1、12导联同步心电信号自动分析系统一 引言1895年，荷兰生理学家“心电图之父”W.Einthoven发明了心电图，之后心电图被广泛应用于临床诊断。100多年后的今天，心电图已经成为临床极为普遍的心脏疾病诊断方法之一。现在临床普遍采用的12导联同步心电图可同时采集、放大并同步描记心电信号。随着计算机分析心电图研究工作的进展，计算机在分析心电图方面所起的作用已得到公认，由计算机分析的心电图的数量也逐年增加。现有市场上主流的心电图机基本都有心电自动分析功能。尽管目前12导联同步心电图自动分析技术已日趋成熟，但仍存在很多尚待完善之处，发展数字12导联同步心电图自动分析技术具有重要的临床意义与科研意义。
2、基于此，理邦公司联合国内的心电专家开发了SEMIP 12导联同步心电信号自动分析系统。二 SEMIP心电自动分析系统SEMIP心电自动分析系统完成了逐拍和代表心拍的P、QRS、T波的识别及测量，参数测量及特征提取，节律异常的廖云朋 孔令锋廖云朋先生，硕士，深圳市理邦精密仪器有限公司研发系统工程师；孔令锋先生，硕士，研发系统工程师。2009年8月4日收到。识别(心律失常的分析)，异常波形的识别，明尼苏达码与波形分析结果码的分类等，实现了心电信号的自动分析。SEMIP心电自动分析系统的处理流程如图1。下面对SEMIP系统的主要研究内容加以说明。1. 逐拍QRS波群检测定位心电图参数的检测，需要一个
3、基准参考点，对该点要求是：每一导联都必须出现，具有异于其他参数的明显特征，受干扰小且易于准确检测。QRS波群便具备上述特点，QRS波群的斜率变化在一个心电周期中最大，其波态高尖、时限短、受干扰小。大多有关的文献都是从检测QRS波群的最大斜率点(称定位参考点)开始的1。SEMIP从几种常用的QRS波群检测方法中，通过实验对比选择了抗干扰能力强易于实时实现的JIA PU PAN和TOMPKINS提出的检测方法2，其流程为：摘要：本文论述了深圳市理邦精密仪器有限公司12导联同步心电信号自动分析系统 SEMIP系统的波形分析和识别程序的主要流程，主要算法和验证结果。内容包括逐拍和代表心拍的P、QRS、
4、T波的识别及测量，参数测量及特征提取，节律异常的识别(心律失常的分析)，异常波形的识别，明尼苏达码与波形分析结果码的分类以及分析准确性的验证等。关键词：心电图 自动测量 自动诊断 波形模式识别中图分类号：R540.4+1 文献标识码：A文章编号：1024-6924 (2009) 09Automated Analysis System of Standard 12 Lead Synchronous ECG SignalLiao Yunpeng，Kong LingfengAbstract: In this paper， the main procedure，algorithms and test
5、results of ECG wave analyzing programs of automated analysis，system of standard 12 lead synchronous ECG signal EDAN INSTRUMENT， INC. SEMIP system are discussed. Including cognition and measurements of P wave，QRS wave group，T wave，ECG parameters measurements and feature extraction from ECG signals，co
6、gnition of abnormal ECG wave and arrhythmia，classication of Minnesota code and diagnosis information，test results，et al.Keywords：ECG，Automated Measurements，Automated Diagnosis，Wave pattern Cognition本文作者廖云朋先生2IMD Vol.15 No.99 2009世界医疗器械9 20093世界医疗器械MS2047-生理信号.indd 2 2009.8.19 2:12:41 PM12导联同步心电信号自动分
7、析系统处理，产生代表性心拍。在代表心拍上SEMIP完成了QRS波群特征点定位和波形的模式判别，P、T波的特征点定位和极性判别。QRS的波形按正负峰点位置先后次序可以分为五类。一是负峰在前(NP)，如Qr，qR；二是正峰在前(PN)，如Rs，RS，rS，rSr等；qRs型作为第三类(NPN)；第四类只有正峰(P)，即R型；第五类只有负峰(N)，即QS型。首先对QRS波群的顶点和起止点进行初步定位，然后依据QRS波群正、负峰值及其相对位置对QRS波群进行模式识别，据此定出局域边界。P、T波形形态较为简单，可呈单向、双向结构，在QRS波群前后各设一窗口，在窗口内寻找极大值和极小值，根据其位置、大小和
