心電圖機檢定儀ECG組合測試波形的檢測識別

/ .天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院；.天津陸海石油設備系統(tǒng)工程有限責任公司

0 引言

目前所使用的心電圖機檢定儀都需要輸出ECG組合測試波形（心電仿真信號）對數(shù)字心電圖機進行計量檢定，因此其輸出的ECG 組合測試波形的準確與否至關(guān)重要。為了能夠?qū)CG組合測試波形進行計量檢定或校準，就需要對ECG組合測試波形進行識別，以獲取P、QRS和T波的各種參數(shù)(包括幅度、時間間隔等)[1,2]。

心電ECG信號的檢測和識別在心電分析中具有重要作用，一直以來都是國內(nèi)外學者研究的熱點。心電ECG信號檢測識別方法大都通過確定其波群的位置、寬度、幅度及頻率帶寬來進行檢測和識別。目前的方法有基于濾波和幅度閾值的QRS波檢測方法[3]、數(shù)學形態(tài)學結(jié)合包絡提取的QRS波檢測方法[4]、基于小波變換的ECG波形信號檢測方法[5]、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的QRS波形信號檢測方法[6]等，但是目前對心電圖機檢定儀所輸出的ECG組合測試波形還沒有相應的方法，尤其是對P波和ST波水平段的檢測識別國內(nèi)外的研究很少。本文主要研究心電圖機檢定儀ECG組合測試波形的檢測識別方法。

方法是基于虛擬儀器技術(shù)的心電圖機檢定儀ECG組合測試波形的檢測識別[7]，通過數(shù)據(jù)采集卡對心電圖機檢定儀輸出的ECG組合測試波形采集的信號以數(shù)組的形式儲存，然后對ECG組合測試波形進行檢測及特征點的識別，對識別的特征點在波形圖中標記，并顯示其幅值，儲存位置信息，最后依據(jù)公式計算出各波形的時間間隔，完成心電圖機檢定儀ECG組合測試波形的檢測和識別。軟件編制使用LabVIEW圖形化編程軟件[7]。

1 ECG組合測試波形識別流程

對心電圖機檢定儀ECG組合測試波形的檢測是借助LabVIEW強大的信號處理功能、采用基于閾值的ECG信號的方法，利用相鄰兩點的斜率變化來識別，比較其對應波形的上升或下降斜率的不同，來定位心電圖機檢定儀ECG組合測試波形的幅值拐點和位置，通過檢測波形序列對時間的導數(shù)（斜率的變化即一階導數(shù)值）并與由實驗獲得的一階導數(shù)閾值和幅度閾值相結(jié)合來定位QRS復合波以及P波和T波的位置和幅值，最后計算出所需要的時間間隔。

ECG組合測試波形檢測識別流程如圖1所示。

圖1 ECG 組合測試波形識別流程

首先對ECG信號進行一階導數(shù)的運算，同時找出R波峰值和位置。然后依次找出T波、ST段水平波、P波、Q波的峰值點和位置，最后對尋找到的各波的峰值點和位置進行分析和處理。

2 ECG組合測試波形檢測與識別

心電圖機檢定儀ECG組合測試波形的檢測識別如圖2所示，其中蘭色標記為波形檢測所確定的位置。

圖2 ECG組合測試波形檢測識別的波形位置和時間間隔

2.1 確定R波的幅值和位置

因為R波在ECG組合測試波形中幅值最大，依據(jù)心電圖機檢定儀的技術(shù)指標預先設定R波幅值和RR間隔范圍，檢測在范圍內(nèi)所有的幅值，對小于RR間隔值一半的幅值的一組取平均值作為R波幅值參考值，選擇最接近參考值的幅值作為R波幅值A6和位置t1。

向前、后搜尋相鄰的R波幅值，任取前面或后面的R波幅值的位置作為另一R波的位置t1′，則為R波的時間間隔T1（向前、后搜尋是為了避免t1位置是第一個波或最后一個波而找不到t1′位置）。從t1處反向搜尋ECG波形，當其幅值趨于零（幅值閾值）時，確定t2位置。

對ECG組合測試波形進行一階導數(shù)運算，利用相鄰兩點的斜率變化來識別。當斜率由正變負，即一階導數(shù)過零點則為R波后的第一個R波波谷幅值A7并確定其位置t3；繼續(xù)搜尋，當斜率由負變正，即一階導數(shù)再次過零點則確定R′波幅值A8和其位置t4。

2.2 確定T波的幅值和位置

從t4位置繼續(xù)搜尋，幅值最接近零點的位置為t5，一階導數(shù)逐步減小且在零值附近（即導數(shù)閾值內(nèi)），當一階導數(shù)突變、遠離導數(shù)閾值時確定ST段水平波的幅值A9和T波起始位置t6；當一階導數(shù)過零點，則確定T波幅值A10；繼續(xù)搜尋，當一階導數(shù)趨于零（導數(shù)閾值）和幅值趨于零（幅值閾值）時，則確定T波終結(jié)點位置t7，計算T波間隔：T10=t7-t6。

