基于微机的心电图和心电向量图检测分析仪

基于微机的心电图和心电向量图检测分析仪 基于微机的心电图和心电向量图检测分析 仪 1d吃圉.强阁侬钆t胪知 .基于微机的心电图和心电向量图.. 检测分析仪.?/ 华中理I大学张理洪彭容修瞿安连(430074).,/ 提要:介绍基于微机的心电图和心电向量图检测分析仪,并给出了硬软件框图和技术特点.在临床实验 的基础上.利用该仪器研究了常规12导联心电图和Frank导联心电向量图的转换关系.提出了一种全新的常 规l2导联心电图和Frank导联心电向量图联合检测的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 . 关键词:常规12号联心电图,Frank导联心电向量图,联合检测 TheECG&VCG?SmeasurementandanalysissystembasedOllPC ZhangLihong0”AnlianPengRongxiu HuazhongUniversityofScienceandTechnology ABSTRACT!TheECC~VCG?s?andanaLysissystembased0nPCdesignedbytheatathersisintroducedLn thispaper.Thehlockdiagrams0fhardwareandsoftwarearegivenaswellasch aracteristics.Onthebasisofclinice~er]一 ments.thereLationshipbetweentheconventional12-leadECGandFrank-V CGisstudiedwhhthesystem.Atlasta comprehensive? VCGhasbeenbroughentmethodoftheconventiona]12-leadECGandFrank— tforth. KEYWORDS}Convent?hal12一leadECG.FrankVCG.Comrehensivenme呲. 在心脏疾病的诊断上,常规12导联心电 图(ECG)的特异性较强,而Frank导联心电 向量图(VCG)的灵敏度较高.由于历史的原 因,常规12导联心电图积累了丰富的实践经 验及详尽的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ;而心电向量图提供了许多 附加信息,在 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示导联间相位关系方面更加 灵活,心电向量图标准解释了各向量环的外 形,也揭示了幅度和持续时间的含义[1].荷兰 学者J.A.Kors研究表明:单独常规12导联 心电图的正确诊断率为69.8,单独心电向 量图的正确诊断率为70.2,而二者相结合 的正确诊断率则提高至74.4(P< 0.001)[ 由于二者的导联体系是不同的,将常规 12导联心电图与Frank导联心电向量图结 合,必须分别使用心电图仪和心电向量图仪, 而且要更换导联的作法给I临床使用带来了许 多不便.本课题的任务就是研制能同时检测 常规12导联心电图和Frank导联心电向量 中国医疗器械杂志1998年第22卷第2期 图的仪器,并利用它研究常规12导联心电图 对Frank导联心电向量图的转换关系.在此 基础上,利用所获,蝎的研究结果,探索一种常 规12导联心电图和Frank导联心电向量图 联合检测的方法,要求这种方法使用尽可能 少的电极,而且同时获得的常规12导联心电 图和Frank导联心电向量图要晟大程度的 准确. 传统方法测量常规12导联心电图需9 个电极和1个中心电站,需心电放大器12 个;传统方法测量Frank导联心电向量图需 7个电极,心电放大器3个我们所 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的心 电图和心电向量图检测分析仪采用了13导 联,去除掉了两种导联体系中的冗余电极,并 用PC机的”软件导联”替代一部分硬件导 联,使所用电极数和心电放大器数达到最少. 