（计算机系统结构专业论文）动态心电图QRS检测与统计分析的研究与实现.pdf

浙江大学硕上学位论义摘要 摘要 心脑血管疾病是近年来全球的高发病症，心脏病患者的数量也在逐年增加， 心脑血管疾病已成为危害我国人民生命健康的第一杀手。在现代医学中，e c g ( 一t l , 电图) 正越来越成为医生诊断心脏疾病的依据。动态心电图监护仪可以通过2 4 小 时或更长时间对患者的监护，有利于捕捉到初期的或潜在的心脏疾病的- t l , 电信 息，从而防患于末然。这种具有e c g 长时间记录及分析功能的便携式心电监护 检测仪为心脏病患者提供了院外心脏预警检测和定期心电体检服务。 本文对动态心电图q r s 检波算法进行了深入的讨论和研究，分析设计了动态 心电图q r s 检波及心电病症识别，并给出了解决方案，最终得到病症统计结果。 其主要内容包括： 1 对心电检测监护仪的功能及意义进行了阐述，揭示了进行动态，t l , 电检测 监护仪的开发的可行性与需要性，为课题阐述背景。 2 介绍了心电图的基本知识及原理，对心电自动分析技术进行了综述，介 绍了h o l t e r 技术。 3 介绍了心电图q r s 检测的相关算法，介绍了实现本文所需要的g d i + 、 模式识别等技术。 4 设计了心电图q r s 检波及病症统计的总体架构，对心电图q r s 检波算法 进行了介绍与分析，设计了病症识别统计的流程与架构，对各个心电病 症的计算分析进行了阐述。 5 利用m i t - b i h 心率失常数据库对分析结果进行了评估。尤其是病症统计 的对比分析给出了实验结果。 本文为浙大网新健康“移动式动态心电预警检测仪”项目提供了上位机软件 支持，能够进行心电图q r s 检波，终端设备参数修f 设定，心电图病症识别统计 功能，最终达到算法检验、设备检验的目的。 关键词动态心电图，o r s 检波，病症识别统计，g d i + ，h o l t e r 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh e a r tc e r e b r a ld i s e a s eh a sh i g h l yo c c u r e di nr e c e n ty e a r s t h en u m b e ro fh e a r t d i s e a s es u f f e r sh a sb e e ni n c r e a s i n gy e a rb yy e a r , a sar e s u l t ，t h eh e a r tc e r e b r a ld i s e a s e h a se n d a n g e r e do u rp e o p l es e r i o u s l y i nm o d e r ni a t r o l o g y ，e c gh a sb e c o m et h em o s t u s e dm e t h o df o rad o c t o rt od i a g n o s eh e a r tp a r o x y s m h o l t e rm o n i t o rc a np r o v i d e f u l l - d a yc u s t o d y ，t h i sh e l p st oc a p t u r ee a r l i e ro rp o t e n t i a le c gi n f o r m a t i o no fh e a r t d i s e a s e w i t ht h ef u n c t i o no fl o n gt i m er e c o r da n da n a l y s i s t h ep o r t a b l ei n s t r u m e n to f e l e c t r o c a r d i o g r a g hd e t e c t i o nc a np r o v i d eo u t h o s p i t a lh e a r td i s e a s ec u s t o d ya n d p e r i o d i c a lc h e c k u p t h i st h e s i sm a i n l yd i c u s s e dt h eq r sd e t e c t i o no f a e c g ，a n a l y s i z ea n dd e s i g nt h e q r sd e t e c t i o na n dd i s e a s es t a t i s t i c s ，s o l v es o l u t i o ni sg i v e na n dd i s e a s er e u l s ti sg o t f i n a l l y t h i st h e s i s sm a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c et h ef u n c t i o