多導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)特征檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

彭良廣，龐 宇，王元發(fā)，林金朝，李章勇，陳亞軍

(重慶郵電大學(xué) 光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

0 引 言

心電圖(electrocardiogram，ECG)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)是采用無(wú)創(chuàng)、低廉的方式來(lái)評(píng)估心臟功能。精準(zhǔn)地檢測(cè)心電信號(hào)并提取ECG的特征波形，可發(fā)現(xiàn)心臟的異常情況，對(duì)診斷人體心臟出現(xiàn)的心率失常、心肌缺血與急性心肌梗塞等癥狀具有重要的意義[1,2]。

近年來(lái)，有研究提出了心電信號(hào)檢測(cè)與特征提取的方法。李天涵等采用多導(dǎo)聯(lián)監(jiān)護(hù)儀來(lái)采集日常生活中的心電信號(hào)[3]，但僅檢測(cè)了肢體導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)，沒(méi)有進(jìn)行ECG特征分離。孟歡歡等提出在Android上實(shí)現(xiàn)心電信息的管理，生成診斷報(bào)告[4]，只研究了心電信號(hào)的QRS波群檢測(cè)，沒(méi)有分析其它特征信息。

目前的研究是在人體靜息下分析ECG的特征形態(tài)，而缺乏針對(duì)運(yùn)動(dòng)ECG的特征提取方法研究。本文提出多導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)特征檢測(cè)系統(tǒng)。首先，該系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)的檢測(cè)方式，設(shè)計(jì)易便攜的多導(dǎo)聯(lián)心電采集盒；其次，該系統(tǒng)還包含體征檢測(cè)軟件，利用算法實(shí)現(xiàn)測(cè)量心率并提取PR段的中點(diǎn)以及ST段；另外，在有氧運(yùn)動(dòng)中系統(tǒng)檢測(cè)CM5與Nehb-D導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)，利用測(cè)量的心率值和ST段相對(duì)水平值來(lái)建立線性回歸模型。系統(tǒng)更加全面地分析了ECG的形態(tài)，為評(píng)估心臟功能的狀況提供了特征參數(shù)。

1 系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)的方法

心電信號(hào)特征檢測(cè)系統(tǒng)包括多導(dǎo)聯(lián)心電采集盒和體征檢測(cè)軟件,系統(tǒng)功能框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框架

1.1 多導(dǎo)聯(lián)心電采集

多導(dǎo)聯(lián)心電采集盒采用電極在人體上構(gòu)成多種導(dǎo)聯(lián)的連接方式，其中包括Wilson標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)，CM5與Nehb-D導(dǎo)聯(lián)(電極RA連接右鎖骨下窩處，電極RL電極連接左鎖骨中線第五肋骨間，電極LL連接左肩胛骨下第七肋骨間，電極RL連接腹部位置)[5]，如圖2所示為裝置的功能模塊圖，多導(dǎo)聯(lián)心電采集盒在前端調(diào)理模塊中采用OPA4170和ADS1298芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)心電信號(hào)放大、濾波與模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用32位單片機(jī)STM32L151來(lái)處理多導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)，采用異步串行通信模塊和USB電平轉(zhuǎn)換芯片CH340來(lái)實(shí)現(xiàn)USB傳輸心電數(shù)據(jù)。

1.2 隔離電路的設(shè)計(jì)

為了確保人體與采集模塊的電氣安全，多導(dǎo)聯(lián)心電采集盒設(shè)計(jì)的隔離電路如圖3所示，通過(guò)采用芯片ISOW7812實(shí)現(xiàn)USB電源與采集模塊供電的電氣隔離，模塊的串行通信接口可與CH340數(shù)據(jù)隔離傳輸，滿足醫(yī)用儀器的安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 多導(dǎo)聯(lián)心電采集盒功能模塊

