心电分析软件的设计与实现

1、哈尔滨工程大学 硕士学位论文心电分析软件的设计与实现 姓名：栾宽 申请学位级别：硕士 专业：生物医学工程 指导教师：陈秀义 20070301 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘 要 人体的心电信号从一定程度上客观反映了心脏各部位的生理状况，在临床诊断和生理研究中具有重要价值。随着心电信号的采集与处理不断向着自动化、智能化的方向发展，心电分析软件能够给医生提供清晰的心电图形，提高分析和诊断的精确性。 本文在总结前人工作的基础上，对心电信号的计算机自动分析做了深入研究，提出了一种心电信号计算机自动分析软件的实现方法。 本设计的主要包括： 对国内外近年内发展起来的心电检测的各种方法进行了总结，并综合考虑

2、实际应用性等问题。采用几种广泛应用的方法对心电图各种波形进行检测。根据检测到心电信号的各个特征点，给出分析结论。 由于目前软件开发具有周期短、模块化等特点，本文采用程序语言，针对功能模块进行了快速开发，并设计了基于结构的心电浏览控件。 随着医疗仪器的网络化发展，对心电信号及分析结论给出了数据库存储设计，并提供与其他医疗信息系统的接口。 软件对心电采集装置采集到的心电数据和目前国内广泛采用的心电数据库的心电数据进行了分析验证，获得了较好的效果。关键词：心电信号；自动分析；数据库； 堕釜鎏王堡盔兰蟹圭价殷侠? ， ， 口 ， 印碰旧 ， ，妯也 ： ， ， 糟 ， 托 【 ， ， ， ：； ； 哈

3、尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者（签字）：迎 日期：口年，；月 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第章绪论 随着社会韵进步和科学技术的不断发展，入们对生活质量的要求也越来越高，健康状况已成为社会关注的焦点。心脏疾病是造成人类死亡的三大疾病（心脏病，脑血管病和癌症）之一。长

4、期以来，对心脏病的研究一直是医学界的一个主要课题。目前出现了很多无创伤性早期诊断手段，在众多心脏功能评估方法中心电图是应用最成熟、最普及的检查方法。心电图是各种心血管疾病检查中必不可少的数据信息。在近几年，由于计算机在医学仪器中应用同益广泛使得临床心电图的计算机自动分析和诊断更加实用化，井且取得了很好的应用效果。其中对心电图波形的分析和处理是非常重要的一环，采用算法优劣直接影响着分析的效率和准确性。心电的产生和心电图 心脏是人体中血液循环的动力源泉，依靠心脏的有节律的搏动，使得血液不断在体内循环，以维持正常的生命活动。心脏在搏动之前，心肌首先发生兴奋，在兴奋过程中产生微弱的电流，该电流经人体组

5、织向各部分传导，由于身体各部分的组织不同，各部分与心脏间的距离不同，因此在人体体表各部位，表现出不同的电位变化，这些电位变化可通过导线送至一种特殊的记录装置一一心电图机记录下来，形成动态曲线，这就是心电图 （，），也称体表心电图 ，心电图的产生和心脏传导系统有关，。如图，心脏传导系统主要由窦房结、结间束、房室结、房室束、左右房室束支以及纤维构成。 正常心脏的激动来源于窦房结发出的激动。窦房结有节律的定时发出激动，沿房间、结间传导束分别传入两侧心房及房室结。窦房结位于右心房上部，激动首先传入右心房，稍后传入左心房。相继引起右心房和左心房的除极作用而产生波。激动自心房下传自房室结后，传导速度骤然减

6、慢。当激动缓慢通过房室结后，便以较高的速度穿过房室束，束支及纤维到达心室，几乎同时传入左右心室的心内膜，随后从内膜传至外膜。心室除极过程中产生的除极向量环在各个导联上的投影便形成了各导联中的波 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图心脏传导系统模式图群。心电图反映心脏电激动的综合过程，它产生的基础是一个个心肌细胞的动作电位。静息状态下，细胞膜内外的离子浓度差别很大，形成“跨膜电位”；当心肌细胞收到刺激时，在浓度梯度，电场梯度以及细胞膜上钾、钠、钙通道蛋白质的选择通透性及主动转运机剑的作用下，逶过控制各离子在膜内外的转移，造成细胞膜内外的电荷分布变化，完成除极、复极的过程，形成细胞动作电位。心肌细胞的除

