CN102397067B - 一种运动负荷心电波形叠加分析方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对任意时段心电数据进行叠加分析的方法，其包括：在心电图上选取任意一段具有代表性的波形；读取该时间段内的心电数据和波形信息；对该时段内各个心搏的波形进行叠加，分析出叠加波形的波形类型、P波正向电压、P波负向电压、Q波电压、R波电压、S波电压、ST段平均电压、T波正向电压、T波负向电压、P波时限、Q波时限、R波时限、S波时限、T波时限和QT间期等数据；提供人机交互接口，显示叠加后的分析结果，并让用户能够对分析结果进行人工干预。扩展了运动负荷试验的适用范围，提高了试验结果的准确性，使诊断报告更具参考价值。

Description

一种运动负荷心电波形叠加分析方法及其系统

技术领域

本发明涉及运动负荷心电图分析领域，具体涉及一种可选择任意时间段的波形叠加分析技术设计方法及其系统。

背景技术

心电图运动试验是心电图负荷试验中最常用的一种，故又称运动负荷试验，它是目前诊断冠心病最常用的一种辅助手段。许多冠心病患者，尽管冠状动脉扩张的最大储备能力已下降，通常静息时冠状动脉血流量尚可维持正常，而无心肌缺血现象，心电图可以完全正常。为揭示已减少或相对固定的冠状动脉血流量，可通过运动或其它方法给心脏以负荷，增加心肌耗氧量，诱发心肌缺血，辅助临床对心肌缺血作出诊断。这种通过运动增加心脏负荷而诱发心肌缺血，从而出现缺血性心电图改变的试验方法，叫心电图运动试验。

运动负荷试验采用的有二阶梯运动试验、运动平板试验和踏车运动试验。其中，运动平板试验是目前世界上最常用的运动心电图试验，也是引起心肌耗氧量最高的运动方式。因其参与做功的肌群多，包括双下肢、躯干部和双臂，是最接近理想的生理运动形式，等长运动的成分可降至最小。

运动试验过程中或运动结束后的几分钟内心电图上常发生P波、QRS波群、T波、ST段、P-R间期、Q-T间期或U波的变化。在上述各波段的变化中，有的心电图改变可以为临床诊断和治疗疾病提供重要的依据，有的心电图改变不具有临床重要意义，有的属于运动生理反映。

运动引起心电图异常改变主要包括：ST段移位，巨大高耸T波，U波倒置，束支传导阻滞，室性心动过速或心室颤动，心脏停搏等。

运动负荷试验适用范围广泛，主要包括：

1. 协助确诊冠心病，并对无症状者筛选有无隐性冠心病；

2. 估计冠状动脉狭窄的严重程度，筛选高危病人以便进行手术治疗；

3. 测定冠心病病人心脏功能和运动耐量，以便客观地安排病人的活动范围和劳动强度，为康复锻炼提供可靠的依据；

4. 观察冠心病患者治疗(药物或手术)的效果。

由于运动负荷试验需要让患者通过较为剧烈的运动来增加心脏的负荷，因此对于某些严禁剧烈运动的病症则不适用于这种试验。其禁忌症主要包括：

1. 急性心肌梗死的急性期（1个月内）；

2. 不稳定型心绞痛；

3. 急性心肌炎；

4. 急性心内膜炎；

5. 心力衰竭；

6. 冠状动脉主干狭窄；

7. 快速房性或室性心律失常；

8. 严重房室传导阻滞；

9. 严重主动脉瓣狭窄；

10. 急性肺动脉栓塞或肺梗死；

11. 严重高血压未经控制；

12. 严重肢体残疾。

目前在运动负荷试验中，通常采用心电图监测与血压监测相结合的方法，实时监测患者在运动时的血压变化，当患者血压超过安全范围时可立刻终止试验，大大提高了试验的安全性。同时，以血压数据作为参考，使心电图的分析更加准确，并能够扩大试验的适用范围，提升诊断的价值。

