（信号与信息处理专业论文）ECG信号的数据压缩.pdf

东南大学硕士研究生学位论文 摘要 目前在临床诊断过程中，心电信号的存储与传输是一个有待解决的问题，但 是由于采集到的原始信号的数量巨大，所以对于这些数据的压缩处理是十分必要 的。对于一个e c g 数据的压缩算法来说，其重要的指标就是在能保持重构信号 中的重要的诊断信息的前提下，得到最大的压缩比。 本论文首先介绍了心电信号的大致特征，以及心电信号的采集方法。对于聚 集方法，这里主要介绍的是对于1 2 导联心电信号的采集方式，其后简要的介绍 了v c g 导联系统。最后我们介绍了一些常用的心电信号的压缩算法，同时对于 如何评价一种压缩算法优劣程度的一些主要指标作了论述。 对于心电数据压缩，预处理是一个如何识别出e c g 信号中各个特征参数的 阶段。本文详细的论述了e c g 原始信号经过滤除5 0 h z 工频干扰，以及e m g 滤 波和基线校正后，达到对q r s 复合波群的识别以及r r 值的提取，最后识别出t 波p 波等e c g 的各个特征。 在心电数据的压缩中，本文介绍了两种压缩算法，即d c t 压缩算法和a s e c 压缩算法，其中主要介绍的是a s e c 压缩算法，该算法是在基于l t p 预测算法 的基础上融合了码书的预测算法，并结合了d p c m 编码和l b g 矢量量化算法， 消除了原始信号间的自相关，从而达到了压缩的目的。在论文的最后将a s e c 同 其它的几种压缩算法做了比较，可以看出a s e c 这种混合型的压缩算法无论在压 缩比、或者是重构信号的目测结果，都是比较优秀的。 关键词：a s e cd c td p c me c gl t pp r d p q r s t 1 2 导联 压缩压缩比心跳码书矢量量化 东南大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t m o d e r nc l i n i c a l s y s t e m sr e q u i r el a r g eq u a n t i t i e so fe c gs i g n a l ss t o r a g ea n d t r a n s m i s s i o n t h e r e f o r ee f f i c i e n td a t ac o m p r e s s i o na l g o r i t h m si sn e e d e di no r d e rt o r e d u c et h eq u a n t i t i e so fd a t a i ne c g s i g n a lc o m p r e s s i o na l g o r i t h m s ，o n ei m p o r t a n t c r i t e r i o ni st o g e t t h em a x i m u mc o m p r e s s i o nr a t ew h i l e k e e p i n g t h er e l e v a n t d i a g n o s t i ci n f o r m a t i o ni nt h er e c o n s t r u c t e ds i g n a l s f i r s t l y ，t h ed i a g n o s ef e a t u r e so f e c g s i g n a l sa n dt h em e t h o d so fc o l l e c t i n g t h e s es i g n a l sa r ei n t r o d u c e d t w os y s t e m so fc o l l e c t i o n ，o n ei s1 2 - l e a de c g s y s t e m a n dt h eo t h e ri sv c g s y s t e m ，a r ep r o p o s e d t h e nw ei n t r o d u c es o m ec o m p r e s s i o n a l g o r i t h m so f e c g s i g n a l sa n ds o m ec r i t e r i aa b o u tt h ep e r f o r m a n c eo f t h e s ee c g c o m p r e s s i o na l g o r i t h m s t h ed i a g n o s t i cf e a t u r ee x t r a c t i o no fe c g w a v e s ( p q r s tc o m p l e x ) i st h eb a s i c p r e p r o c e s s i n gs t a g eo fc o m p r e s s i o na l g o r i t h m i nt h er h y t h m d e t e c t i o ns y s t e mw ec a n f i n dt h eq