na n dp u r p o s eo fh o l t e r , t h ef e a s i b i l i t ya n dd e s i g n b i l i t yo f t h ed e v e l o p m e n to f t h eh o l t e ri sg i v e n ，b a c k g r o u di si n t r o d u c e da sw e l l z i n t r o d u c et h eb a s i c k n o w l e d g ea n dt h e r o i e so fe l e c t r o c a r d i o g r a g h ，h o l t e r t e c h n o l o g yi sp r e s e n t e d 3 s t m l r n a r i z et h ea l g o r i t h mo fq r sd e t e c t i o no fe c g t h er e l a t e dt e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e ds u c ha sg d i + a n d p a t t e r nr e c o g n i t i o n 4 d e s i g nt h ea r c h i t e c t u r eo fq r sd e t e c t i o na n dd i s e a s es t a t i s t i c s i n t r o c u d ea n d a n a l y z et h ea l g o r i t h m o fq r sd e t e c t i o n ，d e s i g nt h ef l o wo fd i s e a s er e c o g n i t i o n ，e v e r y h e a r td i s e a s ea l g o r i t h mi sp r e s e n t e d 5 f i n a l l y , u s e t h em i t - b i ha r r h y t h m i ad a t a b a s et oe v a l u a t eo u rw o r k t h e e x p e r i m e n tr e s u l t so f d i s e a s es t a t i s t i c sa r eg i v e n t h i st h e s i sp r o v i d eu p p e rm o n i t e rs u p p o r ta b o v et h e ”p o r t a b l ei n s t r u m e n to f a e c gp r e w a m i n ga n dd e t e c t i o n ”o fi n s i g m ah e a l t h ，t h es o f t w a r ec a l lc a r r yo u tq r s d e t e c t i o no fa e c c 4 t h ep a r a m e t e rm o d i f i c a t i o no ft e r m i n a le q u i p m e n t ，d i s e a s es t a t i s t i c s o f e c g a sar e u l s t ，w ea c h i e v et ov e r i f yt h ea l g o r i t t n na n de q u i p m e n t k e y w o r d sa e c g ，q r s d e t e c t i o n ，d i s e a s es t a t i s t i c s e s ，g d i + ，h o l t e r 浙江大学硕士学位论文图目录 图目录 图1 1 系统流程3 图2 1 基本心电图7 图3 - 1 g d i 2 3 图3 2 基数样条2 5 图3 - 3 a l p h a 混合效果2 6 图4 一l 总体架构2 9 图4 2 q r s 检波架构3 l 图4 3 病症识别统计架构3 2 图4 - 4 e c g 参数定标3 4 图5 - | q r s 检波总体设计模型3 5 图5 - 2 q r s 检波算法设计3 6 图5 - 3 q r s 检波算法设计3 8 图5 - 4e c g 定标区域一4 3 图5 5 定标面板4 3 图5 6 对照分析“ 图5 7q r s 检波结果及心电参数设定4 5 图6 1 病症统计设计4 7 图6 2 心率计算流程4 8 图6 3 室早成对与室早二联率4 9 图6 - 4 室早三联率与室速5 0 图6 5 房速、室上速与房早二联率5 1 图6 - 6 房早三联率5 2 图6 7 房室传导阻滞5 3 图6 - 8 停博计算5 4 图6 - 9 心率过缓过速5 5 图6 1 0s t 段抬高降低5 6 图6 1 1 r o n t 与尖端扭转5 7 图6 1 2 病症统计示例6 3 图6 1 3 病症统计示意6 7 i l i 浙江大学硬士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 学术背景 心血管疾病是一种慢性非传染性疾病，是现代社会人们长期不良生活习惯和 生活方式诱发而成的，是诊治不及时、多年积累、逐步进展而成的。