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BIOMEDICALDIGITALSIGNALPROCESSING
生物醫(yī)學(xué)數(shù)字信號處理2009.031醫(yī)學(xué)PPT霍金教授的辦公室(劍橋大學(xué))“我的書每增加一個(gè)公式,讀者就減少一半”——霍金教授2醫(yī)學(xué)PPTBME在百年諾貝爾
生理與醫(yī)學(xué)獎中的份額美國的保羅-勞特布爾和英國的彼得-曼斯菲爾德共同獲得了2003年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎--核磁共振成像技術(shù)--三維圖象百年總計(jì)(1901-2000)91(屆次)100%Ⅰ屬于BME范疇1618%Ⅱ與BME密切相關(guān)1314%Ⅲ不采用BME方法、技術(shù)、設(shè)備與材料就不能完成的3943%Ⅳ與BME無關(guān)的2325%3醫(yī)學(xué)PPT教材作者:美國威斯康辛大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授前IEEE生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會主席
WillisJ.Tompkins書名:BiomedicalDigitalSignalProcessingISBN:7560925790頁數(shù):2464醫(yī)學(xué)PPTLecture2ElectrocardiologyElectrocardiogramECG
第2講心電學(xué)5醫(yī)學(xué)PPT心臟機(jī)械收縮之前,先產(chǎn)生電激動,心房和心室的電激動可經(jīng)人體組織傳到體表。心電圖是利用心電圖機(jī)從體表記錄心臟每一心動周期所產(chǎn)生電活動變化曲線圖形。6醫(yī)學(xué)PPT心臟的特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)由竇房結(jié)、結(jié)間束(分為前、中、后結(jié)間束)、房間束(起自結(jié)間束,稱Bachmann束)、房間交界區(qū)(房室結(jié)、希氏束)、束支(分為左、右束支,左束支又分為前分支和后分支)以及普肯耶纖維(Pukinjefiber)構(gòu)成。心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)與每一心動周期順序出現(xiàn)的心電變化密切相關(guān)。正常心電活動始于竇房結(jié),興奮心房的同時(shí)經(jīng)結(jié)間束傳導(dǎo)至房室結(jié)(激動傳,然后循希氏束-左、右束支-普肯耶纖維順序傳導(dǎo),最后興奮心室。這種先后有序的電激動的傳播,引起一系列電位改變,形成了心電圖上相應(yīng)的波段。
7醫(yī)學(xué)PPT
心電圖機(jī)是記錄心電圖的專用儀器,有單道心電圖機(jī)和多道心電圖機(jī),多道心電圖機(jī)可以同時(shí)記錄多導(dǎo)聯(lián)的心電,最多有同時(shí)記錄12導(dǎo)聯(lián)的,而單道心電圖機(jī)只能順序記錄12個(gè)導(dǎo)聯(lián),有手控的心電圖機(jī),也有程控的、微電腦控制或數(shù)字式的心電圖機(jī),在很多其它儀器中也常有心電記錄電路模塊。三道心電圖機(jī)
順序記錄12導(dǎo)聯(lián)心電圖后重新排列在一幅紙上運(yùn)動心電圖記錄系統(tǒng)
8醫(yī)學(xué)PPT2.1Electrocardiologicbasis
2.1心電學(xué)基礎(chǔ)2.1.1threebasictechniques
2.1.1三種基本技術(shù)1.StandardclinicalECG(12leads)
1.標(biāo)準(zhǔn)臨床ECG(12導(dǎo)聯(lián))
2.VCG(3orthogonalleads)
3.MonitoringECG(1or2lead(s))
2.向量心電圖(三維正交導(dǎo)聯(lián))
3.監(jiān)護(hù)ECG(1或2導(dǎo)聯(lián))
9醫(yī)學(xué)PPT2.1.2Electrodes
2.1.2電極Figure2.3Asilver-silverchlorideECGelectrode.Manymodernelectrodeshaveelectrolytelayersthataremadeofafirmgelwhichhasadhesiveproperties.Thefirmgelminimizesthedisturbanceofthechargedoublelayer.10醫(yī)學(xué)PPT2.1.3心電等效發(fā)生器Figure2.4Boththeelectricalandmechanicalconditionsoftheheartareinvolvedindeterminingthecharacteristicsofthespreadofelectricalactivityoverthesurfaceoftheheart.Amodelofthisactivityiscalledacardiacequivalentgenerator.2.1.3Thecardiacequivalentgenerator
