基于虛擬儀器的高頻心電信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)方法

1、引 言

高頻心電信號(hào)（HFECG）指心電信號(hào)（ECG）中頻率大于100Hz的高頻成份，HFECG對(duì)缺血性心臟病，如冠心病的早期診斷有很高價(jià)值[1-2]。基于時(shí)域分析方法的HFECG檢測(cè)主要運(yùn)用傳統(tǒng)的一階微分、二階微分算法來檢出高頻成份[3-4]，但完整信號(hào)時(shí)域內(nèi)的搜索判斷易受高頻干擾的影響且數(shù)據(jù)運(yùn)算量大。相比之下，在已具備R峰點(diǎn)檢出信息的基礎(chǔ)上，通過充分運(yùn)用LabVIEW虛擬儀器系統(tǒng)的強(qiáng)大信號(hào)處理功能[5]，文章探索一種基于LabVIEW的HFECG快速、準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)方法。

2、HFECG的分類、特點(diǎn)及判別依據(jù)

心電信號(hào)中的高頻成份通常分為以下三種類型[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(jié)段（各波峰頂除外），時(shí)程≤10ms稱為高頻切跡，超過10ms則稱為低頻切跡；

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

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

上述高頻成份必須在接續(xù)心動(dòng)周期的對(duì)應(yīng)位置連續(xù)出現(xiàn)3次以上，且形態(tài)相同，方可認(rèn)定為高頻成份。P、Q、R、S、T各波均可能出現(xiàn)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(cè)方法。

3、基于LabVIEW的HFECG快速檢測(cè)方法

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

在LabVIEW8.0/8.2中，新增了一個(gè)功能強(qiáng)大的“Waveform Peak Detection.vi”，這一VI的功能是檢測(cè)出輸入波形中設(shè)定閾值范圍內(nèi)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(dǎo)數(shù)（2nd Derivatives）；

3. 所有波峰/波谷點(diǎn)的位置索引（在波形數(shù)據(jù)序列中的序號(hào)）；

4. 找到的波峰/波谷點(diǎn)總數(shù)。

這些數(shù)據(jù)均以數(shù)組的形式同時(shí)輸出，相互對(duì)應(yīng)，供用戶直接使用。

3.1 切跡（Notching）檢測(cè)

高頻心電信號(hào)中的切跡就表現(xiàn)為相鄰Peak點(diǎn)和Valley點(diǎn)之間的部份，可在該VI的輸出序列中通過一定的方法檢出，從而避免切跡識(shí)別時(shí)再遍歷搜索完整的時(shí)域數(shù)據(jù)，提高切跡識(shí)別的速度和效率。具體方法步驟為：

1、獲取當(dāng)前QRS波的位置和幅值信息（QRS波信息由前級(jí)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(nèi)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(tǒng)計(jì)切跡，R峰后下降支以Valley點(diǎn)為起點(diǎn)、Peak點(diǎn)為止點(diǎn)統(tǒng)計(jì)切跡，

4、記錄并統(tǒng)計(jì)一定域值（位置）范圍內(nèi)的切跡數(shù)，當(dāng)連續(xù)在給定域值范圍內(nèi)的相應(yīng)位置出現(xiàn)3次以上時(shí)，判定為切跡。

當(dāng)判斷結(jié)果有切跡時(shí)，不再進(jìn)行扭挫和頓結(jié)的檢測(cè)，否則繼續(xù)進(jìn)行下面扭挫和頓結(jié)的檢測(cè)。

3.2 扭挫（Slurring）和頓結(jié)（Beading）檢測(cè)

若上述步驟中沒有發(fā)現(xiàn)QRS上的切跡，則分別對(duì)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、 一階微分不過零，僅二階微分過零，判為扭挫；

2、 一、二階微分連續(xù)兩點(diǎn)為零，判為頓結(jié)；

記錄一定域值（位置）范圍內(nèi)的扭挫或頓結(jié)數(shù)，當(dāng)連續(xù)在相應(yīng)位置出現(xiàn)3次以上時(shí)，判定為高頻成份。

3、 它情況判定QRS波上無高頻成份

3.3 QRS段正確分離說明

準(zhǔn)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(dāng)中，對(duì)于R峰點(diǎn)來說，由于其明顯的幅頻特性可以保證前級(jí)程序?qū)波準(zhǔn)確的識(shí)別率，但就Q、S波來說，不同導(dǎo)聯(lián)下的情況差別較大，有時(shí)ECG中并無典型的Q或S點(diǎn)，這時(shí)可采用取R峰兩側(cè)合理時(shí)限內(nèi)的端點(diǎn)來作為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?yàn)樵贓CG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(cè)算法流程

通過上述分析，現(xiàn)給出的QRS波高頻成份檢測(cè)完整的算法流程，如圖1所示。

圖1 QRS波中高頻成份檢測(cè)的算法流程

4、算法基于LabVIEW的編程實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出

按圖1的算法流程，基于LabVIEW8.2編制相應(yīng)程序（程序后面板略），采用MIT-BIH庫數(shù)據(jù)中的ECG進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，部份典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 QRS波上的高頻成份檢測(cè)結(jié)果

（R波上升支部份）

圖3 QRS波上的高頻成份檢測(cè)結(jié)果

（R波下降支部份）

4.2實(shí)驗(yàn)輸出面板圖示說明

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

圖中虛線為指示當(dāng)前R峰點(diǎn)的手動(dòng)繪制輔助線，其它為系統(tǒng)輸出，橫坐標(biāo)為當(dāng)前讀取數(shù)據(jù)段的序列點(diǎn)順序號(hào)。輸出過程分開顯示僅僅是為了便于觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際的檢測(cè)過程是同步進(jìn)行的，可直接輸出QRS波高頻成份的最終檢測(cè)結(jié)果。

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的結(jié)果可以看出，用該方法可以較為準(zhǔn)確地將R波兩側(cè)的高頻成份識(shí)別出來，為充分說明實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)于正常ECG波形上的高頻成成份，其檢出率更好，實(shí)驗(yàn)過程也證實(shí)了這一點(diǎn)。當(dāng)然，本文討論的QRS波中HFECG的檢測(cè)方法，依賴于前級(jí)系統(tǒng)給出的正確的R峰點(diǎn)信息，錯(cuò)誤的R峰位置信息必然會(huì)導(dǎo)致本方法的失效。

6、結(jié)論

基于虛擬儀器LabVIEW來實(shí)現(xiàn)QRS波的高頻成份檢測(cè)，在充分運(yùn)用其強(qiáng)大信號(hào)處理能力的基礎(chǔ)上，大大簡化了ECG處理過程的算法復(fù)雜度，省去了大量的信號(hào)處理環(huán)節(jié)，該方法檢出R波切跡時(shí)所用的數(shù)據(jù)量極少（通常只為個(gè)位數(shù)量級(jí)），判斷扭挫或頓結(jié)時(shí)，也只取R波左右支進(jìn)行分析，而且不必重復(fù)進(jìn)行，其結(jié)果是處理速度快且算法簡化，高頻成份的檢出率高，是一種HFECG自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域的適用方法。

參考文獻(xiàn)

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