国内外医学 界公认，除遗传因素之外，长期的高脂、高糖、高盐饮食和缺少运动等不良生活 方式是诱发心血管疾病的主要因素。 据卫生部公布的医学统计资料报告，我国心血管疾病在上世纪5 0 年代末发 病率仅为5 1 ，到9 0 年代初就增至1 3 6 ，到2 0 0 2 年时1 8 岁以上人群已达1 8 8 ，而5 0 7 0 岁的中老年人中患有高血压、血脂异常、糖尿病、肥胖症等心血 管疾病的”危险状态人群”竟高达7 0 以上。根据世界卫生组织预测，至2 0 2 0 年， 非传染性疾病将占我国死亡原因的7 9 ，其中心血管疾病占首位。因此，与心血 管疾病的抗争不分区域、人种，已成为全人类的挑战之一。 1 l 据不完全统计，中国约有4 0 0 0 多万心脑血管疾病患者，每年死于心脑血管 疾病的人数为全年死亡人数的5 0 。幸存下来患者中的7 5 会丧失不同程度的劳 动力，4 重残。心血管疾病已成为我国人口的第一死因，成为危害国人身体健康 的第一杀手。如何有效控制心脑血管疾病已成为我国当前迫切需要解决的医学问 题和社会问题。 虽然心脑血管疾病是近年来全球的高发病症，但由于发达国家预防工作到 位，个人预防性就医主动性强，人均拥有医疗资源丰富，实现私人医生针对性就 诊率高，保证了诊断的连贯性。因此，发达国家在新增发病率、二次发病率和致 残致死率方面要远远低于中国。 在医院里，医生的工作重点更多偏重于解决发病中或发病以后的病人，很难 关注到院外的人群，但事实上随着我国社会的发展，院外的亚健康人群正在成为 受心脏病威胁最严重的人群。而国内尚未建立起全国性的、成规模的、完善的院 外心脏预警和救助体系。 在现代医学中，e c g ( 心电图) e 逐渐成为医生诊断心脏疾病的依据。然而， 许多病人在发生突然死亡之前并没有明显的症状，一些异常心电信息只有在某些 特殊的情况下才出现，其心律失常的发生频率非常低，因此就有必要对e c g 进 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 行长时间的记录和分析。 1 9 5 7 年，美国物理学博士，实验物理学家n o r m a nj h o l t e r 发明a e c g ( 动态 心电图) ，美国心脏协会把这种心电图长时间记录系统命名为h o l t e r 系统。近半个 世纪来、随着微型计算机的普及应用及半导体技术的迅速发展，h o l t e r 系统采集 的心电信息量越来越多，连续记录时间可达2 4 - - 7 2 小时，分析能力也越来越强。 1 1 2 项目背景 浙大网新健康科技有限公司开发的移动式动态心电预警检测仪是2 0 0 2 年国 家计划委员会重大研究项目的重点创新科研成果和2 0 0 3 年信息产业部电子发展 基金重点支持项目。 由网新健康提供的院外心血管病预警监测服务由个人移动式动态心电预警 监测仪和2 4 小时值班营运的监测网( 服务中心) 共同组成，为广大心血管病患 者和入网用户提供实时、终身的心脏预警监测和定期心电体检、专家咨询等服务。 监护仪主要使用于心血管疾病患者及需要健康保健的高龄人群。监护仪可由 用户自己掌握记录心电图的时间，并可随时发送到相关的医疗机构，得到及时医 疗帮助，对突发无规律的心律失常诊断尤其重要，对心律失常的治疗效果评价提 供了科学的依据。 心脏病人利用终端可以进行每月例行检查( 2 4 小时) 、不定期检查( 3 2 秒) ， 得到体检报告。终端内置的高危心脏预警判读嵌入式软件可边记录边判读，遇到 紧急情况可以通过s m s 短信和g p r s 模式自动发送报警信息到服务中心，真正 为用户提供实时心脏监护。同时由于采用g p r s 无线数据网络移动通讯技术，实 现了不受时间、地点、生活方式影响的连续心脏监测和分析存储服务。当心脏病 人在院外出现突发症状时，服务中心可以联系病人，或者亲属，必要时可以联系 救护车及时抢救。 整个系统的流程结构图如下所示： 2 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 终端 终端 管理 模块 图1 - 1 系统流程 根据用户向服务中心发送的心电数据显示，划分不同的级别，得到相应的服 务。如果是一般症状将由自动处理模块快速有效的处理，及时反馈信息，自动处 理模块在处理过程中遇到疑问就提交给服务中心来处理，由具体的医务人员作出 进一步确定，保证反馈信息的有效性，最后为了防止碰到棘手症状，还开发了专 家服务模块，以做到尽可能的满足一切用户的需求，将系统功能完善化。 在整个系统中，本课题属于移动式心电预警检测仪即终端部分。终端内置的 心电判读嵌入式软件的正确性、准确性直接影响着终端的性能。