（生物医学工程专业论文）基于专家系统的若干心脏病分析诊断系统的初步研究.pdf

基1 二专家系统的若干心脏痛分折诊断系统的初步研究本系统利用网络数据库及部份原始病历来得到数据，结合国际标准的m i t b i h 数据库，来对本智能分析诊断软件进行了实验验证。实验结果表明，本系统提出的方法是可行的。本课题初步实现了心脏病自动分析和诊断的目标，构架起一个可发展的专家系统，实现了部份心电波形特征定义、心脏病智能诊断、诊断规则解释等功能。本系统以w i n d o w 2 0 0 0 操作系统为开发平台，运用面向对象程序设计方法，采用v c 6 编写，在其m f c 架构上开发。关键词：智能诊断心电图心脏病专家系统基于专家系统的若干心脏病分析诊断系统的初步研究t h ep r e l i m i n a r ys t u d yo fa n a l y z ea n dd i a g n o s i ss y s t e mo fc e r t a i nh e a r td i s e a s e sb a s e do ne x p e r ts y s t e mm a j o r ：b i o m e d i c a le n g i n e e r i n gp o s t g r a d u a t es t u d e n t ：c h e nh a i b i a os u p e r v i s o r ：p r o f n i eb a n g j ia b s t r a c th e a r td i s e a s ei so n eo ft h eh i g h e s td e a dr a t ed i s e a s e so fh u m a nb e i n g ，a n dt h ee c gi st h em a i nb a s i so fd i a g n o s e so fh e a r td i s e a s e i no r d e rt om o r ea c c a r a t e l ym o n i t o rt h ee c ga n de n h a n c et h ed i a g n o s i sa c c u r a c y , e l e c t r o c a r d i o g r a mm a c h i n e sh a v ed e v e l o pt oh a v i n gt h ea u t o m a t i cd i a g n o s i sf u n c t i o nf r o mr e c o r d i n gt h ee c g e x p e r ts y s t e mi sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o nd o m a i no fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，w h i c hh a sd e v e l o p e ds i n c e19 6 0 。sa n db e e na p p l i e dt om a n yd o m a i n s ，a n di sd e v e l o p i n gu n c e a s i n g l y f o re x a m p l e ，n e u r a ln e t w o r kc a nb ea p p l i e di ne st oe n h a n c ei t sa b i l i t yo fl e a r n i n g t h e r e f o r ee si sa tp r e s e n tt h et e c h n o l o g yt h a ta p p l i e st h em o s tw i d e l yo fa it e c h n o l o g y m e d i c i n a le so n c eb e c a m et h eh o ts p o to fb i o m e d i c a le n g i n e e r i n g a n dt h eh e a r te l e c t r i c i t ye sw a sah o ts p o to fm e s t h er e a l i z a t i o no ft h i sr e s e a r c hc a nh e l pd o c t o r se x t r i c a t ef r o mt e d i o u sw o r ko fg r a p ha n a l y s i s ，a n dw i l lh e l pi nt h ef u t u r et h ee l e c t r o c a r d i o g r a mm a c h i n ed e v e l o pt ot h ef a m i l yh e a l t h ye q u i p m e n t t h i sp a p e rf i r s tc o n c l u d e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h ea it e c h n o l o g