圖3 電源隔離電路原理

1.3 心電信號(hào)的預(yù)處理

多導(dǎo)聯(lián)心電采集盒通過(guò)500 Hz的采樣率來(lái)采集心電信號(hào)，裝置輸出信號(hào)主要混有工頻與肌電高頻噪聲以及基線漂移等干擾。人體在有氧運(yùn)動(dòng)中，由于導(dǎo)聯(lián)電極與體表皮膚的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，裝置采集的心電信號(hào)存在大量的運(yùn)動(dòng)偽跡[6]，導(dǎo)致提取心電信號(hào)的特征波形誤差較大，從而影響系統(tǒng)的檢測(cè)精度。

針對(duì)心電信號(hào)的高頻干擾，系統(tǒng)設(shè)計(jì)截止頻率為50 Hz的40階FIR低通濾波器來(lái)濾除高頻噪聲；針對(duì)心電信號(hào)的運(yùn)動(dòng)偽跡，有研究[7]利用自適應(yīng)相干消噪原理，以人體三軸加速度作為參考信號(hào)，設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波器來(lái)消除運(yùn)動(dòng)偽跡，但在有氧運(yùn)動(dòng)中采集的心電信號(hào)具有非平穩(wěn)特性，當(dāng)參考信號(hào)與心電信號(hào)的低頻段相關(guān)度較大時(shí)，傳統(tǒng)自適應(yīng)算法會(huì)造成ST段檢測(cè)失真。而自適應(yīng)小波變換是結(jié)合小波變換的新型自適應(yīng)濾波算法[8]，是以原始心電信號(hào)為輸入信號(hào)，經(jīng)高頻濾波后，再采用DB3離散小波進(jìn)行分解，并將小波尺度1～8的高頻分量輸入到自適應(yīng)濾波器的參考信號(hào)，再利用最小二乘遞歸算法不斷地更新濾波系數(shù)，并計(jì)算出最優(yōu)濾波系數(shù)。截取一段I導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)，信號(hào)的濾波效果如圖4所示。對(duì)比圖4的上圖與中圖設(shè)計(jì)的低通濾波器可濾除原始信號(hào)的高頻干擾；對(duì)比中圖與下圖系統(tǒng)使用自適應(yīng)小波變換實(shí)現(xiàn)了消除心電信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)偽跡。

圖4 心電信號(hào)濾波前后對(duì)比波形

1.4 心電信號(hào)的特征檢測(cè)

精準(zhǔn)地定位心電信號(hào)的R波峰對(duì)于計(jì)算心率值具有重要的作用，有研究[9]采用了差分閾值與模板匹配算法作對(duì)比，實(shí)現(xiàn)定位標(biāo)準(zhǔn)心電信號(hào)的R波。研究的算法在計(jì)算量和實(shí)時(shí)效率上具有優(yōu)勢(shì)。

為了適應(yīng)R波和T波倒置的心電信號(hào)，系統(tǒng)采用差分平方閾值法來(lái)實(shí)現(xiàn)定位R波峰。如圖5所示為算法的流程圖，該算法首先以極值法搜索到最高點(diǎn)作為第一個(gè)R波峰，然后采用三點(diǎn)差分平方，再綜合設(shè)定的滑動(dòng)閾值和相鄰R波峰范圍來(lái)判定當(dāng)前波形點(diǎn)是否為R波波峰，從而記錄兩個(gè)相鄰R波峰之間的點(diǎn)數(shù)。實(shí)時(shí)心率值HR的計(jì)算公式如式(1)所示

(1)

式中：RR0為兩個(gè)相鄰R波間期，F(xiàn)s為信號(hào)的采樣率。

圖5 定位R波的算法流程

在單個(gè)周期內(nèi)心電信號(hào)的特征檢測(cè)算法是將R波的波峰作為參考點(diǎn)，利用R波前后的斜率變化來(lái)快速定位到QRS波群的起點(diǎn)，通過(guò)幅度閾值法搜索P波的終點(diǎn)，提取P波終點(diǎn)與QRS波群的起點(diǎn)之間的部分作為PR段，以PR段中點(diǎn)幅值作為心電信號(hào)的基線幅度值xi。 再將QRS波群的終點(diǎn)記為J點(diǎn)，然后采用J點(diǎn)向后延遲時(shí)間為Xms的方式來(lái)定位ST段，并以當(dāng)前點(diǎn)的幅值記為STi。 如式(2)所示為延遲時(shí)間X與心率HR構(gòu)成分段函數(shù)，計(jì)算ST段的相對(duì)水平值ST_Level如式(3)所示