运动负荷心电分析系统是一种专门针对运动负荷试验设计的具有设备控制、信号采集和数据分析的综合性分析系统，其中使用的波形识别能够将运动负荷试验中采集到的心电波形进行精确的识别，将每个心搏的P波、QRS波群、T波、ST段、P-R间期、Q-T间期等数据进行统计，为医生提供可靠的数据支持。抗干扰技术能够减轻各种干扰对心电图的影响，提高分析的准确性。

在运动状态下，摩擦产生的静电、肌肉的颤动、呼吸时胸腔的扩张与收缩都会加剧，这将不可避免的对心电图产生剧烈干扰。虽然目前已经有多种技术能够减轻这些干扰对心电图造成的影响，但仍无法将其根除。

由于运动负荷试验期间，患者的心率在短时间内会呈现大范围的变化，因此使用固定的标准对测试全程的心电图进行波形形态的辨识困难极大。目前的波形识别技术只能分辨出运动心电图中的QRS波群和T波，对于P波形态的识别极其困难，尚处于研究阶段。对于P波异常导致的各类心脏疾病更是缺少有力的诊断依据，这大大限制了运动负荷试验的使用范围，同时也影响了试验结果的准确性。因此，现有技术存在一定缺陷，需要进一步的改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种心电波形的分析识别技术，使用概率法将发生概率较高的心电信号与发生概率较低的干扰信号分离，最终达到滤除干扰的目的，使试验结果更加准确。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种对任意时段心电数据进行叠加分析的方法，其中包括：

在心电图上选取任意一段具有代表性的波形；

读取该时间段内的心电数据和波形信息；

对该时段内各个心搏的波形进行叠加，分析出叠加波形的波形类型、P波正向电压、P波负向电压、Q波电压、R波电压、S波电压、ST段平均电压、T波正向电压、T波负向电压、P波时限、Q波时限、R波时限、S波时限、T波时限和QT间期等数据；

提供人机交互接口，显示叠加后的分析结果，并让用户能够对分析结果进行人工干预。

基于上述方法，本发明提供了一种运动负荷心电分析系统，包括：设备控制单元，用于控制运动设备和血压数据采集设备，使运动设备按照既定的方案或者手动输入的参数运行，使血压设备定时或手动采集血压数据；数据采集单元，用于采集患者的心电数据，并将其保存到计算机上，以备进一步分析和回顾时使用；图形绘制单元，用于在试验过程中实时显示采集到的心电波形和回顾病历时显示静态的心电波形；多功能分析单元，用于试验过程中对心电数据进行实时分析获得即时心率，在试验过程结束后对全程的心电数据进行多种形式的分析，为医师诊断提供数据；综合打印单元，用于打印心电图及多功能分析单元中生成的各种分析报告。

多功能分析单元主要包括：实时分析模块和静态分析模块。实时分析模块用于在试验过程中计算瞬时心率，以10秒钟为单位对心电数据进行叠加分析，计算ST段数据；静态分析模块用于在试验结束后对全程的心电数据进行再分析，通过斜率阈值法识别QRS波群，记录每个心搏的波形信息。提供人机交互接口，使医师能够人工干预分析结果并给出诊断结论。

本发明提出了一种新的心电波形分析方法，与现有技术不同，其在现有波形识别技术的基础上，利用采集到的心电数据，结合心搏的波形信息，对给定的任意时间段内的心电波形进行再分析，通过波形叠加的方式滤除小概率的干扰波，得到清晰的平均复合波，从而准确的判定出P波、QRS波群、ST段和T波的所在位置，为医师诊断提供更为精确的波形数据。本发明还提供了一个人机交互的接口，使医师能够对P波、QRS波群和T波的起止位置进行人工干预，进一步排除伪差，使结果更加准确可靠。