r sc o m p l e xw a v ea n dt h el o c a t i o no ft h erw a v e ，w h i c ha r et h ei m p o r t a n t p r e c o n d i t i o no fc o m p r e s s i o n t h ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mi st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h ec o m p r e s s i o no f e c gs i g n a l s i nt h i st h e s i st w o a l g o r i t h m s a r e u s e d ，o n e i sd i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m ( d c t ) ，t h eo t h e ri sa n a l y s i sb ys y n t h e s i se c gc o m p r e s s o r ( a s e c ) t h e a s e cm e t h o di sb a s e do na n a l y s i s b ys y n t h e s i sc o d i n g , c o n s i s t s o fab e a t c o d e b o o k ，l o n g - t e r m a n ds h o r t - t e r m p r e d i c t o r s ，a n d d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d e m o d u l a t i o n ( d p c m ) t h em a i na i mo fa s e c i st or e m o v et h er e d u n d a n c i e so ft h e c o r r e l a t i o nb e t w e e na d j a c e n to r n e i g h b o rb e a t sa n dc o r r e l a t i o nb e t w e e na d j a c e n t s a m p l e s f i n a l l y ，b yc o m p a r i n g t h ea s e cw i t ho t h e rc o m p r e s s i o na l g o r i t h m s ，w ec a n s e et h a tt h ea s e ci sm o r ee x c e l l e n tt h a no t h e r a l g o r i t h m s k e y w o r d s ：a s e c d c td p c me c gl t pp r d p q r s t 12 一l e a ds y s t e m c o m p r e s s i o nc o m p r e s s i o n r a t eb e a tc o d e b o o kv e c t o rq u a n t i z a t i o n 1 1 学位论文独创性声明 、毛； 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，除了文中特另, l ；h i l 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。 签名：超日期：幽、腰 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中因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，亓j 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。 签名：盐选导师签名 乒 日期：仇矿乡罗，2 - - 东南火学硕士研究生学位论文 h ! j舌 心电图( e l e c t r o n i cc a r d i o g r a m 简称e c g ) 是通过人体的皮肤记录下记录激 励心脏运动的电信号，目前是临床诊断心脏疾病的重要依据。为了提高诊断的正 确性，改善心电信号的质量至关重要。根据采集e c g 信号的设备来说，一般分 为多通道信号或者是单通道信号。在心率的分析和检查中，一般是用单个通道的 信号，或者是两个通道的信号来分析和监控心脏跳动是否规律，是否对人体的健 康有影响。而在标准的临床检查中，是采用的1 2 导联信号，以期获得更多的诊 断信息。 由于有慢性心脏病的病人不可能长时间的在医院观察，所以目前使用的是 2 4 小时动态新电图记录仪( h o l t e r ) 来收集信号，另外由于互联网技术的出现， 病人可以将采集好的信号通过互联网传到医院，供医生的检查。这就需要通过心 电信号的压缩来存储或者传送信号。