而嵌入式软件调 试上不具方便性，同时为了检验q v , s 检波算法的正确性，为了检验终端病症分析 识别是否正确，在p c 机执行这一系列过程便是本课题的初衷。 1 2 心电监护仪的研究意义 近年来，心脏病的发病率逐年提高，严重威胁人类健康，己经成为造成人类 死亡的三大疾病( 心脏病、脑血管病和癌症) 之一。因此，迫切需要研究更先进、 更可靠的心电信号分析技术，以辅助医生更快速、更准确地做出诊断，减轻病人 3 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 的痛苦甚至拯救病人的生命。 众所周知，心律失常的发生通常是偶然的，而常用的心电检测设备都是用来 进行短程监护，在不发病时很难发现心律失常信号，而动态心电自动监护系统的 出现恰恰弥补了此项不足。动态心电自动监护系统通常又被称为h o l t e r 系统。 h o l t e r 系统的动态监测采用一个心电记录盒，该记录盒由患者随身携带，对患 者进行2 4 小时或更长时间的心电监测，捕捉心律失常信号，当出现严重失常时 予以报警。分析研究动态心电图监护仪的医学意义在于： ( 1 1 可以通过2 4 小时或更长时间对患者的监护，有利于捕捉到初期的或潜在 的心脏疾病的心电信息，从而防患于未然。 ( 2 ) 发现猝死的潜在危险因素：心性猝死最常见的原因是室速或室颤，发生 前常有心电活动不稳的室性心律失常，它仅能依靠d c g 才易发现其发生 规律。 ( 3 ) 检测人功心脏起搏器的功能：d c g 可监测患者在活动或休息时的起搏心 电图变化，了解起搏器的脉冲发放与感知功能，以及有无心律失常的发 生。 l - 3 心电图检测分析研究的国内外现状 由于心血管疾病对人类的危害程度越来越受到各国的重视，心电图检测分析 的研究也取得了长足的发展。 e c g 的起源可以追溯到1 8 9 3 年，e i n t h o v e n 设计7 弦线电流计并把它用于人 体心电测量，开创了心电研究应用的先河。随着电子技术的发展，在e c g 记录 系统中引入了电子放大器、示波器和图表记录器等部件，进一步完善了e c g 记 录显示系统，然而早期的e c g 分析是由医生完成的，这一过程无疑费时费力而 且可靠性不高。计算机辅助的e c g 自动分析与诊断系统开始于2 0 世纪5 0 年代 末，其后的e c g 分析研究进入了一个新的高潮，迅速发展成为几个不同的领域： ( 1 ) 静态e c g 系统，检测病人安静状态下的心脏功能，用于医院病房；( 2 ) 心律失 常检测及监护e c g 系统，用于冠心病病房( c c t 0 、外科手术、急救中心等对心 律失常心搏的检测，或者作为监护对病人e c g 进行实时显示；( 3 ) 运动e c g 系统， 在病人完成一系列规定运动后测量其e c g 以诊断其冠状动脉疾病；( 4 ) 动态e c g 系统，也常称h o l t e r 系统，对病人在正常生理和外界环境下的e c g 进行长时间 记录，该系统由于对早期心血管疾病和心律失常的检测有其独特功能，因此得到 越来越广泛的应用。 4 浙江大学硕上学位论文第1 章绪论 2 0 世纪7 0 年代以后，e c g 分析系统进入实用化和商业化阶段。目前世界上 很多公司如西门子、通用电气等都在研究和开发新型的心电监护仪器。随着国际 d c g 技术的不断发展，我国的d c g 产品也有了长足进步。但与国外同类产品相 比仍有一定的差距，主要表现在外形较大、记录时间短和分析软件功能有限，在 数据存储方面，国内的企业一直以来都是以固态存储芯片为存储介质，这与国际 上通行的f l a s h 闪存技术相比，仍有相当的差距，有些产品的数据须经过压缩， 因此容易造成偏差。 随着心电信号测量仪器的不断更新以及心电信号分析技术的不断提高，心电 图已成为心血管领域中实用、高效、无创、发展迅速、独具功效的检查技术。然 而由于心电信号本身的复杂性和检测过程中的较大噪声与干扰，目前进一步提高 e c g 信号分析的准确率和可靠性，仍然是一个重要的课题，在信号处理和临床实 践上都具有十分重要的意义。 1 4 论文研究内容和目标 本文的主要工作是：研究心电波形q r s 检测的相关算法以及实现，在此基础 上，对具体的心电波形数据进行病症统计分析，获得实际诊断结果。最后利用 m i t - - b i h 心率失常数据库以及f l u k e 心电波形发生器对分析结果进行评估。 本文的目标是在p c 机上实现心电图q r s 检波及病症识别统计，为网新健康 的“移动式动态心电预警检测仪”项目提供上位机软件支持，从而进行算法验证 以及终端功能测试检验。 1 5 论文结构安排 第一章介绍心电图检测分析的背景和现状，对本课题所属的项目背景进行 了阐述，最后给出论文研究目标与本文的组织结构。 第二章介绍动态心电图检测分析的理论基础，阐述了心电图波形的基本概 念及心电图q r s 检波的算法理论基础。 第三章对本课题使用的其他相关技术进行了阐述。介绍了模式识别技术以 及g d i + 技术。 第四章阐述了实现本课题的总体架构。首先提出整个系统架构流程。