心電圖機(jī)檢定儀ECG組合測(cè)試波形的檢測(cè)識(shí)別

/ .天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院；.天津陸海石油設(shè)備系統(tǒng)工程有限責(zé)任公司

0 引言

目前所使用的心電圖機(jī)檢定儀都需要輸出ECG組合測(cè)試波形（心電仿真信號(hào)）對(duì)數(shù)字心電圖機(jī)進(jìn)行計(jì)量檢定，因此其輸出的ECG 組合測(cè)試波形的準(zhǔn)確與否至關(guān)重要。為了能夠?qū)CG組合測(cè)試波形進(jìn)行計(jì)量檢定或校準(zhǔn)，就需要對(duì)ECG組合測(cè)試波形進(jìn)行識(shí)別，以獲取P、QRS和T波的各種參數(shù)(包括幅度、時(shí)間間隔等)[1,2]。

心電ECG信號(hào)的檢測(cè)和識(shí)別在心電分析中具有重要作用，一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。心電ECG信號(hào)檢測(cè)識(shí)別方法大都通過(guò)確定其波群的位置、寬度、幅度及頻率帶寬來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別。目前的方法有基于濾波和幅度閾值的QRS波檢測(cè)方法[3]、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)結(jié)合包絡(luò)提取的QRS波檢測(cè)方法[4]、基于小波變換的ECG波形信號(hào)檢測(cè)方法[5]、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的QRS波形信號(hào)檢測(cè)方法[6]等，但是目前對(duì)心電圖機(jī)檢定儀所輸出的ECG組合測(cè)試波形還沒(méi)有相應(yīng)的方法，尤其是對(duì)P波和ST波水平段的檢測(cè)識(shí)別國(guó)內(nèi)外的研究很少。本文主要研究心電圖機(jī)檢定儀ECG組合測(cè)試波形的檢測(cè)識(shí)別方法。

方法是基于虛擬儀器技術(shù)的心電圖機(jī)檢定儀ECG組合測(cè)試波形的檢測(cè)識(shí)別[7]，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)心電圖機(jī)檢定儀輸出的ECG組合測(cè)試波形采集的信號(hào)以數(shù)組的形式儲(chǔ)存，然后對(duì)ECG組合測(cè)試波形進(jìn)行檢測(cè)及特征點(diǎn)的識(shí)別，對(duì)識(shí)別的特征點(diǎn)在波形圖中標(biāo)記，并顯示其幅值，儲(chǔ)存位置信息，最后依據(jù)公式計(jì)算出各波形的時(shí)間間隔，完成心電圖機(jī)檢定儀ECG組合測(cè)試波形的檢測(cè)和識(shí)別。軟件編制使用LabVIEW圖形化編程軟件[7]。

1 ECG組合測(cè)試波形識(shí)別流程

對(duì)心電圖機(jī)檢定儀ECG組合測(cè)試波形的檢測(cè)是借助LabVIEW強(qiáng)大的信號(hào)處理功能、采用基于閾值的ECG信號(hào)的方法，利用相鄰兩點(diǎn)的斜率變化來(lái)識(shí)別，比較其對(duì)應(yīng)波形的上升或下降斜率的不同，來(lái)定位心電圖機(jī)檢定儀ECG組合測(cè)試波形的幅值拐點(diǎn)和位置，通過(guò)檢測(cè)波形序列對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)（斜率的變化即一階導(dǎo)數(shù)值）并與由實(shí)驗(yàn)獲得的一階導(dǎo)數(shù)閾值和幅度閾值相結(jié)合來(lái)定位QRS復(fù)合波以及P波和T波的位置和幅值，最后計(jì)算出所需要的時(shí)間間隔。

ECG組合測(cè)試波形檢測(cè)識(shí)別流程如圖1所示。

圖1 ECG 組合測(cè)試波形識(shí)別流程

首先對(duì)ECG信號(hào)進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)的運(yùn)算，同時(shí)找出R波峰值和位置。然后依次找出T波、ST段水平波、P波、Q波的峰值點(diǎn)和位置，最后對(duì)尋找到的各波的峰值點(diǎn)和位置進(jìn)行分析和處理。

2 ECG組合測(cè)試波形檢測(cè)與識(shí)別

心電圖機(jī)檢定儀ECG組合測(cè)試波形的檢測(cè)識(shí)別如圖2所示，其中蘭色標(biāo)記為波形檢測(cè)所確定的位置。

圖2 ECG組合測(cè)試波形檢測(cè)識(shí)別的波形位置和時(shí)間間隔

2.1 確定R波的幅值和位置

因?yàn)镽波在ECG組合測(cè)試波形中幅值最大，依據(jù)心電圖機(jī)檢定儀的技術(shù)指標(biāo)預(yù)先設(shè)定R波幅值和RR間隔范圍，檢測(cè)在范圍內(nèi)所有的幅值，對(duì)小于RR間隔值一半的幅值的一組取平均值作為R波幅值參考值，選擇最接近參考值的幅值作為R波幅值A(chǔ)6和位置t1。

向前、后搜尋相鄰的R波幅值，任取前面或后面的R波幅值的位置作為另一R波的位置t1′，則為R波的時(shí)間間隔T1（向前、后搜尋是為了避免t1位置是第一個(gè)波或最后一個(gè)波而找不到t1′位置）。從t1處反向搜尋ECG波形，當(dāng)其幅值趨于零（幅值閾值）時(shí)，確定t2位置。

對(duì)ECG組合測(cè)試波形進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)運(yùn)算，利用相鄰兩點(diǎn)的斜率變化來(lái)識(shí)別。當(dāng)斜率由正變負(fù)，即一階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)則為R波后的第一個(gè)R波波谷幅值A(chǔ)7并確定其位置t3；繼續(xù)搜尋，當(dāng)斜率由負(fù)變正，即一階導(dǎo)數(shù)再次過(guò)零點(diǎn)則確定R′波幅值A(chǔ)8和其位置t4。

