心电信号ST段分析研究

心电信号ST段分析研究 重庆大学 硕士学位论文心电信号ST段分析研究 姓名:李露 申请学位级别:硕士 专业:电气 指导教师:杨浩 20070525重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 心电图(,,,)已成为心脏病临床诊断不可缺少的常规检查手段之一，心电图检查的准确性关系到人类的生命和健康，研究开发高性能的心脏检查设备，提高心脏病诊断的准确率具有十分重要的社会意义和应用价值。 ,,段分析是心电图分析的重要组成部分，但心肌复极过程中受到由于心肌缺血、电解质紊乱、药物等因素干扰时，心电图上表现为,,段改变。因此，及时准确地检测、定位、测量,,段具有重要的临床诊断价值。但目前利用计算机进行,,段的自动检测效果还远不能令人满意，追切需要工程技术人员和医务工作者的共同努力来寻求新的有效的处理方法(本文针对,,段分析中的难点和特点，从以下几个方面进行了研究: (,)针对,,段分析的特殊要求，根据零相位滤波器的滤波原理，设计了一种适用于,,段分析的零相位滤波器。通过对滤波前后信号的频谱分析，和三角波叠加模拟基线漂移实验验证，本文中设计的零相位滤波器在有效滤除低频干扰的同时，能够极好的保持,,段原有的形态而不受影响。 (,)心电信号特征点检测。在对,波准确定位的基础上，主要对,波的检钡,方法做了深入研究(利用,波在心电波形中位置和形状等波形特征，在前人研究基础上，本文提出了一种基于最优区问函数拟合的,波识别方法，根据最小二乘法原理，通过对比拟合误差确定最优函数拟合区间，采用二次函数对,波进行逼近，最终确定,波的起点和终点，进一步提高对,波特征点检测的准确率。并用,，,,,，,心电数据库的大量心电数据对该方法进行验证，其准确率高达,,,。文章中还研究了心电信号其他特征点的检测算法，为后面,,段分析奠定了基础。 (,)在学习神经网络理论知识的基础上，采用,,神经网络对,,段形态进行分类识别。对,,神经网络设计过程中样本的选择，各种参数、学习算法的确定等，通过实验对比，做了详细的说明;最后对设计的,,网络，采用了大量不同形态的,,段波形进行测试，其准确率较为满意。 (,)对目前国内外主要采用的几种,,段电平测量方法进行了研究，并以欧洲,,心电数据库的数据为例，通过实验将各种分析方法所得结果和专家标注做了对比，并作出,,段偏移趋势图，分析了,,段测量的影响因素，以及各种测量方法的优缺点，为本文中最终确定,,段电平检测算法提供了依据。 关键词;心电图，零相位滤波器，基线漂移，函数拟合，神经网络 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ,,,,,,;, ,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,),,, ,,,,,,, ,,, ,, ,,, ,,;,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,;,,,,; ,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,，,,, ,,,,;,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,,, ,, ;,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,, ,,,,(，, ,,, ,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,, ,,, ,,,,,,,;,,;, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,’,,,,,;,,, ,,, ,,,,,,, ,,, ,,,;, ,,,, ,,,,,,,,,,,,( ,, ,,,,,,, ,,,,,,,, ,, ,,, ,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,(,,,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,, ,,,,,,, ,,,, ,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,, ,,, ;,,, ,,; ;,,,,,,,,,,,,,,,,, ,玳,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,，,,,,,,’,,,,, ,,,,,,,,;,，,,,,，,,,(,,,,,,,,,，,, ,, ,,,,,,,;,,, ,, ,,;,础，, ,,, ,,;,,, ,,, ,, ,,,,,,,，,,, ,, ,,,,,鹏,,,, ？,,;,,, ,,,,;;,,,,,,, ,, ;,,,,;,,(,,,,,,,，,,, ,,,,,悖椋幔睿箐牵睿铮?,,,,,,,,, ,,,, ;,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,; ,,,,,,,, ,, ,, ,,,,,,,(，, ,,？