高通濾波電路對(duì)心電波形ST段精確測(cè)量的影響研究

【作 者】宋艷濤，朱彩兵，魏蘭蘭，王凡，葉繼倫，張旭，黃曉東

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

0 前言

心電波形ST段是由QRS波群結(jié)束到T波開始的平線，正常時(shí)接近于等電位線。心電ST段波形如圖1所示。

圖1 典型心電信號(hào)Fig.1.Typical ECG waveform

ST段偏移是指ST段的電平相對(duì)于等電位處的偏差。ST段偏移的測(cè)量主要是確定兩個(gè)點(diǎn)：等電位點(diǎn)（ISO點(diǎn)）和ST測(cè)量點(diǎn)。等電位點(diǎn)一般選擇P波和R波之間的PR段中的一點(diǎn)，而ST點(diǎn)選擇R+X點(diǎn)。R+X點(diǎn)是指以R波頂點(diǎn)為基準(zhǔn)，往后X點(diǎn)作為ST段的測(cè)量點(diǎn)，ISO點(diǎn)默認(rèn)值為80 ms，ST測(cè)量點(diǎn)默認(rèn)值為108 ms。

高通濾波電路常接在前置放大器與后一級(jí)的電壓放大器之間，其作用主要是隔去前置放大器的直流電壓和直流極化電壓以及去除基線漂移這類低頻噪聲。但是ECG信號(hào)中ST段的頻率也很低，其頻譜與基線漂移非常接近，甚至可能重疊，正常情況下ST段多與等電位線平行，或有輕度的上下偏移；故如果使用的高通濾波器設(shè)計(jì)不合理則會(huì)引起ST段的失真。

1 心電波形ST段形態(tài)及意義

ST段正常的時(shí)限為J點(diǎn)之后的0.08 s～0.15 s，其長(zhǎng)度受心率的影響。正常人的ST段多位于基線上，通常呈等電位。肢體導(dǎo)聯(lián)抬高和胸導(dǎo)聯(lián)V4～V6抬高不超過0.1 mV，壓低不超過0.05 mV，在胸導(dǎo)聯(lián)V1～V3導(dǎo)聯(lián)上抬高不超過0.3 mV。

近些年來，人們經(jīng)過大量的臨床實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，心電圖中的ST段的變化與大多數(shù)心血管疾病都有著緊密的聯(lián)系，如冠心病、心肌炎、心肌病及其它各種器質(zhì)性心臟病，其中以冠心病中的心肌缺血現(xiàn)象最為典型。因而，對(duì)于ST段的分析就顯得尤為重要了。

ST段的改變具有重要的臨床意義，因此，研究高通濾波電路對(duì)心電波形ST段影響具有重要的意義。

2 時(shí)間常數(shù)電路對(duì)ST段影響

2.1 性能測(cè)試

利用已經(jīng)搭建的心電檢測(cè)硬件平臺(tái)(圖2)將高通濾波電路分別調(diào)整為0 Hz、0.05 Hz、0.15 Hz和0.5 Hz，用心電模擬器MPS450調(diào)整心電波形ST段設(shè)置，并利用搭建好的軟件平臺(tái)來分別測(cè)試其對(duì)心電波形ST段的影響，軟件平臺(tái)如圖3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室硬件平臺(tái)Fig.2 Hardware platform of laboratory

圖3 心電波形檢測(cè)軟件平臺(tái)Fig.3 The software platform of ECG detection

MPS450可以調(diào)整等于或低于180 BPM(Beats Per Minute)的成人正常竇波的ST段，19 個(gè)可編程設(shè)置（mV）包括了從-0.8 mV 到+0.8 mV（步長(zhǎng)為0.1 mV）以及+0.05 mV 和-0.05 mV。其指定的抬高/降低量是針對(duì)LeadⅡ的每mV ECG 幅值的變化，其它導(dǎo)聯(lián)都是按比例分配。

心電模擬器MPS450輸出的心電信號(hào)為80 BPM、1.0 mV的心電信號(hào)，分別測(cè)試在診斷模式下某知名公司監(jiān)護(hù)儀（2010年生產(chǎn)）0.05 Hz的高通濾波對(duì)ST段影響和搭建心電檢測(cè)硬件平臺(tái)0.05 Hz高通濾波對(duì)ST段影響，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 心電檢測(cè)平臺(tái)與某知名公司監(jiān)護(hù)儀對(duì)比Fig.4 The platform of ECG detection compared with a established company's monitor

從圖4中可以看出所搭建的心電檢測(cè)硬件平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果與某知名公司監(jiān)護(hù)儀（2010年生產(chǎn)）的測(cè)試結(jié)果基本一致，在ST偏移為負(fù)值時(shí)和期望值有一定的偏差，但是通過調(diào)節(jié)ISO和ST測(cè)量點(diǎn)可以達(dá)到期望值。從圖4可以說明搭建的心電檢測(cè)平臺(tái)的性能可以達(dá)到要求，可以用來測(cè)試高通濾波對(duì)心電波形ST段的影響。