yi ne c ga n a l y s i sa n dd i a g n o s i s a n dt h e n ，i ti n t r o d u c e st h es o m ec o m m o nt e c h n o l o g i e si ne c ga n a l y s i sa n dt h ep r i n c i p l e so fe s b e s i d e s ，i ti n t r o d u c e se m p h a t i c a l l yt h ed e s i g na n df l o wo ft h ee so na n a l y z e sa n dd i a g n o s i so fh e a r td i s e a s e sw h i c hi sd e s i g n e db yt h ea u t h o ro ft h i sp a p e r a l s oi ta l s od i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o n so fo b j e c t o r i e n t e d ，某二l 二专家系统的若干心脏痫分析诊断系统的初步训f 究d a t a b a s et e c h n o l o g yi ne s t h e ni td e s c r i b e st h ec o n s t r u c t i o no ft h ek n o w l e d g el i b r a r ya n dt h ei n f e r e n c ea l g o r i t h m ，w h i c ht h i ss y s t e mu s e si n d e t a i lt h el a s tp a r to ft h ep a p e ri st h eu s e rs u r f a c e so ft h es y s t e ma n dt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t s ，a sw e l la st os u m m a r ya n df o r e c a s to ft h er e s e a r c h s i n c em l o w l e d g ef l s e l fi si m p r e c i s ea n di n c o m p l e t e ，t h es y s t e mm a k e sf u z z yi n f e r e n c ew i t ht h et h e o r yo fc e r t a i n t yt h et h e o r yo fc e r t a i n t yi so n eo ft h em o d e lt h e o r i e so fs t o c h a s t i cu n c e r t a i n t y , a n dh a sb e e nw e l la p p l i e da n dc o n s u m m a t e di nt h ec o u r s eo fd e v e l o p i n gm y c i ns y s t e m w i t ht h e1 0 0 1o fq u a n t i f y i n gm a dt h ep r i n c i p l eo fc o m p a r i s o n ，f i l em e t h o dc a nc d u c cs e v e r a ld i a g n o s t i cr e s u l t st h a th a v eh i g h e rr e l i a b i l i t y t h es y s t e mu s e st h ed a t a 仟o mt h en e t w o r kd a t a b a s e s s o m eo ft h em e d i c a lr e c o r d s ，a n dt h em i t b i hd a t a b a s et oc a r r yo nt h ee x p e r i m e n t a lc o n f i r m a t i o nt ot h ei n t e l l i g e n ta n a l y s i sa n dd i a g n o s i ss y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h em e t h o do f t h es y s t e mi sf e a s i b l e t h er e s e a r c hh a sr e a l i z e dt h ei n t e l l i g e n ta n a l y s i sa n dt h ed i a g n o s i so fh e a r td i s e a s e s ，a n ds e tu pa ne s ，w h i c hc a nb ed e v e l o p e d ，a n dc o m p l e t e dd e f i n i t i