CN1109313A - 测定心脏电信号稳定性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种测定生物电信号包括心电信号的方法和装 置。此方法是一定数据长度的生物电信号组成一特 定的信号矩阵，通过求该矩阵的特征值来评估所测生 物电信号的稳定特征。该装置由信息输入，矩阵建立 单元，实施矩阵运算的信号处理单元，数据贮存及显 示等单元组成，矩阵的特征值体现了组成该矩阵的心 脏电信号的稳定特征。

Description

测定心脏电信号稳定性的方法和装置。

本发明的名称是测定心脏电信号稳定性的方法和装置。本发明属于生物电信号处理领域。

现有技术的说明：

检测生物电信号的稳定特征，对生物电信号稳定特征的评估，有助于了解有关机体的调节与控制功能。检测心电信号的稳定性是予测心脏猝死及其它严重心脏病发作危险性的有用工具。心脏猝死的原因是心室纤颤（室颤），室颤的发生使得心脏正常有规律的电传导活动变得紊乱，这种紊乱继而使得心脏正常舒缩泵血功能丧失，造成死亡。然而现有的关于心脏病的诊断方法和装置还不能够予测绝大多数心脏猝死的发生。在颁发给Richard    L.    Verrier等人的美国专利文献中（US    Pat.    No.5148812）提出了一种通过检测心电图T波面积变化大小来追踪观测发生室颤的可能性。每一心电周期（beat）中的T波被检测定位及分离出来，并组成一个新的数据系列。经过一系列信号估计技术，这一新的由T波组成的数据列的面积变化被认为与心脏的室颤有关。此方法最少存在有二个缺点。其一，不同的T波图形可能会有相同的T波面积。在这种情况下，此方法失去其意义；其二，T波稳定性的检测需要有多种不同的数据处理方法的计算，比较。所需的技术方法包括有：复数解调，最小均方估计，自相关估计，以及自相关平均估计等。

现有技术中测定生物电信号稳定特征的方法，如Cohen等人（US    Pat.    No.4802491）采用了用矩阵求信号特征的方法来检测心电波形中T波和QRS波的稳定性。每一采样后的QRS或T波被置于矩阵的一行中，这样每一矩阵的数据即为心电波形某一点在不同时刻的值。通过采用频谱分析的方法计算每一列数据的能量，并求和而得到此矩阵的总能量，并认为标准化后的此矩阵的总的能量变化反映了组成此矩阵的心电信号的稳定性。由于心电信号中任一给定点随时间变化的不确定性以及其变化幅值在许多情况下不大，每一列数据的频谱分析的结果将会是非特异性的，并类似于白噪音的谱分析结果。此方法的另一缺点是需要有繁复的大量计算。对于n列矩阵的数据则需作n次频谱分析，且每次结果均需与白噪音信号的谱分析结果作比较。

本发明的目的：

现有的一些用矩阵求信号特征以及其它的有关测定心脏电信号稳定性的方法和仪器都未能对待测心电信号的稳定性作出整体的及快速的评估。

本发明用求矩阵的特征值来评估所测生物电信号的稳定性特征。本发明的目的是提供一项有效的及简便的检测生物电信号波形的稳定性的方法和装置；本发明的目的在于提供一种有效的及简便的方法以检测心电信号波形的稳定性，及实现检测心电信号波形稳定性的特征的仪器。

本发明的目的可以通过以下措施来达到，详细的实施措施在实施例中有更具体详尽的说明。

本发明的这种测定生物电信号稳定特征的方法，在于将一定数据长度的生物电信号组成一特定的信号矩阵，通过求该矩阵的特征值来评估所测生物电信号的稳定特征。所说的信号矩阵为频域信号矩阵。所说的信号矩阵为时域信号矩阵。所说的信号矩阵为时域信号矩阵。所说的生物电信号可以是心脏电信号。

将一定数据长度的电信号组成一特定的信号矩阵：将随时间变化的具有一定数据长度的待检测的电信号，按随时间的变化的次序依次的排入到方阵的各行，通过对这一矩阵的特征值的运算，评估出组成此矩阵的电信号的稳定性。以下再作具体说明：

设A为一个N行N列的正方矩阵（N为正整数并大于1），V是一个非零向量以及U为一数值，并有A＊V=U＊V，则U是矩阵A的一个特征值。向量V是矩阵A对应于U的特征向量。对于N维的方阵A，则可得到N个特征值。特征值表达了矩阵的特征且有短的数据结构。对于N＊N个原素组成的矩阵，其特征值的数据量为N＊1。特征值对于矩阵中元素的变化敏感。如果矩阵的每一行元素均相同，其对应于心脏电信号不随时间变化，则只有一个非零特征值。反之，多个特征值的出现则对应于此矩阵的多行元素之间的变化。以此方法，由心脏电信号组成的矩阵各元素的整体变化可以通过求此矩阵的特征值而表示，并继而评估组成此矩阵的心脏电信号在一特定时间内的稳定性。

