心肌缺血的运动心电信号无创检测方法
作者：叶继伦 郑崇勋 王磊 唐世钧 黄燕
单位：叶继伦 郑崇勋 王磊 唐世钧(西安交通大学，生物医学工程研究所，西安 710049)；黄燕(重庆医科大学，附属第一医院，重庆 400016)
关键词：抗荷装备；医学评价；载人离心机；通用规范
航天医学与医学工程000107摘要：目的 改进用于心肌缺血无创检测的运动心电信号特征分析方法。方法研制一套改进的运动心电信号检测系统，提出单位时间ST段面积(STA)和STA与相关心率(STA/HR)的斜率作为新特征参数的计算方法，同时还提出了减少运动信号采集中干扰噪声混入的措施。结果 临床运动试验中采集到的14例运动心电信号数据特征所进行的分析结果，验证了这些新参数计算的有效性，计算结果不仅与常规参数的计算基本一致，而且提高了运动心电信号特征参数计算的稳定性和可靠性。结论 这些新参数的提出为运动试验方法中的心电信号分析提供了更有效、可靠的检测手段，有望进一步得到临床应用。
, 百拇医药
中图分类号：R851.81 文献标识码：A
文章编号：1002-0837(2000)01-0029-05
Exercise ECG Test as a Method for Non-invasive Detection of Myocardial Ischemia
YE Ji-lun，ZHENG Chong-xun,WANG Lei,TANG Shi-jun
(Xi'an Jiao Tong University,Biomedical Engineering Institute,Xi'an 710049,China)
HUANG Yan
Abstract:Objective To improve the exercise ECG analysis for non-invasively detection of myocardial ischemia.Method The newly developed measuring system of exercise ECG defines ST segment area and STA/HR slope as the new characteristic parameters,thus can sensitively detect myocardial ischemia.Some methods were proposed to reduce noise and artifacts for effective sampling of exercise ECG.Result 14 exercise ECG records were sampled and analyzed in clinical exercise test.It was found that the new parameters are very effective and sensitive to myocardial ischemia.The results show that the method is reliable and stable.Conclusion The method improves one of the evaluating indexes of exercise ECG analysis.It is quite promising for clinical application in future.
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Key words：anti-G devices;medical evaluation;human centrifuges;general specification
心电运动负荷试验是临床上常用的心肌缺血检测方法之一，通常是以特定的运动方式增加心脏负荷，通过观测和分析由体表所记录的运动心电信号特征参数的改变，以评价心脏功能和心肌缺血的程度。目前，对于运动心电信号的特征分析国外有较多的研究报告，主要集中在提取运动心电信号的二次特征指标如：ST/HR斜率、
均值、ST段相对于心率的恢复面积等参数，并进行了广泛的临床实验研究，得到有意义结论；而国内这方面的研究就很有限，特别是从工程的角度研究运动心电信号的特征提取就更为少见。国内临床使用的运动心电信号检测方法大都采用单一ST段和QTc变化作为分析和检测指标，其诊断结果的准确性只能达到60%左右。文献[1]报道，应用计算机技术的运动心电信号分析系统，综合采用ST段、斜率和QTc 3个指标，可以提高诊断结果的可靠性。但是由于被试者的运动使得运动心电信号各波形发生不同程度的变化，并且亦使所记录的运动心电信号中必然混入某种程度的噪声干扰，这些给原本就难于准确识别的S波结束点(即J点)的确定带来了更大的困难。用于心肌缺血的无创检测与分析的运动心电信号方法对于心脏疾病的诊断和治疗效果的评价以及流行病学研究是具有十分重要意义的，也是能被患者容易接受的、费用较低的一种检测手段。因此，进一步研究其特征分析方法，提高参数检测结果的可信度是十分必要的。本文在介绍运动试验方法的基础上进一步研究了运动心电信号的可能噪声源，提出了相应的改进措施，并且还提出了对运动心电信号特征分析的新参数计算方法，可以更准确、可靠地提取有效的运动心电信号以及检测相应的特征参数，为评价运动试验结果提供更为有效的客观依据。
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运动心电信号提取技术[2]
由于运动试验中被试者身体各部位不同程度的运动，使得所记录的运动心电信号中可能混入不同程度的干扰信号，他们包括呼吸引起的心电信号基线漂移、电极与皮肤间的摩擦噪声、体位移动所引发的扰动、电源噪声以及其它电磁噪声等，这些干扰信号的消除是不可能完全依靠数字信号处理技术来完成的，在系统硬件的组成上多些考虑会获得更好效果。