11醫(yī)學(xué)PPTFigure2.5Einthovenequilateraltriangle.RAandLAaretherightandleftarmsandLListheleftleg.12醫(yī)學(xué)PPTAcurrentdipoleisacurrentsourceandacurrentsinkseparatedbyadistance.Sincesuchadipolehasmagnitudeanddirectionwhichchangethroughoutaheartbeatasthecellsintheheartdepolarize,thisleadstothevectorrepresentation.電流偶極子是相隔一段距離的電流源和穴(漏)。當(dāng)心肌細(xì)胞去極化(讀注:實(shí)際應(yīng)包含反極化和復(fù)極化)時(shí),這樣一個(gè)偶極子的大小和方向在整個(gè)心搏周期都是變化的,這就導(dǎo)致了向量表示法。
P(t)=Px(t)X十Py(t)Y十Pz(t)Z(2.1)WhereP(t)isthetime-varyingcardiacvector,Pi(t)aretheorthogonalcomponentsofthevectoralsocalledscalarleads,andX,Y,Z
areunitvectorsinthex,y,zdirections.式中P(t)是時(shí)變心臟偶極子,Pi(t)
為該矢量的正交分量,也稱為標(biāo)量導(dǎo)聯(lián),X,Y,Z是X,Y,Z方向的單位矢量。13醫(yī)學(xué)PPTTheforwardsolutionprovidesthepotentialatanyarbitrarypointonthebodysurfaceforagivencardiacdipole.Expressedmathematically,對于給定的心電偶極子,心電正問題的解提供了體表任意點(diǎn)的電位,數(shù)學(xué)上表示為,vn(t)=tnxPx(t)十tnyPy(t)十tnzPy(t)(2.2)Thisforwardso1utlonshowsthatthepotentialvn(t)(i.e.,theECS)atanypointnonthebodysurfaceisgivenbythelinearsumoftheproductsofasetoftransfercoefficients[tni]uniquetothatpointandtheCorrespondingorthogonaldipolevectorcomponents[Pi(t)].
14醫(yī)學(xué)PPTTheECSsaretime-varyingasarethedipo1ecomponents,whilethetransfercoefficientsareonlydependentonthethoracicgeometryandinhomogeneities.Thusforasetofkbodysurfacepotentials(i.e.,1eads),thereisasetofkequationsthatcanbeexpressedinmatrixform
V=T×P(2.3)
WhereVisakxlvectorrepresentingthetime-varyingpotentials,Tisakx3matrixoftransfercoefficients,Whicharefixedforagivenindividual,andPisthe3x1time-varyingheartvector.心電信號與偶極子分量一樣是時(shí)變的,而傳遞系數(shù)則只決定于胸部的幾何形狀和非均勻性。因此,一組k體表電位(即,導(dǎo)聯(lián)),就有
kequations個(gè)方程的方程組,并可表示成矩陣形式。
15醫(yī)學(xué)PPTOfcourse,theheartvectorandtransfercoefficientsareunknownforagivenindividual.Howeverifwehadawaytocomputethisheartvector.Wecoulduseitintheso1utionoftheforwardproblemandobtaintheECSforanybodysurfacelocation.Theapproachtosolvingthisproblemisbasedonaphysicalmodelofthehumantorso.Themodelprovidestransfercoefficientsthatrelatethepotentialsatmanybodysurfacepointstotheheartvector.Withthisinformation,wese1ectthreeECSleadsthatsummarizetheintrinsiccharacteristicsofthedesiredabnormalECStosimulate.Thenwesolvetheinverseproblemtofindthecardiacdipolevector.自然,對于任一個(gè)體心臟向量P和傳遞系數(shù)T