2.2 確定T波的幅值和位置

從t4位置繼續(xù)搜尋，幅值最接近零點(diǎn)的位置為t5，一階導(dǎo)數(shù)逐步減小且在零值附近（即導(dǎo)數(shù)閾值內(nèi)），當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)突變、遠(yuǎn)離導(dǎo)數(shù)閾值時(shí)確定ST段水平波的幅值A(chǔ)9和T波起始位置t6；當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)，則確定T波幅值A(chǔ)10；繼續(xù)搜尋，當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)趨于零（導(dǎo)數(shù)閾值）和幅值趨于零（幅值閾值）時(shí)，則確定T波終結(jié)點(diǎn)位置t7，計(jì)算T波間隔：T10=t7-t6。

2.3 確定P波的幅值和位置

從t7位置繼續(xù)搜尋，幅值和一階導(dǎo)數(shù)應(yīng)在零點(diǎn)（導(dǎo)數(shù)閾值）附近。當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)再次突變時(shí)，此時(shí)確定P波的起始位置t8，從t8開(kāi)始，搜尋一階導(dǎo)數(shù)趨于零（導(dǎo)數(shù)閾值）的位置t9、t10、t11，這些位置的幅值就是P波的極值點(diǎn)，即P波峰值A(chǔ)2、P波谷值A(chǔ)3和P′波峰值A(chǔ)4；當(dāng)幅值趨于零（幅值幅值）和一階導(dǎo)數(shù)趨于零時(shí)（導(dǎo)數(shù)幅值）的位置t12，就是P波的終結(jié)位置，則P波時(shí)間間隔：T2=t12-t8。

2.4 確定Q波的幅值和位置

從t12位置繼續(xù)搜尋，幅值和一階導(dǎo)數(shù)應(yīng)在幅值零點(diǎn)（幅值閾值）導(dǎo)數(shù)零點(diǎn)（導(dǎo)數(shù)閾值）附近，當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)再次突變時(shí)，此時(shí)確定Q波的起始位置t13。當(dāng)斜率由負(fù)變正，即一階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)則可以確定Q波的位置t14和Q波的幅值A(chǔ)5；當(dāng)幅值過(guò)零點(diǎn)時(shí)，即為Q波的終結(jié)位置t15，直到下一個(gè)R波幅值的位置t1′；繼續(xù)搜尋t16（與搜尋t4方法相同）、t17（與搜尋t5方法相同）、t18（與搜尋t7方法相同），一個(gè)完整的ECG組合測(cè)試波形搜尋結(jié)束。

2.5 確定ECG組合測(cè)試波形幅值和時(shí)間間隔

經(jīng)過(guò)檢測(cè)ECG組合測(cè)試波形，各個(gè)波形的幅值在上面的檢測(cè)過(guò)程中已經(jīng)得到，A1幅值可以通過(guò)波形測(cè)量直接獲得，各波形的位置也已確定，利用下面的公式來(lái)確定ECG組合測(cè)試波形的各個(gè)波形的時(shí)間間隔；

RR 時(shí)間間隔T1：T1=t1′ -t1；

P波時(shí)間間隔T2：T2=t12-t8；

QRS復(fù)合波時(shí)間間隔T3：T3=t5-t13；

Q波時(shí)間間隔T4：T4=t15-t13；

R波時(shí)間間隔T5：T5=t5-t15；

PQ波時(shí)間間隔T6：T6=t13-t8；

QT波時(shí)間間隔T7：T7=t7-t13；

QR波時(shí)間間隔T8：T8=t1-t13；

QR′波時(shí)間間隔T9：T9=t4-t13；

T波時(shí)間間隔T10：T10=t7-t6；

TP 波時(shí)間間隔T11：T11=t12-t6。

3 ECG組合測(cè)試波形檢測(cè)識(shí)別的實(shí)驗(yàn)

按照心電圖機(jī)檢定儀ECG組合測(cè)試波形檢測(cè)識(shí)別流程構(gòu)建LabVIEW程序，使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡對(duì)ECG組合測(cè)試波形進(jìn)行采集，采樣率為1 MS/s。R波的閾值設(shè)定為R波標(biāo)準(zhǔn)值的最大允許誤差之間。心電圖機(jī)檢定儀輸出幅值為2 mV的ECG組合測(cè)試波形，其檢測(cè)識(shí)別結(jié)果如圖3。

實(shí)驗(yàn)顯示，該方法可以準(zhǔn)確檢測(cè)識(shí)別出幅值參數(shù)A1～A10和時(shí)間間隔參數(shù)T1～T11，并且可以通過(guò)指示燈直觀顯示結(jié)果是否合格。

圖3 ECG組合測(cè)試波形LabVIEW識(shí)別

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于虛擬儀器技術(shù)的ECG組合測(cè)試波形檢測(cè)識(shí)別方法，使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡對(duì)ECG組合測(cè)試波形進(jìn)行采樣，并把采集到的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)及識(shí)別。本文構(gòu)建了硬件結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)了檢測(cè)識(shí)別軟件，對(duì)采集的心電圖機(jī)檢定儀ECG組合測(cè)試波形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析說(shuō)明該方法可以快速準(zhǔn)確地對(duì)心電圖機(jī)檢定儀輸出的ECG組合測(cè)試波形進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別和分析，且準(zhǔn)確度高。

[1]全國(guó)無(wú)線電計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 1041-2008 [S].中國(guó)計(jì)量出版社, 2008.

[2]全國(guó)無(wú)線電計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 749-2007 [S].中國(guó)計(jì)量出版社,2007.

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