然后 对课题涉及的各个子模块( 心电指标参数定标，q r s 检波，病症分 析识别) 分别提出了总体架构 第五章详细介绍心电q r s 检波分析算法的设计与实现。介绍了q r s 检波 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 算法的接口设计、算法流程，对实现算法用到的数据结构及主要函 数进行了简介。 第六章详细介绍了心电病症统计的设计与实现。介绍了病症统计的设计流 程，对具体每个心电病症的识别给出了详细的判定流程。介绍了实 现病症统计功能使用的类模块等。最后进行了实验结果的分析比 较。 第七章对本文所研究的内容进行总结，并对相关技术进行了展望。 6 浙江大学硕士学位论文 第2 章动态心电图椅测的理论背景 第2 章动态心电图检测的理论背景 2 1 心电图基本概念 生命的维持依靠心脏不停地跳动，即心脏有规律地收缩和舒张，而心房和心 室的收缩和舒张有赖于心脏的电激动过程。心脏电激动起源于窦房结，沿特化的 传导系统下传，引起心房和心室兴奋和机械收缩。假若心脏不能及时发出电激动， 则心脏就会陷于停搏。人体体液中充满了电解质，具有导电性能，心脏电激动过 程产生的微弱电流可通过体液传至身体表面，应用电极和特殊仪器o i ) 电图机) 在体表加以记录所得即为体表心电图。 简而言之，心电 ( e l e c t r o c a r d i o g r a me c g ) 是在心脏有规律地收缩和舒张过程 中，各部分心肌细胞产生的动作电位综合而成的电信号由电极从体表或胸腔测 得，经放大后显示或描计下来的波形i 甜。 心脏的活动是有规律的，相应地，心电图也表现为准周期性。按照心脏激动 的顺序，一个周期的心电波形一般由p 波，q r s 复合波，t 波，s t 段以及u 波 组成。典型的心电波形如图2 - 1 所示： 曦攫 舯) 0o4 6 t 钲， 图2 - 1 基本心电图 7 浙江大学硕上学位论文第2 章动态心电图检测的理论背景 p 波 p 波代表左右心房去极化过程的电位变化。正常情况下，p 波波形小而圆钝。 持续时间小于0 1 1 秒。 q r s 综合波群： 反映左、右心室的去极化过程。典型的q r s 综合波群包括3 个紧密相连的电 位波动：第一个负向波为q 波，之后是高而尖峭的正向波r 波，最后是负向s 波。 q r s 波群代表心室肌兴奋扩散过程。各波波幅变化较大。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。 t 波： 反映心室的复极化过程，波峰通常与q r s 综合波群的主波方向一致。波形圆 钝，历时o 0 5 0 2 5 s ，波形的前肢较长而后肢较短。 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 胸导联中比较清楚。 在心电信号中，除了各波形状有特定意义之外，各波之间的时程关系也有重 要的意义。其中比较重要的有以下几项： p r 间期： 指从p 波起点到q r s 波起点之间的时程，代表由窦房结产生的兴奋传到心 室，引起心室开始兴奋所需要的时间，所以也称为房室传导时间。正常成人为 0 1 2 0 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 t 间期： 从q r s 波群起点到t 波终点的时程，代表心室开始兴奋去极化到完全复极 化至静息状态的时间。这一问期的长短与心率密切相关。心率越快，q t 间期越 短；反之，则间期越长。持续时间正常值为0 3 2 加4 4 秒。 s t 段： 指从q r s 波群终了到t 波起点之间的线段，正常时应与基线平齐。表示心 室各部分已全部进入去极化状态，它反映心室肌早期复极过程中的电位及时间变 化。 r r 间期： 指两次心搏的q r s 综合波主波之间的时程，代表完成一次心搏所需时问。用 8 浙江大学硕士学位论文第2 章动态心电图榆测的理论背景 6 0 秒除以平均r r 间期，即可得到心率。 2 2 h o l t e r 概述 由于普通心电图仪仅能记录受检者处于静态时的且为时甚短的心电资料，检 查过程仅为短暂的几分钟，记录的心博一般仅为数十次，对于过性心律失常和心 肌缺血不易轻易发现，尤其对于受检者在睡眠、运动、工作劳累或情绪激动等特 定状态下出现的病症和变化，无法记录当时的心电状况。针对常规心电仪存在的 上述缺点，为了及时发现和治疗早期心脏病和各类隐性、偶发性心律失常、心肌 局部缺血，就必须有一种心电图仪能让病人随身携带，在病人正常工作、生活状 态下，2 4 小时以上长时间对病人进行检测，随时捕捉病人在工作紧张或者精神受 到刺激、情绪激动或者特殊状态下心脏发生的病变反应 9 1 。 1 9 5 7 年，美国物理学博士、实验物理学家n o r m a nj h o l t e r 发明a e c g ( 动态 心电图) ，美国心脏协会把这种心电图长时间记录系统命名为h o r e r 系统。1 9 6 1 年正式应用于临床，近半个世纪以来，随着微型计算机的普及应用和半导体技术 的迅速发展，h o l t e r 系统采集的心电信息量越来越多，连续记录时间可达2 4 7 2 小时，分析能力也越来越强。 