是未知的。然而,若我們有計(jì)算心臟矢量的方法,就可用之解正問題并獲得任意體表位置的ECS。解此類問題的方法建立在人體胸廓物理模型的基礎(chǔ)上。該模型提供了眾多體表點(diǎn)的電位與心臟向量的關(guān)系的傳遞系數(shù)。用該信息,則只選擇三個(gè)ECS導(dǎo)聯(lián)就能概括欲模擬的所希望的異常ECS的本質(zhì)特征。然后,就解逆問題以求出心臟偶極向量。16醫(yī)學(xué)PPTThus,forthreeheartvectorcomponent,therearethreelinearequationsoftheform因此,對于三個(gè)心臟向量的分量,有如下形式的三個(gè)線性方程Px(t)=bx1v1(t)+bx2v2(t)+…+bxkvk(t)(2.5)
P
=B×V(2.4)
WhereBisa3xkmatrixofleadcoefficientsthatisdirectlyderivedfrominvertingthetransfercoefficientsmatrixT.
17醫(yī)學(xué)PPTIfweselectkbodysurfaceECSleads[v1(t),v2(t),…,vk(t)]forwhichtheleadcoefficients,T(orB),areknownfromthephysicalmodelofthehumantorso,wecansolvetheinverseproblemandcomputethetime–varyingheartvector,P,usingEq.(2.4).Oncewehavethesedipolecomponents,wesolvetheforwardproblemusingEq.(2.3)tocomputetheECSforanypointonthebodysurface.如果選擇了K個(gè)體表ECS導(dǎo)聯(lián)[v1(t),v2(t),…vk(t)],且由人體胸廓的物理模型得知了導(dǎo)聯(lián)系數(shù)T(或B),則就可由(2.4)式求解逆問題并計(jì)算時(shí)變的心臟向量P。一旦有了這些偶極分量,則就可用方程(2.3)解正問題以計(jì)算任意點(diǎn)的ECS.18醫(yī)學(xué)PPT2.1.4GenesisoftheECS2.1.4心電的起源TimevaryingmotionofthecardiacvectorproducesthebodysurfaceECSforoneheartbeatwithitscharacteristicPandTwavesandQRScomplex.心臟向量的時(shí)變運(yùn)動產(chǎn)生體表心電,每搏都有其
特征性的P、T波和QRS復(fù)合波。Figure2.7Basicconfigurationforrecordinganelectrocardiogram.Usingelectrodesattachedtothebody,theECGisrecordedwithaninstrumentationamplifier.(a)Transverse(top)viewofasliceofthebodyshowingtheheartandlungs.(b)FrontalviewshowingelectrodesconnectedinanapproximateleadIIconfiguration.
19醫(yī)學(xué)PPTForthepointsintimethatthevectorpointstowardtheelectrodeconnectedtothepositiveterminaloftheamplifier,theoutputECSwillbepositive-going.Ifitpointstothenegativeelectrode,theECSwillbenegative.(Thefollowingstatementisbetterandmoredetailed.“Ifthevectorpointstotheelectrodeconnectedtothenegativeterminaloftheamplifier,theECSwillbenegative”.)
在心臟矢量指向的電極連到放大器正端的那些時(shí)間點(diǎn),輸出的ECS為正的。若心電向量指向的電極連到放大器負(fù)端,則輸出的ECS為負(fù)的。20醫(yī)學(xué)PPTFigure2.8Electrocardiogram(ECG)foronenormalheartbeatshowingtypicalamplitudesandtimedurationfortheP,QRS,Twaves.
21醫(yī)學(xué)PPTFigure2.9Relationshipbetweenthespreadofcardiacelectricalactivationrepresentatvarioustimeinstantsbyasummingvector(intheupperframes)andthegenesisoftheECS(inthelowerframes).