o n so fs o m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh e a r te l e c t r i c i t yp r o f i l e ，i n t e l l i g e n c ed i a g n o s i so fs o m eh e a r td i s e a s e s ，e x p l a n a t i o n so fd i a g n o s i sr u l e s b a s e do nw i n d o w 2 0 0 0 ，u s i n gt h e0 0m e t h o d ，p r o g r a n l l n i n gw i t hv c 6 ，t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e do nv c 6 sm f cf r a m e w o r kk e yw o r d s ：i n t e l l i g e n t d i a g n o s i se c fh e a r td i s e a s ee x p e r ts y s t e mv第一章前言心脏病是威胁人类生命的主要疾病之一，而心电信号是诊断心脏病的主要依据。所以心电图( e c g ) 是临床上判断心脏疾病最基本的、不可缺少的方法。自1 9 0 3年心电图技术应用于临床，至今已百年。白年中，持续发展的心电图技术为人类的生命与健康，为牛物学、临床医学做出了巨人贡献，成为临床不可缺少的、最重要的常规检查技术。近年来，心脑血管疾病的发病率和死亡率逐年上升，对心脏做定期检查，及早发现隐患，已成为大多数人尤其是心脏病患者的需要。e c g作为检查心脏病常规和必要的手段，是医生诊断心刖：疾病的得力助手，对其准确判断对于病情的及早发现以致提高国民健康水平和生活素质有着重要意义。心电图在诊断心律变异、心肌缺血、心肌梗塞等方面有着重要作用。但病态心电图种类繁多、变异极大，同种病理的不同患者的心电图甚至同一患者本身的e c g 都存在着很大的差异，要对其作出准确判断，通常需要医师具有丰富的知识和积累大量临床经验。此外，若医师 圭期从事大量图形的识别工作，极易疲劳，而导致漏检、出错。另一方面，计算机和微电子技术的迅猛发展引起了一场新的技术革命，用计算机模拟思维及学习过程直接导致了一门新的学科的诞生一一人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 。目前，人二 智能的各项技术已经渗透到各个研究领域。为了借助计算机强大的运算能力，降低劳动强度提高劳动效率，实现高精度自动化控制，各种专家系统、计算机辅助殴计系统、机器人乃至最近发展起来的数据挖掘技术纷纷应运而生。专家系统( e x p e r ts y s t e m ，简称e s ) 是在某领域内模拟专家的思维活动，进行推理判断实现专门问题的自动化求解的计算机程序系统。医学专家系统是其中最典型的、最富有成果的分支之一。医学专家系统是医学： 程和人工智能研究的技术结晶，它运用专家系统的设计原理与方法，模拟医学专家诊断、治病治疗的思维过程，帮助医生解决复杂的医学问题。这种系统除了作为医生诊断、治疗以及预后评估的辅助工具外，还有助于医学资料的电子化、规范化的保存、整理和交流。所以，作为计算机以及计算数学和医学科学的交叉医学专家系统一度成为生物医学工程的研究热点。作为医学专家系统之一的心电专家系统也是其中第章前言的一个热点。这一研究的真正实现不仅可以使医师从繁琐的图形识别工作中解脱出来地足1 ：t 后心电图机发展为家庭健康监护设备的重要基础。1 1 心电自动诊断的主要内容及现状心电自动诊断研究涉及的内容和技术非常广泛，但从以往的研究文献看，基本可归为三个主要方面：一是预处理技术的研究；二是波形检测与参数提取技术的研究；三是诊断技术的研究。预处理技术主要是进行噪声干扰抑制的研究。由于心电信号比较微弱，仅为毫伏( m v ) 级，极易受环境的影响。体表电极检测到的e c g 信号所受二f 扰一般可分为七种，即工频干扰、基线漂移、电极接触噪声、电极极化噪声、肌电干扰、放大电路内部噪声和运动二f 扰。e c g 信号的预处理技术包括采用各种经典的数据滤波方法及各种现代信号处理方法。预处理技术部分已较为成熟，包括高频噪声抑制、工频干扰的抑制及基线漂移的抑制等，但于接触噪声等形成的类似病理心电的伪迹的纠正，对于人为移动引起剧烈抖动，尚不能有效的去除。但由于这类噪声相对较少，且诊断主要针对质量较好的信号进行，因而在以往的研究文献中未作为重点。波形检测识别和参数提取是心电自动分析系统的关键，其准确性和可靠性决定着渗断的效果。特征参数检测中，由于r 波相对明显，检测过程通常先检出r波位置，而后以r 波为参考，在一定时窝内进行搜索，实现其它特征点的检测。因而，r 波准确的检出通常是其他特征点准确检测的前提。除r 波检测外，特征点的检测还包括q r s 波起点、终点的定位，p 波、t 波及其起点、终点的定位，以及s t 段的识别等问题。波形识别技术中的r 波的检测技术已相对成熟，而对于低频小幅度信号的检测，如p 、t 波的检测及其边界点的识别，精度仍须进一步提高。这些问题的解决是心电自动诊断技术日后推向实用的基础。