所以e c g 数据，特别是动态的心电图数据 的压缩方法和技术的研究已经引起普遍的关注。实现e c g 数据的高效压缩，对 e c g 数据的处理、存储和传输等诸多方面，都具有非常重要的实际意义。另外 目前临床系统对于e c g 信号，主要都是采用大数据量的存储或者传送。比如一 个才作过心脏手术的病人，在手术后需要2 4 小时连续的观察，这时候e c g 信号 的采样率是5 0 0 h z 和1 2b i t s ，大概数据量为2 1 m 小时一个通道，因此监控设备 的就需要很大的外部存储器来存储这些数据。但是如果采用一种有效的压缩算法 的话，就可以只存储少量的数据，然后在诊断时恢复数据，因此可以使数据的存 储空间大大的减少，同时在商业利润上也可以得到提高。 一个性能良好的压缩算法，不仅要求有较高的压缩效率、理想的恢复精度。 更重要的是要保证在压缩过程中信号所携带的重要诊断信息不能丢失。心脏活动 过程是一个有序的过程，因此反映这一过程的e c g 数据具有一定的相关性，或 者说e c g 数据具有一定的冗余度。将冗余的数据压缩掉不会丢失信息，即仍能 够保真的重构e c g 波形。目前e c g 数据的压缩算法可以分为三类： 1 ) 直接压缩法：利用插值或者预测等处理，减小数据中的冗余度，实现数 据压缩。如a z t e c 、s a p a 、c o r t e s 等方法； 2 ) 变换域压缩法：通过正教变换，解除数据间的相关，用少量的变换域分 量保持原数据信息。如k l t 、d c t 、f t 和m m 方法： 3 ) 特征提取法：从e c g 数据中提取和保留有分析价值的特征参数。 本文中介绍了心电信号的特征以及采集，主要介绍的是在1 2 导联系统中心 电信号的采集，并且粗略的介绍了f r a n k 导联系统。然后介绍了e c g 信号压缩 的主要评价指标，根据三大类e c g 压缩算法，分别的介绍了目前常用的几种e c g 第1 负 东南大学硕士研究生学位论文 压缩算法，同时分析了如何识别e c g 信号中的各个特征量，其中主要介绍了q r s 波群的识别，以及r r 的提取，为数据压缩做前提准备。在经过了波群识别后介 绍了d c t 算法以及a s e c 两种算法，其中主要介绍的是a s e c 算法，该算法是 在基于l t p 预测算法的基础上，结合了d p c m 编码，消除了原始信号间的自相 关，从而达到了压缩的目的。另外将a s e c 同其它的几种压缩算法做了比较，可 以看出a s e c 这种混合型的压缩算法无论在压缩比，或者是重构信号的目测结 果，都是比较优秀的。 第2 页 东南大学硕士研究生学位论文 第一章心脏和心电信号 本章简要地说明了心电信号产生的原理，以及一些主要的心电信号的特征， 与此同时概述了这些特征在临床诊断中的作用；简要的说明了心电信号以前以及 目前所应用的记录方式。本章着重的介绍了心电信号的采集方式，以及1 2 导联 测量和向量测量方法，这是后面分析心电信号的基础。 1 1 心电信号的产生 人体组织在每一活动过程中，都产生着生物电。一昼夜腰搏动十几万次的心 脏也不例外，在它每次搏动中，都会产生一种电流。心动电流是生物电的一种， 它的产生过程是一个比较复杂的问题。 众所周知，心脏组织是由一群生物细胞和浸润着它的体液所组成，这些细胞 的内体液和外体液间的交界，有一层很薄的非水性薄膜，称为细胞膜。这种细胞 膜像一个特殊的篱笆，在一定的条件下，把细胞内外的体液隔离开。由于细胞内、 外液都是由水分、蛋白、纤维蛋白和盐等导电能力很强的电解质组成，细胞膜对 电解质的离子成分如钾、钠、氯等具有不同的通透性，这样就使得膜内外的离子 成分和浓度有很大的差别。通常膜内含有的酸性钾离子( k + ) ，膜外含有碱性的 钠离子( n a + ) 。所以细胞膜内外自然形成了一种电位，称为膜电位。当心肌细 胞受外刺激或邻位细胞传来的冲动，使膜的极化程度减少，达到阈电位( 一1 0 m y ) 时，快钠孔道开放，大量n a + 涌入细胞内，膜内电位急速上升至+ 3 0 m v ，形成 动作电位0 相；膜内电位上升至一5 5 m v 时，慢钙孔道开放，c a 2 + 内流量少， 对“0 ”相影响不大；膜内电位上升至一1 0 m v 时氯孔道开放，c i 一内流及经常的 k + 外渗而以前者为主，使膜内电位减低，为动作电位“1 ”相；此后由于c a 2 + 内流及k + 外渗大致平衡，膜内外电位差接近于零，呈等电位状态，形成动作电 位“2 ”相平波；随时间后移k + 外流增加动作电位渐降，降至一5 5 m v 时，慢钙 孔道关闭而快钾孔道开放，形成动作电位“3 ”相；第4 相细胞复极完了呈舒 张状态，细胞内n a + 过多，激活a t p 酶，泵出n a + 换回k + ，同时c a 2 + 与细胞外 n a + 交换，4 相电位稳定，非自律细胞都是上述的“快反应电位”，而自律细 胞第4 相舒张期自动除极，自动除极时程越短自律性越高，且电位小，为一7 0 m v ， 无快n a + 内流，由c a ”内流而除极，达闽电位一5 5 m v 时慢钙孔道开放，除极形 成缓慢上升低幅度的动作电位曲线，称“慢反应电位”。