体外反搏治疗过程中病人的心电信号实时处理
作者：李海云 段元民 郑振声
单位：李海云 段元民 首都医科大学医学工程系医学仪器教研室(北京 100054)；郑振声 中山医科大学生物医学工程教研室(广州 510089)
关键词：体外反搏；心电信号；子波变换
北京生物医学工程990409 摘 要 本文研究了一种准确实时提取接受反搏治疗病人心电信号特征值方法，分析了其干扰噪声的形式，设计了数字滤波器对干扰进行抑制，研究了心电QRS波检测匹配模板，运用模板匹配技术完成QRS波检测，结合子波多尺度分析对心电信号进行特征提取，根据提取的特征完成匹配模板修正，完善了反搏治疗病人心电信号特征提取，将有利于保证体外反搏治疗效果。
A Real-Time Approach to Extract Parameters Form a
, 百拇医药
Patient's ECG on EECP
Li Haiyun, Duan Yuanmin
(Dept. BME, Capital University of Medical Science, Beijing 100054)
Zheng Zhensheng
(Dept. BME, Sun Yat-sen University of Medical Science, Guangzhou 510089)
Abstract
A precise and real-time approach to extract parameters from a patient's ECG under the condition of the Enhanced External Counterpulsation(EECP) was developed. Different types of noises were analyzed. A digital filter was designed to suppress noises. A match themplate was designed to detect the ECG QRS. A new method has proposed to extract the feafures of ECG by wavelet multiresolution analysis. According to extracted features, the template was modified. The approach can improve extraction of parameters from a patient's real-time ECG, which is helpful to improve the results of treatment of EECP.
, 百拇医药
Key words:EECP;ECG;Wavelet
0 引 言
体外反搏系统是一种应用计算机控制的无创伤的机、电、气辅助循环装置。通过包裹在患者的下肢和臀部的密封气囊以特定模式对肢体加压，改变正常血液流场分布，保证在肢体、臀部受压引起血液返流回主动脉瓣处时正好是主动脉瓣关闭的瞬间，并充分利用心脏舒张期的整个时间，使施加于血管的压力保持足够长，最大限度提高舒张压，保证反搏血流以最充分的时间向缺血器官进行灌注，而又不加重心脏的负荷。另一方面，反搏排气时间的确定保证在下一个心脏收缩期之前解除对血管的压迫，使收缩压降至最低，最大限度地减轻心脏射血期阻力，从而达到最佳的反搏效应[1]。实施体外反搏必须使充排气时序跟踪反搏期间心动周期的变化。以保证心动周期变化时，反搏的时序控制始终符合生理要求。由图1可知：心电信号T波结尾一般可视作心脏收缩期即将结束，与主动脉瓣关闭时刻非常接近[2]。T波末端与主动脉瓣关闭时刻之间最大偏差<40ms[3]。
图1 心脏的力学过程与电学
, 百拇医药
过程的时序关联
(图1中1=右心房收缩开始；2=左心房收缩开始；3=左心室收缩开始；4=右心室收缩开始；5=右心室射血开始；6=左心室射血开始；7=左心室射血终止；8=右心室射血终止；交叉线区域表示等容收缩，画点区域表示心室射血。)
故可以QRS波为基准，计算QT时间(为心电信号中从QRS波的R波到T波终点的一段时间)，反搏控制系统根据不断检测得到的QT间期自动跟踪调节反搏参数。从而保证充排气时序可以在反搏期间不断跟踪心率的变化来进行调整，以保证心率变化时，反搏的时序控制始终以QT作为反搏控制参数，可获得反搏的最佳效果而又不危害病人的健康。因此准确检出每一个QRS波是实施体外反搏的关键。比一般情况下的心电检测分析增加了不少难度 。我们综合了数字滤波、模板匹配、子波分析技术完善了反搏治疗病人心电信号实时处理。
