摘要本文分析描述了基于PC机的心电信号的测试系统，并讨论了一些技术细节。进而我们建立相应的线性和非线性的检测方法与算法，以帮助临床医生分析和诊断心率过速和心室纤颤。根据我们实验记录的数据和算法的结果，这套测试系统显示出良好的特性，可以为心率过速和心室纤颤的自动检测提供一个可行有效的途径。

PC Based Multi-Lead ECG Test & Measurement System And Processing Algorithm

Zhang Hongxuan，Wang Ze，Zhu Yisheng

(Dept. of Biomedical Engineering,Shanghai Jiaotong University, 200030)

AbstractIn this paper is described a PC based ECG signal test & measurement system and some technical details are discussed.We set up linear and nonlinear detection methods and algorithms in order to hepl clinic doctors diagnose VT and VF. From data recorded and result of computation, this set of system has good performance. It might be a practical way of doing automatic VT and VF test & measurement.

Key words:Multi-lead, ECG, VT and VF, Virtual instrument, Nonlinear dynamics, Complexity

0引言

心电图学的发展史是一部新技术引入、新导联发现和新学说提出的历史。从1856年Muller和Kolliker发现蛙心舒缩运动时伴有电活动，到1887年的Waller用Maregy研制的Lippmann微电计首次在人体中记录到心电活动，到1903年Einthoven在Van der woerd的帮助下制造了第一台弦线型心电计，到1909年Waller在英国皇家科学院公开演示而得到学术界的正式认可，到今天，心电图的记录已经经过了很多代的发展：从弦线式到电子管式，从示波器式到晶体管式，到今天的超大规模集成电路式。本文主要集中讨论当今基于PC机的大规模集成电路的心电图的测试系统。心脏是具有特殊的电传导系统，并且它的生理和化学组成决定了它的各向异性。心脏的电传导由窦房结发出的兴奋，按照一定的途径和时程，依次向心房和心室扩布，引起整个心脏的循环兴奋。心脏各部分兴奋过程中出现的电位变化的方向、途径、次序和时间等均有一定的规律。由于人体为一个容积导体，这种电变化必然扩布到身体表面，使心电信息的体外电检测成为可能。鉴于心脏在同一时间内产生大量的电信号，因此，可通过安放在身体表面的电极，将电位变化以时间为函数记录下来，也就是心电图ECG(Electro Cardio Gram)。由于放在体表的电极测出的ECG信号随着不同位置而异。心周期中某段ECG信号描述在这一电极位置不明显，而在另一位置上却很清楚。为了完整描述心脏的活动状况，常用在水平和垂直方向的十二种不同的导联作记录，以看清个重要的细节。心电信号通过导线和电极加到心电图机放大器的输入端，一般把导线和电极合在一起称为导联。

1基于PC机的多导联的心电图测量系统的研制

近百年来，国外曾试用过百余种导联系统，Einthoven 1903年提出了标准Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联，30年代Wilson提出了V1～V6单极胸导联，40年代的Goldberger改良了中心电端，提出了aVR,aVL,aVF单极加压肢体导联。经过了长期的临床实践确立了目前的12导联的常规地位。我们这套基于PC机的多导联的心电测试系统也是基于目前的12导联的测量系统^［1］。12导联的心电图测试系统框架图如图1所示。

图1多导联心电图测量及信号处理框架

在建立多导联心电测量系统后，我们设计研制了心电信号测试系统，它主要包括两部分：多导联模拟心电信号的数字测试卡和环境测试卡。多导联模拟心电图采集测试卡的研制主要包括：数字插卡与计算机总线的接口，增益可程控的多路A/D循环采集系统，多功能的时钟及控制电路，输入模拟信号的调理和前置滤波电路，以及电源等。环境测试卡主要利用在分析测试者的状态和周围的环境对测试心电图的影响以及将来的测试扩展。