诊断技术是指在预处理、特征点检测基础之上进行病理结果的判断方法，是本课题作者的主要工作内容。由于许多基础问题尚未完善解决，这一研究多处于探索阶段。自动诊断的研究除需要用到前面的预处理技术和波形识别技术外，还涉及到模式识别、数理统计、人工智能等方面的内容，许多学者进行了大量相关探讨，但多局限于一种或几种病理信号的研究。对于心电波形的分类，有关研究第一章前言又基本可分为两种倾向，一种是期望根据心电波形的自然结构实现分类；另一种则是根据临床医师给出的标注结果，强制训练分类器，进而用于波形类别的判断。前一种方式多是通过聚类分析来完成。从以往的研究文献看，对e c g 诊断的研究方法的热点直在跟随新的研究方法的出现而不断转换，从早期的逻辑分支判断、经典数字信号处理，至后来专家系统、句法分析、分形、a n n 、小波变换等现代处理手段，以及各种分类、聚类方法的研究，都在不断的应用于这一领域。但j 艮多研究是针对某些少数病例进行，甚至是采用e c g 对于某些方法性能本身的测试，缺乏可实际应用的前景。因而，这一领域虽然涌现了大量的研究文献，但许多问题一直未能完善解决。1 2 专家系统概述专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 也称基于知识的系统( k n o w l e d g e - b a s e ds y s t e m ) ，是人工智能研究的一个最为重要的领域，也是最为成功的领域。专家系统产生于2 0 世纪6 0 年代中期，经过几r 年的研究和发展，从理论和技术上日趋成熟，在全世界、各个领域得到了广泛的应用，并已经取得了巨大的经济效益和社会效益。目前，专家系统主要应用领域有：医疗诊断、化学工程、语音识别、图像处理、金融决策、信号解释、地质勘探、商业决策、作物田间管理、农场管理、石油、军事等。专家系统已经成为世界各国竞相研究的焦点之一，日本、美国、英国等国家纷纷将其列为国家重点研究的项目，投入了大量的人力和资金，日本把专家系统作为第五代计算机研究的核心内容，英国己将专家系统智能数据库列入国家四大重点研究方向之一。我国对专家系统的研究起步比较晚，但经过二斗年的研究与应用，已经在理论研究和实践应用中取得了很大的进展，在农业的田问管理、动植物病虫害诊断、中医治疗、油井分析、地震预测、气象预报、军事指挥、作战模拟等方面丌发出专家系统，取得了明显的经济效益和社会效益1 1 。专家系统先驱者之一，s t a n f b r d 大学的e af e i g e n b a u m 教授把专家系统定义为“一种智能的计算机程序，它运用知识和推理来解决只有专家才能解决的复杂问题”口j 。也就是说，专家系统足一一种模拟专家决策能力的计算机系统，它利用存储在计算机内的某一特定领域内的大量的专业知识以解决只有专家( e x p e r t ) 才能解决的问题。虽然专家系统也是一种智能的汁算机程序，但不同于传统的程序，其根本区别在于专家系统使知识库和运用知识的推理机制相互独立。从程序设计方法学的角度来看，传统程序的设计方法可以写成p j ：数据+ 算法= 程序而专家系统的设计方法为：知识+ 推理：系统与传统程序相比，专家系统更专门、更特殊。传统程序通过算法对火量的数据进行积累和处理，使繁琐的事务处理自动化。而专家系统通常是要完成那些需要拥有专门知识的领域专家在几分钟或几小时内完成的量大而性质相对重要的任务，如诊断、规划、决策等等。专家系统通常要考察大量的可能性，或者说动态地建立解决问题的方法。专家系统的一一般结构如图所示，主要由以下几部分组成【4 j ：1 人机接口( m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) ：人机接口又称人机界面，即用户与专家系统进行交流的部分。通过人机接口，用户输入专家系统要求用户输入的数据和信息：系统通过人机界面显示结果和信息等。用户与系统进行交流的媒介可以是文字、声音、图像、图形、动面、音像等。友好的人机界面是一个成功专家系统的必要条件之一，因为它是用户同专家系统进行交流的最直接的部分，它的功能及外观直接关系到用户是否能很愉快的接受系统向他们传递的一切信息。图1 0 1 专家系统摹本结构2 知识库( k n o w l e d g eb a s e ) ：用于存放领域专家所提供的专门知识。这些专、 知识包括与领域相关的书本钉识、常识性知识以及专家在实践中所获得的经验第一章前言知识。专家系统的问题求解是运用专家提供的专门知识来模拟专家的思维方式进行的，r 大l 止e ，知识库中的知识的数量和质量就成为一个专家系统中系统| 生能和问题求解能力的关键因素，因而，知识库的建立是建造专家系统的中心任务。3 推理机( r e a s o n i n g m a c h i n e ) ：推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。推理机能够利用知识进行推理和导出结论，而不是简单的搜索现成的答案。4 知识获取：知识获取是专家系统知识库是否优越的关键，也是专家系统设计的“瓶颈”问题，通过知识获取，可以扩充和修改知识库中的内容，也可以实现自动学习功能。5 综合数据库( g l o b a ld a t a b a s e ) ：综合数据库义称全局数据库或总数据库，它用于存储领域或问题的初始数据和推理过程中得到的中问数据( 信息) ，即被处理对象的一些当前事实。