8、正负特性，判定P(T)波的特征点位置和形态。每一导联的特征点定位后，综合比较12导联标定各个子波的边界，计算PR间期，QT间期，QRS波群宽度，P波宽度等参数。4. 心电图的明尼苏达码分类和波形分析分类根据前面的测量结果和波形模式识别结果，按照明尼苏达码6的分类原则对心电图做了明尼苏达码分类。然后根据心电图临床解释依据7-9，结合国内部分心电专家的意见，依据不同年龄段不同性别得出了一套心电图诊断准则。目前该分析系统可以对包括各种心律失常在内的200多种心电疾病做出判断。三 准确性验证为了验证SEMIP心电自动分析系统在自动测量与自动诊断方面的准确性，按照IEC60601-2-5110标准要求，
9、采用了CSE心电数据库11进行测试，并在国内多家医院采集了大量临床数据形成临床波群后设一检测窗口，检测窗口起止点和宽度与RR间期有关系3：如果RR间期0.7s，检测窗口起点位于QRSE后0.08s处，窗口的宽度为0.44s。否则，检测窗口起点位于QRSE后0.04s处，窗口的宽度为(0.7RR间期0.06)s。在这个检测窗口进行平滑滤波，然后寻找窗口内的最大值，最小值，通过比较最大值和最小值，找到T波的顶点。然后采用局部变化法4确定T波终点。P波位于前一个T波终点和后一个QRS波起点之间。这个区间就是检测P波的窗口，在检测窗口内采用了差分斜率法识别P波。首先对窗口内数据做2 37Hz的带通滤波
10、，然后做9点差分，采用的差分公式如下：Y ( n ) = - 4 X ( n - 4 ) - 3 X ( n - 3 ) - X ( n -1)+X(n+1)+2X(n+2)+3X(n+3)+4X(n+4)/60X(n)为输入的心电信号。然后逐点求相邻两点的斜率。求P波法则是该点前后两点的斜率相反，且前后两个斜率的绝对值都大于0.004mV/s5，则该点为候选P波的顶点。然后在原始信号上以该点为中心一定距离内寻找极值点，即P顶点。然后采用局部变化法确定P波起止点。3. 代表心拍的特征点识别与参数计算目前12导同步心电图分析的记录长度标准为10s，鉴于呼吸、干扰等因素的影响，各不同心动周期的心电
11、波形存在差异，因此在顺序采集的一系列心拍中选择哪个心拍进行测量是参数计算首先要解决的问题。SEMIP采用了以下方法建立每个导联的代表心拍：首先对各导联采集的心拍(QRS波)形态进行归类(建立模板)以判断主导心拍，然后对主导心拍进行信号平均首先对计算导联的数据进行预处理，包括低通滤波、高通滤波、差分求导、平方拉伸、移动平均；数据经过预处理以后，大大突出R波特性，压制了大部分噪声，提高QRS波群检出率。然后采用噪声峰和信号峰来进行阈值估计；最后采用差分阈值法定位QRS波宽度和QRS波群起止点。2. 逐拍的P、T波检测定位P波和T波的斜率特性较不明显，尤其对P波和T波低平的情况。而对于P波的定位检测
12、一直是困扰心电图自动分析的难题。因为自动诊断的需要，要把连续波形每一个心拍的P、T波都检测定位出来，一般的斜率阈值法很难满足的要求。为此对于P、T波检测SEMIP采用了不同的方法。QRS波群的起点QRSB与终点QRSE的确定为P波和T波的检测提供了参考基础。检测T波采用了窗口阈值法。在QRS数据输入逐拍R波检测逐拍的P，T波识别代表心拍的检出代表心拍的P，QRS，T波识别及测量，参数测量与特征提取分析结果/明尼苏达码分类用的基准值设定心律失常明尼苏达码的分类心律失常分析结果的分类心电图波形明尼苏达码的分类心电图波形分析结果的分类结束图1 SEMIP心电自动分析系统处理流程图2IMD Vol.1
13、5 No.99 2009世界医疗器械9 20093世界医疗器械MS2047-生理信号.indd 3 2009.8.19 2:12:45 PM12导联同步心电信号自动分析系统数据库进行测试验证。1. 自动测量的准确性CSE工作小组在其发表的测量标准报告中要求计算机程序测量的各种间期和时限与数据库专家测量值相比的偏差不应超过一定范围(也是IEC60601-2-51关于自动测量误差允许范围的要求)，其测量误差可接受范围如表1。对于CSE心电图测量数据库，SEMIP心电自动分析系统的测量值与专家小组测量值的相比的偏差结果如表2。从表1和表2可以看出SEMIP心电分析系统的测量满足CSE工作小组的要求，
14、也就是满足了IEC60601-2-51的测试要求。2. 自动诊断的准确性SEMIP心电分析系统可以对包括各种心律失常在内的200多种心电图疾病做出判断。为了验证该自动诊断系统的准确性，进行了大量的临床实验，与专家小组的诊断结果进行了对比。按照国际惯用的三个对比指标敏感性(Sensitivity)、特异性(Specificity)和真阳性(Positive Predictive Value)，依据节律判断和疾病种类两个方面把自动诊断结果与专家小组的诊断结果进行了对比。临床数据库共采用了2306例数据进行了对比，其中成人病例1890例，儿童病例416例。病人统计信息见表3和表4。对成人和儿童疾病判