我国从7 0 年代开始引进国外d c g ( 即a e c g ) 设备应用于临床诊断，8 0 年 代初有人报告了国人正常的d c g 表现。随后，国内文献相继发表了d c g 有关冠 心病、病态窦房结综合征、肺原性心脏病及对心脏起搏器功能检测等各方面专题 研究。进入9 0 年代，d c g 检查已经在全国基层医院中逐渐推广普及，同时国内 也已具备研制与生产d c g 的能力。 2 2 1n o l t e r 技术介绍 a e c g 是心电信息学的重要组成部分，它不同于常规的心电图及c c u 或i c ：u 监护心电图等心电检查方法，是心血管疾病诊断领域中实用、高效、无创、安全、 准确、可重复性强的重要检测手段，广泛应用于临床诊断及科学研究。a e c g 监 护系统是一种随身携带的记录器，连续检测人体2 4 7 2 小时的心电变化，经信 息处理分析及打印记录的心电图仪。主要有以下特点： 1 h ( 1 ) 心电记录器随身携带，不受检测距离影响，不受体位变化及活动的限 制。 ( 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心肌 缺血的检出有独到之处。 9 浙江大学硕上学位论文第2 章动态心电图检测的理论背景 ( 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，一般都选择模拟胸导v l 、v 3 、v 5 作三通道同步记录。 ( 4 ) 分析系统不仅可以显示检测期内心博总数、最高心率、最低心率、平 均心率和每小时平均心率，并能自动分析和测量每小时室上性、室性期前收缩， 室上性和室性心动过速的次数、程度和形态以及持续时间，房室传导阻滞、心脏 停博的情况以及p r 间期、q r s 群波、s t t 变化的轨迹图、趋势图及全览图等， 其结果可用不同方式输出，为临床提供有价值的资料。 2 2 2h o l t e r 系统结构 h o l t e r 系统主要由记录器、导联线和计算机分析处理系统构成。【9 ，1 2 】 1 、记录器 心电记录器是随身携带记录和存储心电信号的设备。电路主要由传感器、a d 转换器、微处理器和存储器组成。心电信号经放大器放大后，由a d 转换器转换 成数字信号记录在存储器上。有的微处理器同时还对e c g 信号进行实时分析处 理，包括数字滤波、q r s 检测、特征提取、逐博分析、多博分析，最后将分析结 果连同a e c g 数据一起保存在存储器上。 a 盒式磁带记录器 采用磁带记录技术，开始使用特制专用磁带，因不易普及，费用高，后改用 普通的盒式磁带，能记录2 4 小时、2 3 个导联的心电图信息。早期采用模拟信号 记录方式，使1 5 h z 以下的低频信号丢失，打印出来的心电波形失真。而把信号 进行数字化处理后记录在磁带上，心电波形则清晰，不易失真。 b 固态记录器 固态记录器是由一个体积小、重量轻的记录器和一个报告产生器组成。记录 器配有微处理器，把心电信息转换成数字后存储于半导体芯片上，其主要分析功 能是在记录盒内实时进行。即兼有记录和分析功能，实时分析心电信息，鉴别正 常波形与异常波形并归类存储。由于信号存储容量低于实际信号容量，固态记录 器不能完全记录下全部的心电信息。虽然技术上采用了多种方式的数据压缩及图 像重建技术，仍存在图形失真、判别失误、分类错误等缺陷。另外双导联同步记 录2 4 小时心电信息在4 肛8 0 m b 左右，而固态记录器芯片上只有储存4 5 - 1 6 m b 心电图信息。软件系统的分析功能是根据固态记录器对心电波形作出的判断加以 识别的，误判率高。随着储存器的容量达到或超过磁带水平( 3 0 m b ) ，其内容存量、 判断精度和资料的连续与准确性方面，都显著提高。 l o 浙江大学硕士学位论文 第2 章动态心电图榆测的理论背景 c 磁盘式记录器 将心电信号记录到一个大容量的磁盘上，记录2 4 小时之后，取下记录器再 输入计算机处理。 d 其它类型记录器 采用非连续或选择性记录，如间歇记录器，采用病人手工触发记录键钮或当 病人的心率、心律等变化超过某一临界值时开始记录。 2 、计算机分析处理及回放系统 计算机分析处理系统由硬件和软件两部分组成。 目前分析处理系统采用的是计算机图像识别法，已完全代替专用机h o l t e r 成 为a e c g 发展的主流，所以硬件部分主要为一台高配置的计算机和高速激光打印 机。记录器中存储器大多已采用记录卡或者闪存，满足w i n d o w s p n p ( 即插即用) 要求，速度快、可靠性高。计算机把心电数据读进内存，然后以高速回放分析方 法进行分析处理，并把分析结果连同原始数据保留在硬盘的数据库中。 软件部分主要有以下基本功能： ( 1 ) q r s 波识别、q r s 波波形分析，室性期前收缩，室上性期前收缩，室 性心动过速；s t 移位和心脏起博信号分析。 ( 2 ) 显示编辑和再分析。显示功能把心电图和分析测量结果以不同的统计 方式显示在不同的页面，从这些统计分析结果中，医生可以很快找出需要重点查 看的心博周期。