随着专家系统技术的逐渐成熟，其应用己渗透到各个领域。到了8 0 年代，专家系统步入了商品化的时代。专家系统的应用日益广泛，处理问题的难度和复杂度不断增大，导致了专家系统技术研究的不断深入。1 3 课题概述随着人工智能的发展，专家系统不断应用于各领域，也有将其应用丁二心电自动诊断的尝试。临床上已积累了大量e c g 诊断经验，但这些经验通常以自然语言描述，如何通过计算机实现对应描述存在较大的问题，许多临床上简单的判断甚至可衍生出一个研究分支。如p 波起点终点l q 靠的检测，s t 段变化的判断，预激波的识别及各种异常波形的识别都未能妥善解决。这也是限制这一研究方向发展、促使许多学者试图采用纯数学手段解决这一问题的主要原困。目前，由于许多基础问题尚未完善解决，建立起真正实用的心电自动诊断专家系统仍较为困难。但就这一问题本身而言，所涉及的渗断知识极为繁多。采用纯数据分析手段，通常仅能获取一些简单的知识，在一定程度上弥补人类思维的漏洞。医师所积累的大量临床经验，通常是结合心且n 的解剖结构，根据心电图的表象，通过综合分析、比较、判断，建立起的高级知识，可以进行合理的解释。这些经验可以看作人类本身经过多年经验形成的特征提取，是单纯的数学分析方法难以达到的。当第一苹前言然， 打于人本身对心脏认识的限制和思维长度的限制，这种知识可能存在一定的冲突或漏洞。这些问题则可以通过知识库的分析得以解决，因而采用工程数据分析手段与专家知识结合的方式更具发展前景。基于上述分析，本课题采用了如下研究方案。系统构建借助了专家系统的基本思想，采用推理机和知识库作为诊断系统的基本构架，通过符号解释器实现原始数据到专家知识表示所用符号的映射，在推理过程中以特征码进行推理过程的记录，推理结束后，通过解释系统给出诊断结果的推理解释。系统开发以v c 作为开发的核心语言，完成了用户接口、知识录入接口、推理机、解释机构等的建立。对于知识的存储，系统对原始录入的知识进行了一定转换，使之便于采用关系数据库进行存储，利用数掘库引擎进行管理。第二章心电自动诊断技术第二章心电自动诊断技术生物医学信号处理的目的是能告诉人们与信号联系的类别信息，一个最简单的例子是从被测者获取的心电信号，需要 - ) d g l j 它是属于“正常”还是“异常”，若是“异常”，应指出属于那一类异常。目前在临床诊断上主要足靠医生及医学界长时间积累起来的经验( 形成各类具体病症的规律) 作出的。2 1 心电信号常用检测技术在现代医学临床诊疗工作中，心脏病的诊断与治疗直处于重要地位。而心电信号检测又是心血管检测中简便、安全、可靠和应用最广泛的技术。现在在心电信弓诊断领域中，主要应用以下方法进行检测口l ：1 希氏束电图：是一种记录心脏传导系统电生理活动的方法，它也是i 晦床研究心脏活动的重要工具之一，用来描记心内传导系统电位变换的曲线。在心电图的房波和室波之间有一个小波，叫希氏束，其电信号极其微弱，仅有l l o u v 左右，但是希氏束又是心电检测中的重要参数，它连接窦房结和心房心室，心脏的传导阻滞就发生在这里。它与心电图同步记录对照分析，不仪能正确反映心脏传导阻滞发生的部位及其程度，而且可以协助心律失常的诊断、研究( 如室上性心动过速与室性心动过速的鉴别、预激综合症发生的原理及其分型的研究等等) ，以及评定药物对传导系统的作用等，目前已被临床广泛应用 6 】。2 高频心电图：是在常规心电图基础上，应用高频响应范围所捕一记的心电图，也称高频宽带心电图或高保真，t b , 电图。它能显示出常规心电图不能显示的微小、快速变化的高频成分，反映心电活动时的细微改变。它是一项新的心肌检查技术，敏感性远较常规心电图高，而且检查方法简便、易行、安全、可靠，有一定的优越性，有助于对心脏病的早期诊断和病情观察。3 心向量图：心电向量图是空f j t l , 电向量环投影到，一个面k 自9 - - 维曲线，能够反映出空间心电向量环每瞬间的方向和振幅，以及环体的转向和扭曲。在诊断心肌梗死、室内传导阻滞、房室肥大等病症时，优于一e l , 电图的一维曲线。连续心第二章心电自动诊断技术电向量图综合心电向量图的二维曲线和心电图连续记录多个心动周期的功能，并在三维空间和- 维平面上测量计算心电向量，增加自动计算、分析和诊断的计算机功能，如向量环体的面积计算、室性过早搏动源点的定位、心律失常的向量分析等，给心电向量图的研究开辟新的领域。4 心电图：心电图检查是临床器械检查方法之一，对于心脏病的诊断具有重要意义。由于诊断呵靠、方法简单，对病人无损害，所以在临床上广泛应用。在心电图上，可以显示e c g 中的p 波、q r s 波和t 波波形，并可以观看它们的各种参数f 幅度、宽度等) 。将获得的心电波形参数与标准心电波形参数进行比较来达到分类的目的。在心电信号的自动诊断中，由于采用了不同的技术和检测方法，从不同的角度反映人体心电信号所包含的信息。所以它们各a 有不同的诊断标准和依据。例如：进行高频心电图检查时，检测在e c g 的q r s 波上出现的高频切迹和扭结，通过将检测到的高频切迹或扭结的个数和相应病症下的个数进行对比，来达到高频心电图自动分析与诊断的目的”；进行心向量图检查时，由于心脏病的p 环、q r s 环和t 环的振幅、方位角、环体的形状和组成环体图点的疏密等与正常人有一定差异，而且差异的参数值达到某一阀值时，就发映出了某种疾病，所以计算机通过对这些参数的计算和提取，并通过与异常特征参数来比较以实现自动诊断嘲；进行心电图检查时，通过检测心电波形中的p 波、q r s 波和t 波的幅值、问期和形态，由于l f 常心电信号与异常心电信号存在形态上的差异，从而导致心电波形在幅值和间期上发生变化，对这些变化量进行分析和判断来进行诊断。