系统组件 整个运动心电信号检测系统由5部分组成，包括运动系统、导联系统、信号放大仪模数转换板、微型计算机及激光打印机。运动系统采用具有平(斜)卧式的踏车运动功量仪，这种平(斜)卧式踏车运动方式可避免被试者的胸部的剧烈移动(而站立式平板运动方式就无法避免)，进而可能避免或减小电极与皮肤间的摩擦噪声和体位移动的扰动影响；心电信号的摄取电极应采用随弃式AgCl贴片电极(在运动试验中应避免使用肢体夹板电极和气囊吸附电极)，并在贴电极前尽可能处理好皮肤，使得其表面接触良好以减小移动和接触时可能出现的伪差；在心电信号的放大中采用具有高增益、高共模抑制比、低漂移的悬浮式隔离高性能多道心电信号放大仪(本系统采用三通道心电信号放大仪)，同时电源采用后置式开关，以50 Hz陷波技术或直流干电池电源供电，这样可明显改善所获得运动心电信号的信噪比；在数模转换中采用具有12位(或16位)和30 kHz采样率的多通道模数转换板；保证有良好的独立接地线(使用与其它检测仪器不共享的地线)也会对减小噪声起显著的作用，临床应用已表明前述系统组件的选取对于获取理想的运动心电信号是十分有效的。
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基线漂移抑制[3]在心电信号放大仪动态范围内的运动心电信号基线漂移是可以用软件处理技术予以消除的，在常规心电图中一般有PR段和TP段可以作为基线基准，而在运动试验中当心率将接近或达到靶心率时，心电信号中的T、P波可能发生融合，因此，运动心电信号基准必须以PR段为基准，在准确识别运动心电信号R波的基础上，依据每心搏的PR段，以线性或二次拟合算法来提取趋势项，再利用插值方法消除这个基线漂移。由于运动心电信号的心率变化范围较大，而且呼吸对基线漂移的影响也较严重，在系统中我们采用二次拟合的逐点移动内插算法来进行心电信号基线漂移的校正[1]，这样就可以获得较为理想的、无基线漂移的数字式运动心电信号。
记录导联 记录导联选取对于获取高质量的运动心电信号是十分重要的，既要获取足够多的运动心电信息，还要保证所得的运动心电信息正确而无严重噪声伪差(如运动中就不可能记录到较理想的肢体导联的心电信号)。在我们研制的系统中，运动前记录常规标准十二导联的心电信号，并以CM5 、AVF、V5导联心电信号作为运动前后的对照组，这3个导联组合是从可以获得较稳定的心电信号以及心肌缺血部位来考虑的。CM5为双极性导联，具有相对稳定的电极位置和短的连接空间，能避免运动伪差、减小干扰，并对ST段改变具有较高的敏感性；V5是侧前心区导联，能观测到多导联系统中90%的ST段改变，运动停止后记录1、2、3、4、6 min恢复期的心电信号，记录长度为8 s，采集频率为500 Hz;运动中以CM5导联作为运动状态的监测，提供实时的运动心电信号的动态显示以及相应的心率和ST段变化的动态监测值，其中被试者心率每增加10次/min左右就记录一次运动心电信号(并可以借助于操作者来确认每次心电记录的有效性，以确保所记录的运动心电信号是没有明显的失真)直到被试者的心率达到靶心率。根据临床上常用的亚极量运动方案确定靶心率。
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对于由此所获得的运动前、中和后3阶段的心电信号首先是进行数字滤波预处理，以进一步消除随机噪声的干扰，我们采用了3点平均的平滑方法就可以达到较好的效果。
运动心电信号特征分析方法
对于运动心电信号的特征分析主要集中在时域、时频域，其中临床上使用最广泛的是时域特征方法。时域方法中的特征参数主要有：ST段值、QTc、ST/HR斜率、波形改变等，下面在给出这些参数测算的基础上提出单位时间ST段面积(STA)和STA/HR斜率的计算方法。
ST段和QTc 运动心电信号特征识别是基于J点的识别方法，据文献[4]报道，运动引起的不同心率的改变对于心电信号各个波形持续时间的影响程度是不同的，其中影响最小的是QRS复合波的持续时间，因此，在对J点的识别中可以通过预先设定心电信号模板的方式来完成，同时也完成对于Q、R、T等波形特征点的识别，如图1所示。在所选取信号模板基础上，又根据RR间期大小，进一步剔除了早搏型心搏。这样就可以计算J点后60 ms处的ST段电压值和QTc，实际在计算ST段值是取J点后60 ms附近的3个临近点均值。即：
(1)
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而QTc由下式给出：
(2)
式中QT表示Q波的起点至T波的结束点间期，RR表示相邻R波间期。
图1 QRS波模板的特征位置的确定
Fig.1 Determination of characteristic position of QRS complex templet
a.represents start point of Q wave；b.represents end point of S wave(J-point )；c.represents end point of T wave
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运动心电的ST/HR斜率[5，6]将达到所预定的靶心率后停止运动即刻所记录的CM5导联的心电信号以及由此向前的连续两次记录的运动CM5导联心电信号的ST段电压值和相应的心率值分别作为Y、X轴上点进行描图，并利用最小二乘法来计算由这3点所确定的直线斜率，即可以得到运动ST/HR斜率的参数值，如以XHR表示心率，YST表示J点后60 ms处的ST段电压值，则计算式可表示成：
(3)
其单位为微伏/每搏，表示了单位心率下的ST段变化，这个量可以比ST段更敏感地反映运动试验所诱发的心肌缺血。
