第三部分生物医学信号数字处理技术的应用

第三部分生物医学信号数字处理技术的应用（ApplicationsofBiomedicalDigitalSignalProcessingTechniques）第十二章心血管系统电信号处理(ProcessingElectro-signalfromCardiaovascularSystem)心血管系统电信号简称心电信号（ECS:electrocardiosignal）。ECS处理的目的是根据心电信号的特征推断心血管系统的状态（正常或异常），并据之作出医学决策：药物治疗，还是外科治疗，还是介入治疗（如射频消融、起搏、除颤等）。从1901年荷兰莱顿大学的Einthoven用弦线式电流计（stringgalvanometer）记录心电信号，并将正常心电波的主要波形命名为P、Q、R、S、T算起，对心电信号的记录和处理的历史已跨过了100年。在生物医学信号处理中，对心电信号中所含信息的挖掘是最为深入的，并使用了种类繁多的信号处理技术。最近出版的专著《临床心电信息学》对所涉及的技术范围，从临床的角度，进行了比较全面的收集。现在心血管疾病是发病和死亡率最高，对人类生命威胁最大的疾病，因此在临床工作中，县级以上的医院都普遍利用心电信号中所含的信息，普遍使用记录心电信号的心电图机。对心电信号的显示和记录技术也是多种多样的。目前对于普通系统（以常规诊断为目的的短时记录），临床上最常用的是纸记录。模拟心电记录设备（一般称为心电图机）用的是模拟方式进行纸记录。数字心电图机可以数字打印输出，也可经过数模转换技术用模拟方式进行纸记录。对于动态心电系统（常称为Holter系统），先用特制慢速磁带（早期）或半导体（近期）记录系统，然后（一天）读入计算机进行分析。对于监护设备一般用电子显示（波形和数字）＋报警技术。对心电信号的获取技术分为无创（体表）技术、微创技术（经由心导管记录心内心电信号）、有创技术（心脏手术时体内记录）。记录在纸上的心电信号称为“心电图”，因此临床上有“时域心电图”，“频域心电图”，“高频心电图”，“平静心电图”，“运动心电图”（如活动平板心电图），“普通心电图”，“向量心电图”，“立体心电图”等术语。对记录在纸上的各种各样的心电信息而论，这是比较准确的。在大量文献中，常把用计算机技术对心电信号的处理称为心电图(electrocardiogram)处理，本书则称为对心电信号（ECS:electrocardiosignal）的处理，如心电信号的傅立叶变换（theFouriertransformationofECS），因为这里处理的是数字化的心电信号，而不是处理描在记录纸上的“图”。本章将分别介绍常规心电信号数字处理、心电监测（electrocardiosignalmonitoring）、高频心电信号处理(highfrequencyeletrocardiosignalprocessiing)、运动心电信号处理(exerciseeletrocardiosignalprocessiing)、心房和心室晚电位（atrialandventricularlatepotential）检测、房颤波分析(atrialfibrillationwaveanalysis)和多点电位标测(multipleelectrocardiacpotentialmapping)等技术。第一节常规心电信号数字处理（RoutineDigitalProcessingforECS）一、概述常规心电信号处理系统有分时12导联单道记录式、分时12导联三道记录式、同时12导联3道记录式、6道记录式、12道记录式。同时（临床上多称为同步）12导联系统（12leadsimultaneouselectrocardiograph）又分为真实12导联和计算12导联（实际8导联：2个双极标准导联，6个单极胸导联）。现代心电图机，几乎都是计算机化的数字系统，国际标准推荐500Hz采样频率，因此，所谓同时（或同步）也是相对的，因为AD转换器是单道的，道间时差2ms。