所以心电信号的自动分类方法就是通过数学工具对不同的心电信号参数进行处理，并通过比较识别出异常心电信号的类型。目前，心电自动珍断技术是国内外学者研究的一个热点，采用心电图检查方式进行自动诊断时，国外学者采用的诊断方法有神经网络、统计学习法、相关分析法等。n k u m a r a v e l 等作者采用基于梯度下降法的三层后向误差传播神经刚络，并对前壁心肌梗塞进行诊断，其准确率高达9 5 9 ；g s c h r e i e r 等作者对p 波形态、心率进行相关性分析，最后进行统计比较来判断是否病人倾向于突发性心房纤维性颤动，其准确率达到8 2 【m j ；h a n sd o m a n o v i t s 等作者对于急性胸痛事件采用逐步诊断方法进行诊断，第一步为前期数据群学习：g g 二步进行数据的# 统第二章心l b 自动诊断技术计比较，对发生变异的波7 | j ；参数进行分类，计算其平均数和标准偏差，进行测试，其准确率达到8 6 【l i j ：g u n n a rg u n n m s s o n 等作者对波形参数进行统计比较，确定其发生变异的预值，然后综合进行后验概率来对出现了左束支阻滞下的急性心肌梗塞进行诊断，其敏感度为1 7 1 ，但特异度高达9 4 | 8 1 02 2 心电信号自动分析与诊断系统心律失常自动判别的研究一直是一1 5 电自动诊断系统和心律失常监护仪等设备得以应用的基础，在这方面很多学者作了大量的： 作，但是它们在应用方面还不完善。随着心电自动自动分析与诊断系统不断改进和完善，它融合了传感器技术、信息处理技术、拙记技术和人：r 智能等最新的研究成果。国际计算机心电图十力、会( i n t e r n a t i o n a ls o c i e t yf 、o rc o m p u t e r i z e de l e t r o c a r d i o l o g yi s c e ) 每年召开的计算机心电图应用学术年会，展示当今研究领域的最高水平和最新成果。近年来，欧洲心脏病学大会、国际心电图和向量图学术大会也把心电自动分析与诊断列为大会交流的专题之一。1 9 6 1 年，p i p b e r g e r 与同事在f r a n k x ，yz 导联体系基础上，成功研制出心电波形自动识别程序，从而创立了计算机心电信号自动分析的基本模式。1 9 6 2 年，c a c e r e s 等相继丌发了常规1 2 导心电图分析程序。此后，随着现代电子科技的进步和数字式计算机的应用，心电图自动诊断技术得到了很大的发展。目前的心电监护仪不只限于心电图的图形显示和记录，还可以进行数据管理、波形回放和s t 段分析等。更先进的心电监护仪还可以进行心律穴常报警和简单的自动分析，如心率趋势图、频谱分析和远程通讯等功能。第二章心电自动诊断技术心电信号自动诊断系统主要由测量和分类程序二部分构成，图2 0 1 显示了一个典型的心电信号自动分析与珍断系统框图。i 信号源h 传感器h 放大h 限带滤波b一统；r 特征估计ll - 一采样量化l- j 消除趋势p -j 信号增强h 变换l 巫二卜l 萼习 蹦+ 亘厂r 【：l 矗壹4 亟幽2 0 i 心电自动分析与诊断系统框幽1 心电图测量程序的主要构成数据采集、一1 5 电信号预处理；检测和识别心电各波波形；参数测量及特征提取。心电信号测量程序的主要任务是准确识别各波段的分界点，并以此为基础，测量和计算出各种参数，并把这些参数传递给心电信号自动渗断程序。2 心电信号分析程序的主要构成节律异常分类f 心律失常分析) ：异常波形分类f 心肌梗塞、心室肥大、束支阻滞等1 ：系列心电图比较。心电信号诊断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进行逻辑) j 断，并对心电图作出解释。2 2 3 心电信号自动分析与诊断的方法学1 心电信号采集预处理目前，由于高性能放大集成块、高速模数转换器以及高分辨的热敏描记器等产品的出现，心电信号的采集、放大和描记技术己不存在问题。2 心电信号的预处理从人体表面采集到的心电信号，还包括一些与心电无关的电信号，从而干扰心电信号分析效果，所以! 西须采取相关措施。虽然目前的技术还不能完全滤除噪第二章心电自动诊断技术声，但可以尽量将噪声减4 , 5 e u 最低程度。选择优良的高性能低噪放大集成块，并采用滤波电路。但是一般情况下，硬件电路不能完全滤除干扰，还需要进行软件滤波。对数字化的心电信号进行数字滤波。数字滤波技术比较灵活，司以更方便的刈心电信号进行处理，最大限度地滤除基线漂移、工频干扰、肌电干扰等。目前常用的方法有低通滤波器、自适应陷波器、小波变换滤波器器等。使得心电信号易于观察和分析。3 心电波形检测心电自动诊断系统的一个重要的步骤就是首先准确地检测心电各个波形，因为心电信号波形的复杂性和噪卢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。