CN1265869A - 心脏病的检测和定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明是心脏病的检测和定位系统,特别用于检测和定位诊断冠心病,包括心肌缺血和心肌梗塞。其中定位诊断是针对心肌缺血和心肌梗塞而言的。本系统首先从人体采集心电信号,进行放大并加以数字化,然后得到12导联心电功率谱并计算出高低频分界值－基值f0,f0等于以赫兹为单位的心率值的3至7倍。评价标准等于低频分量除以高频分量。本系统同时对12导功率谱进行波形识别,根据评价标准的大小和导联分布提供心脏病的定位诊断图。

Description

心脏病的检测和定位系统

本发明属于心脏学范畴，特指一种系统，用于检测和定位诊断心脏疾病，特别是冠心病，包括心肌缺血和心肌梗塞。其中定位诊断是针对心肌缺血和心肌梗塞而言的。

在中国乃至全世界，冠心病是导致死亡的主要原因之一。但是这种疾病对大多数病人而言在40至50岁时仍然是察觉不到的和隐性的，在50岁之后才逐渐由无症状转到有症状，病人可以表现为胸闷，心肌梗塞甚至猝死。

在美国受到冠心病影响的人数超过了400万，约有100万人在60岁之前会患心肌梗塞或者猝死，而且，一旦冠心病发展到显性阶段，无论其症状是胸闷还是心肌梗塞，死亡率会增加至平均每年4％，对于心电图异常和高血压病人而言，死亡率更高达每年8％，死亡率增大的原因是猝死的增加和连续发生心肌梗塞。

以前用于诊断冠心病的方法可以分为4类，在此对其作一简述。第一类就是无创的常规心电图检测，即标准12导联心电图。在这一类中，有作24小时动态心电图检测和运动负荷检测的(见美国专利号3,267,934 Thornton)，这类检测主要以ST段的抬高和降低作为心肌缺血的指标，由于其对某些潜在疾病的敏感性不高，因而这类检测对冠心病的诊断率受到限制。第二类方法属于有创性的但较为昂贵的检测，如同位素成像，但这类方法会包含一些有创性的操作如插入心脏导管和冠状动脉造影。第二类方法的不足之处是费用高且在一定程度上是有创的。

检测冠心病的第三类方法是利用计算机软件对常规心电图进行处理分析。一个例子就是积分心电图(CIG)，它是对不同的QRST段信号进行积分运算而得。高频心电图(HFECG)是另一种建立在软件基础上的方法，它利用快速傅立叶变换而得到心电图中的高频成分。这第三类方法不是针对单一心搏就是针对平均后的QRS波群，当只对单一心搏进行分析时，很多潜在的有意义的信息没有得到利用，同样，建立在分析单一的平均QRS波群基础上的分析技术似乎可以从噪声信号中提取到很小的信号改变，但这种技术同样具有很大的局限性，例如平均心电图(SAECG)或心室晚电位(VLP)分析是建立在QRS波群叠加的基础之上的，那么叠加的准确性受到采样率，QRS波形识别和对准软件，使用人员的经验和心率变异性等因素的影响，因此，这类检测的有效性是有限的。

第四类方法称为“心电多相信息诊断系统(EMPI)”，并且体现在一个叫作“用于心肌梗塞的诊断和报警的一种设计和方法”的专利中(美国专利号5,509,425)。在这一类方法中，利用心电功率谱和其它一些频域分析来从常规心电图中得到更多的信息，然而，这类方法也存在其不足，具体来说，将时域心电图转换到频域的傅立叶变换只是在常规心电图的2个导联上进行的，即V5和II导，遗漏了其它导联上的重要信息，而且这些方法没有象本发明所做的那样建立和使用功率谱的评价标准。

综上所述，很有必要寻求一种更加完善的诊断冠心病和其它心脏病的系统和方法，而且在检测到之后还能够进行定位诊断。

本发明的任务之一是提供一种新的用于检测冠心病和其它心脏病的方法和系统。

本发明的另一个任务是提供一种当检测出冠心病或其它心脏病时能够对病源进行定位的方法和系统。

本发明又有一个任务是通过分析12个导联中最少1个导联，最多12个导联的由心电信号转换而来的频域功率谱信号，提供一种用于检测和定位诊断冠心病和其它心脏病的方法和系统。