编辑功能能使医生可以在浏览的同时，对记录分析结果进行注释、 添加、删除或者再分析。 ( 3 ) 报告输出、页面打印和数据库管理。 ( 4 ) 其他功能。利用互联网进行远程诊断、远程医疗是当今医学的一大热 点。把病人的动态心电分析结果，通过互联网提供浏览、检索，将使h o l t e r 系统 发挥更大作用。 2 2 3h o l t e r 的临床应用与进展 h o l t e r 的i 临床意义：动态心电图的特点是可以长时间记录受检者在日常活动 过程中的心电信号，克服了常规心电图一般仅记录数分钟心电信号的不足，对一 过性心电异常的检出率更高，对需要进行长时间连续监测心电变化的心血管病临 床、心血管流行病学、运动医学、航空、航天和航海医学等均有帮助。 其主要适应使用的病症有：f 1 5 】 ( 1 ) 心律失常：对各种心律失常的检出和诊断均有帮助。特别对临床怀疑 浙江大学硕士学位论文 第2 章动态心电图椅铡的理论背景 有心脏病，合并心律失常者更有诊断意义。可检测到具有生命危险的心律失常心 电图，如室性心动过速、心搏停顿及严重房室传导阻滞等。 ( 2 ) 怀疑与心律失常有关的一过性症状：如晕厥、胸闷、胸痛等的鉴别诊 断。 ( 3 ) 抗心律失常治疗的评价：对治疗前后在相同条件下的心律失常作出定 性和定量诊断，用以评价药物疗效、毒性反应。 ( 4 ) 心脏起搏器的安装与检测：提供是否需要安装心脏起搏器的心电图依 据，并有助于对心脏起搏器类型的选择：对已安装心脏起搏器的病人定期随访和 对起搏器的功能进行检测以指导起搏器的合理应用。 ( 5 ) 特殊工作人员的选定：对航空、航天、潜水、重负荷等特殊环境的工 作人员应用动态心电图检查，可以更全面地对人体健康素质进行评定。 其一般适应使用的病症有： ( 1 ) 心肌缺血的监测：典型和不典型心绞痛，如劳力型心绞痛、自发性心 绞痛、变异型心绞痛、无症状心肌缺血等，并了解其发生的时间及与日常活动的 关系。( 注：动态心电图对心肌缺血的诊断须密切结合临床及其它检测方法。) ( 2 ) 对缺血性心脏病治疗措施的评价：如药物治疗，冠状动脉旁路手术， 经皮冠脉腔内成形术等。 ( 3 ) 急性心肌梗塞康复期指导：可用于急性心肌梗塞后康复期，观察有无 心律失常及缺血型s t t 改变。 2 3 心电o r s 检波算法概述 心电图的自动分析、诊断已经广泛地应用于心脏的功能检测、心血管疾病的 诊断和预防以及心电监护等多方面。 q r s 检波是动态心电分析中的关键问题，是心电图自动诊断的基础。只有检 测出q r s 波，才能将心电数据划为各个心拍，从而进行参数测量和波形分类；另 一方面，q r s 波的检出直接影响到r r 间期和心率的计算，从而也影响到心电病 症的分析识别。由此可见，q r s 检波算法的准确度对于动态心电分析的性能来说， 具有至关重要的作用。 一个正常的e c g 信号是由一系列的波形组成的，这些波形是通过兴奋的零 电位来区分的。由本章第一节基本概念知道，一个正常的心电图，主要由p 波、 q r s 波群、t 波等组成。每个具体的波都对应着特定的心脏活动和电生理阶段。 与其他波形相比，r 波具有较高的幅值。由频谱分析可知，q r s 波群的中心频率 1 2 浙江大学硕士学位论文第2 章动态心电图检测的理论背景 在1 7 h z 左右( 该频率也被称为q r s 波群的特征频率) ，带宽约1 0 h z ，而t 波、p 波、基线漂移等的频带都是在此频带的低端以外，这便是q r s 波群区别于其他波 形的两个明显特点。各种q r s 波群的检测算法主要就是利用它与其他波形及噪声 不同的幅频特性来实现的。 q r s 波检测包括q r s 波位置、宽度、面积的检测，各参量检测方法已有不 少研究成果发表( 见参考文献) ，但是各种方法均有其不足之处，因为心电信号波 形的复杂性和各种类型噪声( 如肌电干扰、基线漂移等) 的存在以及生理上的变异 性，都使q r s 波的精确检测有很大困难。 纵观几十年来q r s 检波算法的研究，根据实现的方式不同，q r s 检波算法 主要可以分为硬件方法和软件方法。【5 】 q r s 波硬件检测器主要依据q r s 波与p 波、t 波和噪声( 工频干扰、肌电干 扰、基线漂移等) 的频率特性的差异来实现检测。典型的q r s 波检测器由滤波电 路、整合处理电路和判别电路组成。滤波的作用是提高q r s 波对p 波、t 波和噪 声的比率，大多采用带通滤波器。整合处理方法，大多采用一阶差分、二阶差分、 平方、平滑等技术中的一种或几种，以进一步加强q r s 波的分量，减少噪声影响。 心电信号经过滤波、整合处理后，送入判别电路，采用自动增益控制( ( a g c ) 、自 动灵敏度控制等技术调整闽值。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来得灵活，且对于复杂情况的应付能 力较差。 软件检测技术随着计算机技术的发展而迅速发展起来，采用软件方法实现 q r s 波检测，不仅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， 还可以灵活地选择调节各类参数，对复杂情况做特殊处理，因而成为q r s 波检测 的主要研究方向。