,,,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,, ,,,, ,,,,;,,,, ,,,;,,,,,, ,,,,,,,(,, ,,,,;,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,;,,,,,,,,, ;,,,,;,,,,,,,; ,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,,,，,,,, ,,,,,, ;,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,, ,,,簦螅?(,),, ,;;,,,, ,,,;,,, ,,？,,,, ,, ,, ,,:,,,,,,, ,,,,,,,,，,,,, ,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,(,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,翊,”,,, ,,,,,,,,, ,,,,缸’,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,, ,,, ,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,，,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,?, ,,,,;,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,;, ,, ,,, ,,,？,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,咒,,,, ,,,,,,, (,),,,, ,,,,;,,,, ,, ,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,(,, ,,,,,, ,,,,,,, ,,, , ,,,，,,,,,;,,,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,,,,;,,,, ,,, ,,,,(, ,,,,, , ,,,, ,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,,,,,?,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,, ,, ,,,,,,,,(，, ,,, ,,,,,,,,,啪,,, , ;,,,; 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,,;,,,,,,,,, ,波:心房除极波，反映左右两心房的电激动过程。,波可为尖顶，圆顶、平顶、或有小的切酸。正常,波宽,(,,,使,秒。 ,,,间期;为房室传导的时间，即自,波的开始部至,,,波(或,波)开始的时间，一般为,(,,,,(,,秒。 ,,,段:自,波终点至,,,综合波开始的经过时间，即自心房除极完毕至心室开始除极经过的时间，或称,,,段，正常为,(,,,,(,,秒，一般在电平线上。 ,,,综合波:左、右心室除极的全过程形成,,,综合波。典型的,,,波群包含三个紧密相连的波，,波后的第一个向下的波称为,波，其后的第一个向上的波称为,波，,波霜向下的波称为,波。不同导联记录的心电图上这三个波不一定都出现，波形和幅度变化也比较大。,,,波时间为自心室开始激动至心室完全激动所经过的时间，,般为,(,,,,(,,秒，不超过,(,,秒。 ,点(,,,结合点):,,,综合波与,,,段的交接点，该点正常在基线上。 ,,,段:为心室除极完全后，心室早期复极过程的电位变化，是从,渡至,波开始前后的一段电平衡现象。,,段一般在基线上，向上偏移(抬高)不超过,,, (,，’,,导联可抬高,(,,,,)，向下偏(压低)移不超过,(,,,,，占时约,,,(,,秒( ,波:,波为心室的晚期复极波。其波囱与,,,综合波的主波方向一致，在,,导联中可不一致。宽度 一般为,(,,,(,,秒。 ,,,间期:为,波开始至,波终止的时间，代表心室由开始激动状态至完全恢复静止状态的时闻，与心跳的快慢有关。我国平均,,,闻期为,(,,秒。 ,波:心动周期中最后一个小波，意义尚不十分清楚，其方向一般与,波一致，高不超过,(,,,，多见予，、?导联及胸导联中，有时幅度较低，不容易被辨认出 , 重庆大学硕士学位论文 ,绪论来。,(,心电图,,段改变及其临床意义〔,,,,,(,(, ,,段介绍 图,(,急性冠状动脉供血不足睁,电图的演变过程 ,,, ,(, ,,, ,,,,,,,,, ,,,;,,, ,,,,, ,,,,,,,,, ,;,,, ;,,,,,,, ,,,,,, ,,;,,,,, ,,段是指从,,,综合波群终点到,波开始之间的线段，代表心室处于完全去极化状态，其时间长度与心率有关，一般为,,,,,,,,,,。