运动心电单位时间ST段面积的改变量dSTA 虽然前面已经给出了通过心电模板特征预设的方法来确定J点、Q、T波等运动心电信号中的特征位置，由于逐次心搏的变异性存在以及运动对心电波形的影响，使得要想准确地快速确定每个心搏的J点位置仍是有很大的困难。为避免这些不足，我们在系统中引入了运动ST段单位时间面积的改变量dSTA作为一个测量指标，由于R波峰值位置是很容易准确地被检测出的，这样就可以取R波峰值处作为参考位置点，分别向后推60 ms和120 ms，因为这个ST段上的时间区间肯定包含有前述的ST段单点电压值，并能够反映出每次心搏的心肌缺血型的ST段对时间的平均累积程度，并且在计算的可靠性及稳定性方面明显优于ST段单点电压值的指标，示意如图2所示，计算式即可写成为：
(4)
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图2 ST段面积测量示意图
Fig.2 Sketch map of measuring ST segment
curve a and b separately represent ECG of some a tested man in rest and recovery status
式中dSTAk表示运动前后心电信号第k次心搏的ST段单位时间内的面积之差，为避免单次心搏的变异性影响，在实际计算时，应该取至少3个或3个以上心搏的ST段单位时间内面积之差的均值(在对运动心电信号进行特征分析前已对早搏型心搏进行了剔除预处理)。而f(t)和g(t)分别表示运动前后在区间[R+60，R+120]内并经基线校正后的ST段电压值，其中在数值积分运算时，端点内的取值均按相邻端点值间的线性插值方法计算。
, http://www.100md.com 运动心电STA/HR斜率 在前面计算单位时间ST段面积的基础上，采用与运动ST/HR斜率的计算相类似的方法[6，7]，也将达到所预定的靶心率后停止运动即刻所记录的CM5导联的心电信号以及由此向前的连续两次记录的运动CM5导联心电信号在区间[R+60，R+120]内单位时间的ST段面积(记作STA)和相应的心率值分别作为Y、X轴上点进行描图，并利用最小二乘法来计算由这3点所确定的直线斜率，同样又可利用(3)式，将其中的ST段电压值改成单位时间的ST段面积值，即可得到运动STA/HR斜率值，单位也是μV/beat，STA/HR斜率的计算继承了STA计算可靠稳健的特征，同时又保持了ST/HR斜率有效性、敏感性的特点，为提高运动试验检测的临床意义提供更好的客观依据。
临床应用
在临床运动试验的检测中，采用了我们研制的运动心电信号检测系统，实际采集14例运动心电信号数据，这14例被试者临床症状是胸闷、胸痛，怀疑可能患有冠心病，利用这一系统的数据分析软件对这些数据实时分析，所得运动试验结果为：其中运动试验阳性7例(8～14#)，可疑阳性3例(5～7#)，阴性4例(1～4#)(这14例被试者都是门诊病人，运动试验检测后没有进一步跟踪观测，无法确认是否真的患有心肌缺血)。诊断标准参照目前临床所使用的标准以及我们对新的参数STA、STA/HR斜率所设的标准，应用前述的心电特征计算方法，对这14例运动心电信号的静态和运动停止后的恢复期1、2、4和6 min的心电数据记录进行识别计算，所得结果列于表1之中(只列出检测报告中部分结果，即CM5导联心电信号的计算结果)。由表中数据可以看出：ST段电压值参数的改变和ST段面积参数的改变在运动前后各个阶段的变化趋势是一致的；分别根据单个ST段参数的改变和ST段面积的改变(也设定一个与ST段相类似的诊断标准)对于运动试验结果的鉴别也是基本一致的；根据ST/HR和STA/HR这2个斜率参数的诊断结果(也需要设置2个诊断标准值)也是基本保持一致的，说明本文提出的这2个新参数包含了原有参数的诊断意义，同时还具有ST段电压变化对于时间的平均累积效应，其中斜率参数的意义优于单个ST段参数，进一步的临床意义乃需要广泛的应用和统计分析。另外，从这些参数正确计算的可信度和稳健度来看，后者是明显优于前者(因为前者在实际计算时往往需要借助于人工的干预来确定参照J点的位置，而后者是基于R波的，能准确进行定位和测算)。另外，我们在对这14例运动心电信号数据的分析中发现，有5例(3～7#)的ST段和STA面积值在运动中及恢复期与平静时的值相比较都有明显的减小，相应的ST/HR斜率和STA/HR斜率也达到了预定的标准，但是根据目前临床所使用的阳性标准[8](阳性标准：ST段准则是运动后ST段下降致-0.1 mV或以下，并持续2 min以上；STA准则是运动后STA下降-0.40 mV或以下，并持续2 min以上；ST/HR斜率小于-2.1 μV/beat；STA/HR斜率小于-6.0 μV/beat)，这5例运动试验结果乃是阴性的或可疑阳性的；而运动已使得这些值发生不同程度的显著改变(相对于静态的值)，改变量的大小对于运动试验结果的鉴别应该是具有参考价值的，与临床使用具有怎样的对应关系，这还需要进一步的临床统计研究。
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表1 14例(CM5导联)运动心电信号特征参数计算值的列表(mV)
Table 1 List of characteristic parameters value of 14 cases in exercise ECG(mV) No.
before exercise
during exercise
(μV/beat)
after exercise
1 min
2 min
4 min
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6 min
ST
STA
ST/HR
STA/HR
ST
STA
ST
STA
ST
STA
ST
STA
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1