1 整系数心电信号数字滤波
, 百拇医药
采集到的反搏病人的心电信号常常伴有各种干扰，主要来自工频、呼吸运动、反搏引起的电极与皮肤的相对运动产生的噪声，必须进行滤波处理，在体外反搏治疗实施过程中，要求病人的心电信号的检测处理及反搏控制均在一个心动周期内完成，因此对数字滤波器的要求：精度适中，占时尽可能短。以适应体外反搏治疗装置的在线工作。选用整系数线性相位递归滤波器能满足要求。权系数为1的动平均滤波器具有低通滤波器特性，其系统函数为：
(1)
但其旁瓣较大，为减小其旁瓣的幅度，我们采用高阶的归一化形式，设定其系统函数为：
(2)
其差分方程为：
, 百拇医药
(3)
滤波结果见图2。
图2 心电数字滤波
2 心电信号的QRS波检测及子波分析
2.1 QRSB波的检测
设计一个三参数匹配模板TLV=[AT,DT，QT]，其中
AT：QRS波的幅度阈值 DT:QRS波上升沿梯度阈值 QT：QRS波的QT时间阈值。
运用TLV，通过不断比较检出QRS波，但有可能将干扰和各种早搏信号以及其他一些心律失常信号误检为可以实施反搏的正常心动周期的QRS，这在体外反搏治疗过程中应严格避免的，会误触发反搏装置工作，给病人的健康造成损害。为克服这一不足，我们采用子波多尺度分析离线处理心电信号，剔除干扰和和各种早搏信号以及心律失常信号的影响，准确提取正常心动周期QT时间(由于体外反搏在每一心动周期内是一严格的实时控制系统，应用子波分析在线提取心电信号特征实施反搏控制没有可行性)作为一个动态跟踪标准，跟踪更新TLV中的QT参数，去识别检测到的各种早搏信号以及心律失常信号，一经识别后，中止反搏器的治疗，待信号回复正常再实施反搏。以保证病人治疗过程中的安全。
, 百拇医药
2.2 心电信号的子波分析
子波变换的极值点和零交叉点可用来检测信号的奇异点位置。而且有两个突出特点：受高频噪声影响小，选择适当尺度下的子波分析，可以充分突出信号成分最大衰减高频噪声，即使在强噪声背景下也能准确定位信号的奇异点位置；其二，由于子波变换本质上的带通特性，以低频成分为主的基漂，对信号奇异点定位的准确性影响不大[4]。
二进离散子波变换为：
(3)
构造ψ(t)使ψm,n(t)成为正交子波。可以得到一个函数的子波级数展开式：
, 百拇医药
(4)
令
(5)
基函数φm,n(t)为尺度函数，其定义为：
(6)
所以
(7)
上式以尺度的观点分析心电信号时，以尺度m0为界限将心电信号分成两部分，m0以下各尺度作为细化特征的近似；m0以上各尺度用于基本特征的提取。选用不同的子波，就产生不同的效果。选取平滑函数的一阶或二阶导数可以作为子波，在这样两种情况下，可分别以子波变换的极值点或零交叉点来表征信号，而且用子波变换的极值点表征信号比用零交叉点表征信号有更多优点。我们采用信号子波变换的局部极值来抽取心电信号的特征点，也就是说，所选用的子波ψ(x)应等于平滑函数θ(x)的一阶导数，即要求：
, http://www.100md.com
(8)
而
(9)
子波函数的频域表示：
(10)
光滑函数的频域表示：
(11)
尺度函数的频域表示：
, 百拇医药
(12)
心电信号在各种尺度下的表观如图3：
图3 心电信号的子波分解 从图3可知：在尺度为4或者5的情况下，根据局部正负极大值对能很好地检出可以实施反搏的正常心动周期的QRS；检出所要求的QRS波后，搜索其后的局部极大值，完成T波检测，从而可计算出准确的可以实施反搏的正常心动周期的QT时间。
3 结果分析与讨论
体外反搏提高舒张压，恢复缺血组织的活性功能，有着显著的临床疗效，但对一些心血管病变必须禁止使用以防危及病人健康。实施体外反搏通常的控制方法是：运用TLV技术，通过不断比较检出QRS波，计算出心动周期，根据经验公式计算QT时间，根据平均的QT时间去设定充排气时序以实施体外反搏，同时推断各种早搏和心律失常信号以防止将干扰和各种早搏信号以及其他一些心律失常信号误检为可以实施反搏的正常心动周期的QRS，从而导致误触发反搏装置工作。体外反搏治疗在各种早搏信号以及心律失常信号出现期间应中止，否则会影响反搏效果。本文研究的方法是：采用子波多尺度分析离线处理心电信号，提取QT时间作为一个动态跟踪标准，结合TLV技术去识别各种正常心电信号、早搏信号以及心律失常信号，在各种早搏信号以及心律失常信号出现其间应中止反搏治疗，待信号恢复正常再实施反搏。我们从MIT数据库中选取了以下三组心电信号：