当“快反应电位”因病 或药物使静息电位减少时，快钠孔道失活转变为“慢反应电位”。此时，自律性 增高，同时“0 ”相上升速度减慢幅度减低，与邻位静止细胞之间电位差小，传 第3 页 东南大学硕士研究生学位论文 导性减慢，易形成折返，出现心律失常，其中快反应电位如图1 1 所示，这也只 是一个大概的说明，不是很精确。 3 5 1 1 3 6 1 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，每一个心动周期中，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( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 。 心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化，而与心脏的机械 收缩活动无直接关系。 l ； 、 5 ，一 ”“n 踽” ” 图1 1心肌收缩细胞的膜内运动电位 1 2 心脏信号的特征 1 9 0 3 年w i l l i a me i n t h o v e n 根据心脏活动时会产生生物电的原理，创造了一 种弦线式心电图机，成功地作出了人类第一张心电图。从而奠定了临床心电图学 地基础。本世纪4 0 年代以来，由于电子技术的发展，开始比较实用的心电图机 出现。随着科学技术的日益发展，心电图技术也不断完善和丰富，现在心电图已 成为现代医学中诊断心脏疾病的一种重要手段。 人体组织中的体液思一种电解质溶液，具有很强的导电能力，心脏在体内好 像一个电池放在电解质溶液中一样。当心脏在体内受激搏动时就如同电池放电， 在电解质中就产生电流。根据容积导电理论，在体内就会出现向各个方向传导的 电流，从而形成一个心电场。反映这个电场的电位交化规律的波形图，就是所谓 的心电图，如图1 2 所示。它是跟随心脏受激搏动的时间顺序进行的，通过心电 第4 贝 东南大学硕士研究生学位论文 q r s 波群 n * 图1 2e c g 信号的组成 图可以观测到心脏搏过程中所产生的心肌电位的变化关系，有一定的规律。如果 心肌出现缺血、损伤或者坏死，这是心肌的组织细胞，在损坏的那个部分上就没 有活化电荷，所以当心肌兴奋时这部分的电位就不会产生变化，在心电图波形上 就会产生变异和失真，医生就可以根据变异的程度和时间，按照临床心电图谱来 判定诊断心脏疾病。 对于一段心电图来说，可以划分成若干的组成部分，其中最简单的描述为p 波、q r s 复合波以及t 波，在粗略的划分成上述3 个部分以后，有时还可以细 化为p r 间隔和r r 间隔等，其中在r r 间隔中包括了s t 间隔和t p 间隔。下面 简单介绍一下心电图中的各个特征以及在诊断中的参考价值： 一p 波 为心脏除极波，是e c g 信号的起始部分。代表左右两心房的除极化，从形 状上看是q r s 复合波前一个变化较平缓的正向波。正常的p 波波项钝圆，光滑， 有时可能有轻微切迹。这里的切迹是指在这个波段中在既有斜率变化又有方向改 变的节段。异常波形则有可能呈尖峰状，如“二尖瓣型”，p 波增宽大于0 1 l s ， 伴明显切迹。又如“肺型p 波”，呈尖峰状，电压大于等于0 2 到0 2 5 m v 。根据 p 波的宽度，p 波的形状，p 波的幅度以及p 波持续时间与p r 间期的比值等， 可用于判断心房扩大，高血压，心肌梗塞等症。 二p r 段 是指p 波起点到r 波( 和q 波) 起点这一节段。代表心房除极结束到心波 所掩盖。根据p r 段的持续时间及与其它参数比较，可用于诊断早博，室除极 开始，在这段中可埋藏着心房的复杂过程，称为t a 波，多被用于q r s 心率失常， - t l , 动过速，心包炎等症的诊断。 三p r 期间 第5 页 东南大学硕士研究生学位论文 指p 波起点到一t l , 室波的开始，亦称p q 间期，一般为o 1 2 到o 2 0 s 。代表 心房除极开始到心室开始除极所需要的时间。p r 间期的持续时间占整个心动 周期持续时间的比例如超出正常范围，则表明可能有房室传导阻滞等病症。 四q r s 波群( 全部心室的综合波) 第一个负向波为q 波，继q 波后的第一个正向波为r 波，r 波后的负向波 为s 波，s 波后的第一个正向波为r 波，r 波后的负向波为s 波，依次类推。 正常人的一个心动周期只有一个q r s 复合波。如整个波只有一个负向波称为q s 波。正常q r s 波粗钝与切迹不明显。q r s 间期代表全部心室肌激动过程所需的 时间。各个波形的诊断意义如下： 1 q 波 正常q 波：左胸导联及某些肢导联可出现q 波，称间隔性q 波，时间不超 过o 0 3 s ，深度不超过r 波的1 ，4 。正常v l ，v 2 导联不应有q 波，但可呈q s 波，v 3 导联极少有q 波，v 5 ，v 6 导联常可见正常范围的q 波。 异常q 波诊断标准：时间大于等于0 0 4 s ，深度大于后继r 波的1 4 ，q 波 出现粗钝与切迹。 出现异常q 波可用于诊断下列病症： 左前分支阻滞，a 型预激综合症，心房扩大和心室肥大，急性肺梗塞，心肌 梗塞，传导阻滞等等。 