0.076
0.249
-1.99
-6.43
0.052
0.092
0.014
-0.018
0.001
-0.026
0.037
0.107
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2
0.230
0.566
0
0
0.333
0.719
0.316
0.591
0.300
0.646
0.270
0.718
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3
0.245
1.005
-5.49
-20.56
0.151
0.346
0.088
0.226
0.148
0.483
0.168
0.562
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4
0.210
0.641
-2.95
-14.56
0.173
0.305
0.165
0.350
0.166
0.387
0.197
0.511
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5
-0.087
-0.254
-7.08
-24.13
-0.024
-0.241
-0.022
-0.149
-0.030
-0.161
-0.022
-0.103
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6
0.140
0.405
-1.76
-5.59
-0.138
-0.342
-0.068
-0.177
-0.057
-0.168
-0.039
-0.111
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7
0.192
0.712
-6.32
-25.32
-0.04
-0.198
-0.047
-0.227
-0.007
-0.095
0.067
0.172
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8
0.041
0.078
-19.6
-65.8
-0.136
-0.541
-0.148
-0.518
-0.088
-0.346
-0.036
-0.112
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9
0.002
-0.029
-7.98
-30.9
-0.086
-0.357
-0.087
-0.499
-0.087
-0.419
-0.093
-0.482
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10
0.032
0.104
-9.4
-33.88
-0.113
-0.428
-0.117
-0.483
-0.134
-0.551
-0.098
-0.392
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11
0.030
0.097
-5.54
-22.08
-0.133
-0.541
-0.136
-0.546
-0.110
-0.448
-0.077
-0.314
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12
0.036
0.137
-3.35
-11.8
-0.160
-0.597
-0.148
-0.606
-0.101
-0.454
-0.073
-0.266
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13
0.059
-0.125
-8.45
-33.8
-0.168
-0.656
-0.169
-0.650
-0.060
-0.278
-0.040
-0.201
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14
-0.049
-0.127
-2.58
-10.20
-0.151
-0.743
-0.116
-0.560
-0.094
-0.364
-0.035
-0.171
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讨论与结论
运动试验方法是用于心肌缺血检测，特别是隐性心肌缺血检测的有效方法。临床的实践已表明单纯的ST段指标诊断的准确率仅有60%左右，进一步改善对运动心电信号特征识别方法，进而计算二次特征参数以提高运动试验诊断的准确性是十分必要和有意义的。本文提出了基于R波峰值的运动ST段单位时间面积改变的参数(dSTA)，并由此引伸出运动ST段单位时间面积与相应心率的斜率参数的计算(STA/HR斜率)，能为运动心电信号分析提供更好的二次特征计算参数。同时也提出了减小运动试验中可能混入运动心电信号记录中的噪声干扰的措施。这些新特征参数的计算和应用(并综合原有的参数)可以为运动心电信号应用于心脏缺血性疾病的诊断提供更为可靠的依据。由于本文所分析的病例数有限，没能给出这些新参数在实际应用的正常和异常值范围，还需要更深入的临床应用和统计学分析研究。在对运动心电信号的研究中，信号特征的改变还应考虑T波的变化、R波幅值的变化等，这些改变也能为评价运动试验提供更多的参考指标。对于运动中心电可采用多道监测以弥补对运动中其它部位心肌缺血的监测，更好地检测运动中心肌缺血部位的分布及定位；对恢复期的记录导联也可以采用9和12道同步记录，以全面了解各个导联心电信号受运动影响的改变情况，观测心肌缺血的部位。这需要在硬件的心电信号放大仪采用具有同步的9或12通道心电信号放大，采用多通道的高性能模数采样板，同时也要提高对运动心电信号的数据采样率，有利于分析运动心电信号的精细结构变化，这些都是进一步要继续研究工作。