正常情况下，,,段应该无电位差，即应与基线齐平。从心室肌除极,复极过程和心肌细胞的动作电位的机理上看，,,段是复极前的一段持续时间较长的非稳定平衡态，,波是心室的复极过程(当除极或复极顺序由于某种原因被破坏时，将会发生心肌缺血，若心肌缺血一直未得到缓解，将导致心肌坏死、心肌梗死、甚至可能会造成病人猝死。发生心肌缺血时，反映在心电图中就是相应的,,段电平发生显著的变化(抬高或降低)。图,(,为急性冠状动脉供血不足时心电图的演变过程，从中可见,,段变化是心肌缺血的最早迹象。因此若能及时检测并分析,,段的变化情况，对及时治疗病人、拯救病人的生命具有极重要的意义(,(,(, ,,段形态特征 ,,段的改变直接表现在形态上的差异，这也是临床医生常用的判别,,段改变的主要依据。从心室肌的去极化,复极化的过程和心肌细胞的动作电位的机理上看，,,段实际上是心室按照先去极后复极的顺序，在复极前的一段持续时间较长的非稳定平稳状态。 总的来说，,,段形态可以分为三大类:正常、抬高和降低。正常情况下,,段 , 重庆大学硕士学位论文 ,绪论应与基线平齐，如图,,(,)所示。 如舡舡 图,(, ,,段多种压低形态(,)正常,,段;嘞水平型;(;)斜下垂型; (,)弓背型;(;)近似缺血型;?单纯,点型,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,),, ,,,,,,,,,,,,,;,,),, ,,,,,,,船母,,,,，麟溉(母。 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;(,),, ,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,;(,),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,;,啪,,，(, ,,,,,,;,,, , ,,,,, ,,,,,,,,,, 当心室肌去极化，复极化的顺序由于某种原因而被破坏时，,,段就会发生改变，形成各种形态的异常。典型的缺血型,,改变，表现为,,段呈水平或下豢形下移大于,(,,,，下移的,,段与,波的夹角大于,,度，此与缺血型心肌细胞内钾离子浓度异常，细胞出现过渡极化有关，,,段的下移大致有以下几个类型: 水平型:,,段与,波的垂线所形成的夹角等于,,度，如图,(,(,); 斜下垂型:,,段与,波垂线所形成的夹角大于,,度，如图,,(;); 弓背型:临床医师一眼就可以判断，不过机器判断起来由于其,,段呈弧形，所以,点的位置可能会有模糊，考虑到的,波是倒的，所以才容易形成这种形状。,波倒置越明显，,点的斜率越倾向,,度，甚至大于,,度，如图,(,(,); 近似缺血型:对应于弓背型在,波正向时的情况，但相比之下比上一种更为严重，这里,,段与,波的垂线所形成的夹角小于,,度，而且必须在, ,,(,,,度之间才有意义，如图,,(,)所示; 单纯,点型:即斜率小于,,度，这种,,段下移是生理性的，无临床价值，但有些资料认为如果,点的位置下移大于,(,,,，还是有意义的。如图,(,(,所示。 ,,段抬高主要表现为弓背向下型抬高和弓背向上型抬高，分别如图,(,(,)、(,)所示( , 重庆大学硕士学位论文 ，绪论 (,) ,,) 图,(, ,,段抬高形态(,)弓背向下型,,段抬高?弓背向上型,,段抬高 ,,,,(,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,(,),, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,; ?,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,, 由于对应病情不同，通常重点识别,,段弓背型抬高、下垂型压低和水平型压低等形态。,(,(, ,,段改变及临床意义 ,,段对应于心肌缓慢复极期，反应心肌复极过程的变化。正常情况下，,,段位予基线水平上。当心肌复极过程受到由予心肌缺血、结构性心脏病、药物等因素干扰时，心电图上表现为,,段改变。,,段改变包括时程延长或缩短，或从基线向上或向下偏移，也可伴有,波改变。其中,,段偏移又分为:原发性,,段改变和继发性,,段改变。前者与心肌复极有关，后者与心室肌复极无关。,，,,段延长 由于不能准确测定,波终末和,波的起始，故通常测,,间期，极少测,,段时程。,,间期时程有心率依赖性，其变化明显受,,段时程的心率依赖性影响，后者反应心室动作电位平台期时程的心率依赖性。伴束支传导阻滞或预激综合症和高钾皿症的,,间期延长是由于,,,波和,波时程延长(低钙血症所致的是由于,,段时程的延长。与猝死有关的长,,间期综合症是由于,波时程延长和,波明显。由奎尼丁等药物所致的,,段延长是由于,,,波、,,段和,波时程延长，有时可见到,波增宽，其中主要是,波和,波延长，增宽的,波与,波融合，铡定时将,,闻期误为,,间期。