以H点作为公共点,与心电图和心电向量图 检测分析仪的负极相连,13个电极A,C,E, 1,M,F,L,R,V,V,V.…VV分别与检测 ?67? 分析仪的正极相连.为了使系统 具有一定的冗余度,在仪器设计 时将心电图和心电向量图检测分 析仪设计成具有十六通道,实际ECG 仅使用其中的十三通道. 整个系统可大致分成检测系 统和分析系统两部分,检测系统 完成多通道心电信号的放大,滤 波,整形,模/数转换等功能,检测 系统通过PC机总线将数据并行 送入PC机中,供分析系统使用, 使用者可通过人机界面控制检测 系统及分析系统. 1检测系统的硬件设计 1.1检测系统硬件的总体结构 图1检测系统硬件结构框图 以心电放大器为核心的模拟 电路部分没有采用变压器整流滤渡作电源, 而是将PC机的+5V电源经型滤渡送给 DC/DC变换器,经浮地电路处理后得到+ 8V和,8V浮地电源作模拟电路部分的双 向电源,检测系统硬件结构框图如图1所示. 为了切断PC机为核心的数据采集部分 对模拟心电信号的干扰途径,对放大后心电 信号的输出及控制信号的输入均采用光电耦 合器来隔离. 12计数方式实现模/数转换 由于系统要求对十六个通道 进行采样处理,考虑到通道数目 多,又要满足同步化的要求,因此 我们没有采用传统的ADC芯片, 而是使用了一种便于扩展,同步 性好的模/数转换方法——用计 数方式来实现模/数转换. 模/数转换电路原理框图如 图2所示,每个通道各有一个比 较器,光电隔离器,驱动器,门控 电路及计数器,而斜波发生器,同 步电路,分频器和时钟发生器则 为所有通道共用.现以一个通道 ? 68? 囤2模,数转换电路原理框图 为例说明工作原理,其时序图参见图3. 比较器的V端输入的是经过放大的心 电信号,即是被采样的模拟信号,其变化范围 为一5V,+5V,另一端为斜波发生器的输 出,为一个以固定斜率从,5V,+5V变化 的锯齿波信号.时钟发生器是一个由5MHz 晶阵与门电路构成的多谐振荡器,产生的时 钟CLK作为整个转换电路最小的时间单位, 除了送入计数器的时钟端外,还引入分频器. 分频器采用1000分频.输出周期为0.2ms 图3模,数转按时序图 廿 匪 胃 誊 蕾 斗 ? 田 乙 甲 己 田 己 的方波.同步电路是控制时序的核心.其输出 协调门控电路和斜渡发生器的工作.v是一 个占空比为4:5的矩形波,它决定了整个电 路的采样率.也决定了模/数转换的精度. 整个采样周期可以依v.的电平状态分 为前期(v.一o)和后期(v.一1).在采样周期 的前期(V.一o),斜波发生器的输出v.由一 5V沿固定斜率上升至+5V,当v<v时, V一0;当V.?V.时,比较器翻转,V一1.由 于V一o,门控电路打开,使V一1,计数器 开始计数.在采样周期的后期(v1),V迅 速由+5V下降至一5V,下降速率将远远大 于采样周期前期V上升速率,v.上升期间 的线性要比下降期间的线性好.当v.?v. 时,V由1回到o,因此v的脉宽随输入信 号Vt而变化;V由.变为1的上升沿使门 控电路关闭,V迅速由1变为0,使计数器停 止工作.V的脉宽也随V而变化,但与v 不同,它的下降沿是各通道结束采样的标准 时刻,比V的1电平宽度窄,使采样计数只 在高线性特性范围内进行,这就保证了v 的脉宽准确地反映了模拟输入信号v幅值 的大小,使量程范围内的模/数转换达到较高 的线性.由V控制的计数器所计的数据直 接测量V的脉宽,V.幅值越大,V,v的1 电平的宽度越小,计数器工作的时间就越短, 所计的数据的变化量就越小在采样周期的 后期,PC机读取计数器中的计数值,作为采 样的结果,同时复位计数器,等待v再次变 1当V由1变为.