心律不齊理論基礎(chǔ)及算法設(shè)計(jì)

1、一、 心電圖學(xué)理論基礎(chǔ)心律不齊是一種常見的心律失?，F(xiàn)象，是指心動(dòng)節(jié)律超出正常范圍。心律不齊包括正常節(jié)律伴不齊、過速伴不齊、過緩伴不齊。按起搏點(diǎn)所在部位不同可分為以下四類：竇性心律不齊、房性心律不齊、交界性心律不齊、室性心律不齊。1、竇性心律不齊：竇性P-P間期互差>012s可診斷為竇性心律不齊。竇性P波在、aVF、導(dǎo)聯(lián)總是直立的，aVR導(dǎo)聯(lián)總是倒置的，其他導(dǎo)聯(lián)視P波的導(dǎo)聯(lián)而定。竇性P波電軸右偏時(shí)，aVL導(dǎo)聯(lián)的P波是倒置的，、導(dǎo)聯(lián)直立。竇性P波電軸左偏時(shí)，、aVL導(dǎo)聯(lián)倒置，此時(shí)導(dǎo)聯(lián)直立，、可以正負(fù)雙向或倒置。2、房性心律不齊：房性PP周期差別0.12s以上者，稱為房性心律不齊。房性心率需要

2、判斷P波。P波的基本特征是、直立，aVF倒置。竇房交界性P波可在竇房交界性早搏得到明確診斷。確定P波起源于心房的標(biāo)準(zhǔn)是：（1）P波形形態(tài)與竇性P波不同：P波的、aVF、導(dǎo)聯(lián)直立，aVR倒置，激動(dòng)起源于右房上部。、aVL、倒置，、aVF、直立，激動(dòng)起源于右房下部。、aVL、倒置，、aVF、直立，激動(dòng)起源于左房后上部。、aVL、aVF倒置，、直立，激動(dòng)起源于左房后下部。、aVL、倒置，、aVF直立，激動(dòng)起源于左房前上部。、aVL、aVF、倒置，激動(dòng)起源于左房前下部。（2）P-R0.12s。延遲出現(xiàn)的P波，稱為房性逸搏。房性P連續(xù)出現(xiàn)3次或者3次以上，構(gòu)成房性節(jié)律。3、交界性心律不齊：交界性-或者R

3、-R周期差別大于0.12s者，稱為交界性心律不齊。交界性波在、aVF 導(dǎo)聯(lián)倒置，aVR導(dǎo)聯(lián)視波電軸而定，波電軸指向左下方時(shí)，aVR倒置；波電軸指向-60°左右時(shí)，aVR可平坦、雙向、低平；波電軸指向0-30°的范圍內(nèi)，aVR倒置。4、室性心律不齊：室性心律不齊R-R周期大于0.12s以上者，稱為室性心律不齊。極少數(shù)室性心律是很規(guī)則的，大多數(shù)室性心律有程度不同的不齊，成為室性心律的重要特征之一。室性QRS波群的特征是QRS時(shí)間大于0.12s，其前無波，有時(shí)可見被干擾的竇性P波、房性P波、F波、f波、逆行波。室內(nèi)起搏點(diǎn)自律性強(qiáng)度極不穩(wěn)定，是產(chǎn)生室性心律不齊的主要機(jī)制。躲源性心律

4、時(shí)，因其不同部位室性起搏點(diǎn)自律性強(qiáng)度不同，室性心動(dòng)周期的長度明顯不等。二、 算法設(shè)計(jì)由心電圖學(xué)理論可知，若要通過算法來判斷是否有心律不齊乃至判斷心律不齊類型，首先需要將P波從心電圖中分離，用以判斷是否存在P波以及為提取P波的特征點(diǎn)做準(zhǔn)備。若是P波存在，就需要判斷出P波的正負(fù)，然后通過相應(yīng)點(diǎn)的檢測算法，將起始點(diǎn)、極值點(diǎn)找出，得出相應(yīng)P-P間期和心律的起搏點(diǎn)位置，做出最后的判斷是否心律不齊和心律不齊類型。若P波不存在，則為室性心律，同樣應(yīng)該通過相應(yīng)的點(diǎn)檢測算法以求出R-R間期，用以判斷是否心律不齊。具體過程見圖2.1圖2.1 總流程圖1、 P波檢測模塊P波檢測模塊主要功能是要將P波和T波與QRS波

5、群分離，進(jìn)行波形的定性分離。在這個(gè)分離的過程，采用的算法是一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法，對心電信號進(jìn)行濾波、基線校正等。整個(gè)算法過程基本上是通過一系列形態(tài)學(xué)算子實(shí)現(xiàn)的。設(shè)信號序列為f：F=0，1，N-1，結(jié)構(gòu)元素k：K=0，1，M-1，且N>M，則形態(tài)和運(yùn)算（即膨脹）可定義為：，其中m=M-1，M，N-1；形態(tài)差運(yùn)算（即腐蝕）可定義為：，其中m=M-1，M，N-1。兩種運(yùn)算分別前后減少了M個(gè)點(diǎn)。由形態(tài)和、差運(yùn)算可以組成開、閉運(yùn)算。開運(yùn)算是指對信號進(jìn)行一次腐蝕運(yùn)算，再進(jìn)行一次膨脹運(yùn)算；閉運(yùn)算則是指對信號進(jìn)行一次膨脹運(yùn)算，再進(jìn)行一次腐蝕運(yùn)算。開運(yùn)算通常用來削去信號中的波峰，閉運(yùn)算則常運(yùn)來填充波谷