任何形式的生物电信号经数字化后均可组成相应的信号矩阵，以其特征值来评估此信号的稳定特征。这些信号有心电波形（ECG），血压波，脉搏波，体表电位，心肌膜电位，脑电波，等等。本领域的技术人员所作出的其它的替换或变化仍是在所述的实质和范围内。

根据上述方法测定生物电信号稳定特征的装置，包括：a）有用以获得一定数据长度的生物电的电波形式的信号的信号输入单元，b）一个用以将摸拟生物电信号转换为数字化的生物电信号数据的模拟信号/数字信号转换器，c）一个用以去除漂移及干扰信号的信号予处理单元，d）一个用以选择不同数据结构形式的信号矩阵，e）一个用以建立所测生物电信号的正方矩阵的矩阵建立单元，f）一个用以实施矩阵运算的信号处理单元，g）一个用于贮存及显示数据的数据贮存及显示单元，各单元的说明见后，特别是d）、e）和f）三个单元。三个单元的详细实施说明见具体的实施例。

所述说的装置的信号矩阵为频域信号矩阵。所述说的装置的信号矩阵为时域信号矩阵。其特征在于所述说的矩阵运算包括有矩阵特征值的计算单元电路。

测定生物电信号稳定特征的装置，所述说的信号输入单元可以为心脏电信号输入单元。按如上的安排，心电信号被采集，经予处理后组成一特定正方矩阵，此矩阵的特征值体现了此心电信号的稳定特征。

本发明与现有技术相比具有如下的优点：

临床医生对单个或短时间内变化的电信号所包含信息的判断虽已有相当经验，但仍不足以进一步提高对心脏猝死及其它一些心脏病发作的予测概率。可能的原因之一是反映此类心脏病的特征存在于较长时间的信号序列中，或存在于心电信号之间的相互变化的关系中。本发明的优点之一是有助于医生对心脏信号稳定特征的观测与利用以予测心脏猝死等严重心脏病的发生。

本发明通过建立心脏电信号矩阵以及利用矩阵运算的快速性及简捷性，使得临床对心电信号稳定特征的监测和提取成为可能，并且便于临床医生的有效的参予。

本发明的另一个优点是直观、形象，它简便地显示出所测心脏电波形信号的稳定特征，这一优点有助于免除对不适当的高技术或特殊心电信号处理过程的需求。

附图的图面说明：

图1：一正弦信号和一随机信号的频域矩阵的特征值显示。

图2：心电信号的时域矩阵组成。

图3：三组大鼠的动脉血压信号的频域矩阵的特征值显示。

图4：本发明的一个检测心电信号稳定装置的流程示意图。

实施例：

结合附图说明来发明的具体实施。

参照附图1，两组特征值分别由计算一正弦信号和一随机信号的频域矩阵而得到。两信号均由计算机产生。每一时间序列分为128数据片断，每片断包含有256数据点，通过对每一数据片断作128点快速傅里叶分析，并将此频域数据依次排列为矩阵的各行，而得到128×128维频域数据阵。图1a为正弦信号的特征值显示，图1b为随机信号的特征值显示。每一特征值顺次沿横轴排列，箭头所指为特征值的方向角（特征值虚部对实数比率的反切值），其长度为特征值的横向量（特征值实部平方与虚部平方之和的平方根）。由于正弦信号是一个稳定的周期信号，其频域矩阵中各行元素相同，则只表现为一个非零特征值。与此相反，随机信号的频域矩阵中的各行元素存在差异，则其对应于多个非零特特值。

本发明的基本的特征是把测得的心电信号组成一正方矩阵，通过求矩阵特征值的方法来评估此心电信号的稳定特征。组成信号矩阵的数据结构的形式没有限制。图2所示为一心电信号（ECG）的时域矩阵的各元素值。建立这一100行，100列时域矩阵的过程说明如下：记录并数据采集一只麻醉狗的心电图，记录及采集的时间为15分钟，每一导联的心电数据序列经去除趋势项及去除干扰予处理后，依次将前100个心电波形置入矩阵，每一心电波形对应于矩阵的一行，且由100点组成。这100数据点是以每一心电波形最大绝对值变化率处为中心前推44点及后延55点开穸而得到。这100点数据包括一个心电波形的P波，QRS波，ST段及T波和U波，这样就形成了一个思电信号的时域矩阵。需要说明的是，组成时域矩阵的每一个元素可以是由一个或多个ECG波形组成，也可以是由一个心电波形的部分组成，如T波部分。显然，仅用T波部分组成的心电信号的时域矩阵的特征值反映了心脏在一特定时间内的除极化过程的稳定性。