2 r 波和s 波 肢导联：a v r 导联一般主波向下，r 波幅度小于0 5 m v ，a v l 导联以r 为 主时，r 波幅度小于2 m v ，a v f 导联以r 为主时，r 波幅度小于2 0 m v 。胸导 联v 1 的r 波幅度小于1 0 m v ，v 1 导联的r 波幅度与v 5 导联的s 波幅度之和 小于1 2 m v 。 各导联出现r 、s 波形可能各有不同。出现异常r 、s 波形，可判别肺，t l , 、 冠心、心肌炎、广泛心肌梗塞、过渡肥胖等病症。 五s t 段 代表心室除极终了到心室复极开始这一短暂时间，图形上表现为由q r s 波 群终点到t 波开始的一段。 s t 段异常通常有s t 段压低。或者s t 段抬高两种现象。其中，s t 段压低 可用于诊断：心室肥大，束支传导阻滞，预激综合症等。s t 段抬高可用于诊断： 急性心肌梗塞，急性心包炎，变异型心绞痛，过早复极化等。 六t 波 代表两侧心室复极过程的电位影响， 较为平缓。t 波异常通常有倒置，增高， 梗塞，慢性冠状动脉供血不足，心包炎， 图形为q r s 波形后第一个e 峰，变化 过低，增宽等症状。可用于诊断：心肌 内分泌疾患等。 第6 负 东南大学硕士研究生学位论文 七q t i 创期 指，t l , 室除极和复极过程所需的时间，从q r s 波起始至t 波终末的时间。心 率越快，q t 间期越短，反之，越长。 q t 间期较长：多见于心肌炎，心肌梗塞，慢性心肌缺血，低钾，低钙等 患者。 q t 间期缩短：多见于应用洋地黄后，高血钾，高血钙等患者。 八u 波 t 波后常可见到一个正向的小波，为u 波，其方向与t 波一致，但是有些 导联不可见。一般认为是心室舒张的机械性结果。由心室舒张时形成的后电位产 生。 u 波显著增高可用于诊断：血钾过低，心室肥大等。 u 波倒置可用于诊断：高血钾，心肌梗塞，冠心等。 九心率 每分钟内出现得心动周期次数，可用于诊断心律不齐。 心率的测量：测量p p 或r r 间隔，心率= 6 0 p - p 或r r 间隔； 以任何一个p 波或r 波做起点，测量6 秒钟内的p 波或r 波数( 傲起点的p 或 r 不计算在内) ，将得数乘以1 0 即得出相应的心房率和心室率；心房颤动时， 应连续测量8 1 0 个f f 和r r 间期，取其平均值，用以除以6 0 ，即得心房 率及心室率。 十心电轴 平均心电轴是将心房除极、心室除极与复极过程中产生的多个瞬间综合成心 电向量，各自再综合成一个主轴向量，即称为平均心电轴，包括p 、q r s 、t 平 均电轴。其中代表心室除极的q r s 平均电轴在心电图诊断中更为重要，因而通 常所说的平均电轴就是指q r s 平均电轴而言，它与心电图i 导联( 在后面介绍) 正侧段所构成的角度表示平均心电轴的偏移方向。 平均心电轴方法一般是通过观察i 与i i i 导联q r s 波群的主波方向，可以大 致估计心电轴的偏移情况。如果i * d i i i 导联的主波都向上，心电轴在0 。9 0 。 之间，表示电轴不偏；如i 导联的主波向上，i i i 导联的主波向下，为电轴左偏； 如i 导联的主波向下，i i i 导联的主波向上，则为电轴右偏。 心电轴的正常变动范围较大，约在- - 3 0 。1 1 0 。，一般在0 。9 0 。之 间，正常心电轴平均约为6 0 。自3 0 。- - 9 06 为电轴左偏，3 0 。- - 3 0 。属 电轴轻度左偏，常见于正常的横位心脏( 肥胖、腹水、妊娠等) 、左室肥大和左 前分支阻滞等。9 0 。1 1 0 。属轻度电轴右偏，常见于正常的垂直位心脏和右室 肥大等；越过1 1 0 。的电轴右偏，多见于严重右室肥大和左后分支阻滞等。 第7 贞 东南大学硕士研究生学位论文 除以上一些重要参数外，还有心脏的转位等参数。 由上可见，心电图的这些参数对于诊断心血管疾病起极为重要得作用。因此， 准确测量一t l , 电图，具有十分重要的意义。因此我们在进行数据压缩的时候更要注 意保证这些参数的准确性，特别是对于压缩后的重构信号，更要能在最大限度上 保证这些信息不失真，可以确保临床的诊断。另外，对于这些信息在重构信号与 原始信号的比较上，也可以判断出一种压缩算法的优劣程度，如果信息丢失的不 多，而压缩比也很高的算法，无疑是一种优秀的算法。 1 3 心电信号的记录 以往心电信号的记录是通过一种网格纸来完成的，其中横向和纵向的每一格 为l m m 。横向坐标表示时间上的度量，以秒为单位，纵向是表示电压值。如图 1 2 所示。 图1 2e c g 信号的记录纸 这些网格交叉着一些粗细相间的线，因此组成了大小网格。当e c g 信号以 2 5 m m f ( ) 的速度在标准的网格纸上记录时： 垂直方向的相邻的2 个粗线条之间为o 2 0 秒( 5 m m ) 垂直方向的相邻的2 个细线条之间为o 0 4 秒( 1 m m ) - z k 平方向的相邻的2 个粗线条之间为o 5 m v ( 5 m m ) 第8 页 东南大学硕士研究生学位论文 水平方向的相邻的2 个细线条之间为o 1 m v ( 1 m m ) 通常情况下，记录这些信号的准确度是要通过调整机器的走纸速度、灵敏度 等一些方法来实现，校准的要求是在1 0 m m 的范围内，其误差值只能有1 m v 。 