, http://www.100md.com
①正常心电信号(心率30～120)。
②带有早搏信号的心电信号(室性早搏、二联律、三联律)。
③心律失常信号(对心律失常较为严重病人由临床医生诊断不做反搏治疗)。
对我们的算法进行了测试，测试结果：当正常心电信号中伴随出现室性早搏、二联律、三联律以及心律失常时，反搏系统将中止输出充气信号，仅仅发出排气信号，使病人处于卸压状态。一旦心电信号恢复正常，反搏系统将输出正确时序的充排气信号，对病人进行反搏治疗。本算法在血流动力学方面保证了体外反搏治疗的正确实施，完善了可以实施反搏的正常心动周期的QRS的检测。提高了检测精度。另外由于子波变换本质上的带通特性，以低频成分为主的基漂，对信号奇异点检测影响不大。但是较大的基漂会给反搏时序带来较大的偏差，影响反搏治疗效果，应在硬件系统对基漂加以抑制以确保反搏正常进行。
作者简介：李海云(1968-)，男，讲师，生物医学工程博士。
, 百拇医药
参考文献
1 郑振声.增强型体外反搏装置的设计及工作原理.中国生物医学工程学报.1984，3：133
2 冯元桢.生物动力学-血液循环.湖南科学技术出版社.长沙，1986，p155—157
3 Segal L M D. The theory and practice of auscultation. Davis F A Company: U.S.A, 1964，p113—114
4 Mallat S and Hwang L. Singularity detection and processing with wavelet. IEEE Trans Inform Theory,1992，38(2)：617
(1998-10-19收稿，1998-12-28修回), http://www.100md.com
单位：李海云 段元民 首都医科大学医学工程系医学仪器教研室(北京 100054)；郑振声 中山医科大学生物医学工程教研室(广州 510089)
关键词：体外反搏；心电信号；子波变换
北京生物医学工程990409 摘 要 本文研究了一种准确实时提取接受反搏治疗病人心电信号特征值方法，分析了其干扰噪声的形式，设计了数字滤波器对干扰进行抑制，研究了心电QRS波检测匹配模板，运用模板匹配技术完成QRS波检测，结合子波多尺度分析对心电信号进行特征提取，根据提取的特征完成匹配模板修正，完善了反搏治疗病人心电信号特征提取，将有利于保证体外反搏治疗效果。
A Real-Time Approach to Extract Parameters Form a
, 百拇医药
Patient's ECG on EECP
Li Haiyun, Duan Yuanmin
(Dept. BME, Capital University of Medical Science, Beijing 100054)
Zheng Zhensheng
(Dept. BME, Sun Yat-sen University of Medical Science, Guangzhou 510089)
Abstract
A precise and real-time approach to extract parameters from a patient's ECG under the condition of the Enhanced External Counterpulsation(EECP) was developed. Different types of noises were analyzed. A digital filter was designed to suppress noises. A match themplate was designed to detect the ECG QRS. A new method has proposed to extract the feafures of ECG by wavelet multiresolution analysis. According to extracted features, the template was modified. The approach can improve extraction of parameters from a patient's real-time ECG, which is helpful to improve the results of treatment of EECP.