(2)

ST_Level=STi-xi

(3)

式中：xi為第i個(gè)ECG周期內(nèi)的基線幅度值，STi為定位第i個(gè)ECG周期內(nèi)的ST段幅度值，ST_Level為ST段的相對(duì)水平值。

2 體征檢測(cè)軟件

檢測(cè)軟件采用Delphi語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)軟件的設(shè)計(jì)，調(diào)用Delphi的串口Spcomm控件實(shí)時(shí)接收多導(dǎo)聯(lián)心電采集盒輸出的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)心電信號(hào)預(yù)處理和特征提取算法，利用Iplot控件將處理后的數(shù)據(jù)繪制曲線，從而顯示在靜息下的十二導(dǎo)聯(lián)ECG以及有氧運(yùn)動(dòng)中CM5與Nehb-D導(dǎo)聯(lián)ECG，實(shí)現(xiàn)體征參數(shù)的計(jì)算。

2.1 十二導(dǎo)聯(lián)心電顯示

為了綜合評(píng)估心臟各個(gè)部位的功能狀況，導(dǎo)聯(lián)電極是按照標(biāo)準(zhǔn)解剖學(xué)的位置連接在體表上，實(shí)現(xiàn)在靜息下檢測(cè)Willson十二導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)。體征檢測(cè)軟件顯示的肢體導(dǎo)聯(lián)和V1…V6胸前單導(dǎo)聯(lián)ECG如圖6所示，通過(guò)定位R波算法計(jì)算心率值，從而便于分析體征參數(shù)。

圖6 十二導(dǎo)聯(lián)心電波形顯示界面

2.2 有氧運(yùn)動(dòng)的ECG采集

為了減少在有氧運(yùn)動(dòng)中因?qū)?lián)電極過(guò)多而產(chǎn)生的不便，多導(dǎo)聯(lián)心電采集盒切換為雙極胸導(dǎo)聯(lián)采集運(yùn)動(dòng)心電信號(hào)，從而求解CM5與Nehb-D導(dǎo)聯(lián)的體征參數(shù)。

體征檢測(cè)軟件根據(jù)錄入被測(cè)試者的基本信息來(lái)計(jì)算次最大心率值THR，計(jì)算的公式如下

THR=195-age

(4)

式中：age為被測(cè)試者的年齡，THR為對(duì)應(yīng)的次最大心率值。系統(tǒng)將靶心率的閾值設(shè)定THR的80%-90%，當(dāng)被測(cè)試者的心率達(dá)到靶心率時(shí)，則判定被測(cè)試者處于有氧運(yùn)動(dòng)[10]。

在有氧運(yùn)動(dòng)中，隨著心率的增加，檢測(cè)CM5與Nehb-D導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)ST段的幅值隨心率值呈線性相關(guān)變化[11]。特征參數(shù)檢測(cè)軟件選取相隔大于5 bpm的3個(gè)心率值HRi與對(duì)應(yīng)ST段相對(duì)水平值ST_Leveli建立線性擬合模型。計(jì)算斜率值slope的公式如下

(5)

3 結(jié)果與分析

3.1 多導(dǎo)聯(lián)ECG采集裝置

多導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)特征檢測(cè)系統(tǒng)采用心電采集盒作為ECG采集裝置，如圖7所示為采集裝置的外觀圖。采集盒長(zhǎng)6 cm、寬5 cm和高2 cm，包含導(dǎo)聯(lián)電極與USB接口。心電采集盒具有體積小、易便攜的特點(diǎn)。

