基于虛擬儀器的高頻心電信號自動(dòng)檢測方法

1、引 言

高頻心電信號（HFECG）指心電信號（ECG）中頻率大于100Hz的高頻成份，HFECG對缺血性心臟病，如冠心病的早期診斷有很高價(jià)值[1-2]?；跁r(shí)域分析方法的HFECG檢測主要運用傳統的一階微分、二階微分算法來(lái)檢出高頻成份[3-4]，但完整信號時(shí)域內的搜索判斷易受高頻干擾的影響且數據運算量大。相比之下，在已具備R峰點(diǎn)檢出信息的基礎上，通過(guò)充分運用LabVIEW虛擬儀器系統的強大信號處理功能[5]，文章探索一種基于LabVIEW的HFECG快速、準確的計算機自動(dòng)檢測方法。

2、HFECG的分類(lèi)、特點(diǎn)及判別依據

心電信號中的高頻成份通常分為以下三種類(lèi)型[6]：

（1）切跡（Notching，以N表示）。指在ECG中某一波的上升支或下降支上既有斜率改變又有方向改變的節段（各波峰頂除外），時(shí)程≤10ms稱(chēng)為高頻切跡，超過(guò)10ms則稱(chēng)為低頻切跡；

（2）扭挫（Slurring，以S表示）。指僅有斜率改變而無(wú)方向改變的節段，其時(shí)程和切跡相同；

（3）頓結（Beading，以B表示）。指波出現停頓，無(wú)斜率和方向上在改變，在圖上則表現為粗大的點(diǎn)狀[7]。

上述高頻成份必須在接續心動(dòng)周期的對應位置連續出現3次以上，且形態(tài)相同，方可認定為高頻成份。P、Q、R、S、T各波均可能出現高頻成份，但目前的研究范圍通常指QRS波群上的高頻成份[6-7]，本文也只討論QRS波上高頻成份的檢測方法。

3、基于LabVIEW的HFECG快速檢測方法

因本文只討論QRS波上的高頻部份的自動(dòng)檢測識別，不涉及QRS波（或R波）的前期識別方法，故假定QRS波位置、幅值信息為已知，有關(guān)QRS波的識別方法參見(jiàn)文獻[8-9] ，本文已采用此法來(lái)預輸出QRS參數。

在LabVIEW8.0/8.2中，新增了一個(gè)功能強大的“Waveform Peak Detection.vi”，這一VI的功能是檢測出輸入波形中設定閾值范圍內的所有波峰點(diǎn)（Peak）或波谷點(diǎn)（Valley）[9]。

在該VI的輸出中，包含了以下重要信息：

1. 所有波峰/波谷點(diǎn)的幅值（Amplitudes）；

2. 所有波峰/波谷點(diǎn)的二階導數（2nd Derivatives）；

3. 所有波峰/波谷點(diǎn)的位置索引（在波形數據序列中的序號）；

4. 找到的波峰/波谷點(diǎn)總數。

這些數據均以數組的形式同時(shí)輸出，相互對應，供用戶(hù)直接使用。

3.1 切跡（Notching）檢測

高頻心電信號中的切跡就表現為相鄰Peak點(diǎn)和Valley點(diǎn)之間的部份，可在該VI的輸出序列中通過(guò)一定的方法檢出，從而避免切跡識別時(shí)再遍歷搜索完整的時(shí)域數據，提高切跡識別的速度和效率。具體方法步驟為：

1、獲取當前QRS波的位置和幅值信息（QRS波信息由前級程序輸出提供，本文不涉及）；

2、以R峰點(diǎn)為參考點(diǎn)，向前、向后由“Waveform Peak Detection.vi” 分別輸出Q-R段及R-S段內的所有波峰點(diǎn)（Peak）或波谷點(diǎn)（Valley）；

3、R峰前上升支以Peak點(diǎn)為起點(diǎn)、Valley點(diǎn)為止點(diǎn)統計切跡，R峰后下降支以Valley點(diǎn)為起點(diǎn)、Peak點(diǎn)為止點(diǎn)統計切跡，

4、記錄并統計一定域值（位置）范圍內的切跡數，當連續在給定域值范圍內的相應位置出現3次以上時(shí)，判定為切跡。

當判斷結果有切跡時(shí)，不再進(jìn)行扭挫和頓結的檢測，否則繼續進(jìn)行下面扭挫和頓結的檢測。

3.2 扭挫（Slurring）和頓結（Beading）檢測

若上述步驟中沒(méi)有發(fā)現QRS上的切跡，則分別對R峰點(diǎn)左右半支的Q-R段和R-S段求微分（可直接用LabVIEW的VI求微分），并進(jìn)行如下判別：

