数字信号处理ECG分析系统学习教案.pptx
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1、会计学1数字数字(shz)信号处理信号处理ECG分析系统分析系统第一页,共47页。n n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(jir)治疗(如射频消融、起搏、除颤等)。第2页/共47页第二页,共47页。n n从从19011901年荷兰莱顿大学的年荷兰莱顿大学的EinthovenEinthoven用弦线式电流计用弦线式电流计(string galvanometerstring galvanometer)记录心电信号,并将正常心电波
2、)记录心电信号,并将正常心电波的主要波形命名为的主要波形命名为P P、QQ、R R、S S、T T算起,对心电信号的算起,对心电信号的记录和处理的历史已跨过了记录和处理的历史已跨过了100100年。在生物医学信号处理年。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,从临床的角度心电信息学对所涉及的技术范围,从临床的角度(ji(ji od)od),进行了比较全面的收集。现在心血管疾病是,进行了比较全面的收集。
3、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。所含的信息,普遍使用记录心电信号的心电图机。第3页/共47页第三页,共47页。n n对心电信号的显示(xinsh)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
4、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。第4页/共47页第四页,共47页。n n对于监护设备一般用电子显示(波形和数字)报警技术(jsh)。n n 对心电信号的获取技术(jsh)分为无创(体表)技术(jsh)、微创技术(jsh)(经由心导管记录心内心电信号)、有创技术(jsh)(心脏手术时体内记录)。第5页/共47页第五页,共47页。n n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(pngbn)心电图),“普通心电图
5、”,“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,也可称为对心电信号(ECS:electrocardiosignal)的处理第6页/共47页第六页,共47页。n本章分别(fnbi)介绍n常规心电信号数字处理n心电监测(electrocardiosignal monitoring)第7页/共47页第七页,共47页。第一节第一节第一节第一节 常规常规常规常规(chnggu)(chnggu)心电信号数字处理心电信号数字处理心电信号数字处理心电信号数字处理(
6、Routine Digital Processing for ECSRoutine Digital Processing for ECS)n n一、概述一、概述一、概述一、概述n n常规心电信号处理系统有分时常规心电信号处理系统有分时常规心电信号处理系统有分时常规心电信号处理系统有分时1212导联单道记录式、分时导联单道记录式、分时导联单道记录式、分时导联单道记录式、分时1212导联三道记录式、导联三道记录式、导联三道记录式、导联三道记录式、同时同时同时同时1212导联导联导联导联3 3道记录式、道记录式、道记录式、道记录式、6 6道记录式、道记录式、道记录式、道记录式、1212道记录式。同时
7、(临床上多称为同道记录式。同时(临床上多称为同道记录式。同时(临床上多称为同道记录式。同时(临床上多称为同步)步)步)步)1212导联系统(导联系统(导联系统(导联系统(12 lead simultaneous electrocardiograph12 lead simultaneous electrocardiograph)又分为)又分为)又分为)又分为(fn(fn wi)wi)真实真实真实真实1212导联和计算导联和计算导联和计算导联和计算1212导联(实际导联(实际导联(实际导联(实际8 8导联:导联:导联:导联:2 2个双极标准导联,个双极标准导联,个双极标准导联,个双极标准导联,6
8、6个单极个单极个单极个单极胸导联)。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,国际标准推荐荐荐荐500Hz500Hz采样频率,因此,所谓同时(或同步)也是相对的,因为采样频率,因此,所谓同时(或同步)也是相对的,因为采样频率,因此,所谓同时(或同步)也是相对的,因为采样频率,因此,所谓同时(或同步)也是相对的,因为ADAD转转转转换器是单道的,道间时差换器是单道的,道间时差换器是单道的,道间时差换器是单道的,道
9、间时差2ms2ms。如果采用真实。如果采用真实。如果采用真实。如果采用真实1212导联技术,则第一道与最导联技术,则第一道与最导联技术,则第一道与最导联技术,则第一道与最后后后后1 1道间相差道间相差道间相差道间相差24ms24ms。第8页/共47页第八页,共47页。n n为了尽可能保持同时性,都采用采样保持技术。但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,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,因此难于达到衰减,因此难于达到(d do)(d do