圖7 多導(dǎo)聯(lián)心電采集盒設(shè)計(jì)外觀

3.2 心電信號(hào)特征提取

在體征檢測(cè)軟件上設(shè)計(jì)了自適應(yīng)小波變換，用于濾除心電信號(hào)的運(yùn)動(dòng)偽跡，同時(shí)通過(guò)信號(hào)特征檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)提取心電信號(hào)的特征波形。如圖8所示為被測(cè)試者在有氧運(yùn)動(dòng)負(fù)荷實(shí)驗(yàn)下定位CM5與Nehb-D導(dǎo)聯(lián)的心電信號(hào)時(shí)域波形圖，被測(cè)試者的心率分別為113 bpm與120 bpm。其中，對(duì)R波定位采用小圓點(diǎn)標(biāo)識(shí)，對(duì)PR段基線、J點(diǎn)以及ST段終點(diǎn)的定位采用短豎線標(biāo)識(shí)。從時(shí)域波形圖可以看出，系統(tǒng)可矯正運(yùn)動(dòng)心電信號(hào)中的基線，并可以實(shí)時(shí)地定位ECG的PR段中點(diǎn)、QRS波群與ST段。

圖8 在有氧運(yùn)動(dòng)下軟件定位心電信號(hào)的特征波形

隨機(jī)選取10名健康的被測(cè)試者，并讓各測(cè)試者處于有氧運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)分別定位各組心電信號(hào)的特征波形，以統(tǒng)計(jì)特征檢測(cè)的QRS波群的總數(shù)。采用標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀檢測(cè)QRS波群的數(shù)量作為參考，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀，系統(tǒng)檢測(cè)QRS波群的準(zhǔn)確率可以達(dá)到99%以上。

3.3 斜率計(jì)算

系統(tǒng)利用最小二乘擬合將被測(cè)試者的心率與ST段相對(duì)水平幅值建立線性模型，求解CM5與Nehb-D導(dǎo)聯(lián)的斜率值，如圖9所示為心率與ST相對(duì)水平幅度值的線性擬合曲線圖，并分別求解出兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)對(duì)應(yīng)的斜率值。測(cè)試結(jié)果表明，在有氧運(yùn)動(dòng)中被測(cè)試者的CM5與Nehb-D導(dǎo)聯(lián)對(duì)應(yīng)的ST段出現(xiàn)壓低，并隨著心率值的增加，ST段壓低的幅值會(huì)變大。

圖9 心率與ST水平值線性擬合曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

為了評(píng)估心臟的健康狀況并提供相關(guān)的體征參數(shù)，設(shè)計(jì)一套便攜式的多導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)特征檢測(cè)系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)采用多導(dǎo)聯(lián)心電采集盒實(shí)時(shí)檢測(cè)心電信號(hào)，通過(guò)體征檢測(cè)軟件可顯示十二導(dǎo)聯(lián)以及CM5與Nehb-D導(dǎo)聯(lián)ECG，采用了自適應(yīng)小波變換算法濾除運(yùn)動(dòng)心電信號(hào)的基線漂移，設(shè)計(jì)信號(hào)特征檢測(cè)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)定位心電信號(hào)的QRS波群、ST段以及PR中點(diǎn)。在有氧運(yùn)動(dòng)中測(cè)量心率值和ST段相對(duì)水平值，采用最小二乘擬合將測(cè)量結(jié)果建立線性關(guān)系，可求解斜率值。結(jié)果表明，系統(tǒng)能輸出平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)心電信號(hào)，檢測(cè)QRS波群的準(zhǔn)確率大于99%，檢測(cè)多導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)的精度較高。

多導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)特征檢測(cè)系統(tǒng)不僅可為查看心臟情況提供參考，對(duì)系統(tǒng)稍加改進(jìn)，后續(xù)還可應(yīng)用到患者康復(fù)訓(xùn)練效果的評(píng)估與遠(yuǎn)程智慧醫(yī)療監(jiān)護(hù)之中。