1、 一階微分不過(guò)零，僅二階微分過(guò)零，判為扭挫；

2、 一、二階微分連續兩點(diǎn)為零，判為頓結；

記錄一定域值（位置）范圍內的扭挫或頓結數，當連續在相應位置出現3次以上時(shí)，判定為高頻成份。

3、 它情況判定QRS波上無(wú)高頻成份

3.3 QRS段正確分離說(shuō)明

準確的QRS波特征點(diǎn)位置/幅值信息是檢出QRS波高頻成份的保證，這當中，對于R峰點(diǎn)來(lái)說(shuō)，由于其明顯的幅頻特性可以保證前級程序對R波準確的識別率，但就Q、S波來(lái)說(shuō)，不同導聯(lián)下的情況差別較大，有時(shí)ECG中并無(wú)典型的Q或S點(diǎn)，這時(shí)可采用取R峰兩側合理時(shí)限內的端點(diǎn)來(lái)作為Q或S點(diǎn)，本文取R峰點(diǎn)兩±0.04s作為Q、S點(diǎn)，最后在“Waveform Peak Detection.vi”的輸出序列中去除小于零的點(diǎn)即可（因為在ECG中，R波前第一個(gè)小于零的點(diǎn)定義為Q點(diǎn)，R波后第一個(gè)小于零的點(diǎn)定義為S點(diǎn)，則此時(shí)不作切跡看待）。

3.4 HFECG檢測算法流程

通過(guò)上述分析，現給出的QRS波高頻成份檢測完整的算法流程，如圖1所示。

圖1 QRS波中高頻成份檢測的算法流程

4、算法基于LabVIEW的編程實(shí)驗

4.1 實(shí)驗結果輸出

按圖1的算法流程，基于LabVIEW8.2編制相應程序（程序后面板略），采用MIT-BIH庫數據中的ECG進(jìn)行實(shí)驗，部份典型的實(shí)驗結果如圖2、圖3所示。

圖2 QRS波上的高頻成份檢測結果

（R波上升支部份）

圖3 QRS波上的高頻成份檢測結果

（R波下降支部份）

4.2實(shí)驗輸出面板圖示說(shuō)明

圖2、圖3中從上到下的4個(gè)波形顯示器分別是LabVIEW同步輸出的如下波形成份：

1、原始ECG波形

2、分離出的QRS波部份

3、R波上升支（R波左）高頻成份指示

4、R波下降支（R波右）高頻成份指示

圖中虛線(xiàn)為指示當前R峰點(diǎn)的手動(dòng)繪制輔助線(xiàn)，其它為系統輸出，橫坐標為當前讀取數據段的序列點(diǎn)順序號。輸出過(guò)程分開(kāi)顯示僅僅是為了便于觀(guān)察實(shí)驗結果，實(shí)際的檢測過(guò)程是同步進(jìn)行的，可直接輸出QRS波高頻成份的最終檢測結果。

5、實(shí)驗結果分析

從實(shí)驗檢測的結果可以看出，用該方法可以較為準確地將R波兩側的高頻成份識別出來(lái)，為充分說(shuō)明實(shí)驗結果的正確性，圖中所示的兩組ECG均不是正常情況下的ECG，不難理解，對于正常ECG波形上的高頻成成份，其檢出率更好，實(shí)驗過(guò)程也證實(shí)了這一點(diǎn)。當然，本文討論的QRS波中HFECG的檢測方法，依賴(lài)于前級系統給出的正確的R峰點(diǎn)信息，錯誤的R峰位置信息必然會(huì )導致本方法的失效。

6、結論

基于虛擬儀器LabVIEW來(lái)實(shí)現QRS波的高頻成份檢測，在充分運用其強大信號處理能力的基礎上，大大簡(jiǎn)化了ECG處理過(guò)程的算法復雜度，省去了大量的信號處理環(huán)節，該方法檢出R波切跡時(shí)所用的數據量極少（通常只為個(gè)位數量級），判斷扭挫或頓結時(shí)，也只取R波左右支進(jìn)行分析，而且不必重復進(jìn)行，其結果是處理速度快且算法簡(jiǎn)化，高頻成份的檢出率高，是一種HFECG自動(dòng)檢測領(lǐng)域的適用方法。

參考文獻

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[9] 黃進(jìn)文，王威廉?；贚abVIEW的心電信號QRS波群離散極值點(diǎn)識別法[J].云南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，30（2）：129-134.

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