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[参考文献]
[1]Ye Jilun,Cheng Liangchi,Xie Zhengxiang et al.Computerized exercise ECG automatic analysis system[J].Chinese Journal of Medical Instrumentation,1996，20(4):196
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[2]Shen Yonglin,Jiang Ke,Chen Wenhui et al.12-synchronous-lead ECG analyzing system based on Windows 95 and it's chinical test[J].Space Medicine & Medical Engineering,1999,12(3):204
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沈永林，蒋 珂，陈文晖等.基于Windows 95平台的十二导同步心电图分析系统及其临床测试[J].航天医学与医学工程，,1999,12(3):204
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[6]Kligfield P，Ameisen O,Okin PM.Heart rate adjustment of ST segment depression for improved detection of coronary artery disease[J].Circulation 1989,79:245～255
, http://www.100md.com [7]Okin PM,Prineas RJ,Grandtis G et al.Heart rate adjustment of exercise-induced ST-segment depression identifies men who benefit from a risk factor reduction program[J].Circulation,1997，96(9):2899
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收稿日期：1999-03-01, 百拇医药
单位：叶继伦 郑崇勋 王磊 唐世钧(西安交通大学，生物医学工程研究所，西安 710049)；黄燕(重庆医科大学，附属第一医院，重庆 400016)
关键词：抗荷装备；医学评价；载人离心机；通用规范
航天医学与医学工程000107摘要：目的 改进用于心肌缺血无创检测的运动心电信号特征分析方法。方法研制一套改进的运动心电信号检测系统，提出单位时间ST段面积(STA)和STA与相关心率(STA/HR)的斜率作为新特征参数的计算方法，同时还提出了减少运动信号采集中干扰噪声混入的措施。结果 临床运动试验中采集到的14例运动心电信号数据特征所进行的分析结果，验证了这些新参数计算的有效性，计算结果不仅与常规参数的计算基本一致，而且提高了运动心电信号特征参数计算的稳定性和可靠性。结论 这些新参数的提出为运动试验方法中的心电信号分析提供了更有效、可靠的检测手段，有望进一步得到临床应用。
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中图分类号：R851.81 文献标识码：A
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YE Ji-lun，ZHENG Chong-xun,WANG Lei,TANG Shi-jun
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Abstract:Objective To improve the exercise ECG analysis for non-invasively detection of myocardial ischemia.Method The newly developed measuring system of exercise ECG defines ST segment area and STA/HR slope as the new characteristic parameters,thus can sensitively detect myocardial ischemia.Some methods were proposed to reduce noise and artifacts for effective sampling of exercise ECG.Result 14 exercise ECG records were sampled and analyzed in clinical exercise test.It was found that the new parameters are very effective and sensitive to myocardial ischemia.The results show that the method is reliable and stable.Conclusion The method improves one of the evaluating indexes of exercise ECG analysis.It is quite promising for clinical application in future.