时,新的一个采样周期开 始,如此循环不止 为了进一步提高整个系统的共模抑制 比,以及保障患者的绝对电气安全,在比较器 及同步电路的后部均加入了光电隔离环节, 它切断了心电放大器环节的地回路,能有效 避免共模信号(尤其是50Hz交流电干扰)对 放大器环节的干扰.为了增强门控信号的传 输能力及避免因传辖时干扰而造成状态改 变,V光电隔离后经驱动器再输入门控电 中国医疗器械杂志1998年第22卷第2期 路 与使用传统ADC芯片实现模/数转换 的方法相比.用计数方式实现模/数转换的方 法具有以下一些特点: ?多通道模/数转换同步进行,适合于多通 道信号的同步采集. 由于各通道有独立的比较器和计数器, 并用同一个斜波信号,计数过程可以同时进 行.采样周期的后期,所有计数器均被封锁, PC机依次读入各计数器中的计数值. ?电路结构简单,可扩展性强. 在电路设计中,尽量多地发挥了可编程 芯片的功能(分频器,同步电路和减计数器均 使用可编程计数/定时器8253来实现,只是 处于不同的工作方式),以取代由门电路构成 的组合控制电路,并且充分考虑到多通道的 特点,采用多通道芯片(如74LS273),一个芯 片即可完成8个通道的传辖控制任务.在通 道数目增多时优势更加明显,只要增加相应 的计数器及提供适当的地址,稍加修改中断 服务程序,而不改变控制电路即可实现通道 的扩展. ?模/数转换的精度较高 当CLK的频率为5MHz,采样率为 1000Hz时.模/数转换的精度近似为12位, 其中CLK的频率和采样率是影响转换精度 的关键因素,cIK频率越高,采样率越低,则 转换精度越高.CLK频率的提高受到所用计 数器芯片允许最高时钟频率的限制,如果以 8254—2(10MHz)代替8253—5(5MHz)(二者 的芯片引脚完全相同),则可将系统时钟 CLK频率改为10MHz,如果采样率仍为 1000Hz,则系统的模/数转换精度可提高至 13位. ?前置放大级与后续电路的隔离十分容易. 比较器的输出是一个开关量,光电耦合 器只工作于截止和导通状态,调试容易,工作 稳定性高 ?要求被转换信号的频率范围在零至几百Hz. ?69? .-1r_ ?性能价格比高. 2系统软件的设计 2.1系统软件的总体结构 利用PC机强大的数据处理 和图形显示功能,我们在PC机上 进行了分析软件的设计.为了研 究ECG向Frank—VCG的转换关 系,我们必须同时获得ECG和 Frank-VCG的原始数据(来源可 以是实时采样或从磁盘中调入); 利用ECG和Frank—VCG之间不 同的转换方法,由ECG计算得出 DVCG(DerivedVCG);将vcG 与DVCG比较(包括定性的图形 对比和定量的数理统计比较),研 究者可以根据比较的输出结果评 价各种转换方法的优劣,在一定 实验数据的基础上,确定一个最 优的转换关系式.其特点是数据 量大,各种转换计算多,而且许多 工作需用户介入.它主要包括基 于PC机的实时采样,数字滤波, ECG向VCG转换,VCG显示, ECG显示,数理统计比较等模块, 系统软件 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如图4所示.下 『整理数据成ECG(12并)且FT*VcG(B烙)形式I ? l牡据辑址理厦齄字拉谊I ? l由FtaVcG路信号计算抖正空XYZ兰麝信号l ? l由BcG值曼再DVCG?空XYZ信号l ? „ I 量示DVCG和haak-VCG正空xY售号ll显示DVCG和BVCG向t 环囤 ?? JDVCGFnk—VCG戢理睫计坟】Ij呸打!里琅参数1 匝 面两节将简述部分模块的实现方法. 2.2基于PC机的数据采集 PC机在采样周期的后期应快速地将各 计数器中的计数值取走,并重新初始化计数 器,为下一次采样周期作准备.我们采用中断 方式来处理对计数器的读写操作(使用PC 机的中断口IRQ5),如图2所示. PC机在采样的同时,为便于用户观测, 应将采样的心电图波形动态地显示在屏幕 上,如果我们保存长度为4秒的心电图波形, 可为医生分析至少提供2,3个心动周期.