7、极、复极可以看作是一个等效电偶，刺激传播则可以认为是等效电偶的移动。对各个电偶的电矩进行矢量合成，可以得出瞬时综合心电向量“。在各周期中，瞬时心电向量作周期变化，其变化轨迹称为心电向量环。临床诊断中广泛应用体表心电图所反映的就是立体心电向量环二次投影的结果。第一次投影将立体向量环投影在额面及横面上，形成平面向量环。第二次投影将平恧向量环按不同角度投影在移动的心电图纸上（咖），便形成了心电图图形。临床应用的心电图是通过在体表特定部位 哈尔滨工程大学硕士学位论文设置电极并使用一定的连接方式构成心电导联，由心电图机记录各导联心电信号的变化情况，供医生对病人的心功能进行评价。心电信号的特点 典型的心电

8、图由重复出现的各波、段和间期组成。按发生的先后顺序依次是波、波群、波和波等”，。每次心动周期均产生一组心电波形，如图。 图 信号波形特征 （）波：为左右心房的除极波。起点表示右心房开始除极，终点代表两 个心房除极完毕。波的前半部代表右心房除极，后半部代表左心房 除极。波在及导联中表现得最明显，正常可达 。 （）（或）波：代表心房复极。位于段（波结束至卯波开始）， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 并延伸至波群中。通常，（）波不易观察到。房室传导阻滞或 心房梗塞时，（）可变得明显。 （）问期：指波起点到波群的起点之间的间期，代表从心房肌 开始除极到心室肌开始除极的时间。 （）段：是波后的一段平线，代表

9、激动在房室交界区、房室束及部 分束支内传导。其中含有心房复极波（波）的成分，因电力微弱而 反映不明显，故心电图呈一平线。成人一般为，平均 为。 （）波群：是反映左、右心室（包括室间隔肌）除极的电位变化。 波群是广义的代表心室肌的除极波，并不一定每个波群都有、 ，三个波。成人一般为，不超过。不同体位 记录的复波振幅可有明显差别，双导联中振幅的算术和不应 小于。 （）点；波群完毕与段开始时的一点，代表心室肌除极完毕。 （）段：是波群的终点到波开始前的一段平线。代表左、右心 室全部除极完毕到复极开始以前的一段时间。段可有抬高，不应 超过，少数患者可达到。下降时应小于， 段的长度随心率增快而缩短，又随

10、心率减慢而延长，一般在 之间。 （）波：是继段后一个较低而宽的波，代表心室复极过程所引起的 电位变化。 （）问翔：自波群开始到波终结的间期，代表心室肌除极和复 极的全部过程。 （）波：是波后的一个矮小波。有人认为它代表心肌激动的激后电 位，也有人认为它表示纤维的动作电位。 人体的心电信号本身就十分微弱加上通常采用的无创体表采集方法，所以使信噪比相当低。一般正常心电信号在频率范围内，而的心电信号频谱能量集中在之间。在采集心电信号时，由于受仪器、人体等方面的影响，所采集的信号常常存在三种主要干扰：基线漂移， 哈尔滨工程大学硕士学位论文此由电极移动，人体呼吸等低频干扰所引起。频率小于。肌电干扰，是由

11、于人体活动、肌肉紧绷等原因所引起的干扰。这种干扰的频率范围较广。工频干扰，它是由公共电网以及各种用电设备产生的固定频率的干扰，频率为。在一些特殊情况下，该频率也会发生一定漂移。 从心电信号的波形上看，它是比较接近于一个周期重复的确定信号，但实际上它又有很大的不确定性，心电信号波形总是不断地进行细微变化。它们不仅会随着人体各种生理因素的变化而变化。而且，细胞相应不同的激励电位虽然具有明显的变化规律，但每次又具有微小的随机差异。 综上所述，我们实际所采集的心电信号是有用信号极其微弱；噪声比较强大且品种多。有用信号性质基本是只有确定规律，但同时又带有随机变化的生物医学电信号。心电分析概述 心电分析技