, 百拇医药
Key words:EECP;ECG;Wavelet
0 引 言
体外反搏系统是一种应用计算机控制的无创伤的机、电、气辅助循环装置。通过包裹在患者的下肢和臀部的密封气囊以特定模式对肢体加压，改变正常血液流场分布，保证在肢体、臀部受压引起血液返流回主动脉瓣处时正好是主动脉瓣关闭的瞬间，并充分利用心脏舒张期的整个时间，使施加于血管的压力保持足够长，最大限度提高舒张压，保证反搏血流以最充分的时间向缺血器官进行灌注，而又不加重心脏的负荷。另一方面，反搏排气时间的确定保证在下一个心脏收缩期之前解除对血管的压迫，使收缩压降至最低，最大限度地减轻心脏射血期阻力，从而达到最佳的反搏效应[1]。实施体外反搏必须使充排气时序跟踪反搏期间心动周期的变化。以保证心动周期变化时，反搏的时序控制始终符合生理要求。由图1可知：心电信号T波结尾一般可视作心脏收缩期即将结束，与主动脉瓣关闭时刻非常接近[2]。T波末端与主动脉瓣关闭时刻之间最大偏差<40ms[3]。
图1 心脏的力学过程与电学, 百拇医药
过程的时序关联
(图1中1=右心房收缩开始；2=左心房收缩开始；3=左心室收缩开始；4=右心室收缩开始；5=右心室射血开始；6=左心室射血开始；7=左心室射血终止；8=右心室射血终止；交叉线区域表示等容收缩，画点区域表示心室射血。)
故可以QRS波为基准，计算QT时间(为心电信号中从QRS波的R波到T波终点的一段时间)，反搏控制系统根据不断检测得到的QT间期自动跟踪调节反搏参数。从而保证充排气时序可以在反搏期间不断跟踪心率的变化来进行调整，以保证心率变化时，反搏的时序控制始终以QT作为反搏控制参数，可获得反搏的最佳效果而又不危害病人的健康。因此准确检出每一个QRS波是实施体外反搏的关键。比一般情况下的心电检测分析增加了不少难度 。我们综合了数字滤波、模板匹配、子波分析技术完善了反搏治疗病人心电信号实时处理。
1 整系数心电信号数字滤波
, 百拇医药
采集到的反搏病人的心电信号常常伴有各种干扰，主要来自工频、呼吸运动、反搏引起的电极与皮肤的相对运动产生的噪声，必须进行滤波处理，在体外反搏治疗实施过程中，要求病人的心电信号的检测处理及反搏控制均在一个心动周期内完成，因此对数字滤波器的要求：精度适中，占时尽可能短。以适应体外反搏治疗装置的在线工作。选用整系数线性相位递归滤波器能满足要求。权系数为1的动平均滤波器具有低通滤波器特性，其系统函数为：
(1)
但其旁瓣较大，为减小其旁瓣的幅度，我们采用高阶的归一化形式，设定其系统函数为：
(2)
其差分方程为：
, 百拇医药
(3)
滤波结果见图2。
图2 心电数字滤波
2 心电信号的QRS波检测及子波分析
2.1 QRSB波的检测
设计一个三参数匹配模板TLV=[AT,DT，QT]，其中
AT：QRS波的幅度阈值 DT:QRS波上升沿梯度阈值 QT：QRS波的QT时间阈值。
运用TLV，通过不断比较检出QRS波，但有可能将干扰和各种早搏信号以及其他一些心律失常信号误检为可以实施反搏的正常心动周期的QRS，这在体外反搏治疗过程中应严格避免的，会误触发反搏装置工作，给病人的健康造成损害。为克服这一不足，我们采用子波多尺度分析离线处理心电信号，剔除干扰和和各种早搏信号以及心律失常信号的影响，准确提取正常心动周期QT时间(由于体外反搏在每一心动周期内是一严格的实时控制系统，应用子波分析在线提取心电信号特征实施反搏控制没有可行性)作为一个动态跟踪标准，跟踪更新TLV中的QT参数，去识别检测到的各种早搏信号以及心律失常信号，一经识别后，中止反搏器的治疗，待信号回复正常再实施反搏。以保证病人治疗过程中的安全。
, 百拇医药
2.2 心电信号的子波分析
子波变换的极值点和零交叉点可用来检测信号的奇异点位置。而且有两个突出特点：受高频噪声影响小，选择适当尺度下的子波分析，可以充分突出信号成分最大衰减高频噪声，即使在强噪声背景下也能准确定位信号的奇异点位置；其二，由于子波变换本质上的带通特性，以低频成分为主的基漂，对信号奇异点定位的准确性影响不大[4]。
二进离散子波变换为：
(3)