10、)真正的真正的1212导联的同时导联的同时性。可考虑的提高同时性的措施是采用更高的采样性。可考虑的提高同时性的措施是采用更高的采样频率(如频率(如20KHz20KHz),然后以),然后以500Hz500Hz的采样率二次抽的采样率二次抽取取(40(40抽抽1)1)。第9页/共47页第九页,共47页。第10页/共47页第十页,共47页。n n配合配合500Hz500Hz的采样率,心电信号放大系统的采样率,心电信号放大系统(xt(xt ng)ng)应有最高应有最高250Hz250Hz的高端截止频率。时间的高端截止频率。时间常数常数3s3s(相当于(相当于0.05Hz0.05Hz的低端截止频率)。对于
11、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描笔式心电图机,由于描笔的响应频率80100Hz80100Hz,因此,更高的频率成分会被描笔这种机械滤波,因此,更高的频率成分会被描笔这种机械滤波器滤掉,所以对于这种系统器滤掉,所以对于这种系统(xt(xt ng)ng),采用的采,采用的采样频率为样频率为100Hz100Hz。当放大系统。当放大系统(xt(xt ng)ng)的通带为的通带为.0.05250Hz.0.05250Hz时,这样的采样率获得的数字信号时,这样的采样率获得的数字信号不宜做频域分析。不宜做频域分析。n n 计算机化心电信号数字处理系统计算机化心电信号数字处理系统(xt
12、(xt ng)ng),又,又称为心电工作站(称为心电工作站(electrocardiac work stationelectrocardiac work station),),其框图如图其框图如图12-112-1。它有模拟和数字部分。它有模拟和数字部分。第11页/共47页第十一页,共47页。n n三、参数测量三、参数测量三、参数测量三、参数测量n n 用描出的心电信号图形用描出的心电信号图形用描出的心电信号图形用描出的心电信号图形(txng)(txng)进行进行进行进行诊断(评价心脏状态)已有诊断(评价心脏状态)已有诊断(评价心脏状态)已有诊断(评价心脏状态)已有100100多年历史。多年历史
13、。多年历史。多年历史。以往都凭人工测量,然后凭积累的经验以往都凭人工测量,然后凭积累的经验以往都凭人工测量,然后凭积累的经验以往都凭人工测量,然后凭积累的经验作出结论。这些经验形成了一门学问称作出结论。这些经验形成了一门学问称作出结论。这些经验形成了一门学问称作出结论。这些经验形成了一门学问称为为为为“心电图学心电图学心电图学心电图学”。直到现在,计算机自。直到现在,计算机自。直到现在,计算机自。直到现在,计算机自动诊断系统(专家系统)仍然不如有经动诊断系统(专家系统)仍然不如有经动诊断系统(专家系统)仍然不如有经动诊断系统(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验的专科医生
14、,还不能代替有经验的专验的专科医生,还不能代替有经验的专验的专科医生,还不能代替有经验的专科医生。科医生。科医生。科医生。n n 第12页/共47页第十二页,共47页。n n心电信号的参数测量可分为时间测量、幅度心电信号的参数测量可分为时间测量、幅度心电信号的参数测量可分为时间测量、幅度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。如第的测量和波形分析三个方面。如第的测量和波形分析三个方面。如第的测量和波形分析三个方面。如第5 5章图章图章图章图5-65-6所示的各种间期和时限等时间参数测量具有所示的各种间期和时限等时间参数测量具有所示的各种间期和时限等时间参数测量具有所示的
15、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重要的临床意义,它是诊断各类心律失常重要的临床意义,它是诊断各类心律失常重要的临床意义,它是诊断各类心律失常(xn l(xn l sh chn sh chn)的基础。如的基础。如的基础。如的基础。如P P波时限过长波时限过长波时限过长波时限过长表示心房内传导阻滞,表示心房内传导阻滞,表示心房内传导阻滞,表示心房内传导阻滞,QRSQRS时限过长表示室时限过长表示室时限过长表示室时限过长表示室内传导阻滞。内传导阻滞。内传导阻滞。内传导阻滞。RRRR间期过长表示心动过缓,间期过长表示心动过缓,间期过长表示心动过缓,间期过长表示心动过
16、缓,RRRR间期过短表示心动过速。间期过短表示心动过速。间期过短表示心动过速。间期过短表示心动过速。第13页/共47页第十三页,共47页。n n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(xnsh)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。第14页/共47页第十四页,共47页。第15页/共47页第十五页,共47页。n n 在心电信号的计算机自动分析中,最难的在心电信号的计算机自动分析中,最难的是波形是波形(b xn(b xn)分析,如顿挫、双相、倒分析,如顿挫、双相、