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Key words：anti-G devices;medical evaluation;human centrifuges;general specification
心电运动负荷试验是临床上常用的心肌缺血检测方法之一，通常是以特定的运动方式增加心脏负荷，通过观测和分析由体表所记录的运动心电信号特征参数的改变，以评价心脏功能和心肌缺血的程度。目前，对于运动心电信号的特征分析国外有较多的研究报告，主要集中在提取运动心电信号的二次特征指标如：ST/HR斜率、
均值、ST段相对于心率的恢复面积等参数，并进行了广泛的临床实验研究，得到有意义结论；而国内这方面的研究就很有限，特别是从工程的角度研究运动心电信号的特征提取就更为少见。国内临床使用的运动心电信号检测方法大都采用单一ST段和QTc变化作为分析和检测指标，其诊断结果的准确性只能达到60%左右。文献[1]报道，应用计算机技术的运动心电信号分析系统，综合采用ST段、斜率和QTc 3个指标，可以提高诊断结果的可靠性。但是由于被试者的运动使得运动心电信号各波形发生不同程度的变化，并且亦使所记录的运动心电信号中必然混入某种程度的噪声干扰，这些给原本就难于准确识别的S波结束点(即J点)的确定带来了更大的困难。用于心肌缺血的无创检测与分析的运动心电信号方法对于心脏疾病的诊断和治疗效果的评价以及流行病学研究是具有十分重要意义的，也是能被患者容易接受的、费用较低的一种检测手段。因此，进一步研究其特征分析方法，提高参数检测结果的可信度是十分必要的。本文在介绍运动试验方法的基础上进一步研究了运动心电信号的可能噪声源，提出了相应的改进措施，并且还提出了对运动心电信号特征分析的新参数计算方法，可以更准确、可靠地提取有效的运动心电信号以及检测相应的特征参数，为评价运动试验结果提供更为有效的客观依据。, http://www.100md.com
运动心电信号提取技术[2]
由于运动试验中被试者身体各部位不同程度的运动，使得所记录的运动心电信号中可能混入不同程度的干扰信号，他们包括呼吸引起的心电信号基线漂移、电极与皮肤间的摩擦噪声、体位移动所引发的扰动、电源噪声以及其它电磁噪声等，这些干扰信号的消除是不可能完全依靠数字信号处理技术来完成的，在系统硬件的组成上多些考虑会获得更好效果。
系统组件 整个运动心电信号检测系统由5部分组成，包括运动系统、导联系统、信号放大仪模数转换板、微型计算机及激光打印机。运动系统采用具有平(斜)卧式的踏车运动功量仪，这种平(斜)卧式踏车运动方式可避免被试者的胸部的剧烈移动(而站立式平板运动方式就无法避免)，进而可能避免或减小电极与皮肤间的摩擦噪声和体位移动的扰动影响；心电信号的摄取电极应采用随弃式AgCl贴片电极(在运动试验中应避免使用肢体夹板电极和气囊吸附电极)，并在贴电极前尽可能处理好皮肤，使得其表面接触良好以减小移动和接触时可能出现的伪差；在心电信号的放大中采用具有高增益、高共模抑制比、低漂移的悬浮式隔离高性能多道心电信号放大仪(本系统采用三通道心电信号放大仪)，同时电源采用后置式开关，以50 Hz陷波技术或直流干电池电源供电，这样可明显改善所获得运动心电信号的信噪比；在数模转换中采用具有12位(或16位)和30 kHz采样率的多通道模数转换板；保证有良好的独立接地线(使用与其它检测仪器不共享的地线)也会对减小噪声起显著的作用，临床应用已表明前述系统组件的选取对于获取理想的运动心电信号是十分有效的。
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基线漂移抑制[3]在心电信号放大仪动态范围内的运动心电信号基线漂移是可以用软件处理技术予以消除的，在常规心电图中一般有PR段和TP段可以作为基线基准，而在运动试验中当心率将接近或达到靶心率时，心电信号中的T、P波可能发生融合，因此，运动心电信号基准必须以PR段为基准，在准确识别运动心电信号R波的基础上，依据每心搏的PR段，以线性或二次拟合算法来提取趋势项，再利用插值方法消除这个基线漂移。由于运动心电信号的心率变化范围较大，而且呼吸对基线漂移的影响也较严重，在系统中我们采用二次拟合的逐点移动内插算法来进行心电信号基线漂移的校正[1]，这样就可以获得较为理想的、无基线漂移的数字式运动心电信号。
