專利名稱：心電頻譜圖測量儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種心電頻譜圖檢測儀，屬于探測心電圖周期特殊參數的儀器。
心電頻譜圖檢測儀是一種測量心臟電變化的儀器，心臟是一個肌肉泵，在產生機械收縮之前，心肌細胞先產生電變化。心電變化傳到體表，用儀器記錄到放大的心電變化曲線就是心電圖。一個正常人的典型心電圖由波、段、間期三部分組成，正常心臟的電激動起源于竇房結，最先激動心房，當左、右心房興奮時，心電圖儀記錄下一個時間較短的圓頭的正波，稱為P波。此后，有一個波群，波群中第一個向下的小且尖的負波，稱為Q波，其后是狹窄而高聳的向上非常大的尖的正波，稱為R波，緊接的又是向下的一個尖大的負波，稱為S波。這三個緊密相連的波被稱為QRS波群。QRS波群反映了左右心室的電興奮。QRS波群之后，有一個持續時間比較長的圓頭正波，稱為T波。這樣，心電圖的各間期就賦予了相應的生理意義和病理意義“PR間期”代表心房開始興奮至心室開始興奮的時間，測量時從P波開始至QRS波開始的時間。“ST間期”自QRS波終點至T波的起點，為一條平線。而“QT間期”自QRS波起點至T波終點，反映了心室從興奮開始至結束的時間。
現在的動態心電圖，簡稱Holter，能一次連續記錄24小時以上的心電圖，并能對患者在日常活動情況中，身體和精神狀況不斷變化條件下進行心電圖檢測。動態心電時內的心電圖異常作出綜合的統計和評估，并能將患者記錄的日志與心電圖的異常變化聯系起來，以找出心電圖異常的原因。動態心電圖檢測已成為臨床診斷中不可缺少的常規檢測手段。動態心電圖不僅是評價心律失常的重要手段，也可以作為心肌缺血檢測的輔助手段。
此外，近年來在動態心電圖上增加了很多新的功能，如用于預測急性心肌梗塞后發生猝死危險的心率變異性的檢測與分析，心室晚電位的檢測與分析等。也可以用來記錄和分析埋植型心臟起搏器的起搏信號，用來評定心臟起搏器的工作情況。
但目前的動態心電圖仍存在不少問題。主要有1.對心肌缺血(尤其隱性心肌缺血)診斷的陽性率還比較低；2.動態心電圖對P波的形態、QRS波的形態的識別比常規心電圖差。基本上是未用計算機識別和分析P波，因而對心房引起的心律失常難以自動檢測；3.動態心電圖的測量精度比心電圖機差，心律失常及ST段的分析軟件尚未達到令醫生滿意的程度。4.以時域檢測為主、頻域檢測技術有待開發。
現有的測量心電頻譜圖的儀器，如美國專利號US5437285《一種通過估計自主神經和心電穩定性來預測心性猝死的方法與裝置》，該專利通過T波的變異性來檢測心臟病人心電的不穩定性和自主神經的影響，探討對心性猝死的價值。其不足之處是只檢測了T波，沒有檢測P波、QRS波，因而僅反映了心動周期電變化的一小部分。
本發明的目的是提出一種既能檢測T波，又能檢測P波、QRS波及PR間期、QT間期的一種心電頻譜圖檢測儀。
本發明的目的是這樣實現的本心電頻譜圖檢測儀由導聯電極、心電放大器、A/D變換器、單片計算機、信號存儲器、數據傳送接口和分析與回放計算機組成；導聯電極貼在身體表面，導聯電極與心電放大器相連；心電放大器與A/D變換器相連，經A/D變換器將心電信號由連續變化的模擬量信號形式轉換成間斷變化的數字量信號形式；A/D變換器與單片計算機相連，單片計算機將心電信號經軟件壓縮運算后以數字化形式直接送入信號存儲器中記錄下來；A/D變換器采用采樣頻率越高，對心電信號波形的描述就越細致；反之，當采樣頻率太低時，將會丟失某些有臨床意義的心電信號細節；例如，目前常用的Holter采用的采樣頻率為128-256Hz，就有可能造成3ms以內的信號無法還原；這樣，就無法高保真地檢測P波；根據信息論的理論，當采樣頻率高到某一數值時(信號頻譜的高頻截止頻率的二倍)，方可由采樣后的數字信號準確無誤地復原原來的連續變化的信號；故本心電頻譜圖檢測儀的A/D變換器采用采樣頻率大于512Hz，且字長為16個字位的A/D變換器；為節省信號存儲器的存儲空間，單片計算機加載有數據壓縮算法，這種數據壓縮算法的原理是公知的，可由市售的商品軟件包獲得。