以 采样率1000Hz计算,4秒内PC机将响应中 断4×1000次,每次一个计数器的计数值为 l6位(z个字节),这样PC机存贮16个通道 ?7O? 图4系统软件总体流程图 4秒内心电信号的总长度为16×4×1000×2 —128000字节由于用户可以在任何时刻保 存当前时刻之前4秒内的心电数据,所以需 要找一段空间作为循环队列随时存贮4秒内 的心电数据(HP该段空间内的心电数据总是 最新的).我们采取的方法是在扩展内存中开 辟一段300K字节的空间定义为虚拟盘,尽 管编程时虚拟盘的写操作同硬盘写操作一 样,但实质上是对内存的写操作,大大降低了 读写的时间 每次中断时,如果将8253中读出的数据 直接写在虚拟盘文件上,需花费较多的时间, 不符合中断服务程序的编程思想.因此我们 使用一段长度为32000字节的动态内存,将 每次中断读出的计数值先存入动态内存.这 样所开辟的动态内存将会有二种操作:中断 时接受8253中的计数值,无中断时向虚拟盘 文件中送入数据块.中断是随时发生的,为了 使这二种操作不相互干扰,我们将这段动态 内存分成连续的二部分,交替应付两种操作. 采样程序和中断服务程序的流程图如图 5所示.可以看出主要占用PC机时间的任务 有三个:每隔lms一次的中断响应,动态内 存向虚拟盘文件传递数据块,动态内存中的 数据实时显示在屏幕上.处理优先级依次降 低. 2.3VCG的显示 正交XYZ通道的心电图分别反映了左 右,上下,前后三个正交轴上心电向量图的投 影分量,因此显示VCG图,首先要获得 Frank—VCG的正交XYZ通道 的心电图.完整的VCG应包 括H面,S面,F面各自的P 环,QRS环和T环. 为了便于从整体上把握 VCG,显示出各面之间的投影 对应关系,从而使用户产生立 体心电向量图的感觉,我们依 照机械制图的画法将VCG全 部图形及正交XYZ通道的心 电图安排在一张图上,根据 “宽相等,高对齐”的原则将F 面安排在右下方.以QRS复 台波的起点(即特征点s3)为 参考零点,P环,QRS环,T环 以相同的比例显示于F面的 中央处,这样不仅能比较三个 环的大小关系,而且可对比运 动方向的不同.H面安排在 VCG总图的右上方.S面安排 在左下方,内部的环图同F 面.将正交XYZ通道的心电 图安排在左上角,如图6所示. 由此可见一张VCG总图描述 中国医疗器械袭志1998年第22卷第2期 了全部的VCG信息,但应承认在细节的显 示上,功能还不够丰富.因此我们还另外设置 了各个面各个环的单独显示,显示时可变换 比例.? 在VCG诊断或自动诊断中,为了测量 各个参数,各波的起点和终点(即心电向量图 特征点)的识别,是必要的前提.与ECG特征 点识别不同的是,VCG由于实际上可等价于 xYZ三个正交ECG,囤此六个特征点的确 定不能以某一个ECG波形为基准,必须综合 考虑三个ECG波形,这就决定了VCG特征 点识别算法的特殊性. 本系统所采用的是空间向量微分闽值 法0],其基本原理是以空间心电向量对时间 的微分(差分)超过某闲值来识别特征点. 囝5实时果样程序和中断服务程序的赢程图 ?71? 3实验研究与结论 3.1实验结果与研究 我们利用所研制的心电图和 心电向量图检测分析仪进行了临 床实验,图6为其中一倒的 Frank—VCG总图. 由ECG向VCG的转换方 法,文献中介绍了有三类:建立在 单导联关系上的转换],建立在 模型基础上的转换,建立在统 计方法上的转换:.结合实验数 据,我们在分析软件中对各种方 法进行了比较,认为建立在统计 方法上转换关系的使用效果最 好.在此基础上我们又进行了修 ,懿r目-,?, \ H II\ , 一 ..JII .IlI『l 一1ILkl --J 一J....! S?r ,,-, , 一 ,?? ,一 {-.., , _一 , . /, IlI?.I 正,在关系式中加入了I和M电极.即增加 了右腋窝处及后背处的心电信息,修正的效 果很好.