本发明还有一个任务是利用心率得到功率谱的高低频的分界基值，通过对12个导联中最少1个导联，最多12个导联功率谱基值两端高低频比例的分析，提供一种用于检测和定位诊断冠心病和其它心脏病的方法和系统。

本发明提供的用于检测和定位诊断心脏疾病的方法总体上分2个步骤，第一个步骤是采集心电信号，第2个步骤是转换所采集的心电信号并确立一个基值用于评价转换过的信号。采集心电信号的过程是把心电导联线放置在人体上，电极放置的位置包括右臂(RA)，左壁(LA)，右脚(RL)，左脚(LL)以及胸前的6个区域(C1-C6)。心电信号经由导联线，然后放大，再数字化。

转换所采集的心电信号时，首先由采集的心电信号计算出常规标准导联时域信号，然后把时域信号转换成频域的功率谱信号，常规标准导联时域信号至少包含12导联中的一个导联，12导联的名称是I导，II导，III导，aVR导，aVL导，aVF导，V1导，V2导，V3导，V4导，V5导和V6导。

确立基值的方法是首先求得心率，然后把心率的计量单位转换成赫兹，用心率乘以一个转换因子即等于基值，转换因子是一个常数，界于3-7之间，一般取5。

评价标准是按以下方法得到的，在功率谱图形上，以基值为高低频的分界线，求得0到基值之间的面积1和基值到∞之间的面积2，面积1除以面积2即等于评价标准值，每一个功率谱上都可得到一个相应的评价标准值，评价标准值≥1时表示正常，评价标准值＜1时表示异常。

另外，本发明从功率谱图形上还定义了其它一些评价指标，这些评价指标与功率谱的峰值有关。当任一功率谱的第2峰的峰值大于第1峰的峰值时提示病态，当任一功率谱的第5峰的峰值大于第1峰的峰值时提示病态，当任一功率谱的第5峰的峰值大于第3峰的峰值时提示病态，当任一功率谱的第4峰的峰值大于第3峰的峰值时提示病态，当任一功率谱的第1峰的峰值过小时提示病态，当任一功率谱的第3峰的峰值过小时提示病态，当任一功率谱的第1峰，第2峰，第3峰和第4峰的峰值之和过小时提示病态，当任一功率谱的第1峰，第2峰，第3峰和第4峰的峰值之和过大时提示病态，这里提到的第1峰，第2峰，第3峰，第4峰和第5峰可在功率谱图形上观察到，从左到右，从低频到高频排列。

本发明还提供了定位诊断的方法，把12导联分成额面6个导联(I导，II导，III导，aVR导，aVL导和aVF导)和横面6个导联(V1导，V2导，V3导，V4导，V5导和V6导)。把每个导联的评价标准分额面和横面画成直方图，导联依其代表的心脏部位按顺序排列，为了方便地观察相邻导联的评价标准，直方图把每个导联重复表示。按照不同的导联组合，给出19种部位的定位诊断，当代表该部位的所有导联的评价标准都＜1时，即确定在该部位异常。这19种部位和其对应的导联组合是：

(1)V1+V2+V3+V4→前侧壁(Anteroseptal)，

(2)V2+V3+V4+V5→前壁(Anterior)，

(3)II+aVF+V1+V2→后下壁(Inferior Posterior)，

(4)I+aVL+V3+V4+V5+V6→前间壁(Anterolateral)，

(5)I+aVL+V5+V6→间壁(Lateral)，

(6)I+aVR+aVL+V6→I导区，

(7)II+aVR+aVF→II导区，

(8)III+aVL+aVF→III导区，

(9)I+II+aVR+V5→aVR导区，

(10)    I+III+aVL→aVL导区，

(11)    II+III+aVF→aVF导区，

(12)    V1+V2+V6→V1导区，

(13)    V1+V2+V3→V2导区，

(14)    V2+V3+V4→V3导区，

(15)    V3+V4+V5→V4导区，

(16)    V4+V5+V6→V5导区，

(17)    V5+V6+V1→V6导区，

(18)    V1+V2→侧壁(Septal)，

(19)    II+aVF→下壁(Inferior)。

若2个或2个以上部位都异常时，以从1到19的顺序首先确定的异常部位为准。

本发明的功率谱计算是针对同步的连续的长程12导联心电信号进行的。

本发明提供的用于检测和定位诊断心脏疾病的系统包括采集心电信号装置和确立一个基值用于评价转换过的心电信号的装置。采集心电信号的装置包括心电导联线，心电信号放大器，心电信号模数转换器和分析主机。