分析與回放計算機中的基本信息有心動周期信號數據庫、信號的采樣和處理算法、信號時域分析算法、信號頻域分析算法和診斷報告編輯模塊，心動周期信號數據庫由信號存儲器中所序時記錄的數字化形式的心電信息組成，在回放時，由分析與回放計算機將信號存儲器記錄的數字信號經過數據傳送接口讀出并進行分析。
信號的采樣和處理算法加載在分析與回放計算機上，當信號存儲器所記錄的心電圖形經數字傳送接口真實地回放于計算機時，計算機利用所記錄的信號來制作工具軟件，得到被測試者的心動周期P波、QRS波、T波信號模板，計算機即可自動識別P波、QRS波和T波。計算機在自動識別P波、QRS波和T波后，運行其內置的信號時域分析算法，對PR間期、QT問期、RR間期和PP間期進行自動時域檢測和心律失常分析。計算機在自動識別P波、QRS波和T波后，運行其內置的信號頻域分析算法，進行心電頻譜的變異性分析。
本發明的優點是由于采用采樣頻率大于512Hz且字長為16個字位的A/D變換器和P波、QRS波、T波信號模板，故可以對P波等微小波形進行自動檢測；對PR間期、QT間期、RR間期和PP間期進行自動時域檢測、頻域分析和心律失常分析。
本發明的附圖有
圖1心電頻譜圖檢測儀結構框圖。
圖2心電頻譜圖檢測儀工作流程圖。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述圖1為心電頻譜圖檢測儀結構框圖。它由導聯電極1、心電放大器2、A/D變換器3、單片計算機4、信號存儲器5、數據傳送接口6、計算機7七部分組成。做心電圖時，導聯電極1貼在身體表面。導聯電極1內的載流子與身體內的載流子進行電化學交換，將交換后的信號經心電放大器2放大后，經A/D變換器3變換成以數碼表示的數字信號，A/D變換器3從原理上說是一個采樣編碼器。采樣就是以一定的時間間隔Δt采集連續變化信號的數值。在等間隔的t1、t2…tn時間對連續變化信號取值，得到V1、V2……Vn，稱為采樣。采樣在時間上是等間隔的，當間隔為Δt時，L＝1/Δt稱為采樣頻率。經采樣得到的數值V1、V2、V3……Vn，經過A/D變換器得到相應的數碼就是輸入到單片計算機4的數字信號。該信號被直接送入信號存儲器5中記錄下來。在回放時，由信號存儲器5記錄的信號經過數據傳送接口6直接傳送到計算機7中進行分析，得到能用于臨床診斷的分析結果。
圖2為心電頻譜圖檢測儀工作流程圖。
心電頻譜圖檢測儀工作流程由信號的采樣和處理、信號的時域分析、信號的頻域分析和診斷報告編輯四大軟件模塊(共18個步驟)組成。
信號的采樣和處理模塊通過步驟1～步驟4實現步驟1首先通過數據傳輸接口6將心電信號回放到計算機7的磁盤文件中。
步驟2將心電信號進行預處理以減少干擾的影響。在心電信號處理中常常采用濾波技術，用數字濾波器抑制一部分干擾信號。
步驟3采用適當的方法，如高通濾波、樣條曲線擬合，并扣除基線等，消除基線漂移。