现在更多的医院通过使用计算机构成心电工作站，将心电信号数据存贮在存 储器中，通过显示器显示，并通过打印机形成图文一体化的报告。这里我们使用 的是e c g 5 1 2 软件，由南京图瑞科技有限公司提供。通过双击屏幕上的心电图标， 可以进入主界面( 图1 3 ) ： 图1 ，3e c g 5 1 2 的主界面 首先填好病人信息框，接好病人导联进入相应的功能，然后就进行采样设置。 该软件可以实现检查：十二导同步心电图功能、心向量功能、高频心电图功能以 及心率变异等功能的操作，在各个功能的采样结束后，会在屏幕上出现各个功能 的心跳波形，如果波形显示得不理想，可以实时得修改参数以达到所要求的显示 波形。在分析完波形后，医生可以输入对该病人的分析结果，然后打印图文报表。 该软件同时可以生成十二导联心电图、心向量图、高频心电图以及起搏心电图等 图和报表，例如下图为同步十二导联实时心电图报告： 第9 负 东南大学硕士研究生学位论文 图1 4 同步十二导联实日寸心电图报告 1 4 心电信号的采集 人体的心电信号是毫伏级的微弱信号。因此，在，1 3 , 电机的设计中要设置高增 益放大，滤波处理等，图1 5 是心电信号的采集框图 图1 5 心电信号的采集框图 心电信号的提取一般是采用l o 个标准导联，按照1 2 道统一体表区安置原理 进行的，另一种经常使用的提取方法是f r a n k 导联系统。因为从人体上采集到的 信号十分微弱( 一般为几十微伏至几毫伏的数量级) ，因此需要前置放大，在这里 我们采用的是a d 6 2 0 放大器来实现的。由于在信号采集的时候会伴随着噪声和 干扰，因此在信号放大的同时，这些噪声也随之被放大，于是要经过一段滤波电 路，最后将处理过的信号进行a d 变换以后变成数字信号输入计算机进行进一 步的处理。 第l o 撕 东南火学硕士研究生学位论文 1 4 1 十二导联系统 正确采集心电信号，还要考虑多道导联的正确放置，依据医学上的规定，共 有1 2 道不同的心电信号l ”1 1 ”】。 一导联放置 心电信号的提取一般是采集1 0 个标准导联，按照1 2 道统一体表区安置原理 进行的。导联电极的质量和安放是否得当，是减少心电噪声，提高心电信号质量 的重要因素。这是因为电极与皮肤的接触电阻有时会很高，从而造成干扰很大， 甚至将信号淹没，因为人体的心电信号是毫伏级的弱电信号。 今年来普遍采用a g - - a g e l 电极，经导电膏与皮肤接触，接触电阻十分稳定。 电极安装的重要性还在于安装不当不仅会增加信号基线的飘移，而且还可能引起 p 波与q r s 波或t 波与q r s 波的比例关系发生变化。造成“伪迹”，使这些波 形难以准确测量。另外，安放电极时必须做好皮肤处理工作，因为皮肤表面和角 质层的阻抗很高，是造成“伪迹”的重要原因之一。一般在皮肤上用酒精去油脂 并用水或导电膏改善导电性能。 常用的导电分为以下三类： ( 一) 标准导联 这是最早使用的一种双极肢体导联，反映两个肢体间的电位差。连接方法如 图1 6 所示。 警二： 图16 双极肢体导联连接法 第j i 撕 东南大学硕士研究生学位论文 导联名称正极负极 i左上肢右上肢 玎左下肢右上肢 i i i左下肢左上肢 ( 二) 单极肢体导联 图1 7 单极肢体导联连接法 导联名称正极负极 a v r右上肢左上肢与左下肢 a v l左上肢右上肢与左下肢 a v f左下肢左上肢与右上肢 单极肢体导联连接法，是将左，右上肢和左下肢的三个电极各通过5 0 0 0 欧 姆的电阻连接到一点，成为中心电端，以t 表示，此点的电位接近与零，与心 电图机的负极相连。右上肢，左上肢及左下肢分别连接与心电图机正极，即得出 各单极肢体导联，以v r ( 右上肢单极肢体导联) ，v l ( 左上肢单极肢体导联) 第1 2 负 东南大学硕士研究生学位论文 与v f ( 左下肢单极肢体导联) 表示。由于所探测的各肢体的电位较低，不便观 察，后来又有人创用了加压单极肢体导联，即将中心电端与拟探查的一肢脱离， 所得的电位就能增加5 0 ，但波形不变，连接方法如图1 7 。 ( 三) 单极胸导联 胸导联的连接方法如图1 8 所示： 图1 8胸导联连接方法 单极胸导联的连接方法是将中心电端与心电图机的负极相连，放置在胸前一 定部位的探查电极与心电图机的正极相连。因探查电极与心脏的距离很近，所以 记录的电位也就比较高。探查电极的位置，通常有六点，从这六个探查点可采集 到六个胸导联的心电信号v l v 6 。 导联名称正极负极 v 1胸前位置v e l中心电端 v 2 胸前位置v c 2中心电端 v 3胸前位置v e 3中心电端 v 4胸前位置v e 4中心电端 v 5胸前位置v c 5中心电端 v 6胸前位置v c 6 中心电端 v c l胸骨右缘第四肋骨 第】3 贞 东南大学硕士研究生学位论文 v c 2 胸骨右缘第四肋骨 v c 3 v c 2 与v c 4 连接的中心 v c 4左测第五肋骨与锁骨想交处 v c 5 左腋前线与v e 4 水平想交处 v c 6 左腋中线与v c 4 水平想交处 综上所述，三个标准导联，六个单极性胸前导联和三个单极性加压导联是目 前临床广泛应用的1 2 个导联。