6、。實(shí)際用于心電信號處理的方法是由兩路開、閉運(yùn)算組合而成的。經(jīng)過這樣的運(yùn)算后，原始信號中的一些波峰和波谷被“濾除”。適當(dāng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)元素的長度M，可以有選擇地達(dá)到噪聲濾除和去除QRS波群的目的。然而由于濾波過程后的輸出實(shí)際代表著基線的漂移，因此要從輸入信號中減去由濾波器輸出的漂移信號，最終得出基線矯正的結(jié)果。在完成以上算法后，就可以通過判斷P波的幅值來判斷是否存在P波、P波幅值的正負(fù)，以進(jìn)入接下一階段的檢測。具體流程見圖2.2。圖2.2 P波檢測模塊流程圖2、 P波點(diǎn)檢測模塊P波點(diǎn)檢測模塊的主要功能就是找出P波上的P點(diǎn)，以用于P-P間期計(jì)算。由于從P波檢測模塊中所得到的結(jié)果，只是進(jìn)行了噪聲濾除和QR

7、S波群的分離，所以還存在著P波和T波。雖然P波的幅值有正有負(fù)的，但是找出起值止點(diǎn)和極值點(diǎn)的算法思路是一樣的。首先需要找出P波的起點(diǎn)和指點(diǎn)。這需要先找出f(i)=0的點(diǎn)，然后是判斷在鄰域各點(diǎn)的情況，需要結(jié)合時(shí)間閾值n和斜率閾值l來作為判斷依據(jù)。接著就是需要找出個(gè)極值點(diǎn)，并判斷出它們是否是P點(diǎn)。最后便是計(jì)算出兩個(gè)相鄰P點(diǎn)之間的時(shí)間，即為P-P間期，用于判斷是否是心律不齊。具體流程見圖2.3和圖2.4.圖2.3 正向P波點(diǎn)檢測流程圖圖2.4 負(fù)向P波點(diǎn)檢測流程圖3、 QRS波群檢測模塊QRS波群檢測模塊的主要功能就是找出R-R間期，用以判斷是否出現(xiàn)室性心律不齊。分離QRS波群的算法是基于小波變換而實(shí)

8、現(xiàn)的。將離散序列x(n)由Mallat算法求出：，其中是一個(gè)低通濾波器，是一個(gè)高通濾波器。是概貌信息，是細(xì)節(jié)信息。這里所使用的是Marr小波，是高斯函數(shù)的二次倒數(shù)（沒有負(fù)號）：。因?yàn)?、的階數(shù)與信號的采樣率有關(guān)，所以以MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)為例（360Hz采樣，10位A/D）。在第三階概貌信號上R波與噪聲及其他干擾較明顯分離，第四階細(xì)節(jié)上R波與P、T波噪聲明顯分離，而第五階概貌信號保存了原始信號的極限和T波成分。因此第三階概貌信號減去第五階概貌信號，得到的信號，可以去除基線漂移，并極大地抑制高頻噪聲。結(jié)合第四階細(xì)節(jié)信號，可以在檢測R波上取得好的效果。為了便于推導(dǎo)，將Mallat算法公

9、式改寫為：其中為Mallat算法中的，那么則就是所需要的濾波器。但是在這個(gè)算法中，可以把中幅值很小的點(diǎn)去除，得到濾波器。所將心電信號用S表示，利用可以得到：X為概貌信號，D為細(xì)節(jié)信號。Th1是在X上檢測幅度的閾值，Th2是在D上檢測幅度的閾值，在X上大于閾值Th1的峰，在D中檢測對應(yīng)點(diǎn)峰值是否大于Th2，若大于有可能為R點(diǎn)。但還應(yīng)判斷其與前后可能的R的距離，才能確認(rèn)是否為R點(diǎn)。具體流程見圖2.5：圖2.5 QRS波群檢測模塊算法中參數(shù)M為R波極值探測長度，由采樣率和R波寬帶決定。算法中M取采樣率的1/8。Th1由A/D轉(zhuǎn)換精度決定，算法中取0.02*分辨率，8為A/D的分辨率為256。K在算法

10、中取8。Th2在算法中取0.02*分辨率。對于P點(diǎn)與上一個(gè)R點(diǎn)Rprev的判斷分為一下三種情況：（1）距離小于不應(yīng)期。若P點(diǎn)的概貌幅度大于Rprev，則Rprev為假，刪除Rprev，并記錄P點(diǎn)為R點(diǎn)，否則P點(diǎn)為假。（2）距離大于不應(yīng)期而小于*RR（可取為0.8），且兩者中有一個(gè)幅度小于*RHeight（可取為0.5），則有一個(gè)點(diǎn)為假R點(diǎn)。（RHeight是檢測出的R波的概貌信號幅度加權(quán)平均值。）若P點(diǎn)概貌幅度大于Rprev，則Rprev為假，P為R點(diǎn)；否則，P為假。（3）距離大于*RR，則認(rèn)為P是R波。RR間期需要更新，更新公式為：新RR=原RR*0.8+0.2*rr，rr為新的R點(diǎn)與上一個(gè)R點(diǎn)的距離。最后得出的RR間期是用來判斷是否為室性心律不齊。三、 未解決的問題及未來的工作1、 未解決的問題（1） 如何讓程序在點(diǎn)檢測之前判別P波的正負(fù)性？（2） 如何在形態(tài)學(xué)處理中選擇正確的結(jié)構(gòu)元素？（3） 如何有效地判斷P-P間期，即是如何找出正確的P點(diǎn)？（4） 如何擬合和插值、又如何采樣？（5） 小波變換中各部算法中參數(shù)如何選擇？2、 未來的工作（