为求得长时间心电信号的稳定特征以及适应不同形式心电信号处理的要求，可建立不同的形式的心电信号矩阵。图3所示为三种不同的大鼠的血压信号的频域矩阵的特征值显示。有关实验过程和频域矩阵的建立方法叙述如下：动脉血压搏动反映了机体心血管分流的状态。我们用无线测量的技术方法记录了三组不同大鼠在清醒、自由活动状态下的动脉血压。第一组是正常大鼠（SD），其血压平均值及标准差为98.3±6.9毫米汞柱。第二组是肾性高血压鼠（2K，1C），其由正常鼠通过结扎左侧肾动脉而得到，其血压为143.6±8.9，毫米汞柱。第三组是原发性高血压鼠（SHR），其血压均值为130.7±0.6毫米汞柱。每组均为四只鼠。三种鼠均以常规手术方法在腹腔安温置一个植入性腹主动脉血压传感器以及信号传送器（TAIIPA-C40,Data    Science    Inc.,USA）。手术二周经大鼠恢复后，通过无线接收器（RA1310）及信号采集系统，动脉血压信号以数字形式贮存于一个计算机硬盘上。血压记录时间为6天。采集后的血压时间序列被分为360个数据段，每段含有4320数据点，其对应予24分钟的血压信号，经去除均值，以及按最小均方差原则去除线性趋势后，每数据段信号通过256点的快速傅里叶分析（FFT）转换到频率域。通过把前256数据段的频率分量依次排入一矩阵的256行，我们就得到一个具有256行及256列的血压信号的频域矩阵。依据图3三组不同大鼠的血压信号的特征值所表达的结果，可以清楚看到：尽管肾性高血压鼠和原发性高血压鼠的血压水平近乎一致，但原发性高血压鼠的血压信号的频域分量变化不同于肾性高血压鼠。此结果提示了两种高血压鼠的心血管系统的差异。图中箭头所示为特征值；图3b.肾性高血压鼠的特征值。图3b.原发性高血压鼠的特征值。

实施本发明的一个装置的流程图如图4，建立心电信号矩阵以求特征值的方法，来评估心电信号的稳定特征。

信号输入单元[10]，主要由传感器[12]，放大器[11]及滤波器[16]组成。其目的是要获得具有高质量的并具有一定电压幅值的心电信号。目前已用于临床的医学信号记录器均可使用，如美国生产的EVR多通道记录系统（PPG    Biomedical    System    Division，NY，USA）。模/数转换器[18]，用来把模拟心电信号转换为数字信号。可采用美国KEITHLEY公司生产的16通道8位模/数转换板（DAS-16）。

予处理单元[20]，用以去除信号中所包含的直流分量，漂移分量以及干扰信号。

选择单元[22]，根据待测信号的特点，选择不同结构形式的矩阵，如频域矩阵和时域矩阵。波形定位及穸口长度选择单元[24]，用于建立时域矩阵。根据信号的特征及所感兴趣的信号部分（如心电信号的T波部分）选择定位点及其前后一定数据长度范围。这一含有N点数据长度组成矩阵的一行，定位点的选择为心电信号的最大绝对值变化率点。

频谱分析单元[26]用以把心电信号转换到频域分析。常用的算法有快速傅里叶分析（FFT）。矩阵建立单元[28]，用以建立心电信号正方矩阵。

信号处理单元[30]，用以矩阵运算及提取信号矩阵的稳定性特征，可选用已商品化的软件，如MATLAB    4.0    The    MATH    WORKS    INC.,    MA.USA。

数据贮存与显示单元[32]，特征值体现了所测心电信号的稳定特征。其数据贮存于计算机存贮单元以便进一步数据处理，并可直观的显示在计算机屏幕上。

Claims (8)

1、一种测定生物电信号稳定特征的方法，其特征在于将一定数据长度的生物电信号组成一特定的信号矩阵，通过求该矩阵的特征值来评估所测生物电信号的稳定特征。

2、根据权利要求1所述的测定生物电信号稳定特征的方法，其特征在于所说的信号矩阵为频域信号矩阵。

3、根据权利要求1所述的测定生物电信号稳定特征的方法，其特征在于所说的信号矩阵为时域信号矩阵。

4、根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的测定生物电信号稳定特征的方法，其特征在于所说的生物电信号是心脏电信号。

5、根据权利要求1所述的测定生物电信号稳定特征的装置，包括：

a）有用以获得一定数据长度的生物电的电波形式的信号的信号输入单元，

b）用以将摸拟生物电信号转换为数字化的生物电信号数据的模拟信号/数字信号转换器，

c）用以去除漂移及干扰信号的信号予处理单元，

d）用以选择不同数据结构形式的信号钜阵，

e）用以建立所测生物电信号的正方矩阵建立单元，

f）用以实施矩阵运算的信号处理单元，

g）用于贮存及显示数据的数据贮存及显示单元，

其特征在于：d）、e）和f）三个单元。

6、根据权利要求5所述的测定生物电信号稳定特征的装置，其特征在于所述说的信号矩阵为频域信号矩阵。

7、根据权利要求5所述的测定生物电信号稳定特征的装置，其特征在于所述说的信号矩阵为时域信号矩阵。

8、根据权利要求5或6所述的测定生物电信号稳定特征的装置，其特征在于所述说的矩阵运算包括有矩阵特征值的计算电路。

Images