17、倒置、置、rSrS(小(小R R波大波大S S波)等。如果心电专家波)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起点的点数,或根据采样频率换算成的时间,。也可根据一定的操作而显示间期或间,。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时限或幅度。人工核查的例子如图12-5 12-5 第
18、16页/共47页第十六页,共47页。n n图形顶部示出了光标(空心箭头)所在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)。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、图形底部是操作说明。光标可上、下、左、右移动左、右移动(ydng)(ydng)。在左右移动。在左右移动(ydng)(ydng)时还可分为快速移动时还可分为快速移动(ydng)(ydng)(CtrlCtrl加左右移动加左右移动(ydng)(ydng)键)。键)。1212导心电的纸记有各种格式,如导心电的纸记有各种格式,如3434的格的格式,式,6262的格式,的格式,121121的格式。
19、图的格式。图12-612-6为为121121格式的例子。格式的例子。第17页/共47页第十七页,共47页。图12-5 人机会(j hu)话参数测量示意图第18页/共47页第十八页,共47页。n n四、四、四、四、QTQT间期测量间期测量间期测量间期测量n n 这里以心电信号的这里以心电信号的这里以心电信号的这里以心电信号的QQT T间期测量来进一步说明时域参间期测量来进一步说明时域参间期测量来进一步说明时域参间期测量来进一步说明时域参量量量量(cnling)(cnling)的测量。应该说,的测量。应该说,的测量。应该说,的测量。应该说,QQT T间期测量是诊断间期测量是诊断间期测量是诊断间期测
20、量是诊断LQTSLQTS(long Qlong QT syndromeT syndrome:长:长:长:长QTQT间期综合症)的金间期综合症)的金间期综合症)的金间期综合症)的金标准(标准(标准(标准(gold standard gold standard 或或或或gold criteriagold criteria)。)。)。)。LQTSLQTS是一种严是一种严是一种严是一种严重的心律失常事件,现已证实重的心律失常事件,现已证实重的心律失常事件,现已证实重的心律失常事件,现已证实LQTSLQTS是由于是由于是由于是由于Na+Na+、K+K+离离离离子通道的基因突变造成的,典型地证实了基因型子
21、通道的基因突变造成的,典型地证实了基因型子通道的基因突变造成的,典型地证实了基因型子通道的基因突变造成的,典型地证实了基因型(genotypegenotype)与电生理表现型()与电生理表现型()与电生理表现型()与电生理表现型(phenotypephenotype)的关系。各)的关系。各)的关系。各)的关系。各导联间的心电信号导联间的心电信号导联间的心电信号导联间的心电信号QQT T间期的不一致,称为间期的不一致,称为间期的不一致,称为间期的不一致,称为QQT T离散离散离散离散度(度(度(度(QQT dispersionT dispersion:QTdQTd)。近来研究发现,)。近来研究发
22、现,)。近来研究发现,)。近来研究发现,QTdQTd是是是是由于心室肌的复极时间不一致造成的。由于心室肌的复极时间不一致造成的。由于心室肌的复极时间不一致造成的。由于心室肌的复极时间不一致造成的。QTdQTd的测量可用的测量可用的测量可用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。以预测心肌梗塞、严重心律失常等心血管系统疾病。以预测心肌梗塞、严重心律失常等心血管系统疾病。以预测心肌梗塞、严重心律失常等心血管系统疾病。n n 第19页/共47页第十九页,共47页。QTdQTd的计算以的计算以QTQT间期的测量为基础间期的测量为基础 QTd=QTmax QTd=QTmaxQTmin (
23、12-11)QTmin (12-11)设设QQ波起点波起点(q(q di di n)n)为为N1N1,T T波终点为波终点为N2N2,则,则 QT=(N2 QT=(N2N1)t (12-12)N1)t (12-12)图12-6 常规临床12导心电信号的121格式(g shi)记录第20页/共47页第二十页,共47页。图图12-712-7是用两种方法(峰值法和起始点法)是用两种方法(峰值法和起始点法)测量测量QTIQTI(QQT intervalT interval:QQT T间期间期 )的)的一个例子。图的顶部一个例子。图的顶部(d(d n n b)b)的图注的意的图注的意义是:第义是:第1
24、1行为各波的幅值,如行为各波的幅值,如RmRm表示表示R R波的幅值,波的幅值,PmPm表示表示P P波的幅值,波的幅值,QmQm表示表示QQ波的幅值,波的幅值,SmSm表示表示S S波的幅值,波的幅值,TmTm表示表示T T波的幅值。波的幅值。第21页/共47页第二十一页,共47页。n n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PP间期计算的心率,HRq是用QQ间期计算的心率,HRr是用RR间期计算的心率,HRs是用SS间期计算的心率,HRt是用TT间期计算的心率。n n第3行为P波宽度的数据,pw表示均值(jn zh)。后继的是每
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