2.2 調(diào)整ST段設(shè)置測(cè)試不同濾波模式影響

用心電模擬器MPS450調(diào)整心電波形ST段包括了從-0.8 mV 到+0.8 mV（步長(zhǎng)為0.1 mV）以及+0.05 mV 和-0.05 mV，指定的抬高/降低量是針對(duì)LeadⅡ。

心電模擬器MPS450輸出80 BPM、1.0 mV的心電信號(hào)，測(cè)試在診斷模式下各個(gè)高通濾波對(duì)心電波形ST段的影響（在默認(rèn)的ISO點(diǎn)和ST測(cè)量點(diǎn)模式下），測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 調(diào)整ST段設(shè)置測(cè)試不同濾波模式下的影響（HP：高通濾波）Fig.5 Adjusting the setting of ST-segment and testing the effect of different filtering modes（HP：high-pass filter）

從圖5可以看出，隨著高通濾波的截止頻率越低，曲線越靠近期待值，即截止頻率越低對(duì)ST段影響越小。

2.3 不同濾波模式對(duì)ST段影響

利用心電模擬器MPS450分別調(diào)整ST段偏移量為0 mV、0.2 mV、0.4 mV、-0.2 mV及-0.4 mV，分別測(cè)試在不同的濾波模式下對(duì)心電波形ST段的影響,其中，當(dāng)ST段設(shè)置為-0.2 mV和-0.4 mV時(shí)，需要調(diào)整ISO點(diǎn)和ST測(cè)量點(diǎn)，以得到預(yù)期的結(jié)果，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同濾波模式對(duì)ST段影響Tab.1 The effect of different filtering modes on ST-segment

從表1可以看出，信號(hào)在高通截止頻率為0 Hz、0.05 Hz時(shí)對(duì)信號(hào)基本沒有影響，在高通截止頻率為0.15 Hz時(shí)對(duì)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生影響，當(dāng)高通截止頻率為0.5 Hz時(shí)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響導(dǎo)致波形失真。

3 結(jié)論

從上述測(cè)量結(jié)果可以看出，高通濾波的截止頻率越低，測(cè)量的結(jié)果就越接近期待值。心電圖機(jī)檢定規(guī)程規(guī)定合格心電圖機(jī)的時(shí)間常數(shù)不小于3.2 s。因此，為了保證心電信號(hào)不失真地耦合到下一級(jí)，必須選擇合適的電阻和電容，確保時(shí)間常數(shù)不低于3.2 s。

在監(jiān)護(hù)產(chǎn)品中，針對(duì)心電的應(yīng)用常有診斷、監(jiān)護(hù)和手術(shù)等模式，其中監(jiān)護(hù)模式下的濾波頻帶是0.5 Hz～40 Hz，手術(shù)模式下是1 Hz～25 Hz，其高通截止頻率均大于等于0.5 Hz，會(huì)對(duì)心電波形的ST段測(cè)量產(chǎn)生顯著性的影響，將直接影響基于ST段的臨床診斷。

因此，在這兩個(gè)模式的應(yīng)用時(shí)，建議將ST段監(jiān)測(cè)功能關(guān)閉，當(dāng)需要ST段監(jiān)測(cè)功能時(shí)，則可以增加ST段模式，即設(shè)置0.05 Hz～40 Hz的濾波頻帶，這樣就能進(jìn)行準(zhǔn)確的ST段測(cè)量。

另外在本文的研究中，如采取直接耦合方式的心電測(cè)量功能，更能不失真地實(shí)現(xiàn)對(duì)ST段的準(zhǔn)確測(cè)量，是未來獲取高質(zhì)量的診斷心電信號(hào)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)方案。

[1]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 543-2008 心電圖機(jī)檢定規(guī)程[S].

[2]葉繼倫,鄭崇勛,黃燕.心率變化對(duì)心電信號(hào)各波間期的影響分析[J].生物醫(yī)學(xué)工程雜志.1999,16(1): 50-53.

[3]李露.心電信號(hào)ST段分析研究.重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文[D].2007.

[4]范曉東,朱澤煌,楊世豪.動(dòng)態(tài)心電圖ST-T段參數(shù)測(cè)量方法[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志.1997,14(1): 51-53.

[5]陳琛.動(dòng)態(tài)心電圖ST-T改變的臨床價(jià)值[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)導(dǎo)報(bào).2006,3(29): 82-83.

[6]李逢川,梁佳瓊.ST-T改變的診斷價(jià)值現(xiàn)狀和進(jìn)展[J].四川醫(yī)學(xué).2009,30(1): 150-152.