步驟4對經過預處理的心電信號進行檢波。檢波就是以一定的數學算法由心電數據中計算出的PP間期和RR間期。由于分析是逐個心搏進行的，必需先檢出每個心搏周期的R波位置(其在心搏周期中是不可缺少的)。以R波位置為基準，試算出每個心搏周期的各波、間期和波群的波峰，或波谷位置及心搏周期的左、右邊界。以便將心電信號分成單個的心搏的波形再進行分析。
信號的時域分析通過步驟5～步驟13實現步驟5對經過預處理的心電信號進行認證式分析。將步驟4分出的心電信號分類，通過人機對話，將全部心電信號按波形相似的程度分成若干個類別，每個類別都有一個最能代表該類心電信號的形狀，稱為該類的模板。
步驟6判斷該心電信號是否符合分析系統中已有的心電信號模板。如果是，該心電信號被標識為該類心電信號波形，分析系統軟件跳轉步驟5；否則，分析系統軟件順序進入步驟7。
心電信號模板分類屬于模式識別領域，用統計分類方法對心電信號進行分類時，首先要抽取心電信號的特征。以最小錯誤概率的Bayes決策準則原理對心電信號模板進行分類。
步驟7檢查本次心電信號是否符合最后一個分析系統中已有的心電信號模板。如果是，該心電信號被標識為該類心電信號波形，分析系統軟件跳轉步驟5；否則，意味著在分析過程中每當遇到一類新的心電信號，分析系統軟件順序進入步驟8。
步驟8分析系統軟件都要停下來要求操作人員通過人機對話對其分析結果進行確認，操作人員據此建立新的心電信號模板。
步驟9判斷心電信號是否分析完畢，如果是，分析系統軟件依順序進入步驟10；否則，分析系統軟件跳轉返回步驟5。
這樣，當以后再次遇到同一類型的波形時，軟件就按操作員確認的結果進行識別和分類，從而也實現了在分析過程中的人機對話功能。
步驟10回放已全部記入計算機分析系統磁盤文件的心電信號。
在分析過程中動態地顯示三個通道的各個心搏周期的動態波形疊加圖，操作人員可監視分析過程。當操作人員發現這三個點的位置不合適時可以隨時進行糾正。
步驟11單擊鼠標，即可暫停前述的屏幕掃描。操作人員可以心電信號的分類性質。
例如當趨勢圖上出現了一連串的紅色條紋，而且心率高于120次/分，這意味著此時出現了一串室性心動過速。如果出現了一串黃色條紋，而且心率較高，操作人員可以停止心率趨勢圖的掃描，并調出這一段心電信號進行驗證。如果發現這一串心電信號的波形是室性心動過速或陣發性室性撲動或室顫，則可以對其進行修正，修正之后在心率趨勢圖上恢復成紅色條紋。再次單擊鼠標，即可恢復前述的屏幕掃描。
在計算機學習了操作員的指示之后，可以使以后的分析過程加快并減少錯誤，更重要的是可以糾正對有意義的醫學事件的漏檢。
步驟12模板建立并完成了心電信號的分類之后，便是以醫學知識對每類模板進行醫學標識，也就是判定每類模板是屬于室性波(V)、竇性波(N)或者其它類別的波(O)(例如室性融合波)。
步驟13再下一步是根據RR間期的期前量進行節律分析，以判定早搏以及成串的異位搏動事件。最后據心電信號形態的判定結合節律分析一起結合醫學知識來判定事件是屬于那一類醫學事件。一般在心電信號的分類以及事件的醫學判定過程中加入醫生的人工干預，一方面糾正計算機的分析錯誤，另一方面根據操作指令擴展計算機的分析功能，以診斷計算機人工智能所不能完成的分析功能。
信號的頻域分析模塊通過步驟14～步驟15實現步驟14顯示和分析普通心電信號每一頻率成分的功率分布、相位變化及信號之間的相互關系等頻域特征，確定房室傳導系統(PR)的頻譜圖、心室傳導系統(QT)的頻譜圖和單個心動周期(PP)的總頻譜圖，并描述PR、QT、PP或RR間期動態趨勢圖。
步驟15對RR間期、PR間期、QT間期和單個心搏周期(PP)大小的柵狀圖進行頻域變換(如傅里葉變換)，確定心電信號每一頻率成分的功率分布、相位變化及信號之間的相互關系等頻域特征。