如果采用真实12导联技术，则第一道与最后1道间相差24ms。为了尽可能保持同时性，都采用采样保持技术。但是采样保持电路有有限的时间常数（时间常数过大，不利于信号清除）因而采样保持信号也会随时间而衰减，因此难于达到真正的12导联的同时性。可考虑的提高同时性的措施是采用更高的采样频率（如20KHz），然后以500Hz的采样率二次抽取(40抽1)。配合500Hz的采样率，心电信号放大系统应有最高250Hz的高端截止频率。时间常数3s（相当于0.05Hz的低端截止频率）。对于描笔式心电图机，由于描笔的响应频率80~100Hz，因此，更高的频率成分会被描笔这种机械滤波器滤掉，所以对于这种系统，采用的采样频率为100Hz。当放大系统的通带为.0.05~250Hz时，这样的采样率获得的数字信号不宜做频域分析。计算机化心电信号数字处理系统，又称为心电工作站（electrocardiacworkstation），其框图如图12-1。它有模拟和数字部分。要强调的是，在模拟部分须采用隔离浮置技术以保证病人的安全。预处理部分主要有50Hz（国外应是60Hz）滤波等。二、导联系统1.电极（electrodes）电极的作用是将体内的离子电流转换为金属导体中的电子电流。早期所用的获取心电信号的电极是金属电极，一般是在金属铜或不锈钢片上镀以贵金属银或铬。金属电极的缺点是会产生极化电位，在变化的心电信号上附加一个直流偏移（offset）信号，产生“基线”（0电势线）的直流漂移。现代获取心电信号的电极是电生理学家研究出的可消除极化电位的银-卤化银电极，称为乏极化电极(nonpolarizableelectrode)，如图12-2。它是在银片上沉积（镀）上一薄层氯化银。再在上面涂上一层含氯离子的凝胶2.体表电极位置12导联常规（标准临床）心电信号处理系统的电极位置如图12-3。图中，V1为胸骨右缘第4肋间，V2为胸骨左缘第4肋间，V3为V2与V4联线的中点，V4为左锁骨中线第5肋间，V5为左腋前线V4水平,V6为左腋中线V4水平，V7为左后腋线V4水平,V8为左肩胛角线V4水平,V9为脊椎左缘V4水平,V3R为V1与V4R联线的中点，V4R为右锁骨中线第5肋间，V5R为右前腋线V4水平。所有这些导联都是单极胸导联。前6个为常规导联，后6个为扩展导联，根据临床需要选作。由RA-LA、RA-LL、LA-LL构成三个标准肢体导联（standardlimblead），分别称为I、II、III导联。RA称为参考电极，与第五章所述的中心电端C相连。所有单极导联皆参考此点电压。所有输入端皆采用高输入阻抗电路。图12-3标准12导联及扩展导联电极位置图12-4输入电阻网络常规ECS处理系统都设计了一个特殊的电阻输入网络。电阻输入网络的目的有两个：一是造就等效0电势点的中心电端C，二是形成加压（肢体）导联（augmentedlimblead）。同时12导心电系统的电阻网络如图12-4。图中，RA、LA、LL分别接至图12-3的对应位置。在图12-4中，RA－LA、RA－LL、LA－LL分别形成标准肢体I、II、III导联，RA－C3、LA－C2、LL－C1分别形成加压肢体导联aVR、aVL、aVF。标准肢体I、II、III导联的电势差分别为φI=φLA－φRA(12-1)φII=φLL－φRA(12-2)φIII=φLL－φLA(12-3)极性如图12-4所示。现在要证明，加压肢体导联aVR、aVL、aVF是单极肢体导联RA－C（φRA）、LA－C（φLA）、LL－C（φLL）的电压的1.5倍。由图12-4可知，φC3=(φLA+φLL)/2(12-4)φC2=(φRA+φLL)/2(12-5)φC1=(φRA+φLA)/2(12-6)由偶极子电势分布理论可以证明，在偶极子场中，与中心等距的相差2π/3的三点的电势之和为0，即φRA+φLA+φLL=0(12-7)所以φaVR=φRA－φC3=φRA－(φLA+φLL)/2=1.5φRA(12-8)同理可证得φaVL=1.5φLA(12-9)φaVF=1.5φLL(12-10)上面的关系也可由第5章的（5-13）~（5-15）式得到证明。