心电信号的检测技术与临床应用说明书

心电信号的检测技术与临床应用
黄志伟1
,林大全1
,郭柞达1
,何　辉
2
(1.四川大学制造学院,四川成都610065;2.四川大学生物力学工程实验室,四川成都610065)
摘　要:心电信号是人类最早研究并应用于医学临床的生物电信号之一,与其他生物电信号相比,它更易于检测并具有较直观的规律性。

自1903年心电图发明以来,无论在生物医学方面,还是在工程学方面,心电信号的记录、处理与诊断技术均得到飞速发展,并积累了相当丰富的临床资料。

当前,心电信号的处理仍是生物医学工程研究的重要对象之一。

本文综述了心电图的基本及最新检测技术,并对心电信号检测的发展趋势作了展望。

关键词:心电信号;心电图;心电向量图;生物医学工程
中图分类号:R540.4+2 文献标识码:A 文章编号:1672-4984(2005)02-0024-03
Electorcardiosignal detection technology and its clinical application
HUANG Zhi -wei 1,LIN Da -quan 1,GUO Zuo -da 1,HE Hui 2
(1.College of Manufacturing Engineering ,Sichuan University ,Chengdu 610065,China ;
boratory of Bio -Mechanics ,Sichuan University ,Chengdu 610065,China )
Abstract :Electorcardiosignal is one of bioelectricities which human being earliest researched and applied .Compared with other
bioelectricities ,it was easier detected and had intuitionistic rule .Since Electrocardiogram was invented in 1903,the recording ,processin g and diagnosing technology of Electorcardios ignal had been developed at fast speed both in biomedicine and in engineering .And there were plenty of clinical data .Currently the processin g of Electorcardiosignal is still an important research object in Biomedical Engineering .The thesis su ms up basic and newest detection technology of Electrocardiogram and prospects the development trend of Electorcardiosignal detection .Key words :Electorcardiosignal ;Electrocardiogram ;Vectorcardiogram ;Biomedical engineerin g
收稿日期:2004-11-11;收到修改稿日期:2005-01-09
自1903年Einthoven 发明弦线型心电流计以来,心电学发展已历经百年,但目前心电图仍是心脏病诊断过程中扫描、记录心脏电活动的主要方法之一。

心电图反映了心脏激动的电学活动,对于各种心律失常和传导障碍的诊断具有决定性作用。

本文对心电图的基本及最新检测技术进行综述,并展望了心电信号检测的发展趋势。

1　基本心电图与心电向量图
正常人体内,由窦房结发出的一次兴奋,按一定的途径和时程,依次传向心房和心室,引起整个心脏的兴奋。

因此,每一个心动周期中,心脏各部分兴奋过程中出现的电位变化的方向、途径、次序和时间都有一定的规律。

这种生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面上来,使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化。

将测量电极放置在人体表面的一定部位,记录出来的心肌细胞生物电变化曲线即为临床常规心电图
(Electrocardiogram ,EC G ),它反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。

临床上为了便于比较所获得的E CG 波形,对测定E CG 的电极位置、引线与放大器的联接方式有严格的统一规定,称之为心电图的导联系统。

临床心电信号主要从体表收集,如将测量电极安置在体表相隔一定距离的两点,构成一个导联(Lead ),可测量出心电在体表的电位差。

Einthoven 于1903年提出了标准双极肢体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联;1934年Wilson 引入了以中心电端WCT 为参考的V 1～V 6单极胸导联;1942年Goldberger 改良中心电端,提出了a VR 、a VL 、aVF 单极加压肢体导联。

经过长期临床实践,目前确立了标准12导联系统的常规地位。

各肢体导联结构如图1、图2所示。

心电向量图(Vectorcardiogra m ,VC G )是在心电图的基础上,为了进一步显示心电活动的三维空间变化特性而发展起来的。

通过应用心电向量投影概念,使许多心电图的图形改变得到了合理的解释。

由于心电向量图能显示心电活动的相位关系,从而
第31卷第2期　2005年3月中国测试技术
C HINA MEASUREME NT TECHNOLOGY
Vol .31　No .2Mar ,2005　
弥补了心电图诊断上的某些不足。

心电图和心电向量图统一于共同的理论基础,同是从体表采集心电
信号中主要的低频成分,只是导联体系和表达方式不同而已。

目前,在对心肌梗塞、心室内传导阻滞、房室肥大等临床诊断中公认为心电向量图优于心电图诊断。

为了更好地表达心电活动的三维空间特性,要求其导联体系具有表达三维方位变化的作用。

近年来大多采用正交心电图导联体系,即采用互相垂直的X 、Y 、Z 三个导联,分别显示左右、上下、前后三个轴向的心电图。

目前心电向量图的导联体系大多采用了1956年Frank 所创设的X 、Y 、Z 校正正交导联体系。

由于Frank 正交心电图导联体系设计合理,具有校正心脏位置向左、前方偏离的状况,且具有电极数相当精简(7个)等优点,即除X 、Y 、Z 三个导联所需6个电极之外,只增加了一个校正电极,因而被多数VC G 工作者采用,并沿用至今。