附图说明

图1为运动负荷心电分析系统框图；

图2为本发明可选择任意时间段的波形叠加分析技术算法流程图。

具体实施方式

本发明在原有的运动负荷心电分析系统的基础上，给出了一种新的可选择任意时间段的波形叠加分析方法，其包括以下步骤：

在心电图上任意选取一段具有代表性的波形；

读取该时间段内的心电数据和波形信息；

对该时段内各个心搏的波形进行叠加，分析出叠加波形的波形类型、P波正向电压、P波负向电压、Q波电压、R波电压、S波电压、ST段平均电压、T波正向电压、T波负向电压、P波时限、Q波时限、R波时限、S波时限、T波时限和QT间期等数据；

提供人机交互接口，显示叠加后的分析结果，并让用户能够对分析结果进行人工干预。

以下将结合附图详细描述本发明的最佳实现方式：

本发明采用图1所示的系统采集运动心电图数据，并分析出心电图上每一个心搏的波形信息，再使用本发明的选择任意时间段的波形叠加分析方法获得最终分析结果。以下是该方法的具体处理过程，如图2所示：

步骤200，选择时间段，提供一个人机交互接口，使用户可以在静态心电图上选取任意一段波形。在此过程中，找到心电图上的代表性波形段起始位置，使用鼠标右键调用人机交互接口界面，在界面出现后输入以秒为单位的时间长度；

步骤201，读取心搏信息数据，根据步骤200选择的时间段，从波形信息文件中读取该时间段内的心电波形信息。读取完成后还要对波形进行筛选，将被列为干扰属性的心搏剔除；

步骤202，读取心电数据，根据步骤201获得的心搏信息读取每一个心搏的心电数据；

步骤203，数据叠加，将步骤202中读取的每个心搏的数据进行叠加计算，获得一个标准的叠加复合波形；

步骤204，波形识别，对步骤203中获得的标准叠加复合波进行分析，确定各个导联的P波、QRS波群、T波的起止位置，计算波形类型、P波正向电压、P波负向电压、Q波电压、R波电压、S波电压、ST段平均电压、T波正向电压、T波负向电压、P波时限、Q波时限、R波时限、S波时限、T波时限和QT间期等参数；

步骤205，叠加波形显示，在人机交互界面中显示出由步骤203获得的叠加复合波，并在波形上标记出由步骤204获得的P波、QRS波群、T波的起止位置；

步骤206，结果显示，在人机交互界面中以列表方式显示出有步骤204获得的波形的各种参数；

步骤207，人工干预过程，判定步骤206中显示的分析结果是否准确，如果不准确则需要用户手动调整叠加波形显示中的P波、QRS波群、T波的起止位置；

步骤208，分析结果修正，根据步骤207中调整的P波、QRS波群、T波的起止位置，对叠加复合波重新分析，计算波形类型、P波正向电压、P波负向电压、Q波电压、R波电压、S波电压、ST段平均电压、T波正向电压、T波负向电压、P波时限、Q波时限、R波时限、S波时限、T波时限和QT间期等参数。然后显示调整后的分析结果；

步骤209，打印报告，生成此项分析的分析报告单，将其打印成诊断报告。

以上各部分技术细节如下所述：

步骤200：利用消息机制，在用户点击鼠标右键时对鼠标右键消息做出反应，获取鼠标在心电图上的位置并将这个位置推算成时间。根据推算出的时间值读取病例文件中关于运动阶段存储的相关信息，获得阶段编号、阶段名称和阶段时间。然后根据心电数据文件的长度推算出病例采集的总时常，从而获得起始点后心电图的时间长度，用户在设置时间长度时不得超出这个范围。采用可视化窗口技术将开始时间、阶段编号、阶段名称和阶段时间显示在窗口中，并为用户提供键盘输入或使用窗口控件数据叠加时长的方法。