目前的方法有硬件方法和软件方法，有的研究者将软、硬件结合起来，不仅提高了检测速度，同时也提高了检测正确率。硬件检测技术心电波形硬件检测器主要依据q r s 波与p 、t 波和噪声的频率特性的差异来进行检测。如自动灵敏度控制调整闽值和自动增益控制( a g c ) 以及带回滞的比较器等。软件检测技术软件检侧方法比较多，如移动窗 积分算法、神经网络算法、多分辨率分析方法等。4 心电信号的自动分析与诊断技术利用心电图自动诊断各种心脏病，本质上就是提j = 双心电波形的特征数据对心电信弓进行识别的过程。根据心脏病专家的诊断标准，能够反映心电信号类别的特征项主要包括心房率、p p 间期、心率、r r 问期等。此外，还可以在这些主要特征参数的基础上，进行组合或衍生一些新的变量作为特征项。例如，判定异位心律和心脏传导阻滞的部位，需要比较p p 问期和r r 间期、找出房律与室律的关系、还要注意有无提前，延后或不整齐的p 波和q r s 波群。因此，可以增加一些特征参数项，用来描述p 波和q r s 波群的关系。2 。3 小结随着医疗器械小型化、网络化发展，心电图自动分析与渗断领域，现在首要笙三兰! 生皇! 垫堡堕垫查的、主要的问题就是对心电信号进行自动识别和诊断，以便可以给予医生或者患者提示和参考。由于心电信号的不稳定t p _ - t ，即使同一个波形也会随着被测对象的不同而略有不同，所以现在还没有那种方法可以统一处理。在此，一方面，尽量多的采用更多的原始数据，作为特征值，通过时域或频域分析晌方面，找出不同类别波形数据之间的差异；另方面，随着计算机技术的提高，我们可以采用更复杂的方法，比如更高阶的神经网络，对更多的数据进行复杂的处理。选择敏感性、特异性均较好j 土较易识别测量的心电类型，并结合病人临床症状，出简单到复杂，逐层分类诊断是自动诊断的趋势。随着微电了技术的发展，可以采用一些更复杂的算法来提高分析的正确率。随着微处理器性能的提高和计算机并行技术的发展，以后的心电监护系统必然是不断提高性能，并增加新的功能，尤其是心电自动渗断功能。为了提高自动分析诊断的正确率，心电自动分析与诊断技术必然朝着算法越来越复杂的方向发展。高采样率，多参数综合分析，结合病人症状及医生经验，并建立专家数据库是医疗监护系统有目共睹的发展方向。第三章系统分析与设计第三章系统分析与设计奉文作者所研究和构建的系统分为数据库及用户接口两大部分。3 1 数据库设计数据库包括知识库及综合数据库两部分，其中综合数据库又可以分为用户数据库和数据字典。知识库设计在第四章再详细讲述。用户数据库的建立主要是为了方便心电自动诊断的研究，与普通的商用管理信息系统不同，忽略了不必要的信息及功能，仅保留了与诊断相关的信息。数据库的e r 模型如图3 0 1 所示。i 型30 1 用户数据库e r 模型数据字典e r 模型如图3 0 2 所示。其中条目类型是数据字典条目信息所属的图3 0 2 数据字典e r 模型第三章系统分析与设训类型，包括条目类型描述、病症、疾病、规则元件等。系统中，刘于数掘的存储与管理是直接利用数据库引擎来完成的。v c 中封装了用于访问o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o l m e c t i v i t y ) $ hd a o ( d a t aa c c e s so b j e c t s ) f l q类。o d b c 是m i c r o s o f t 的连接应用标准，它是一种标准的应用程序接v 1 ( a p i )函数库。通过o d b c ，应用程序可以存取带有o d b c 驱动程序的o d b c 数据源，这一过程通过使用一组d l l 实现。d a o 类在很大程度上是o d b c 类的超集，包含了o d b c 大部分的功能并增加了自己的很多功能。但d a o 类使用了m i c r o s o f tj e td a t a b a s ee n g i n e ，通过o l e 实现，适合处理m d b 数据库，该数据库可由m i c r o s o f l a c c e s s 创建。这里采用o d b c 类来实现与数据库问的接口，数据库的基本结构则采用m i c r o s o f ts q ls e r v e r 建立。对于图3 0 1 中e r 模型的信息，除心电数据外均保存到数据库中，对于心电数据，由于数据量较大，若直接字段进行保存，将造成数据库庞大，访问速度变慢，不便于数据的管理。因而，对于每一患者的心电数据，采用单独的数据文件保存，相应的数据文什名保存到数据库中，应用程序根据指定文件名进行相应的访问。该方式既减小了数据库本身的结构，也可以使其他程序可以赢接根据文件名访问对应数据，方便了科研工作的进行。3 2 面向对象的分析与设计面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ，o o ) 在上世纪6 0 年代后期首次提出，经过近2 0 年才逐渐得到广泛应用。到了9 0 年代前半期，o o 的软件工程方法已经成为人们在开发软件时首选的节水型到t , - n ，0 0 似乎成为最好的软件开发技术。