分析标准，各导联信号之间并无实质差别，只是 从不同角度反映心脏的功能，各导联配合使用可以正确诊断心脏各种疾病。 1 4 2f r a n k 导联系统 针对1 2 导联中所存在的一些缺陷，如波幅偏低、图形多变、方位死角等， 1 9 4 6 年b u r g e r 及此后f r a n k 等做了大量的试验研究，提出了斜三角理论于导联 向量概念，设计了校正的导联系统，其中f r a n k 导联系统最具代表性。其生成的 心电向量图是在心电图的基础上，为了进一步显示心电活动的三维空间变化特而 发展起来的。通过应用综合心电向量投影概念，使许多心电图的图形改变，锝到 了合理的解释。由于心电向量图能显示心电活动的相位关系，从而弥补了心电图 诊断上的某些不足。心电图和心电向量图统一于共同的理论基础，同是从体表采 集心电信号中的主要的低频成分，只是导联体系和表达方式不同而已。 为了更好的反映心电活动的方位关系，以使心电图诊断与解剖学改变的联系 更为密切，近年来大多采用正交心电图导联体系，可减少导联数，即只需采用互 相垂直的x 、y 、z 三个导联分别显示左右、上下、前后三个轴向的心电图。目 前心电向量的导联体系虽然大多数采用f r a n k 正交心电图导联体系，但临床资料 在数量上还远远不如常规心电图那样丰富，有待累积更多的实际资料以提高其诊 断作用。在临床检测中，电极a 、c 、e 、i 和m 应放在于心脏电中心相应的水 平上。a 和1 分别放在左和右中线，e 放在胸骨处，m 放在脊柱位置，c 放置在 于胸腔成4 5 度角的位置，如图1 9 所示。电极h 常放在颈部，此位置不特剐标 准。 为了校正心脏胸腔那的不对称性( 心脏不在胸腔的正中，而系偏前、偏左) ， f r a n k 导联体系采用一套电阻网络，插入x 、y 、z 导联的输入端，以改变其增 益量，使心脏正似于胸腔的正中那样，成为校正导联体系。从图1 9 中可以看出， x 、y 、z 导联的各导联向量x 、y 、z 需要基本互相垂直，每个导联向量的长度 并不相同，y 导联向量最小。f r a n k 用分流电阻7 1 5 r 和1 3 3 r 来分别衰减x 和 z 导联。因此从导联的方向和大小考虑，该导联系统被校正。如果在测量系统中， 东南大学硕士研究生学位论文 这种不平衡在校正后不会令心向量失真的话，这个校正就十分重要。除了x 、y 、 z 三个导联所需6 个电极以外。只在左侧与正前的电极之间，增加了1 个校正电 极( c ) ，使x 轴于z 轴构成4 5 度。 e c 图1 9f r a n k 导联系统电极位置与电阻网络 空间心量向量环是一个立体图形，在平面纸上描绘立体图形是困难的，因此 通常采用空间心电向量环在三个不同的相互垂直的平面上的投影来观察，临床上 称为额面，横面和矢状面。下面以横面为例简单的描述心电向量图的基本图形； 2 7 0 。 右后，矗 字秘蝴 左后 t 掰 z g 。 巍 妒除。蛸 图1 1 0横向量图的基本图形 第1 5 页 东南大学硕士研究生学位论文 p 环亦称p 向量环，代表心房肌除极过程，其综合向量的方向( p 电轴) 指 向左下稍偏前。 q r s 环代表心室肌的除极过程，环体椭园形，呈逆钟向运行，总时间约o 0 8 s ， 三分之一位于x 轴之前，三分之二位于x 轴之后，其综合向量的方向( q r s 电 轴) 指向左后。根据其除极顺序的先后又分为：室间隔除极，又称初始向量或 o ，0 1 s 向量。心室除极首先开始于室间隔左侧中1 ，3 处自左向右除极，除极向量 指向右前( 约1 1 0 。左右) 。尖部除极。当心室除极到o 0 2 s 时，冲动扩展到心 尖部。此时左右，心尖部同时进行除极，其综合向量指向前下。左，心室除极在除 极开始后o 0 4 s 左右，室间隅和右室的绝大部分已除极完毕，只有左室侧壁和右 室后基底部除极仍在进行，所以又称0 0 4 s 向量或最大向量，其方向指向左后。 基底部除极当除极至0 0 6 s 时，只剩下左室后基底部和室间隔的一小块基底部 除极仍在进行，故又称终末向量，其方向指向右后( 相当于2 6 5 度左右) 。 t 环代表，心室肌的复极过程，其综合向量的方向指向左前与q r s 环电轴方 向基本一致，目前认为，心室复极过程与除极过程有所不同，它与传导系统无关， 而与心肌的代谢功能有密切关系。一般地说，温度高，压力小，供血好的部位， 其细胞复极就快些。 心电向量图应用很广，大多数采用f r a n k 系统，现在采用的f r a n kx 、y 、 中导联的正常值是在第四肋骨间隙获取的。近来趋向于将电极放在第五肋间隙， 形成这种趋向的部分原因是试图把心电图的1 2 导联和f r a n k 导联的记录结合起 来。 1 4 3 导联系统的简化 对于十二导联来说，我们还可以通过些公式来简化导联的数量，对于标准 导联来说，我们可以利用公式1 1 省略导联i i i ： i i i = i i i ( 1 1 ) 对于单极肢体导联，我们可以通过应用下面三个公式，进而从标准导联获得： a v r 2 - ( i + 1 0 2( 1 2 ) a v l 2 ( i i i i ) 2( 1 3 ) a v f = ( i i + i i i ) 2( 1 4 ) 通过这么一组公式，我们在十二导联测量时，可以省去4 组导联。