2.3 確定P波的幅值和位置

從t7位置繼續(xù)搜尋，幅值和一階導數(shù)應在零點（導數(shù)閾值）附近。當一階導數(shù)再次突變時，此時確定P波的起始位置t8，從t8開始，搜尋一階導數(shù)趨于零（導數(shù)閾值）的位置t9、t10、t11，這些位置的幅值就是P波的極值點，即P波峰值A2、P波谷值A3和P′波峰值A4；當幅值趨于零（幅值幅值）和一階導數(shù)趨于零時（導數(shù)幅值）的位置t12，就是P波的終結(jié)位置，則P波時間間隔：T2=t12-t8。

2.4 確定Q波的幅值和位置

從t12位置繼續(xù)搜尋，幅值和一階導數(shù)應在幅值零點（幅值閾值）導數(shù)零點（導數(shù)閾值）附近，當一階導數(shù)再次突變時，此時確定Q波的起始位置t13。當斜率由負變正，即一階導數(shù)過零點則可以確定Q波的位置t14和Q波的幅值A5；當幅值過零點時，即為Q波的終結(jié)位置t15，直到下一個R波幅值的位置t1′；繼續(xù)搜尋t16（與搜尋t4方法相同）、t17（與搜尋t5方法相同）、t18（與搜尋t7方法相同），一個完整的ECG組合測試波形搜尋結(jié)束。

2.5 確定ECG組合測試波形幅值和時間間隔

經(jīng)過檢測ECG組合測試波形，各個波形的幅值在上面的檢測過程中已經(jīng)得到，A1幅值可以通過波形測量直接獲得，各波形的位置也已確定，利用下面的公式來確定ECG組合測試波形的各個波形的時間間隔；

RR 時間間隔T1：T1=t1′ -t1；

P波時間間隔T2：T2=t12-t8；

QRS復合波時間間隔T3：T3=t5-t13；

Q波時間間隔T4：T4=t15-t13；

R波時間間隔T5：T5=t5-t15；

PQ波時間間隔T6：T6=t13-t8；

QT波時間間隔T7：T7=t7-t13；

QR波時間間隔T8：T8=t1-t13；

QR′波時間間隔T9：T9=t4-t13；

T波時間間隔T10：T10=t7-t6；

TP 波時間間隔T11：T11=t12-t6。

3 ECG組合測試波形檢測識別的實驗

按照心電圖機檢定儀ECG組合測試波形檢測識別流程構(gòu)建LabVIEW程序，使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡對ECG組合測試波形進行采集，采樣率為1 MS/s。R波的閾值設定為R波標準值的最大允許誤差之間。心電圖機檢定儀輸出幅值為2 mV的ECG組合測試波形，其檢測識別結(jié)果如圖3。

實驗顯示，該方法可以準確檢測識別出幅值參數(shù)A1～A10和時間間隔參數(shù)T1～T11，并且可以通過指示燈直觀顯示結(jié)果是否合格。

圖3 ECG組合測試波形LabVIEW識別

4 結(jié)語

本文提出了基于虛擬儀器技術(shù)的ECG組合測試波形檢測識別方法，使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡對ECG組合測試波形進行采樣，并把采集到的信號進行檢測及識別。本文構(gòu)建了硬件結(jié)構(gòu)并設計了檢測識別軟件，對采集的心電圖機檢定儀ECG組合測試波形進行實驗，通過分析說明該方法可以快速準確地對心電圖機檢定儀輸出的ECG組合測試波形進行檢測、識別和分析，且準確度高。

[1]全國無線電計量技術(shù)委員會.JJG 1041-2008 [S].中國計量出版社, 2008.

[2]全國無線電計量技術(shù)委員會.JJG 749-2007 [S].中國計量出版社,2007.

[3]AdriaanLigtenberg, Murat Kant, A Robust.Digital QRS Detection Algorithm for Arrhythmia Monitoring[J].Computers and Biomedical Research, 1983(16): 273-286.

[4]陳永利, 段會龍.基于數(shù)學形態(tài)學和信號包絡提取的QRS波檢測[J].中國生物醫(yī)學工程, 2007, 26(3): 332-335.

[5]張勇, 張萍.小波變換在心電圖識別系統(tǒng)中的應用[J].石油化工高等學校學報，2007(9): 89-92.

[6]蔣德育, 劉光遠, 龍正吉.基于心電P-QRS-T波的特征提取及情感識別[J].計算機工程與應用, 2009(8): 213-215.

[7]Jeffrey Travis,Jim Kring.LabVIEW 大學實用教程，3版[M].喬瑞萍，譯.北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.