12、术的发展 心电图的计算机分析方面的研究始于世纪年代末。年美国等首次将模拟电子计算机和特殊的模数转换系统应用于心电图研究，由于当时技术条件的限制，尚未进入临床阶段，但这是计算机最早涉及的生物医学领域。最初，开展这项研究的动机主要是调查计算机是否能模拟医生对心电图进行测量和诊断，并借此改进当时较落后的心电图记录技术。年，开发出简单的心电图分析程序，用模拟电路识别出每个心动周期波形，但不能自动识别、和波的分界点。年，与同事在、导联体系基础上，成功研制出心电图各波自动识别程序，从而创立了计算机心电图分析的基本模式，。年，等相继开发了常规导心电图分析程序。早期的微处理器分析技术在一定程度上决定了自动分析

13、系统最初只具备比较简单的监护报警的功能。七十年代以后，自动分析系统进入实用化和商业化阶段。八十年代的计算机技术快速发展，使得心电自动分析系统的功能日趋丰富，出现了以医生读图这一逻辑分析过程为依据的辅助诊断功能。此后，随着现代电子科技的进步和数字式计算机的应用，心电图自动分析技术获得飞跃发展。心电图仪从长期使用的单 哈尔滨工程大学硕十学位论文通道顺序描记方式发展到目前导同步记录方式。心电图仪已不仅只限于心电图的图形记录，并且可以进行自动测量和自动分析诊断。现代先进的计算机心电图分析系统还具有数据管理、检索和远程通讯等功能。导同步心电图以及相应的临床资料可储存在数据库，医生可在诊所或家里观察分析病

14、人的心电图，并可通过网络系统在国家范围内或各国之问进行心电图信息传输和交流。心电图计算机分析系统的基本构成 心电图的计算机分析系统主要由测量和诊断分类程序二部分构成。 心电图测量程序的主要构成 （）数据采集，心电信号预处理； （）检测波和坡： （）识别、波分界点； （）参数测量及特征提取。 心电图测量程序的主要任务是准确识别各波（段）的分界点（、起点和终点），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图诊断分类程序。 心电图诊断分类程序的主要构成 （）节律异常分类（心律失常分析）： （）异常波形分类（心肌梗塞、心脏肥大、心肌缺血、预激、束支阻滞 等）： （）编码分类（明尼苏达编码

15、等）； （）系列心电图比较。 心电图诊断分类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和条件进行逻辑判断，并对心电图作出解释。心电图自动分析的内容和重点 目前，关于自动分析研究可归纳为如下四个主要领域“。 （）静态：用于检测病人在安静状态下的心脏功能，一般检测时间为 数分钟，采用导联体系，适用于医院的病房检测，应用最为广泛。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 （）心律失常监护：它能够实时地检测并显示心率变化情况，常用于冠心 病病房（）、外科手术室、急救中心等对心率失常的监护。 （）运动：它是在病人完成一系列规定运动中同步记录其，以诊 断其冠状动脉疾病。 （）动态：它是年由电子工程

16、师 发明，故又 称。其基本结构是：一个重量较轻的记录盒由病人携带， 并连续长达小时或小时以上记录其；而后将记录的输 入一个由计算机组成的分析系统，进行快速人工计算机辅助分 析，从而对心脏长时间工作情况加以研究。 自动分析的内容主要包括：信号的预处理、数字滤波、特征提取与分类、数据压缩等。并且，随着计算机技术的不断提高，自动分析的内容也在不断的增加，如近年来心率变异以及铲间期的研究就成为普遍关注的热点。在这些内容中，特征提取、波形检测和分类、数据压缩是当今国内外研究的核心。 自动分析方法依据信号记录方式的不同可以分为两种类型：一种是用多个（个以上）导联记录体表的心电信号，以获得某段时间内心脏电活

17、动较全面的信息，其目的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。多导联心电记录方式由于信号量很大且对病人约束较大，不能进行长时间记录，因而在诊断心律失常方面，通常不能获得充分的结果。另一种方式是使用一个或两个导联连续记录分析很长时间的心电信号，时间长达数小时甚至数天，其目的侧重于了解心脏电活动在较长时间里的节律以及各心拍是否正常，以及心律失常发生的时刻、类型、形态和频度等情况这种方式因记录导联少，对于诊断心脏病变不是很充分，但其记录操作方便，对病人约束较少，因而可以记录很长时间的数据，可以了解病人在经历多种生理、心理和病理状况时的心脏电活动的情况，尤其对早期心血管疾

