摘要我们在Windows95下建立了一个频谱心电图的检测分析系统，利用工程中的频谱分析方法对常规心电图进行分析。本系统进行了初步的临床检测和分析，可以看出频谱心电图对临床检测和诊断是很有意义的。

Frequency Spectrum ECG Based on Windows95/and

Its Primary Clinic

Shen Yonglin, Jiang Ke, Zhang Yufeng, Liang Yuhou

(Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084)

AbstractA detection and analysis system of frequency spectrum electrocaridograph has been set up under Windows 95. It can analyse general ECG, applying frequency spectrum analysis method, used in engineering. Preliminary clinical experiment has been done, and the significant meaning of the frequency spectrum electrocardiograph can be seem.

Key words:Frequency spectrum electrocardiograph;Power spectrum;Transfer function;Coherence function; Pulse response;Cross-correlation function

频谱心电图(FCG)是利用生物控制论及信息处理的方法来分析心电信号，它把ECG的时域信息转换为频率域的信息，从中提取频域的特征参数，从频域的角度分析某些心脏疾病，找出心脏病人的特征性改变，达到临床诊断的目的。其特点是：对相位变化灵敏，可以分析不同导联之间的关系，还可以观察动态趋势。

与只提供时间、幅度和形状的普通心电图相比，频谱心电图具有它自己的物理意义和特点，有些方面，它更容易分析和识别。经过大量的临床试验，FCG有希望成为无创性检查中诊断心脏疾病的一种方法，与常规心电相辅相成，拓宽心脏病诊断的途径。

其实，国外已经有这样的频谱心电图仪。随着数字信号处理技术的发展，也为快速、准确、可靠地获取和分析频谱心电图提供了可能。

0系统构成

硬件系统频谱心电图分析系统的硬件系统的框图如图1所示。

图1硬件系统框图

放大电路的性能是本系统的关键，而被检测者的安全是该仪器首要的环节。我们设计制作了高质量的放大电路、A/D采集卡和DC/DC隔离电源，确保了系统运行的可靠稳定及人体的安全。

放大器的指标如下：

增益：1000～10000，分档可选。

输入噪声：＜10μV

共模抑制比：＞100dB

频率响应：0.05～150Hz

信号采集信号采集时，显示器上同时监视采集的心电信号，以保证高质量的数据采集，避免由于各种因素造成的数据质量次而形成无效采集。

在Windows环境下，实时采集数据、显示曲线以及运行多任务之间，存在一定的矛盾。我们采用了多处理器的办法，较好地解决了多任务环境下，采集、显示和多任务运行的矛盾，采样率可以达到500Hz至1kHz，满足了心电信号采集的要求。

软件构成Windows95是现在最流行的操作系统，它能提供强大的系统功能，支持多任务环境，便于使用新的程序设计语言、设计思想、设计方法，便于建立功能强、界面友好的用户程序。因此，它是本系统理想的系统设计平台。本系统软件结构如图2所示。

图2软件结构

软件系统的主要功能包括：

心电信号的采集、分析和显示^［1］；

诊断报告的预览和打印；

电子病历建立和数据库管理。

程序采用面向对象的程序设计语言，具有良好的结构和规范性，运行可靠而且易于维护和升级^［2］。程序界面友好，使用方便，还提供了帮助文件，只要会用Windows，无需培训即可以操作运行程序。

1心电图频域自动分析

本文采用离心脏最近的V₅导联信号和离心脏最远的标准Ⅱ导联信号，作为计算和分析的心电信号，在频域中对它们进行功率谱、传递函数、脉冲响应、相干函数和互相关函数等的分析

^［3］，来检测心电信号从离开心脏出发到肢体远端的频域特性，分析心脏的情况和特点。

这里，V₅导联的心电信号记为y(n),Ⅱ导联的心电信号记为x(n)。其傅立叶变换频谱为：

F_X(ω)=H_X(ω)e^jΦ_X(ω)和F_Y(ω)=H_Y(ω)e^jΦ_Y(ω)

(1)功率谱(G_XX ，G_YY ，G_XY)

心电功率谱是心电信号每一频率成分功率分布的反映，分为自功率谱和互功率谱。V5和Ⅱ导本身的自功率谱和互功率谱为：

G_XX=F_XX ^.F^*_XX=｜H_XX(ω)｜²

G_YY=F_YY ^.F^·_YY=｜H_YY(ω)｜²

G_XY=F_XY ^.F^·_YY

由于心电信号基本上是周期性的，只取几个心动周期进行分析，因此，其功率谱基本上是分立的，其谱线间距大致相等。第一谱峰反映心脏搏动的频率。正常心电，频谱具有一定的形状和幅度，基波高于一次谐波，主要功率集中在几个低次谐波上，并且含有一定成分的高次谐波。心脏病变后，功率谱会发生变化，如基波低于一次谐波，高次谐波消失，频谱包络线变形等。

(2)心电传递函数的幅频、相频特性(H_XY和Φ_XY)

传递函数如下：

其中，H_XY为幅频特性，Φ_XY为相频特性。对它们分析可以观测心电信号间的幅度、相位与频率间的关系，探查心电系统的特性、品质、稳定性、可靠性等。

正常人Ⅱ导和V₅导的心电信号基本类似，所以A_XY(w)为常数，Φ_XY大致分布在零线附近。若心脏有病，影响心电信号传输，就会导致A_XY(w)发生变化，如ΦXY波动起伏。

(3)心电脉冲响应(PIH)

在自动控制理论中，脉冲响应是衡量一个系统的品质因数的重要指标。用于人体心脏的评估，它也是一个很重要的函数，可以衡量心脏的调整能力。其定义如下：

PIH=FT^-1［A_XY(ω)］

如果V₅和Ⅱ的心电信号形状很相似，那么A(ω)为常数，常数的逆变换为一个单脉冲，所以正常人的PIH为一个单脉冲，表示心脏有很好的调整能力，适应性好。若脉冲响应异常，呈现多峰、倒峰、无峰或锯齿状，均反映心脏功能有问题。

(4)相干函数(RF)

相干函数是用来表示V₅和Ⅱ导联信号的振幅、频率和相移之间的相干性。在频谱心电图中，不同导联信号的相干函数表示心脏不同部位功能的相应性和协调性，其变化范围在0和1之间，接近1表示两导联信号间相关性高，而接近0表示它们独立性强。

相干函数定义为：

正常情况下，心电向量在V₅和Ⅱ导联上的投影大致相似，V₅和Ⅱ之间具有很高的相干性，所以RF接近为1。