分析主机包含了转换所采集的心电信号的装置，由采集的心电信号计算出常规标准导联时域信号的装置，然后把时域信号转换成频域的功率谱信号的装置，常规标准导联时域信号至少包含12导联中的一个导联，12导联的名称是I导，II导，III导，aVR导，aVL导，aVF导，V1导，V2导，V3导，V4导，V5导和V6导。

分析主机还包含了确立基值的装置，把心率的计量单位转换成赫兹的装置，用心率乘以一个转换因子即等于基值，转换因子是一个常数，界于3-7之间，一般取5。

分析主机还包含了获取评价标准的装置，在功率谱图形上，以基值为高低频的分界线，求得0到基值之间的面积1和基值到∞之间的面积2，面积1除以面积2即等于评价标准值，每一个功率谱上都可得到一个相应的评价标准值，评价标准值≥1时表示正常，评价标准值＜1时表示异常。

本发明的目的，特性和先进性以及实施方式可以从附图上得到进一步的说明。

图1A是本发明所述的心脏病检测和定位系统的各部分组成框图。

图1B是导联线与人体连接图。

图2是常规时域心电信号的示意图。

图3是频域功率谱波形例图，本例中，基值(f0)约等于6赫兹。

图4是额面和横面的导联分布示意图和评价标准定位图，注意定位图中导联以重复的方式排列。

图5A是功率谱的第2峰的峰值大于第1峰的峰值时的示意图。

图5B是功率谱的第5峰的峰值大于第1峰的峰值时的示意图。

图5C是功率谱的第5峰的峰值大于第3峰的峰值时的示意图。

图5D是功率谱的第4峰的峰值大于第3峰的峰值时的示意图。

图5E是功率谱的第1峰的峰值过小时的示意图。

图5F是功率谱的第3峰的峰值过小时的示意图。

图5G是功率谱的第1峰，第2峰，第3峰和第4峰的峰值之和过小时的示意图。

图5H是功率谱的第1峰，第2峰，第3峰和第4峰的峰值之和过大时的示意图。

图6A-6B合起来是心电信号放大电路图举例。

图7是心电信号模数转换电路图举例。

图8是本发明关于心脏病检测和定位系统和方法的流程图。

如图1A所见本发明所述的心脏病检测和定位系统10，人体12产生的心电信号通过导联线到达放大模块14，放大电路图详见图6A-6B，经过放大的心电信号然后到达模数转换模块16，模数转换电路图详见图7，数字化的心电信号然后进入计算机主机17，计算机主机包括处理器及普通计算机所包括的标准部件，显示器，键盘，鼠标器以及其它标准的与主机连接的输入输出设备。

如图1B是导联线与人体连接图。电极放置的位置包括右臂18(RA)，左壁20(LA)，右脚22(RL)，左脚24(LL)以及胸前的6个区域26(C1)，28(C2)，30(C3)，32(C4)，34(C5)，36(C6)。

如图2是常规时域心电信号的示意图38，横坐标代表时间，竖坐标代表振幅。

如图3是频域功率谱波形例图40，横坐标代表频率，单位赫兹，竖坐标代表振幅，单位毫瓦。46是功率谱波形，本例中，心率约为72次/分钟，即每秒1.2次(赫兹)，基值(f0)等于1.2乘以5，等于6赫兹。评价标准(Index)等于低频面积46L除以高频面积46H。

如图4是额面和横面的导联分布示意图(54和56)和评价标准的定位直方图(50和52)，定位图中导联以重复的方式排列，左边直方图中的50a-50f分别代表额面导联的评价标准，右边直方图中的52a-52f分别代表横面导联的评价标准。50g代表区别线，方柱高于区别线为正常，方柱低于区别线为异常。