22醫(yī)學(xué)PPT
InFigure2.9(a),theslowmovingdepolarizationoftheatriawhichbeginsatthesinoatrial(SA)nodeproducesthePwave.AsFigure2.9(b)shows,thesignalisdelayedintheatrioventricular(AV)noderesultinginanisoelectricregionafterthePwave,thenasthePurkinjesystemstartsdeliveringthestimulustotheventricularmuscle,theonsetoftheQwaveoccurs.InFigure2.9(c),rapiddepolarizationoftheventricularmuscleisdepictedasalarge,fast-movingvectorwhichbeginsproducingtheRwave.Figure2.9(d)illustratesthatthemaximalvectorrepresentsapointintimewhenmostofthecellsaredepolarized,givingrisetothepeakoftheRwave.InFigure2.9(e),thefinalphaseofventriculardepolarizationoccursastheexcitationspreadstowardthebaseoftheventricles(tothetopinthepicture)givingrisetotheSwave.23醫(yī)學(xué)PPT
InFigure2.9(a),theslowmovingdepolarizationoftheatriawhichbeginsatthesinoatrial(SA)nodeproducesthePwave.AsFigure2.9(b)shows,thesignalisdelayedintheatrioventri-cular(AV)noderesultinginanisoelectricregionafterthePwave,thenasthePurkinjesystemstartsdeliveringthestimulustotheventricularmuscle,theonsetoftheQwaveoccurs.InFigure2.9(c),rapiddepolarizationoftheventricularmuscleisdepictedasalarge,fast-movingvectorwhichbeginsproducingtheRwave.Figure2.9(d)illustratesthatthemaximalvectorrepresentsapointintimewhenmostofthecellsaredepolarized,givingrisetothepeakoftheRwave.InFigure2.9(e),thefinalphaseofventriculardepolarizationoccursastheexcitationspreadstowardthebaseoftheventricles(tothetopinthepicture)givingrisetotheSwave.
圖2.9(a)中,始于竇房結(jié)的、慢運(yùn)動的心房去極化,產(chǎn)生P波。正如圖2.9(b)所示,信號通過房室結(jié)時(shí)被延遲,產(chǎn)生P波后的等電區(qū)。然后,當(dāng)Purkinje系統(tǒng)開始發(fā)送刺激到心室肌時(shí),Q波開始發(fā)生。在圖2.9(c)中,心室肌的快速去極化表現(xiàn)為大而快速運(yùn)動的矢量,開始產(chǎn)生R波。圖2.9(d)說明,最大矢量代表了大多數(shù)細(xì)胞去極化的時(shí)間點(diǎn),產(chǎn)生R波的峰。圖2.9(e)是激動向心室的基底部(向圖的頂部)傳播時(shí)的心室去極化的終末時(shí)相,產(chǎn)生S波。24醫(yī)學(xué)PPT2.1.5Thestandardlimbleads
2.1.5標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)I+III–II=0(2.6)
Figure2.10LeadsI,IIandIIIarethepotentialsdifferencebetweenthelimbsasindicated.RAandLAaretherightandleftarmsandLListheleftleg.FromKirchhoff’svoltageslaw,thesumofthevoltagesaroundaloopequalszero.Thus25醫(yī)學(xué)PPT2.1.6Theaugmentedlimbleads
2.1.6加壓肢體導(dǎo)聯(lián)
Figure2.11TheaugmentedlimbleadaVLismeasuredasshown.