同样对于f r a n k 导联系统来说，也具有简化公式，这里我们不再赘述。 东南大学硕士研究生学位论文 第二章数据压缩 2 1概述 为经济的传送和存储信息，常常需要对数据进行压缩处理。“压缩”，就是去 除、减少数据中某些多余的东西，而仍能恢复原来的信息。随着科技的进步以及 互联网技术的发展，对于心脏病患者来说，除了心脏有重大的病变，或者手术后 的2 个星期需要住院观察，其余情况下一般是将平时心电信号存储后，然后交医 生在医院诊断，这就需要将心电信号进行压缩，以减少存储空间增加信息量。 数据压缩的方法多种多样，早期的预测编码的方法，如调制( d m ) 及差 分脉冲调制( d p c m ) ，直接对相邻样值的幅度变化进行编码，原理简单，容易 实现，当然压缩比也比较低。游程编码( r l c ) ，利用码元之间的相关性( 如连 续的一串0 后又是一串1 ) ，通过记录各串的“长度”，来实现压缩。s h a n n o n - f a n o 码及h u f f m a n 码，则根据每个信号出现的频度，为其分配最经济的码长，从而达 到数据压缩的目的。时域或空间域上平坦分布的信号，经过正交变换后，其能量 会集中在低频分量上，故可略去高频部分，或只用很少的比特来为它们编码。这 种变换很多，如k a r h u n e n l o e v e 变换( k l t ，亦称最佳变换) 、f o u r i e r 变换( d f t 、 f f t ) 、离散余弦变换( d c t ) 以及斜变换( s t ) 等。较新的压缩技术有矢量量 化( v 0 ) 和神经网络( n n ) 。v q 不是对单个采样点进行编码，而是把若干个点 看成一个整体和矢量，于是，只需传输或存储样板矢量在码书的序号( 或下标) 即可。由于码书中样板矢量的数目相对于矢量各分量的取值状态要少得度，所以 能够实现压缩。利用神经网络进行压缩的基本思想是：构造一个输出跟踪输入的 多层网络，其具有为数较少的中间隐层节点；这样仅由数目远少于输入输出节 点的隐节点的权值信息，便可代表所有训练过的样本，以此达到数据的压缩。目 前，更新的压缩技术有基于分形几何( f r a c t a lg e o m e t r y ) 以及小波理论( w a v e l e t t h e o r y ) 等。 所有的数据压缩算法都是以减少冗余度，使得数据量大大的减少以利于存储 和传输为目的的，最重要的指标是压缩比。通俗的说：压缩比是指原始数据的比 特率和压缩以后的数据的比特率的比值，但是频宽数据的采样频率以及原始数 据的量化精确程度，都会对压缩比有很大的影响。f i 5 】 在追求高压缩比的同时，还需要注意的是要保证最小的失真度。对于医学信 号，观察压缩后重建的信号主要还是靠目测来实现。但是重建信号和原始信号之 间的残差是通过数据计算得到的，一般来说，残差为零，表示重建信号是原始信 第l7 负 东南大学硕士研究生学位论文 号复制品，也就是说经过了无损压缩。但是无损压缩所能达到的压缩比是有限的， 往往不能达到预定的目标，而且在临床中并不要求残差为零，也不能很大，只要 不影响诊断信息就可以7 - 2 3 1 。 2 2压缩数据的评价指标 e c g 数据压缩的评价指标大体可分为： 数字评价指标，包括相似性指标( c c 、p r d 、s r d 等) ；误差指标( 幅 值误差、峰值误差) ；压缩效率( c r 、平均码率) ；计算复杂性等。 视觉验证 一个性能良好的压缩算法，不仅要求有较高的压缩效率、理想的恢复精度。 更重要的是要保证在压缩过程中所携带的重要诊断信息不能丢失。对于压缩效率 和恢复精度，目前一般是通过比较压缩前后各采样点幅值变化的数字指标来描 述；然而e c g 中的诊断信息形式是千差万别的，很难借助于某种万全模型来作 出描述，因此各数字评价指标存在有局限性，所以在评价中不得不最终借助于心 电专家的直接诊断验证，即视觉验证。 在数字指标中，大部分属于压缩效率指标或者相似性指标，而误差指标在某 种意义上可认为是属相似性指标的。 2 2 1 相似性指标 相似性指标有以下几种表示方法： 1 3 j 1 相关系数( c r o s sc o r r e l a t i o n ，c c ) 一壶翌塑竺兰 仁， o u 盯v 一 其中u ( i ) 是原始信号第1 采样点幅值，v ( i ) 是压缩恢复后的第1 采样点的幅 值，石= 吉萎u ( i ) 是原始信号的均值，i = 吉萎v ( i ) 是恢复信号的均值， 午后缸沪秽是原始信号的标准差一= 后缸f ) - 矽是恢复信 号的标准差。c c 结果处于【一1 ，1 范围内，当其越接近于1 ，则表示压缩算 法越具有高的恢复精度。相关系数c c 是个无量纲数，没有具体的物理意义， 但能直观表示波形间的相似程度，较为常用。 第1 8 页 东南大学硕士研究生学位论文 2 均方根误差( r o o tm e a ns q u a r ee r r o r ，r m s e ) 在e c g 数据压缩中，对原始信号于恢复信号间的直流基偏常不予以考虑 故为简化起见可将均值u 、v 忽略；此外为了表示压缩前后信号间的