如图5A-5H是功率谱的8种异常表现，有关功率谱的理论将随后详述。

如图6A-6B合起来是心电信号放大电路图74。共有9路信号，以第1路信号右手RA为例，共有3级放大76，98和104。心电信号由右手接至电阻78(430KΩ)，电阻78的另一端与放大器76的正输入端和电阻80(20KΩ)以及电容82(0.01μ)相连，放大器76的负输入端接地。放大器76的输出信号接至电容84(0.68μ)然后与电阻88(2.2MΩ)和电阻86(33KΩ)相连。电阻88的另一端接地，电阻86的另一端与电阻90(20KΩ)以及电容94(0.1μ)相连，电容94的另一端接至放大器98的输出端，电阻90的另一端与放大器98的正输入端和电容92(0.01μ)相连，电容92的另一端接地。放大器98的负输入端与输出端一起接至电阻96(1KΩ)然后与放大器104的正输入端和电阻102(47KΩ)以及电容100(0.01μ)相连。放大器104的负输入端接地。电阻102的另一端和电容100的另一端又同时与放大器104输出端相连，输出信号为RA-1。

同样，第2路至第9路信号LA，LF，C1，C2，C3，C4，C5，C6经过3级放大后的输出信号为LA-1，LF-1，C1-1，C2-1，C3-1，C4-1，C5-1和C6-1。

如图7是心电信号模数转换电路图106，8路经过放大的信号RA-1，LA-1，C1-1，C2-1，C3-1，C4-1，C5-1，C6-1输入到开关108(CD4051)的管脚13，14，15，12，1，5，2，4，开关108在3个管脚11，10，9的控制下轮流选通这8路信号至管脚3，输出到另一个开关112(CD4051)的管脚13，信号LF-1输入到开关110(CD4051)的管脚13，开关110在3个管脚11，10，9的控制下选通这1路信号至管脚3，输出到另一个开关112的管脚14。开关112在1个管脚11的控制下轮流选通这2路信号13和14至管脚3，输出到AD变换芯片118(AD574)的输入端13。芯片116(GAL20V8)的管脚2-11与计算机主机扩展槽120的地址线A0-A9相连，并通过管脚17与计算机主机扩展槽120的数据线D0-D4一起控制114(74LS373)，通过管脚19-22控制118，114通过管脚2，15，16控制108和110进行信号选通。经过118得到的数字信号分2次传到计算机主机扩展槽120的数据线D0-D7，第1次为高8位，第2次为低4位。扩展槽上的数字信号可直接由计算机软件获得并进行处理。

图8描述了本发明关于心脏病检测和定位系统和方法的流程图。

下面从理论上展开说明本发明是如何得到12导功率谱的。

利用软件从计算机主机扩展槽上获取的9路数字信号：LA，RA，LF，C1，C2，C3，C4，C5，C6，按照标准常规12导联的定义，可以推导出常规12导联：

        I  ＝LA-RA

        II ＝LF-RA

        III＝LF-LA

        aVR＝RA-(RA+LA+LF)/3

        aVL＝LA-(RA+LA+LF)/3

        aVF＝LF-(RA+LA+LF)/3

        V1 ＝C1-(RA+LA+LF)/3

        V2 ＝C2-(RA+LA+LF)/3

        V3 ＝C3-(RA+LA+LF)/3

        V4 ＝C4-(RA+LA+LF)/3

        V5 ＝C5-(RA+LA+LF)/3

        V6 ＝C6-(RA+LA+LF)/3

有了标准12导信号的数据，然后利用常规方法得到其傅立叶变换S[i](f)和共轭傅立叶变换S[i](f)^*，这里i取1-12，代表导联序号，f(频率)表示S[i]是频率的函数。这样功率谱P[i]可由下式而得：

P[i]＝S[i](f)·S[i](f)^*

回到图5A-5H，图5A是一例功率谱波形58，其中P1代表第1峰，P2代表第2峰，若第2峰的峰值大于第1峰的峰值时提示病态。图5B是另一例功率谱波形60，其中P1代表第1峰，P5代表第5峰，若第5峰的峰值大于第1峰的峰值时提示病态。图5C是又一例功率谱波形62，其中P3代表第3峰，P5代表第5峰，若第5峰的峰值大于第3峰的峰值时提示病态。图5D是一例功率谱波形64，其中P3代表第3峰，P4代表第4峰，若第4峰的峰值大于第3峰的峰值时提示病态。图5E是一例功率谱波形66，其中P1代表第1峰，若第1峰的峰值＜K时提示病态，这里K为0至0.1mw之间的一个值。图5F是一例功率谱波形68，其中P3代表第3峰，若第3峰的峰值＜K时提示病态，这里K为0至0.1mw之间的一个值。图5G是一例功率谱波形70，其中P1-P4代表第1-4峰，若(P1+P2+P3+P4)＜K时提示病态，这里K为0至8.0mw之间的一个值(一般取4.0)。图5H是一例功率谱波形72，其中P1-P4代表第1-4峰，若(P1+P2+P3+P4)＞K时提示病态，这里K为20至40mw之间的一个值(一般取30)。