2多导联心电图的信号检测算法及实验仿真

关于12导联的一些法则，如：Einthoven法则等，在这里不再累述。12导联分为：双极肢体导联，单极肢体导联，加压单极肢体导联和单极胸导联。我们利用12导联所记录的心电图数据，主要用来判断VT和VF信号。关于12导联的心电数据合成，Einthoven，Goldberger和Langner等已经作了许多重要的工作^［1］。在这里主要利用现有的方法进行滤波，从而进行心电信号的VT和VF的检测。

关于VT和VF的检测，许多学者都对它进行过研究。这里提出一些算法是根据张绪省博士论文中提出的思路进行的，其中的大部分算法主要是从非线性动力学的角度出发的。

(1)频谱法与直方图分析

为了研究系统的统计特性，对时间序列作频谱分析是最常用的数值方法。我们这里研究12导联的信号主要是从非线性动力学方面来着手，研究的时间序列所具有的频谱特性。

直方图的分析可以利用很多参数，如：概率密度，能量分布和频谱的密度分布等。直方图分析是很经典的随机信号处理方法，这里使用直方图分析主要是得到正常心电信号，VT信号和VF信号的能量和密度的分布的差异。

从频谱及频谱的幅度信息直方图可以看出：从心脏正常的窦性节律到心率过速，到心室纤颤，心脏从正常到猝死前的心室纤颤，整个过程是相关联的^［2］。

(2)相关维数

相关维数的是分形理论的发展中一个重要的里程碑。相关维数的计算可以有很多不同的形式与方法。我们这里利用的相关维数主要是针对单变量的时间序列分析。由Takens在1981年提出的嵌入定理^［3］，将时间序列延拓到m维空间，从而分析延拓空间的吸引子的结构特性。

考察m维(m足够大)相空间中的一对相点：

x_m(t_i)∶(x(t_i),x(t_i+τ),Λ,x(t_i+(m-1)τ)

x_m(t_j)∶(x(t_j),x(t_j+τ),Λ,x(t_j+(m-1)τ)

设它们之间的距离(即Euclidean模)为r_ij(m)，显然r_ij(m)是相空间维数m的函数，且：

r_ij(m)＝‖x_m(t_i)-x_m(t_j)‖(1)

这里‖·‖表示Euclidean模。

给定一临界距离r(r为一小的数)，检查有多少对相点(x_i,x_j)之间的距离小于r，并把距离小于r的“点对”在所有“点对”中所占的比例记为：

(2)

其中，N=n-(m-1)τ为相点数，θ是Heaviside函数。

现在考察一下C₂（r,m)与r的关系。给定一个微量δ，用δ来探测吸引子的结构。如果吸引子结构是一维的线型，则在与相对于参考定点的距离在r以内的相关点数将正比于r/δ；如果吸引子的结构是二维的面型，则所对应的相关点数将正比于(r/δ）²，如此类推可知，如果吸引子的结构是D₂维的流型，则所对应的相关点数应正比于(r/δ)^D₂，即C₂(r,m)∝r^D₂

由于上式的比例关系与所取的试探量的取值无关，所取比例系数为一个单位时间，有

C₂(r,m)＝r^D₂（m）

(3)

则

(4)

上式所定义的D₂(m)就是所谓的相关维数。按上式算出的D₂显然与所嵌入的相空间的维数m有关，即D₂是m的函数。故一般称D₂(m)是相关维数D₂的估计值^［4］。

利用相关维数不但能够清晰地观察到心电系统的分形特征，而且也易于和一般的随机系统分开。

(3)Lyapunov指数

Lyapunov指数也是在时间序列的延拓和重构m维空间的基础上，进行系统动态特征提取的。我们这里也是针对一维的心电信号的时间序列，主要是根据两个相邻参考点的距离特征，在随着时间的变化而发生的变异特性。它主要可以描述系统的发散和稳定特性^［4，5］。

①应用时间序列重构m维相空间。

②选取使各相空间坐标相关性最小的τ。

③如图2所示，在延拓的m维相空间里，取初始相点A(t₁)为参考点，其m个分量为：(x(t₁),x