2　心电信号检测设备
随着心电学的深入研究和高新电子技术的发展,心电图信号检测设备由最初庞大的心电图机发展到如今的便携式心电监护仪。

心电图机将心脏产生的微弱电流(m V 级)接收、放大并记录出心电图,其基本结构框图4所示。

心电图机一般可分为单通道和多通道,目前国内多应用单通道和三通道,国际上提倡应用十二通道同步心电图机以提高心电图的诊断水平,这是今后的发展趋势。

心电监护仪与心电图机检测原理相同,一般由传感器、前置放大器和计算机系统组成。

心电信号
由传感器转换成电信号,经前置放大器放大处理后
送入计算机进行结果的显示、存储和分析等。

由于心电图机采用单导或二导联模拟导联进行心电监护,易造成各种心律失常的误识别,尤其是在导联脱落时会发生窦性静止或干扰产生的室速、室颤等,产生严重的误警报。

新近发展的心电监护系统克服了
第31卷第2期
黄志伟等:心电信号的检测技术与临床应用
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单导或二导联的不足,并充分利用心电自动分析方面的优势,大大提高了心律失常识别和报警的准确率,如美国Marquette监护系统采用标准12导联同步显示,即使出现个别监护导联的脱落,系统也不会产生类似单导联监护所产生的误报警,而会自动选择另一导联,无需重新学习QRS形态,始终保持监护状态,特别适用于急性心肌梗塞患者的溶栓治疗。

东南大学自行研发的便携式心电监护仪是基于嵌入式操作系统的心电监护仪,它具有集成度高、体积小、反应速度快、智能化、稳定性及可靠性强等特点。

这种监护仪可以记录存储24小时的心电信号,并配以LCD液晶超大显示屏,实时显示跟踪心电信号。

该监护仪还可随时查阅任意时刻的心电波形,也可将所有心电数据输入计算机进行进一步分析会诊。

系统通过前置放大线路将微弱的心电信号进行干扰抑制、滤波、放大等处理;然后对放大信号进行采样、量化,并对心电信号跟踪和实时分析处理,显示波形、心电异常判断、报警等;最后把心电数据实时保存到FLASH存储器,可随时提供查询并输入至计算机。

3　心电图在临床上的应用
心电图主要反映心脏电激动过程,是诊断心肌电生理变化———心律失常的重要方法。

90%以上的心律失常通过体表心电图分析可以做出诊断;此外,对心肌缺血、心肌梗死、某些先天性心脏病、获得性心脏病及药物和电解质紊乱等,心电图均有不同程度的诊断价值。

心电图可提供诊断线索,在临床疾病诊治中具有广泛的应用,主要包括:
1.心肌病变的独立指标;
2.可显示心脏电生理、解剖、代谢和血流动力学改变,并提供各种心脏病确诊和治疗的基本信息;
3.对心律失常的诊断和治疗更是唯一的、不可比拟的无创性检查方法;
4.具有猝死或心肌梗塞可能的先兆症状如胸痛、头晕或昏厥的病人的首选检查;
5.药物的副作用、严重代谢紊乱或电解质失衡可首先表现为心电图异常;
6.对检测某些心肌病变如无症状性心肌梗塞,其心电图异常是这种病变的唯一表现;
7.各种危重病人心脏监测的重要手段。

值得关注的是,在临床诊断中同形异病、异病同形的现象时有发生。

即因为同一种疾病可能有不同类型的心电图变化,而不同的疾病有相似的心电图表现,心电图异常并不能确定患有某种心脏疾病,因此心电图仅是一种协助诊断的工具,必须紧密结合临床症状和其他诊断方法才能正确判定其意义。

此外,心电图是反映时间和空间的生物电活动,不能直接反映心脏机械活动及血流动力学改变,有时患者在临床上已确定有器质性心脏病,甚至已发生心力衰竭,而心电图检查仍可正常,所以心电图正常并不能完全肯定心脏无疾病。

4　心电信号检测技术的展望
心电图的临床应用已有百年历史,受到广大医务工作者的重视。

由于心电图是无创性检查,众多学者都不断地进行理论和实践的探索,使其不断完善和提高,给百年的老检查方法赋予了新的生命。

自提倡连续记录24小时病人动态下的心电图以来, Holter技术可回顾性观察患者在不同时间、各种活动情况下的心律和心率及心肌缺血情况。

Holter网络也是近几年来随着计算机网络、国际互联网的蓬勃发展而逐步发展起来的新技术,一方面可解决因病人较多而无法及时分析的矛盾,另一方面可实现远程会诊。

动态-全程心电技术实现了心电信号的24小时全程监护和动态观察分析,克服了局部-短时的心电信号检测的时间和空间的不完整性。

这是现代医学、信息科学和电子技术等科学技术条件下心电检测技术的一个新发展。

近年来,心电图的自动分析成为计算机在生物医学领域里应用最成功的范例之一。

从心电数据采集、滤波、描记、波形识别与测量到智能化诊断等,每项技术的发展和完善都离不开计算机技术本身的发展,同时也凝聚了从事心电信号处理、心电图自动分析的研究者的智慧以及生物医学工程人员和心血管医师的紧密合作。