18、病的诊断有着十分重要的意义。 大多数的分析技术都是针对第二种方式尤其是单导联形式提出的。丽多导联分析也可以通过把每个导联的如权形成一个综合信号，而后采用单导联的分析技术，因而单导联信号分析是信号分析和诊断 哈尔滨程大学硕士学位论文的基础。国内外在计算机分析心电信号方面的发展历史与现状 心电分析中首要的关键问题是波的检测。关于波检测的方法，己有不少研究成果，但是各种方法均有不足之处，因为各种类型噪声（如肌电干扰、基线漂移、工频干扰等）的影响以及心电信号自身波形的复杂性和人生理上的变异性，都使波的精确检测有很大的困难盯，。软、硬件检测方法的比较 采用硬件实现波检测具有处理速度快、结构相对简单的优点

19、，但是方法上不如软件实现灵活，对于复杂的情鲇赌芰冉喜睿欢宜淼牟问冉仙伲话憬黾觳猓眩遥硬奈恢茫苣烟崛。眩遥硬矶群兔婊炔瘟俊眩遥蟛布觳庵饕且谰荩希遥硬耄小圆ê驮肷钠德侍匦缘牟钜炖词迪值摹湫偷模希遥硬觳庥陕瞬缏贰洗淼缏泛团斜鸬缏返炔糠肿槌伞?采用软件实现波检测可以灵活选择调节各类参数，对复杂情况进行判断处理，能够方便地增加检测的参数，虽然它的速度与硬件相比较慢而且软件结构相对复杂，但用软件方法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等，显示出许多优越性，这也正是用软件方法提取的处理过程。 通过比较软硬件方法，我们发现软件方法应用范围比较广泛，同时，为了加快运行速度可以适当的增加

20、硬件，软硬件结合对于波检测广泛应用于临床更加有意义。滤波 无论是用软件方法还是用硬件方法检测波，都涉及到滤波问题。滤波的作用是提高信号（波）对噪声（、波、肌电干扰和基线漂移等）的比率，这样更有助于下一步的提取工作。 人们在数字滤波软件方面作了许多工作：七十年代后期就有人设计了具有线性相位的低通、高通和带通等不同形式的波滤波器，并且可用整形数实现。硬件滤波一般采用带通滤波器，等人在研究中提出了一种最 哈尔滨工程大学硕士学位论文优的滤波器理论，并且给出种中心频率为、值为的带通滤波器。杨纪成认为利用微机做成带通滤波器虽然可行，但速度、成本及难度都比模拟电路差，因此他用硬件电子电路做作成带通滤波器。该

21、滤波器滤去了基线漂移也抑制了肌电干扰，但信号通过后，波成为心电信号的主要成分，形态改变，、点也消失了。 软件滤波方法很多，但都是基于数字滤波器。等人在硬件滤波基础上又设计了巴特沃斯型带通滤波器，分析心电信号的频谱特性分布；后来他又提出一种自适应线性滤波器，可以进一步提高信噪比 。年等人采用的基于神经网络的非线性自适应滤波器可以较好地免除基线漂移和伪迹的影响，但是这种算法的运算量较大，对于心电信号分析的临床应用存在很大的局限性”。等提出基于子波分析的滤波技术可以较好地抑制嗓声进行波探测，但运算量还是较大”。此外，自适应滤波方法都能很好地抑制工频干扰，因为自适应滤波器的中心频率能够跟随工频信号的频率幅度变化而自动调节并抵消工频干扰，且可获得较高的值”。近年来，将小波变换用于的滤波不仅能够很好地去除基线漂移，而且能够在很大程度上滤掉肌电干扰以及尖脉冲，这种滤波方法有很大的发展前途”。软件为主的方法实现波检测 滤波以后的信号往往经过某种变换以提高信号的分量，然后采用一系列阈值进行判别，这是检测技术中的关键，也是各类检测技术的不同点。 对所进行的变换运用得最广泛的是对其求一阶差分，这其中有的两点差分，为把转成易于判测的单向差分，在一阶差分上再平方以检