取其中一例的正交XYZ通道ECG 的对比图如图7(a),H面,s面,F面QRS环 对比图如图7(b,c,d)所示.修正后的转换关 系式如式l: X—O.381一O.07?一0.13V_l+ 0.05V_2—0.O1V_3+ 0.】4V4+0.06Vs+ 0.54V_6—0.41VlH Y一一0.17I+0.9311+ 0.O6Vm--0.O2V— oO5V3+0.06V一 0.17V_5+O.13VB Z=0.UI一0.23II一0.43V】一 0.06Vm2--0.14V3, O.2OV,,.一O.1】V_s+ 0.3lV6+0.21VMH ………………………… (1) 3.2常规l2导联ECG和Frank— VCG的联合检测法 传统方法测量常规l2导联 ECG和Frank—VCG共需17个电 极和I5个心电放大器.而经本文 ? 72? 图6:Frank—VCG总图 探索提出的常规l2导联ECG和Frank— VCG的联合检测法.只使用心电放大器l0 个,使用电极总数为11个,分别为:L,v, V.,V,通过式(1) 计算得出. 联合检测法的优点是十分明显的,硬件 投入比传统的测量法步.而且从测量效果上 看,测得的常规12导联ECG准确,利用式 (1)计算获得的DVCG由于加入了M,1两 个电极的信息,它比文献上介绍的转换方法 的效果好,完全可以应用于临床分析. 参考文献 1LarsEdenbrandt.Vecto~ardiogramsynthesizedfroma 12LeadECG:superiorityoftheinversedowermatrix. JE]ectrocardio】1988|21(4):361—367. 2J.AKors.ImprovementofautomatedECGdLagnc~sls bycombinationofcomputerinterpretationsoftheECG andVCG,AmJCardiof.1902;70:9890. 3PipbergerHV.?atComputeranalysistheE]ectro- cardiograrmComp.Biomed.Res.1965;l:377-407 4BjerlePA~edsonComparisonofFrankVecto~ar d~gram州thtwodifferentveetorcardiogramsderwed from~onventiona]ECG—LeadsProceedingsoftheEn— gineeringFoundationConference1986;1l:l3 5DowerGe.Onde;lyingtheElectrocardiongramfrom VectorcardiographicLeads.ClinCardiof1980;3:87. 6KorsJA.Reconstruction0theFrankVectrocardLo— gramfromstandardelectrocardiographic[cads:diag nostlccomparison0differentmethods.EurHeartJ. 1990;1l:1083. (1997年7月2日收稿) 中国医疗器械杂志竭诚为广大读者服务 可提供产品目录 各类x线机(上海产) 普通手术器械和专科手术器械 手术床(F-海产和进口) 无影灯(带电视或不带电视)(t-海产和进 口) 各类缴光仪器(上海产) 呼吸机,麻醉机,呼吸监护仪(t-海产和进 口) 各类注射用器械 8.4210尿分析仪热印机(国产) 9.高频电刀(上海产和进口) 10.心电图机,监护仪器(上海产和进口) 11.人工心脏机械瓣膜(上海产) 12.肺功能自动分析仪(上海产) 13.内窥镜清洗装置(上海产) 14.脑积液贮存器(上海产) 15.其他医疗器械 价格合理质量可靠服务周到欢迎垂顾 地址:上海江宁路77号电话:62176639邮编:200041 中国医疗器械杂志1998年第22卷第3期?73? f,