计算机在心电图中的应用为人们从事心电学研究和进行临床诊断提供了现代化的手段。

计算机技术的应用为国际E CG标准化、网络化、会诊化、电话化等提供了有利条件。

当前国内外学者强调同步描记12导联心电图的重要性和优越性。

世界卫生组织(WHO)、国际心脏联盟协会(ISFC)、欧共体心电图标准化(CSE)工作小组等推荐使用12导联同步EC G,以增加多参数测量提高诊断准确性,便于国际的交流等等。

数字化、网络化、可实现远程医疗是未来心电信号检测技术的发展趋势,所谓心电信号的数字化,是把心电信号由传统的模拟电信号变为计算机能识别处理的数字信号,采集信息量大、抗干扰能力强。

所谓网络化,一是指医院局域网,可使相(下转第35页)
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中国测试技术
2005年3月
Exit Sub
VisaErrorHandler:
Dim str VisaErr As String＊200
Call viStatusDesc(defrm,status,strVisaErr)　′返回错误代码的文本说明
MsgBox″＊＊＊Err or:″&strVisaErr,vbExclamation,″VISA Error Messa ge″
Exit Sub
End Sub
5　结束语
在这套光功率自动测试系统中,系统实现了仪器完全的自动控制,测试过程由程序控制仪器进行,利用计算机读取测试数据、进行数据处理,降低了对测试人员的技术要求,减少了人工操作的失误。

VB 不仅简单而且功能强大,VB的可视化编程环境为开发人员提供了极大的方便,它还可以调用windows 中的标准库函数扩展其功能,从而使编程语言的复杂工作得到改观。

VI SA库函数则提供了非常强大的仪器控制功能,在VISA的结构中,仪器类型的不同体现在资源名称的不同。

对VISA的使用者来说,不同类型仪器的使用在形式上和方法上都是一样的。

本文介绍的光功率自动测试系统的设计方法,可被其它GPIB接口仪器借鉴。

应该注意,不同的仪器的控制功能和提供的程控命令码及命令格式不同,在设计程序时,应参阅该仪器的使用说明书。

参考文献
[1]　王　栋.Visual Basic程序设计实用教程[M].北京:清
华大学出版社,2000.
[2]　清源计算机工作室.Visual Bas ic6.0开发宝典[M].北
京:机械工业出版社,1999.
[3]　Agilent T echnologies.Agilent VISA User s Guide for Windows,
2003.
(上接第26页)
关科室获得心电信息,二是现在的通讯信息网络通过多种渠道传输心电信息,特别在远程医学诊断、远程医学治疗和远程医学监护,在战争、灾害和紧急情况下起着日益重要的作用。

所谓远程医疗就是利用现代传感和计算机技术,现代有线和无线的传输技术把医学诊断治疗所需要的心电信息及其它生命信息迅速准确可靠地传输到所需要的地方,克服了山河、沼泽、沙漠等恶劣地域和恶劣天气所带来的限制和困难,克服了时间和空间所造成的医务条件抢救不及时的困难,真正实现了地球村和地球医疗网的概念。

家庭医疗保健工程(Home Health Car e E ngineer ing)简称HHCE,是一门新兴的边缘技术科学,并已成为当今世界医疗领域的研究热点.HHCE的主要内容是,将千家万户和医疗联系起来,实现医疗进家庭,在配备先进的医疗设备的条件下,在病人家中实施监护、诊断、治疗、康复和保健。

由于心脏病发病时一般具有突发性和危险性的特点,因此将心电信号的远程监护和报警作为HHCE家庭监护的一个重要应用。

目前研究的家庭心电图远程监护报警系统一般有两种类型:①心电BP机系统。

BP机系统的家庭端一般包括一个类似B P机大小的心电图监护记录单元和一个通信单元。

监护记录单元的功能是对佩带者的心电图进行监护,当发现心电异常或佩带者感到不适时按下按钮,可记录下6秒到240秒的心电图,然后使用者将监护记录单元放在通信单元上将记录的心电图通过接口转换经电话线送往医院。

位于医院的或诊所的中心端一般为一台计算机,能完成一对一的心电图接收、显示、归档等管理功能。

传输方式基本为声耦合方式,即将0.5Hz～100Hz的心电图经过频率调制到语音频段后再通过电话话筒送出,在医院中心经过反变换恢复心电图数据。

②心电长时间实时监护系统,如清华大学研制的家庭心电监护网系统。

该单元的家庭端单元为一个便携式心电检测仪和一台智能心电实时监护仪器。

检测仪以无线电方式发送的心电图由智能心电监护仪接收并对接收的心电图进行实时处理,当异常心电图数目超过报警阈值时能自动拨号将当时的心电图通过调制解调器实时送往医院。

该系统在病人不适时具有手动按键报警功能和类似Holter的心电图长时间记录发送功能。

参考文献
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[3]　黄　宛.临床心电图学[M].北京:人民卫生出版社,
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社,2002.
[6]　郭继鸿.心电图学[M].北京:人民卫生出版社,2002.
第31卷第2期
蔡晓方等:用VB实现基于VISA标准的GPIB自动测试系统
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