记录导联 记录导联选取对于获取高质量的运动心电信号是十分重要的，既要获取足够多的运动心电信息，还要保证所得的运动心电信息正确而无严重噪声伪差(如运动中就不可能记录到较理想的肢体导联的心电信号)。在我们研制的系统中，运动前记录常规标准十二导联的心电信号，并以CM5 、AVF、V5导联心电信号作为运动前后的对照组，这3个导联组合是从可以获得较稳定的心电信号以及心肌缺血部位来考虑的。CM5为双极性导联，具有相对稳定的电极位置和短的连接空间，能避免运动伪差、减小干扰，并对ST段改变具有较高的敏感性；V5是侧前心区导联，能观测到多导联系统中90%的ST段改变，运动停止后记录1、2、3、4、6 min恢复期的心电信号，记录长度为8 s，采集频率为500 Hz;运动中以CM5导联作为运动状态的监测，提供实时的运动心电信号的动态显示以及相应的心率和ST段变化的动态监测值，其中被试者心率每增加10次/min左右就记录一次运动心电信号(并可以借助于操作者来确认每次心电记录的有效性，以确保所记录的运动心电信号是没有明显的失真)直到被试者的心率达到靶心率。根据临床上常用的亚极量运动方案确定靶心率。
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对于由此所获得的运动前、中和后3阶段的心电信号首先是进行数字滤波预处理，以进一步消除随机噪声的干扰，我们采用了3点平均的平滑方法就可以达到较好的效果。
运动心电信号特征分析方法
对于运动心电信号的特征分析主要集中在时域、时频域，其中临床上使用最广泛的是时域特征方法。时域方法中的特征参数主要有：ST段值、QTc、ST/HR斜率、波形改变等，下面在给出这些参数测算的基础上提出单位时间ST段面积(STA)和STA/HR斜率的计算方法。
ST段和QTc 运动心电信号特征识别是基于J点的识别方法，据文献[4]报道，运动引起的不同心率的改变对于心电信号各个波形持续时间的影响程度是不同的，其中影响最小的是QRS复合波的持续时间，因此，在对J点的识别中可以通过预先设定心电信号模板的方式来完成，同时也完成对于Q、R、T等波形特征点的识别，如图1所示。在所选取信号模板基础上，又根据RR间期大小，进一步剔除了早搏型心搏。这样就可以计算J点后60 ms处的ST段电压值和QTc，实际在计算ST段值是取J点后60 ms附近的3个临近点均值。即：
(1), http://www.100md.com
而QTc由下式给出：
(2)式中QT表示Q波的起点至T波的结束点间期，RR表示相邻R波间期。
图1 QRS波模板的特征位置的确定
Fig.1 Determination of characteristic position of QRS complex templet
a.represents start point of Q wave；b.represents end point of S wave(J-point )；c.represents end point of T wave
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运动心电的ST/HR斜率[5，6]将达到所预定的靶心率后停止运动即刻所记录的CM5导联的心电信号以及由此向前的连续两次记录的运动CM5导联心电信号的ST段电压值和相应的心率值分别作为Y、X轴上点进行描图，并利用最小二乘法来计算由这3点所确定的直线斜率，即可以得到运动ST/HR斜率的参数值，如以XHR表示心率，YST表示J点后60 ms处的ST段电压值，则计算式可表示成：
(3)其单位为微伏/每搏，表示了单位心率下的ST段变化，这个量可以比ST段更敏感地反映运动试验所诱发的心肌缺血。