診斷報告編輯模塊通過步驟16～步驟18實現
步驟16分析和回顧完成之后顯示出報告的“軟拷貝”。
步驟17操作人員在分析完成之后，對分析結果中的錯誤進行修正，稱為人工編輯。在進行人工編輯時，可以在屏上顯示異常事件的心電圖片段，也可以逐屏地顯示24小時的心電波形，由操作人員對分析結果進行修正。操作人員也可以選擇和組織打印報告的內容，將有代表性的異常心電圖片段納入到打印報告中。
步驟18分析、回顧和人工編輯完成后打印出報告的“硬拷貝”。
報告的內容包括病人的基本信息(姓名、性別、年齡等)；24小時內的平均竇性心率；最快和最慢的竇性心率；24小時內各種心律失常事件的總數；按小時劃分的心律失常事件的列表；室性心律失常的類別及波形；典型的心律失常的心電波形片段；房室傳導系統(PR)、心室傳導系統(QT)和整個心搏周期(PP)或(RR)的動態趨勢圖和心電頻譜圖。
雖然具體地示出并描述了示例性實施例，但是，熟悉本行的人都會明白，在不離開本示例性實施例的精神和范圍的情況下，在形式上和細節上可以作各種各樣的改定。
權利要求
1.一種心電頻譜圖檢測儀，包括導聯電極(1)、心電放大器(2)、A/D變換器(3)、單片計算機(4)、信號存儲器(5)、數據傳送接口(6)和計算機(7)；導聯電極(1)貼在人體表面，導聯電極(1)與心電放大器(2)相連；心電放大器(2)與A/D變換器(3)相連，經A/D變換器(3)將心電信號由連續變化的模擬量信號形式轉換成間斷變化的數字量信號形式；A/D變換器(3)與單片計算機(4)相連，單片計算機(4)將心電信號經軟件壓縮運算后以數字化形式直接送入信號存儲器(5)中記錄下來；在回放時，由計算機(7)將信號存儲器(5)記錄的數字信號經過數據傳送接口(6)讀出并進行分析，其特征在于(A)所述的A/D變換器(3)采用采樣頻率大于512Hz且字長為16個字位的A/D變換器；(B)所述的單片計算機(4)采用了現有的數據壓縮算法；(C)所述的計算機(7)中的基本信息有心動周期信號數據庫、信號的采樣和處理算法、信號時域分析算法、信號頻域分析算法和診斷報告編輯模塊。
2.根據權利要求1所述的心電頻譜圖檢測儀，其特征在于，當信號存儲器(5)所記錄的心電圖形經數據傳送接口(6)真實地回放于計算機(7)時，計算機(7)利用所記錄的信號來制作工具軟件，得到被測試者的心動周期P波、QRS波、T波信號模板，即可自動識別P波、QRS波和T波。
3.根據權利要求1所述的心電頻譜圖檢測儀，其特征在于，計算機(7)在自動識別P波、QRS波和T波后，運行其內置的信號時域分析算法，對PR間期、QT間期、RR間期和PP間期進行自動時域檢測和心律失常分析。
4.根據權利要求1所述的心電頻譜圖檢測儀，其特征在于，計算機(7)在自動識別P波、QRS波和T波后，運行其內置的信號頻域分析算法，進行心電頻譜的變異性分析。
全文摘要
本發明公開了一種心電頻譜圖檢測儀，通過提高導聯電極1和A/D變換器3的采樣頻率，使心電信號以數字化形式進入信號存儲器5，并經數據傳送接口6，真實地將心電圖形回放于計算機7，再經過工具軟件對圖形自動識別和測量，利用所記錄的信號來制作P波、QRS波、T波信號模板，用計算機自動識別P波、QRS波和T波，對PR間期、QT間期、RR間期和PP間期進行自動時域檢測、心律失常和頻譜的變異性分析。
文檔編號G06F17/00GK1393204SQ0112955
公開日2003年1月29日 申請日期2001年6月26日 優先權日2001年6月26日
發明者陳士良, 陳躍軍 申請人:陳士良, 陳躍軍