本发明的功率谱计算是针对同步的连续的12导联心电信号进行的，心电信号长度最少1秒，一般采用88秒。

Claims (39)

1.按照以下步骤检测和定位心脏病的方法：

从人体采集心电信号；

转换所采集的心电信号；

确立一个基值用于评价转换过的信号。

2.根据权利要求1所述的从人体采集心电信号的方法：

提供心电图信号的采集装置；

提供人体与采集装置之间的导联装置；

操作采集装置通过导联装置获得心电信号输出。

3.根据权利要求2所述的安放人体与采集装置之间的导联装置的方法，电极放置的位置包括右臂(RA)，左壁(LA)，右脚(RL)，左脚(LL)以及胸前的6个区域C1-C6。

4.根据权利要求1所述的转换所采集的心电信号的方法，包括：

把采集的心电信号转换为时域常规心电图；然后

把时域常规心电图转换为频域功率谱信号。

5.根据权利要求4所述的把采集的心电信号转换为时域常规心电图的方法：

放大心电信号；然后

把放大过的心电信号数字化。

6.根据权利要求4所述的把采集的心电信号转换为时域常规心电图的方法，时域信号包含12导联之中的至少1个信号。

7.根据权利要求1所述的确立一个基值用于评价转换过的信号的方法，包括：

获得心率值；然后

用心率乘以一个转换因子即等于基值。

8.根据权利要求7所述的获得心率值的方法，至少包括以下之一：测量病人的心率，或者从与心率有关的其他生理和医学特征获得心率。

9.根据权利要求7所述的获得心率值的方法，该心率包括静态心率。

10.根据权利要求7所述的获得基值的方法。包括以下步骤：

把心率的计量单位从次/分钟转换为次/秒；然后

用以次/秒作为计量单位的心率乘以一个转换因子即等于基值。

11.根据权利要求10所述的乘以一个转换因子的方法，转换因子的大小界于3-7之间。

12.根据权利要求10所述的乘以一个转换因子的方法，转换因子一般取5。

13.根据权利要求4所述的转换方法，进一步包括：

在功率谱图形上，求得0赫兹到基值之间的面积1；

在功率谱图形上，求得基值到∞之间的面积2；然后

面积1除以面积2即等于评价标准值。

14.根据权利要求13所述的评价方法，当标准值≥1时表示正常，评价标准值＜1时表示异常。

15.根据权利要求13所述的评价方法，每一个功率谱上都可得到一个相应的评价标准值。

16.根据权利要求4所述的转换方法，按照不同的定义进一步分析功率谱信号的峰值大小。

17.根据权利要求4所述的分析功率谱信号的峰值大小的方法，分析时使用的定义至少包括以下之一：

判定功率谱的第2峰的峰值是否大于第1峰的峰值作为病态提示；

判定功率谱的第5峰的峰值是否大于第1峰的峰值作为病态提示；

判定功率谱的第5峰的峰值是否大于第3峰的峰值作为病态提示；

判定功率谱的第4峰的峰值是否大于第3峰的峰值作为病态提示；

判定功率谱的第1峰的峰值是否过小作为病态提示；

判定功率谱的第3峰的峰值是否过小作为病态提示；

判定功率谱的第1峰，第2峰，第3峰和第4峰的峰值之和是否过小作为病态提示；

判定功率谱的第1峰，第2峰，第3峰和第4峰的峰值之和是否过大作为病态提示；

这里提到的第1峰，第2峰，第3峰，第4峰和第5峰可在功率谱图形上观察到，从左到右，从低频到高频排列。

18.根据权利要求13所述的利用评价标准定位诊断心脏病的方法，包括：

提供定位诊断标准，每一条标准都与心脏异常的一个区域相关；然后

利用诊断标准判定，看该区域是否异常。

19.根据权利要求18所述的提供定位诊断标准的方法，每一个区域都有一个数目，该数目就是与该区域有关的导联数目。

20.根据权利要求19所述的判定每一个区域的异常数目的方法，包括以下步骤：

把该区域的异常导联数目相加；

把相加得到的值与该区域的导联数目相比较，判定相加得到的值≥该区域的导联数目，或相加得到的值＜该区域的导联数目；