15、断对比结果分别见表5和表6。由表5和表6可以看出，对于常见的疾病，该自动诊断系统与专家小组的诊断结论符合率非常高。诊断系统完全体现了诊断标准所反映出来的专家意图。四 结果和讨论SEMIP心电自动分析系统采用欧表4 临床数据库中儿童病人统计信息儿童病人统计信息性别年龄女性男性7岁以下816岁病人数量13827233971百分比%33.6666.3482.6817.32表3 临床数据库中成人病人统计信息成人病人统计信息性别年龄女性男性1660岁大于60岁病人数量3511276643984百分比%21.5778.4339.5360.47表5 对于成人病例，SEMIP诊断结果和专家小组诊断的比较结果诊
16、断疾病敏感性%特异性%真阳性率%正常心电图90.2 95.6 96.9心肌梗塞88.7 96.1 76.8房性期前收缩80.5 99.5 78.6室性期前收缩62.7 97.1 36.4室内传导阻滞76.5 99.3 50房室传导阻滞63.7 95.7 48.7右束支传导阻滞82.2 99.9 92.8左束支传导阻滞58.5 99.8 88.6左室肥厚97.8 98.4 76.8右室肥厚89.5 96 45ST-T 异常96.6 91.9 84.1表6 对于儿童病例，SEMIP诊断结果和专家小组诊断的比较结果诊断疾病敏感性%特异性%真阳性率%正常心电图73.53 87.38 85.23右室肥厚
17、33.33 100 100右束支传导阻滞62.5 99.50 83.33洲权威CSE心电数据库进行过严格的测试，在医院进行了大量临床验证，符合IEC60601-2-51有关心电自动分析的要求，是目前国内唯一满足该标准，并通过CE认证和FDA许可的心电自动分析系统。12导联同步心电图自动分析技术开发需要工程人员和临床医生相互协作，共同努力。随着计算机技术、信号处理算法的改进和优化，心电图自动分析技术会得到进一步发展。在理邦公司持续投入和心电专家支持下，SEMIP也会得到进一步的完善。资助项目：国家科技支撑计划：新型便携式心电图机系列产品开发(2007BAI07A28)。参考文献1 谭义，陈尚勤，
18、魏鸿骏.微机心电图波形分析程序的流程及算法J.成都电讯工程学院学报，1985，3：13-18.2 JIAPU PAN，WILLIS J，TOMPKINS. A Real-Time QRS Detection AlgorithmJ.IEEE Trans. on Bio. Eng.，1985，32 (3)：230-235.3 P. Lagna，V. Thakor，P. Caminal，et al. NewAlgorithm for QT Interval Analysis in 24-hour Hotler ECG Performance and ApplicationJ. Med. & Biol
19、. Eng. & Comput.，1990，28：67-73.4 范晓东，朱泽煌.心电特征点算法J.北京生物医学工程，1996，15(1):15-17.5 H. K. Joeng，K. K. Kim，S. C. Hwang，et al. A New Algorithm for P-wave Detection in the ECG Signal，Proceeding of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，1989，1：42-43.6 张开滋，郭
20、继鸿，刘海祥，等.临床心电信息学M.长沙：湖南科学技术出版社，2002，1417-1444.7 张文博，张晓梅.心电图诊断手册M.北京：人民军医出版社，2003，85-539.8 赵易，陈清启，杨庭树，等.心电图学M.济南：山东科学技术出版社，2002，125-817.9 黄宛.临床心电图学M.北京：人民卫生出版社，1989，6-561.10 Medical Electrical Equipment-Part 2-51: Particular Requirements for Safety， Including Essential Performance， of Recording and A
21、nalysing Single Channel and Multichannel ElectrocardiographsM. IEC 60601-2-51: 2003.11 Jos. L. Willems. CSE Project-CSE Multilead AtlasM. 1988，3-78.间期和时限可接受的偏差的平均值(ms)可接受的偏差的标准差(ms)P波时限10 15PR间期10 10QRS波群时限10 10QT间期25 30表1 利用人体心电信号测量的各间期的偏差的平均值和标准差的可接受范围间期和时限偏差的平均值(ms)偏差的标准差(ms)P波时限-0.7 7.7PR间期-0.1 6.0QRS波群时限-3.4 7.5QT间期-4.0 13.5表2 SEMIP经CSE心电图测量数据库的检验结果4IMD Vol.15 No.99 2009世界医疗器械9 2009PBMS2047-生理信号.indd 4 2009.8.19 2:12:48 PM