Fromthebottomleftloop
i×R+i×R-II=0(2.8)ori×R=II/2(2.9)Fromthebottomrightloop
i×R+III+aVL=0(2.10)OraVL=i×R–III(2.11)CombiningEqs.(2.9)and(2.11)givesaVL=II/2–III=(II-2×III)/2(2.12)
Fromthetopcenterloop
II=III+I(2.13)
SubstitutinggivesaVL=(III–I-2×III)/2=(I–III)/2(2.14)26醫(yī)學(xué)PPT2.2ECSleadsystems
2.2心電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)
心電學(xué)中有三種常用的基本導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。最通用的是12導(dǎo)聯(lián)方法,該法定義了12種電位差的集合,構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)臨床ECG。第二種導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)規(guī)定了記錄VCG的電極位置。典型的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)只分析1或2個(gè)導(dǎo)聯(lián)。
Therearethreebasicleadsystemsusedincardiology.Themostpopularisthe12-leadapproach,whichdefinesthesetof12potentialdifferencesthatmakeupthestandardclinicalECG.AsecondleadsystemdesignatesthelocationofelectrodesforrecordingVCG.Monitoringsystemstypicallyanalyzeoneortwoleads.
27醫(yī)學(xué)PPT2.2.112leadECS
2.2.112導(dǎo)聯(lián)心電
28醫(yī)學(xué)PPTFigure2.16
Standard12-leadclinicalelectrocardiogram.(a)LeadI.(b)LeadII.(c)LeadIII.Notetheamplifierpolarityforeachoftheselimbleads.(d)aVR.(e)VL.(f)aVF.Theseaug-mentedleadsrequireresistornetworkswhichaveragetwolimbpotentialswhilerecordingthethird.(g)ThesixVleadsarerecordedreferencedtoWilson’scentralterminalwhichistheaverageofallthreelimbpotentials.EachofthesixleadslabeledV1-V6arerecordedfromadifferentanatomicalsiteonthechest.29醫(yī)學(xué)PPT30醫(yī)學(xué)PPT中心電端C相連。所有單極導(dǎo)聯(lián)皆參考此點(diǎn)電壓。所有輸入端皆采用高輸入阻抗電路。31醫(yī)學(xué)PPT12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)心電圖導(dǎo)聯(lián)雙極肢體導(dǎo)聯(lián):I、II、III單極加壓肢體導(dǎo)聯(lián):aVL、aVR、aVF胸導(dǎo)聯(lián):V1、V2、V3、V4、V5、V6電極安放的位置:肢體導(dǎo)聯(lián)監(jiān)護(hù)導(dǎo)聯(lián)32醫(yī)學(xué)PPTFigure2.17The12-leadECGofanormalpatient.Calibrationpulsesontheleftsidedesignate1mV.Therecordingspeedis25mm/s.EachminordivisionisImm,sothemajordivisionare5mm.ThusinleadI,theR-waveamplitudeisabout1.1mVandthetimebetweenbeatsisalmost1S(i.e.,heartrateisabout60bpm).ThenotesareID0042804,S=26,L=×2,C=×1,I,II,III,aVR,aVL,aVF,V1,V2,V3,V4,V5,V6,PatientNO:4307400respectively.
33醫(yī)學(xué)PPT2.2.2VCSleadsystem2.2.2向量心電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)Figure2.18TheelectrodeplacementfortheFrankvectorECSsystem.Figure2.19Theresistornetworkforcombiningbodysurfacepotentialstoproducethethreetime-varyingscalarleadsoftheFrankVCSleadsystem.
34醫(yī)學(xué)PPTFigure2.20Thevectorcardiogramofanormalmalepatient.Thethreetime-varyingscalarleadsforoneheartbeatareshownontheleftandarethex,yandzleadsfromtoptobottom.Inthetopcenteristhefrontalviewofthetipofthevectorasitmovesthroughoutonecomputedheartbeat.Inbottomcenterisatransverseviewofthevectorlooplookingdownfromabovethepatient.Onthefarrightisaleftsagittalviewlookingtowardtheleftsideofthepatient.
35醫(yī)學(xué)PPT2.2.3MonitoringECS
leadsystem2.2.3監(jiān)護(hù)心電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)Monitoringapplicationdonotusestandardelectrodepositionsbuttypicallyusetwoleads.Sincetheprincipalgo
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