患者基本 信息、采集数据的设定信息( 如：导联、波形数据的极性、感度等等) 、数据分析基本 条件、采集设备的硬件和软件信息，及采集过程的记录信息等等【1 6 】。 不同的分析系统对于数据文件的内容要求均有不同，各种信息在数据文件中的组织 方式也不相同。如何设计一种合理的数据文件格式，需要从临床应用的角度对分析系统 所应该描述的各种诊断信息进行研究。 通过对国内、外动态心电分析系统的研究发现，动态心电分析系统主要关注如下临 床数据信息： 1 2 浙江大学硕士学位论文第= 章动态心电分析系统对心电数据豹薷求 e c g 波形数据：2 4 小时2 、3 、1 2 导联心电波形的快速全息回放，特征波形的 放大显示。同时对q r s 波特征进行标识，包括q r s 波类型、心率、r r 间期、 事件信息等。 n n nn nnn n n n nnn n n n n n n n 叶：加一j l l 山k h 王 j _ u k j _ j 。上k k j - j 山v i s o 州：2 l 上 i kj 山j l 。l l k k k l _ j _ - 上j 山l j - h l l5 r m n n n n nn nn n n n n n nnn n n n 图2 4 - le c g 波形快速回放 lk ，趴l ：l j 川 l l l j l 图2 4 2e c g 特征放大波形 心率变化数据：2 4 小时心率变化趋势图，描述心率最大、最小和平均值的变化 情况。 图2 4 - 3 心率变化趋势图 r r 间期数据：包括2 4 小时r r 间期变化趋势图，描述r r 间期最大、最小和 平均值的变化情况。同时也包括r r 闻期的分布情况。 - 1 3 浙江大学硕士学位论文第二章动态心电分析系统对心电数据的磊求 r m 5 图2 4 42 4 小时r r 问期变化趋势圈 图2 4 - 5 躲闻期分布图 s t 段电平数据：2 4 小时s t 段电平变化统计趋势图，包括s tl e v e l 和s ts l o p e 变化趋势信息。 s tl e v e ic h l 量大：i 最小：一i i m平均：o 钿 ， 。_ 静每妙孥妒嗡警秘帮譬鲁肇秽滞擘警1 i i m 1 0 o 一10 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章动态心电分析系统对心电数据的需求 图2 4 - 62 4 小时s t 段电平变化统计趋势图 起搏器信号心电波形：包括起搏器信号和心肌信号之间关系的心电波形，及心 室、心房起搏心拍数和正常心拍数的统计比较等。 1 2 0 0坶91 2 0 0 yy4 _ 1 ， 一擎：p a c j r 培p l l l s ep o i n t 图2 4 - 7 起搏心电波形 p a c e m a k e rs u m m a r y s i n u s 卜rp a c e db e a t sp a c i n gp u l s e t o t a i m a xm j n，gt o 馅l祥 v 甘1 七 群 t o t a fa l r l a iv e n t h o j d x 剐口文脚 口口笥p i 咖p x 啪 飘z ) b e a t s b p m喇洲 h 自mh 自a h t mb 自出 a 抽 口妇 a j 瓣 1 珥 1 1 9 6 鲥 6 2 7 1 0000000 1 , 5目蓝35 s963 0 1 1 6 3 1 6伽如5 711o0l10 1 73 瞄 镗 s 06 啐5 6s a305 75 ：33 1 84 i 瑚9 95 08 16 71 408 36 71 4 图2 4 - 8 起搏器心拍统计信息 统计信息：包括心律异常、事件波形及s t 段电平统计值等。 图2 4 - 9 室性早搏统计信息 1 5 浙江大学硕士学位论文 第二章动态心电分析系统对心电数据的需求 合计7 i 1 拍( 格拍敞l x 耒满) i $ o l t e dl i i 很 c d 印l e l1 1 饵量大i 佃，舳2 a 5l l 毒口锄- h 1 7 佃最叠 1 4 1 1 拍8 1 呐2 s + i i ：1 5 蚴4 拍1 5 6b m 1 2 l e 4l ：1 7 ：1 0 图2 4 - 1 0 房性早搏统计信息 图2 4 - 1 1s t 段电平统计信息 图2 4 - 1 27 秒v - r u n 事件波形 患者基本信息：包括患者的姓名、年龄、性别、身高、体重、血压等信息，以 及以往的病史、用药情况，患者住院信息，数据采集时间，诊治医生等信息。 图2 4 - 1 3 患者基本信息 根据上述的各种原始心电数据、分析统计及其它信息的描述可以看出，动态心电分 析系统的数据有如下特点： 数据类型多样。不仅包括原始的e c g 波形数据，还包括各种分析统计信息以 及用于数据管理的患者基本信息等。 数据信息量大。采样率为2 5 0 h z ，8 位采样精度的原始心电数据，加上q r s 波 形分析信息，s t 段数据、波形和其它信息，每导联的数据大小约为2 1 m 。 敬嘲硼喇嘣堪 攀苫l h 祭 浙江大学硕士学位论文 第二章动态心电分析系统对心电数据的需求 数据信息具有相关性。各种分析信息均通过对原始心电波形数据的分析而产 生，而各种统计信息又都是对q r s 拍分析结果和其它分析结果的统计而得1 2 5 1 。 图2 4 - 3 至图2 4 6 描述的各种常见分析结果，是通过对图2 4 一l 的原始一心 电数据波形的分析得到；经过对图2 4 1 原始心电数据波形的q r s 分析结果和 图2 4 3 至图2 4 - 6 的分析结果进行统计，可以得到图2 4 - 9 至图2 4 - i l 各 种统计信息图表；此外，通过对整个记录数据的起搏器信号信息图2 4 - 7 进行 分析和统计，可以得到如图2 4 8 关于起搏器心电数据的完整信息报告。 2 5 动态心电分析系统对于数据组织的要求 在2 4 小时动态心电分析系统中，要提高系统的性能分析速度和分析结果的准确 性，同时便于对患者的心电数据进行管理及与其它系统的交互，就必需对大容量数据进 行有效地组织和管理。 为满足动态心电分析系统的性能要求，可以采取以下方法：第一，由于波形数据的 压缩和解压缩会造成信息失真，因而需要采用非压缩的形式记录全部的原始心电数据， 保证心电采集数据的可靠性【2 6 】；第二，采用分段的数据组织形式，系统各种数据的组织 方式请参照图2 5 1 。从系统的数据处理机制上来考虑，如果将2 4 小时的数据全部读入， 先对所有数据进行q r s 波的检测处理之后，再进行后续的参数测量和分类，一来需要大 量的内存，二来速度会很慢。采用分块的数据组织形式，可阻在数据读取过程中对分段 数据进行实时q r s 波检测分析和分析结果处理，从而提高系统分析速度1 0 m 3 0 1 。 i 字段zl - v 县t 2i i 字段n | | i 。i 数据详细信息i 图2 5 - 1 动态心电分析数据文件结构图 从2 4 节的