三、参数测量用描出的心电信号图形进行诊断（评价心脏状态）已有100多年历史。以往都凭人工测量，然后凭积累的经验作出结论。这些经验形成了一门学问称为“心电图学”。直到现在，计算机自动诊断系统（专家系统）仍然不如有经验的专科医生，还不能代替有经验的专科医生。心电信号的参数测量可分为时间测量、幅度的测量和波形分析三个方面。如第5章图5-6所示的各种间期和时限等时间参数测量具有重要的临床意义，它是诊断各类心律失常的基础。如P波时限过长表示心房内传导阻滞，QRS时限过长表示室内传导阻滞。RR间期过长表示心动过缓，RR间期过短表示心动过速。在心电信号的电压测量中，参考点是“基线”，因此消除基线漂移的精确程度确定了幅度测量的精确程度。R波电压幅度过高可能提示心室肥厚。ST段电压过低提示心肌缺血。所有这些判断都有凭大量统计数据加上既往的经验制定的标准。在心电信号的计算机自动分析中，最难的是波形分析，如顿挫、双相、倒置、rS（小R波大S波）等。如果心电专家对于计算机自动分析有怀疑，可以通过人机对话的方法进行核查。一般使用移动光标来完成核查。每当移动到一个点，计算机自动显示位置和幅度。位置可显示为距起点的点数，或根据采样频率换算成的时间，见第5章（5-21）式。也可根据一定的操作而显示间期或时限或幅度。人工核查的例子如图12-5图形顶部示出了光标（空心箭头）所在位置的参数（距起点的点数和幅度）。图形底部是操作说明。光标可上、下、左、右移动。在左右移动时还可分为快速移动（Ctrl加左右移动键）。12导心电的纸记有各种格式，如3×4的格式，6×2的格式，12×1的格式。图12-6为12×1格式的例子。图12-5人机会话参数测量示意图四、QT间期测量这里以心电信号的Q－T间期测量来进一步说明时域参量的测量。应该说，Q－T间期测量是诊断LQTS（longQ－Tsyndrome：长QT间期综合症）的金标准（goldstandard或goldcriteria）。LQTS是一种严重的心律失常事件，现已证实LQTS是由于Na+、K+离子通道的基因突变造成的，典型地证实了基因型（genotype）与电生理表现型（phenotype）的关系。各导联间的心电信号Q－T间期的不一致，称为Q－T离散度（Q－Tdispersion：QTd）。近来研究发现，QTd是由于心室肌的复极时间不一致造成的。QTd的测量可用以预测心肌梗塞、严重心律失常等心血管系统疾病。QTd的计算以QT间期的测量为基础QTd=QTmax－QTmin(12-11)设Q波起点为N1，T波终点为N2，则QT=(N2－N1)Δt(12-12)图12-6常规临床12导心电信号的12×1格式记录人机会话测量可参见图12-5的方法。计算机自动测量可参见第5章。不管用哪种方法，都会由于确定Q波起点，特别是T波终点的困难而产生重复性差、准确性差等问题。一个可以准确测量的方法，是确定Q、T波的极值点。已有研究表明，用同一组样本集合，两种测量间有很好的线性相关性，不管用人工测量还是计算机自动测量(见参考文献[5])。如R(自动峰值测量与人工测量)=0.998353R（自动峰值测量与自动始末点测量）=0.997849R(自动始末点测量与人工测量)=0.997532图12-7是用两种方法（峰值法和起始点法）测量QTI（Q－Tinterval：Q－T间期）的一个例子。图的顶部的图注的意义是：第1行为各波的幅值，如Rm表示R波的幅值，Pm表示P波的幅值，Qm表示Q波的幅值，Sm表示S波的幅值，Tm表示T波的幅值。第2行为用测量各对应波的极值点的方法测量的心率，如HRp是用相继的两P波的极值点间的距离（点数），即P－P间期计算的心率，HRq是用Q－Q间期计算的心率，HRr是用