步骤201：首先读取心搏信息数据，将每一个心搏数据中的心搏特征点位置与步骤200中获得的起始时间相比较，从第一个大于这个起始时间的心搏开始记录，直到最后一个特征点位置小于结束时间心搏为止，将这些心搏的信息顺序保存在内存中。保存的过程对心搏的属性进行判断，如果是干扰波则不保存。

步骤202：根据步骤201保存下的心搏信息，从心电数据文件中读取每个心搏特征点前、后一段时间的心电数据，将其保存在内存中。

步骤203：利用步骤202中的波形数据，将读取的所有心搏的特征点前、后相同位置的心电数据求和，再除以读取的心搏总数，获得平均值。通过上述的过程，小概率的干扰信号将被削减为原来的1/n（n为读取的心搏总数），当n较大时，干扰信号可被完全忽略，而获得的平均值即是叠加波形的波形数据，这一过程就是波形叠加过程。

步骤204：使用斜率阈值法对步骤203中获得的平均值进行分析，顺序找到P波、Q波、R波、S波、T波，根据各波形的数据，确定波形的起止位置，分析出波形类型、P波正向电压、P波负向电压、Q波电压、R波电压、S波电压、ST段平均电压、T波正向电压、T波负向电压、P波时限、Q波时限、R波时限、S波时限、T波时限和QT间期等数据保存到内存中。

步骤205和步骤206使用可视化窗口技术首先将步骤203中获得的平均复合波数据绘制成心电图，显示在窗口中，并在P波、QRS波群和T波的起止位置用竖线进行标记（以后称为标志线），然后将步骤204获得的数据以列表方式显示在窗口中。

步骤207：利用消息机制，当鼠标在叠加波形的任意一条标志线上横向拖拽时发出标志线调整消息，即时修改标志线的位置。

步骤208：利用手动设置的位置重新分析叠加复合波的各项数据，并同步修改列表中显示的结果。

步骤209：生成该分析功能的打印报告，使用windows打印机制，将打印报告传输给打印机进行打印。

在进行运动负荷试验时，患者的心脏会在短时间内承受加载的负荷，心率出现大范围的改变，因此其不同时刻的心电波形会出现较大差异，再加上各种无规律的干扰信号，使负荷心电图分析的准确度受到极大影响。同时，由于波形形态的差异较大，对心电波形各部位电压和时限的分析受到了限制，传统的运动负荷心电分析系统在波形形态、各部位电压和时限的分析方面均属空白。

本发明采用手动选取时间段的方式，根据医师的目测选取心电波形进行分析，即使试验全程的心电图上波形的差异较大，但在短时间范围内仍具有相似性。对这些心率、形态相近的心电图再进行叠加处理所得到的叠加波形不但能够剔除干扰，而且波形特点更加突出，由叠加波形分析出的波形类型、P波正向电压、P波负向电压、Q波电压、R波电压、S波电压、ST段平均电压、T波正向电压、T波负向电压、P波时限、Q波时限、R波时限、S波时限、T波时限和QT间期等数据具有极高的参考价值。

计算机对心电波形的分析依靠的是分析算法，而每一种分析算法都有其局限性，分析结果不可能做到绝对准确。本发明提供的人工干预的方法则很好的解决了这个问题，医师可以根据自身经验手动调节分析使用的基本参数，这种方法结合医师的经验来弥补算法上的不足，得出的分析结果更加精准。

综上所述，本发明是在传统运动负荷心电分析系统基础上开发出的一种新型的心电图分析方式，它扩展了运动负荷试验的适用范围，提高了试验结果的准确性，使诊断报告更具参考价值。

上述各步骤的说明较为具体，并不能因此而认为是对本发明的专利保护范围的限制，本发明还可以拓展到动态心电图试验等其他心电类试验的分析领域。本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种运动负荷心电波形叠加分析方法，其特征在于，包括：