1 4 8 jo o 的要点可以用下列方程来概括：o o = o b j e c t s + c l a s s e s + i n h e r i t a n c e + c o m m u n i c a t i o nw i t hm e s s a g e so b j e c t s 指对象，o o 软件系统是由对象组成的，软件中的任何元素都是对象，复杂的软件刘象由比较简单的对象组合而成，以此取代传统方法的功能分解。c l a s s e s j 指类，o o 把对象划分成各种对象类，对象类包括数据( 属性) 和方法。各个对象都有各自专用的一组数据( 有些数据可能会由所有对象共享) ，但方法只有一份代码，由所有对象共享。第三章系统分析与设汁 n h e r i t a n c e 指继承，是指一个类( 派生类，子类) 继承另一个类( 基类，父类1的特性( 包括数据和方法) 的现象，通常子类会有一些父类所没有的特性或f 且) 从剥部份特性作出新的定义。c o m m u n i c a t i o nw i t hm e s s a g e s 指以传递消息互相联系，这是对象间通讯的唯一手段，对象与传统的数据的一个本质区别就是它是进行处理的主体，而1 ；是被动地等待外界对它施加操作。方法是通过发消息请求它执行某个操作，而不能从外界直接对它的私有数据进行操作，从而实现了数据的封装。3 2 1 面向对象分析面向对象分析( o b j e c t o r i e n t e da n a l y s i s ，o o a ) 球j 关键，是识别出问题域内的对象，并分析它们相互间的关系，最终建立起问题域的简洁、精确、可理解的正确模型。面向对象毋基本的原则，是按照人们习惯的思维方式，用面向对象观点建立问题域的模型，开发出尽可能自然地表现求解方法的软件。通常需要建立三种形式的模型，它们分别是描述系统数据结构的对象模型，描述系统控制结构的动态模型和摘述系统功能的功能模型。这三种模型从数据、控制、操作三个不同但义密切相关的角度模拟目标系统，它们各自从不同侧而反映了系统的实质一n ! - b 3 容，综合起来则全面地反映了对日标系统的需求。总之，一个典型的面向对象软件系统组合了上述三方面内容：它使用数据结构( 对象模型) ，执行操作( 动态模型) ，并且完成数据值的变化( 功能模型) 。在不同的应用问题中，这三种模型的相对重要程度会有所不同，但在任何情况下，对象模型始终都是最重要、最基本、最核心的。本谋题所开发的系统是一个心电诊断专家系统，主要是以心电波形特征为主要诊断依据来实现剥部份心脏疾病的自动诊断。第三章系统分析与设汁系统的对象模型如图3 0 3 所示，在对象图中省略了属性。如图所示，系统对象分为两个部分：患者及知识库。忠者基本上与数据库相对应，患者刘象包括有拥有1 +区i 曰| | 叵i 刘3 0 3 系统的对象模型心电图数组、病史数组、病症数组等数据，而知识库包含有一个规则数组数据。另外，每个数据库表都有一个继承白c d a t a r e c o r d s e t 的表单类及一个继承自c l i s t 的数据项类。因为系统主要是存储静态数据的数据库，所以动态模型作用不大，故省略。系统的基本功能模型如图3 0 4 和3 0 5 所示。四t 圃园下园篓三至虽望坌塑! 堡生图30 4 基本系统模型图3 0 5 系统的功能级数据流图冈为多数系统的数据字典都是雷同的，所以以上的分析省略了数据字典的分析。7第三章系统分析与设计3 2 2 面向对象设计面向对象设计( o b j e c to r i e n t , e dd e s i g n ，0 0 0 ) 的准则就是权衡各种因素，使得系统在其整个生命周期中的总开销最小。对大多数软件系统而言，6 0 以上的软件费用都用于软件维护，因此，优秀软件设计的一个主要特点就是易于维护。为此，应使设计具有以f 特点为：1 、模块化这是面向对象软件开发模式的天然特点：对象就是模块。它是把数据结构和操作这些数据的方法紧密地结合在一起所构成的模块。2 、抽象包括过程抽象、数据抽象及参数化抽象。其中数据抽象及参数化抽象只有面向对象程序设计语言才支持。类就是种抽象数据类型，它的对外公共接口构成了类的规格说明，使用者通过这些接n x , l 其进行操作，而无需知道这些操作的具体实现。通常把这类抽象称为规格说明抽象。参数抽象化是指当描述类的规格说明时并不具体指定所要操作的数据类型，而是数据类型作为参数，从而使类的抽象程度更高，应用范围更广，可重用性更高。如c + + 语言提供的“模板”机制就是种参数化抽象机制。3 、信息隐藏面向对象方法通过类结构分离接口与实现，从而实现信息隐藏。4 、弱耦合耦合指一个软件结构内不同模块之间互连的紧密程度。在面向对象方法中，耦合主要指对象之间相互关联的紧密程度。弱耦合有助于使得系统中某一部分的变化对其他部分的影响降到最低程度。在理想情况下，对某一部分的理解、测试或修改，都无须涉及系统的其他部分。5 、强内聚内聚指一个模块内各个元素彼此结合的紧密程度，即设计中使用的一个构件内的各个元素，对完成一个定义明确的目的所做出的贡献程度。6 、可重用软件重用是提高软件丌发生产率和目标系统质量的重要途径。包括两方面的含义：一是尽是使用已有的类，二是如果确实需要创建，则在设计这些新类的协第三章系统分析与设计议时，应该考虑将来的可重复使用性。系统的主要组成部分称为子系统，通常根据所提供的功能将系统划分成糟干子系统。各个子系统间应该具有尽可能简单、明确的接n ，尽量减少予系统彼此间的依赖性。面向对象设计模型与面向对象分析模型