由心肌缺血产生的超急性,波引起,,间期延长是由于,波时程的延长。,(,,段缩短 ,,段间期缩短的主要原因是,’,问期缩短。由于较早复极使,,段向量异常，平均终末,波向量变得非常短，甚至消失。高钙血症也可产生相似的改变(部分正常人也可有,,间期缩短。洋地黄制剂可弓,起,,间期缭短。,(,,段抬高 ,,段抬高可为短暂性、较久性和持续性抬高。,,段抬高可能发生于心外膜下 , 重庆大学硕士学位论文 ,绪论心肌损伤、心肌梗死、心包炎、心脏肿瘤或冠状动脉痉挛所致的一过性心肌缺血。除由损伤电流所致,,抬高外，也可由心内膜下心肌所致复极延迟费心外膜下过早复极所致。,,段抬高的另外一个原因是倒置,波后的直立,,波。对,,段抬高的分析应注意动态观察抬高的过程、形态、持续时间与症状关系。 ,,段抬高常见的症状有:迷走神经张力增高、提早复极综合症、变异型心绞痛、急性心肌梗塞、急性心包炎、左室肥厚、左束支阻滞。由运动引起的,,段抬高，常被认为是严重的心肌缺血的另—特征。深入的研究结果表明，由运动引起的,,段抬高，反映了一种更严重或不稳定的缺血性心脏病，,,,,,,,,,,,的各类心绞痛，明显的左心室功能异常、左心室动脉瘤或两者皆有。,(,,段降低 ,,段降低可见于前壁心内膜下心肌缺血或梗死和后壁心外膜下心肌缺血。,,段酶低也可由心腮不同步复极所致。例如心内膜下心肌较早复极或心外膜下心肌复极延迟。另外,,段降低可能由于,波负向,波(,,波)。,,段降低与,波出现相关，是由于心房复极持续到,,段。负向,,波引起,,段下斜。 ,,段压低常见的症状有;典型心绞痛。出现缺 血性,,段下降，下降的,,段呈水平型、下斜型、低垂型。无症状心肌缺血、慢性冠状动脉供血不足、心肌病、左(右)室肥厚、左(右)束支阻滞、洋地黄，奎尼丁等药物中毒(,(, ,,段分析国内外研究现状 对心电图,,段分析的主要内容是,,,瑟波形检测识别和参数提取，准确可靠的波形检测识别和参数提取是,,段分析的关键，也是临床医学诊断的重要依据。计算机对,嗽的自动测量包括以下两部份内容,,,,,,: (,),,段的形态识别:正确识别,,段的形态不仅有助于医生分析,,段变化的原因，也是确定,,段起点和测量点，从而进行正确测量的前提。,,段的形态变化多样，又由于变化频率低，易受如基线漂移等干扰的影响，而不同导联下,,,的波形也有所不弼，这是目前,,段检钡,方法还没有统一的测试的薰要原因。目前,,段的形态识别方法有斜率法、函数拟合法和神经网络分类方法。 斜率法就是依据,,段的斜率来确定,,段的形态。,,段的斜率基本上就是临床心电圈中,,,,,夹角的概念，在一定程度上反映了,,段的形态，对心肌缺血的诊断有重要的意义，是运动实验中诊断心肌缺血的定量指标之一。,,,,,系统对,,段斜率的定义不尽相同，有,点和测量点间的斜率、铡量点和,,段之间的斜率或测量点前后一段距离(一般取前后,,,,)。依据直线,,段的斜率可以确定,,段是上斜型下降、水平型下降还是下斜型下降。函数拟合实质上是通过对,,段进行一次函数或二次抛物线函数拟合来确定,,段起始点，这样能够描述整个,,段的特性，而且使用特征函 , 重庆大学硕士学位论文 ,绪论数抽取方法自适应于传导时间和心率变化。由于,,段变化大，且形态各异，要想真正叛合好,,段的形态是很困难模 南住玻保常薄?荆保础康炔捎昧松窬 缍裕螅远涡翁 掷嗍侗稹?(,),,段的测量:,,段的测量参数有,,段电平、,,段斜率、,,段与等电位线所包围的面积。,,,瑟电平测量就是在,,段上选择一点测量,,段的电平，根据这个点的电平变化进行心肌缺血的判别。它的关键是寻找,,段的测量点和等电位点，并可靠的检测一些特征参量。经过多年发展，对,,段电平测量的方法不断涌现，主要采用的有传统的,，,法，,，,法、搜索窗口法和局部变换法【,删，以及现在的各种新型算法，诸如神经网络，小波变换，?废换等,,,伽。然而由于,,段的复杂性，特别是礅起点的难确定性，给精确定位带来一定的难度。,,段中哪一点可以客观地表示,,段电平，目前尚无一致意见，这一直也是,,段电平测量的一个难题。 ,,段的斜率颡,量实际上也是为了对,,段形态识别。直线型的,,段的斜率是较容易确定的，但对于弓背型、下斜型等非直线型的,,段斜率的确定有一定的困难。目前确定,,段的斜率基本上都是采用近似的方法，常用的有直线法和线性回归法〔,？〔,,,。 ,,段面积是指,,段与基线所包围面积的大小，在一定程度上不仅反映了,,段的抬高与降低的幅度，同时考虑了持续时间的因素，对心肌缺血有动态诊断的参考价值。,,段面积测量采用的方法主要有,,,,,,面积测量法和,,段下降型有效面积测量法。,,,,,,面积测量法计算以,,段与基线的交点至,,段与基线阐的面积，以交点至,设终点的面积来判断,,段与,披的改变。,,,瑟下降型有效面积测量法采用,,段起点(,点)深度相同和,,段终点电平相同两种模式计算面积网。 根据,,段的交化判断心肌缺血(本身藏是一个综合分析的过程，既要钡,量其电平的高低，也要观测其形态，单独依靠某一项指标进行判断是不适宜的。 目前对,,段的分析结果常用以下几种方式表示,,,删: ,)趋势图: 趋势图是将有关心率和,,段的资料，经电子计算机处理后，以连续曲.