随着计算机技术、数字信号处理技术，以及人工智能理论的发 展，q r s 波检测技术也得到了极大的发展。从七、八十年代流行的基于经典信号 处理的方法，到九十年代的基于小波变换和神经网络的方法，先进的技术和理论 的应用给q r s 波检测技术带来了新的活力。另外，八十年代以来，标准心电数据 库的逐渐形成，使得q r s 波检测算法有了检验和评估的标准，也促进了各类方法 的不断改进和完善。 本章将主要就基于软件方法的q r s 检波算法进行介绍。主要有以下几种方 法：基于滤波和阈值检测的方法、模板匹配法、小波分析法、神经网络法、数据 融合检测法等。下面简要介绍一下各种方法。【5 1 0 ，“】 1 3 浙江大学硕十学位论文 第2 章动态心电图检测的理论背景 2 3 1 基于滤波和阈值检测的方法 q r s 波群是一个心电周期中最显著的部分，它具有较高的幅度、斜率，并且 具有一定的宽度。因而，要检测q r s 波，最直接的想法，就是阙值检测：若某个 数据点的幅值超过阈值，则认为检测到一个q r s 波。如果心电信号中没有伴随干 扰，并且波形全都是正常的，或接近正常，那么仅仅靠阈值检测就可以完成任务。 但事实上，记录到的心电信号通常都是伴有噪声的，基线漂移可能会使波形上下 浮动得很厉害，而工频干扰和肌电噪声的叠加也可能导致信号有很大的失真。这 样，就会使单纯的阂值检测失效。 因此，要想使用阈值进行判断，必须首先对心电信号进行预处理，以改善波 形。预处理的目的是增强q r s 波的能量，抑制噪声和伪迹。早先的想法是使用一 阶差分，这可以应付存在基线缓慢漂移的情况。但一阶差分相当于对信号进行高 通滤波，会放大信号的高频噪声，不适用于动态心电。通常的做法是采用带通滤 波，提高5 3 0 h z 频率范围内信号的分量。在滤波后，通常对波形进行非线性变 换，如整流或平方运算，从而使q r s 得到进一步的加强，使其在幅度等参数上能 明显与p 波、t 波、噪声和伪迹相区别。 心电信号经过预处理之后，由判断规则判定是否有q r s 波出现。判断规则通 常包含幅度、斜率和面积闽值。在早期的算法中，阈值是预先设定的。但是，由 于不同被检者之间信号幅度差异很大，而对于同一被检者，其q r s 波的幅度和形 态也可能在短时间内发生剧烈的改变。因而，大多数的研究者采用自适应阈值。 当一个q r s 波被检出之后，使用该波形的参数去调整阈值，从而适应信号的改变。 滤波器法是最传统最简单的方法，到目前为止已经提出了二阶导数算法、移 动窗口积分算法、正交滤波算法等不同的具体算法。 二阶导数算法是取心电的一阶与二阶导数的平法之和作为q r s 波群输出标 记的脉冲信号，该方法突出了q r s 波群上升速率变化最快的地方，可以根据输出 脉冲的宽度较精确地估计r 波的宽度。移动窗口积分法的求导平方运算与二阶导 数算法相同，最后是对求导的平方数据进行移动窗口积分，这种方法对高频随机 噪声敏感性较低。而正交滤波法是将心电信号输入到两个相位固定、相差为n 2 的滤波器，从而得到互为希尔伯特交换的输出，通过检测幅值可以检测q r s 波。 2 3 2 模板匹配法 模板匹配也成为相关法。由于心电信号的周期性较强，各心动周期间相应波 形的差异较小，可以将q r s 波群、t 波等近似认为单独的固定模板。把e c g 信 1 4 浙江大学硕士学位论文第2 章动态心电图检测的理论背景 号采样点与预先存储的e c g 波形模板逐点比较，当待处理信号与模板耦合时其 相关值最大。这样对q r s 波群的识别就转化成了对q r s 模板与其他模板的鉴别。 该方法实际是幅值判别与频率判别的统一。常用的比较方法有平均平方法、最小 二乘法和面积差分法，所存储的信号可以是正常或非正常的q r s 波信号。这种方 法对高频噪声和基线漂移很敏感。另外，不同病人的心电波形可能是大不相同的， 如果被检者的心电波形与模板中存储的相差很大，则这些q r s 波将会被漏检。 在文献1 1 6 1 中，根据心电图的频数直方图将制成尺寸为m n 的图形矩阵 q q r s ，根据模板的特征向量q q r s 与所检测的心电图的匹配度来检测q r s 波。方 法简便有效，但是对于含噪声多的心电记录检出率不高。 信号经过匹配滤波器后，与固定阈值比较，进行最终判断。匹配滤波的思想 很有启发性，但在该方法中，取被检者的波形作为模板，一是需要人工干预，给 算法的实现带来很大的不便；二是被检者的心电波形可能会发生很大的改变，若 仅采用第一个波形作为模板，就会产生漏检。 2 3 3 数学形态学方法 基于数学形态学的算法用于心电图波形的分离与常规方法不同。算法无需检 测q r s 波，而是用数学方法对心电信号进行滤波、基线矫正等处理之后，直接去 除心电图信号的q r s 波群，实现波形的定性分离；检出p 波和t 波的起止点后 便可以完成定量分离。整个过程基本通过两路开、闭运算组成。一路先进行开运 算，再进行一次闭运算；另一路则相反。然后两路运算的结果取平均值。经过这 样的运算后，信号中实际被滤除