步骤200，选择时间段，提供一个人机交互接口，使用户可以在静态心电图上选取任意一段波形；在此过程中，找到心电图上的代表性波形段起始位置，使用鼠标右键调用人机交互接口界面，在界面出现后输入以秒为单位的时间长度；即在用户点击鼠标右键时对鼠标右键消息做出反应，获取鼠标在心电图上的位置并将这个位置推算成时间，根据推算出的时间值读取病例文件中关于运动阶段存储的相关信息，获得阶段编号、阶段名称和阶段时间，然后根据心电数据文件的长度推算出病例采集的总时长，从而获得起始点后心电图的时间长度，在设置时间长度时不得超出这个范围；采用可视化窗口技术将开始时间、阶段编号、阶段名称和阶段时间显示在窗口中，并为用户提供键盘输入数据叠加时长的方法；

步骤201，读取心搏信息数据，根据步骤200选择的时间段，从波形信息文件中读取该时间段内的心电波形信息；读取完成后还要对波形进行筛选，将被列为干扰属性的心搏剔除；将每一个心搏数据中的心搏特征点位置与步骤200中获得的起始时间相比较，从第一个大于这个起始时间的心搏开始记录，直到最后一个特征点位置小于结束时间心搏为止，将这些心搏的信息顺序保存在内存中，保存的过程对心搏的属性进行判断，如果是干扰波则不保存；

步骤202，读取心电数据，根据步骤201获得的心搏信息读取每一个心搏的心电数据；即：从心电数据文件中读取每个心搏特征点前、后一段时间的心电数据，将其保存在内存中；

步骤203，数据叠加，将步骤202中读取的每个心搏的数据进行叠加计算，获得一个标准的叠加复合波形；即：利用步骤202中的波形数据，将读取的所有心搏的特征点前、后相同位置的心电数据求和，再除以读取的心搏总数，获得平均值；

步骤204，波形识别，对步骤203中获得的标准叠加复合波进行分析，确定各个导联的P波、QRS波群、T波的起止位置，计算波形类型、P波正向电压、P波负向电压、Q波电压、R波电压、S波电压、ST段平均电压、T波正向电压、T波负向电压、P波时限、Q波时限、R波时限、S波时限、T波时限和QT间期参数；即：使用斜率阈值法对步骤203中获得的平均值进行分析，顺序找到P波、Q波、R波、S波、T波，根据各波形的数据，确定波形的起止位置，分析出波形类型、P波正向电压、P波负向电压、Q波电压、R波电压、S波电压、ST段平均电压、T波正向电压、T波负向电压、P波时限、Q波时限、R波时限、S波时限、T波时限和QT间期数据保存到内存中；

步骤205，叠加波形显示，在人机交互界面中显示出由步骤203获得的叠加复合波，并在波形上标记出由步骤204获得的P波、QRS波群、T波的起止位置；

步骤206，结果显示，在人机交互界面中以列表方式显示出由步骤204获得的波形的各种参数；

步骤205和步骤206使用可视化窗口技术首先将步骤203中获得的平均复合波数据绘制成心电图，显示在窗口中，并在P波、QRS波群和T波的起止位置用竖线进行标记，然后将步骤204获得的数据以列表方式显示在窗口中；

步骤207，判定步骤206中显示的分析结果是否准确，如果不准确则用户手动调整叠加波形显示中的P波、QRS波群、T波的起止位置；即：当鼠标在叠加波形的任意一条标志线上横向拖拽时发出标志线调整消息，即时修改标志线的位置；

步骤208，分析结果修正，根据步骤207中调整的P波、QRS波群、T波的起止位置，对叠加复合波重新分析，计算波形类型、P波正向电压、P波负向电压、Q波电压、R波电压、S波电压、ST段平均电压、T波正向电压、T波负向电压、P波时限、Q波时限、R波时限、S波时限、T波时限和QT间期参数，然后显示调整后的分析结果；即：利用手动设置的位置重新分析叠加复合波的各项数据，并同步修改列表中显示的结果。