构造ψ(t)使ψm,n(t)成为正交子波。可以得到一个函数的子波级数展开式：
, 百拇医药
(4)
令
(5)
基函数φm,n(t)为尺度函数，其定义为：
(6)
所以
(7)
上式以尺度的观点分析心电信号时，以尺度m0为界限将心电信号分成两部分，m0以下各尺度作为细化特征的近似；m0以上各尺度用于基本特征的提取。选用不同的子波，就产生不同的效果。选取平滑函数的一阶或二阶导数可以作为子波，在这样两种情况下，可分别以子波变换的极值点或零交叉点来表征信号，而且用子波变换的极值点表征信号比用零交叉点表征信号有更多优点。我们采用信号子波变换的局部极值来抽取心电信号的特征点，也就是说，所选用的子波ψ(x)应等于平滑函数θ(x)的一阶导数，即要求：
, http://www.100md.com
(8)
而
(9)
子波函数的频域表示：
(10)
光滑函数的频域表示：
(11)
尺度函数的频域表示：
, 百拇医药
(12)
心电信号在各种尺度下的表观如图3：
图3 心电信号的子波分解 从图3可知：在尺度为4或者5的情况下，根据局部正负极大值对能很好地检出可以实施反搏的正常心动周期的QRS；检出所要求的QRS波后，搜索其后的局部极大值，完成T波检测，从而可计算出准确的可以实施反搏的正常心动周期的QT时间。3 结果分析与讨论
体外反搏提高舒张压，恢复缺血组织的活性功能，有着显著的临床疗效，但对一些心血管病变必须禁止使用以防危及病人健康。实施体外反搏通常的控制方法是：运用TLV技术，通过不断比较检出QRS波，计算出心动周期，根据经验公式计算QT时间，根据平均的QT时间去设定充排气时序以实施体外反搏，同时推断各种早搏和心律失常信号以防止将干扰和各种早搏信号以及其他一些心律失常信号误检为可以实施反搏的正常心动周期的QRS，从而导致误触发反搏装置工作。体外反搏治疗在各种早搏信号以及心律失常信号出现期间应中止，否则会影响反搏效果。本文研究的方法是：采用子波多尺度分析离线处理心电信号，提取QT时间作为一个动态跟踪标准，结合TLV技术去识别各种正常心电信号、早搏信号以及心律失常信号，在各种早搏信号以及心律失常信号出现其间应中止反搏治疗，待信号恢复正常再实施反搏。我们从MIT数据库中选取了以下三组心电信号：
, http://www.100md.com
①正常心电信号(心率30～120)。
②带有早搏信号的心电信号(室性早搏、二联律、三联律)。
③心律失常信号(对心律失常较为严重病人由临床医生诊断不做反搏治疗)。
对我们的算法进行了测试，测试结果：当正常心电信号中伴随出现室性早搏、二联律、三联律以及心律失常时，反搏系统将中止输出充气信号，仅仅发出排气信号，使病人处于卸压状态。一旦心电信号恢复正常，反搏系统将输出正确时序的充排气信号，对病人进行反搏治疗。本算法在血流动力学方面保证了体外反搏治疗的正确实施，完善了可以实施反搏的正常心动周期的QRS的检测。提高了检测精度。另外由于子波变换本质上的带通特性，以低频成分为主的基漂，对信号奇异点检测影响不大。但是较大的基漂会给反搏时序带来较大的偏差，影响反搏治疗效果，应在硬件系统对基漂加以抑制以确保反搏正常进行。
作者简介：李海云(1968-)，男，讲师，生物医学工程博士。
, 百拇医药
参考文献
1 郑振声.增强型体外反搏装置的设计及工作原理.中国生物医学工程学报.1984，3：133
2 冯元桢.生物动力学-血液循环.湖南科学技术出版社.长沙，1986，p155—157
3 Segal L M D. The theory and practice of auscultation. Davis F A Company: U.S.A, 1964，p113—114
4 Mallat S and Hwang L. Singularity detection and processing with wavelet. IEEE Trans Inform Theory,1992，38(2)：617
(1998-10-19收稿，1998-12-28修回), http://www.100md.com