当相加得到的值＜该区域的导联数目时，判定该区域正常；或者

当相加得到的值≥该区域的导联数目时，判定该区域异常。

21.根据权利要求19所述的确定与该区域有关的导联数目的方法，通过下表查得：

(1)V1+V2+V3+V4→前侧壁(Anteroseptal)，

(2)V2+V3+V4+V5→前壁(Anterior)，

(3)II+aVF+V1+V2→后下壁(Inferior Posterior)，

(4)I+aVL+V3+V4+V5+V6→前间壁(Anterolateral)，

(5)I+aVL+V5+V6→间壁(Lateral)，

(6)I+aVR+aVL+V6→I导区，

(7)II+aVR+aVF→II导区，

(8)III+aVL+aVF→III导区，

(9)I+II+aVR+V5→aVR导区，

(10)I+III+aVL→aVL导区，

(11)II+III+aVF→aVF导区，

(12)V1+V2+V6→V1导区，

(13)V1+V2+V3→V2导区，

(14)V2+V3+V4→V3导区，

(15)V3+V4+V5→V4导区，

(16)V4+V5+V6→V5导区，

(17)V5+V6+V1→V6导区，

(18)V1+V2→侧壁(Septal)，

(19)II+aVF→下壁(Inferior)。

22.根据权利要求19所述的当相加得到的值≥该区域的导联数目时，判定该区域异常的方法。

23.根据权利要求19所述的当相加得到的值＜该区域的导联数目时，判定该区域正常的方法

24.根据权利要求21所述的若2个或2个以上部位都异常时的定位原则。

25.根据权利要求24所述的进一步的定位方法，以列表中从1到19的顺序首先确定的异常部位为准。

26.根据权利要求18所述的进一步的定位方法，至少要判定一个部位的定位诊断标准。

27.根据权利要求6所述的功率谱计算是针对同步的连续的12导联心电信号进行的方法。

28.根据权利要求27所述的功率谱计算所采用的心电信号长度最少1秒的方法。

29.根据权利要求27所述的功率谱计算所采用的心电信号长度一般采用88秒的方法。

30.由以下各部分组成的检测和定位心脏病的系统：

从人体采集心电信号的装置；

转换所采集的心电信号的装置；

确立一个基值用于评价转换过的信号的装置。

31.根据权利要求30所述的从人体采集心电信号的装置，包括：

心电信号的放大装置；

心电信号的数字化装置；和

数字化后心电信号的处理装置。

32.根据权利要求31所述的信号处理装置，包括：

通过数学计算获得时域心电信号的装置；和

把时域心电信号转换为频域功率谱信号的装置。

33.根据权利要求32所述的系统，该系统获得的时域心电信号至少包含12导联之中的1个导联。

34.根据权利要求30所述的系统，该系统包括确立基值的装置；

获取病人心率的装置；和

把心率乘以一个转换因子以获得基值的装置。

35.根据权利要求34所述的系统，该系统包括把心率乘以一个转换因子确立基值的装置：

把心率的计量单位从次/分钟转换为次/秒的装置；和

把以次/秒作为计量单位的心率乘以一个转换因子以获得基值的装置。

36.根据权利要求35所述的系统，转换因子的大小界于3-7之间。

37.根据权利要求35所述的系统，转换因子的值一般取5。

38.根据权利要求32所述的系统，其信号处理装置进一步包括：

在功率谱图形上，求得0赫兹到基值之间的面积1的装置；

在功率谱图形上，求得基值到∞之间的面积2的装置；和

把面积1除以面积2以获得评价标准值的装置。

39.根据权利要求38所述的系统，其第1个评价标准是当评价标准值≥1时表示正常，其第2个评价标准是当评价标准值＜1时表示异常。

Images