运动心电单位时间ST段面积的改变量dSTA 虽然前面已经给出了通过心电模板特征预设的方法来确定J点、Q、T波等运动心电信号中的特征位置，由于逐次心搏的变异性存在以及运动对心电波形的影响，使得要想准确地快速确定每个心搏的J点位置仍是有很大的困难。为避免这些不足，我们在系统中引入了运动ST段单位时间面积的改变量dSTA作为一个测量指标，由于R波峰值位置是很容易准确地被检测出的，这样就可以取R波峰值处作为参考位置点，分别向后推60 ms和120 ms，因为这个ST段上的时间区间肯定包含有前述的ST段单点电压值，并能够反映出每次心搏的心肌缺血型的ST段对时间的平均累积程度，并且在计算的可靠性及稳定性方面明显优于ST段单点电压值的指标，示意如图2所示，计算式即可写成为：
(4), 百拇医药
图2 ST段面积测量示意图
Fig.2 Sketch map of measuring ST segment
curve a and b separately represent ECG of some a tested man in rest and recovery status
式中dSTAk表示运动前后心电信号第k次心搏的ST段单位时间内的面积之差，为避免单次心搏的变异性影响，在实际计算时，应该取至少3个或3个以上心搏的ST段单位时间内面积之差的均值(在对运动心电信号进行特征分析前已对早搏型心搏进行了剔除预处理)。而f(t)和g(t)分别表示运动前后在区间[R+60，R+120]内并经基线校正后的ST段电压值，其中在数值积分运算时，端点内的取值均按相邻端点值间的线性插值方法计算。
, http://www.100md.com 运动心电STA/HR斜率 在前面计算单位时间ST段面积的基础上，采用与运动ST/HR斜率的计算相类似的方法[6，7]，也将达到所预定的靶心率后停止运动即刻所记录的CM5导联的心电信号以及由此向前的连续两次记录的运动CM5导联心电信号在区间[R+60，R+120]内单位时间的ST段面积(记作STA)和相应的心率值分别作为Y、X轴上点进行描图，并利用最小二乘法来计算由这3点所确定的直线斜率，同样又可利用(3)式，将其中的ST段电压值改成单位时间的ST段面积值，即可得到运动STA/HR斜率值，单位也是μV/beat，STA/HR斜率的计算继承了STA计算可靠稳健的特征，同时又保持了ST/HR斜率有效性、敏感性的特点，为提高运动试验检测的临床意义提供更好的客观依据。
临床应用
在临床运动试验的检测中，采用了我们研制的运动心电信号检测系统，实际采集14例运动心电信号数据，这14例被试者临床症状是胸闷、胸痛，怀疑可能患有冠心病，利用这一系统的数据分析软件对这些数据实时分析，所得运动试验结果为：其中运动试验阳性7例(8～14#)，可疑阳性3例(5～7#)，阴性4例(1～4#)(这14例被试者都是门诊病人，运动试验检测后没有进一步跟踪观测，无法确认是否真的患有心肌缺血)。诊断标准参照目前临床所使用的标准以及我们对新的参数STA、STA/HR斜率所设的标准，应用前述的心电特征计算方法，对这14例运动心电信号的静态和运动停止后的恢复期1、2、4和6 min的心电数据记录进行识别计算，所得结果列于表1之中(只列出检测报告中部分结果，即CM5导联心电信号的计算结果)。由表中数据可以看出：ST段电压值参数的改变和ST段面积参数的改变在运动前后各个阶段的变化趋势是一致的；分别根据单个ST段参数的改变和ST段面积的改变(也设定一个与ST段相类似的诊断标准)对于运动试验结果的鉴别也是基本一致的；根据ST/HR和STA/HR这2个斜率参数的诊断结果(也需要设置2个诊断标准值)也是基本保持一致的，说明本文提出的这2个新参数包含了原有参数的诊断意义，同时还具有ST段电压变化对于时间的平均累积效应，其中斜率参数的意义优于单个ST段参数，进一步的临床意义乃需要广泛的应用和统计分析。另外，从这些参数正确计算的可信度和稳健度来看，后者是明显优于前者(因为前者在实际计算时往往需要借助于人工的干预来确定参照J点的位置，而后者是基于R波的，能准确进行定位和测算)。另外，我们在对这14例运动心电信号数据的分析中发现，有5例(3～7#)的ST段和STA面积值在运动中及恢复期与平静时的值相比较都有明显的减小，相应的ST/HR斜率和STA/HR斜率也达到了预定的标准，但是根据目前临床所使用的阳性标准[8](阳性标准：ST段准则是运动后ST段下降致-0.1 mV或以下，并持续2 min以上；STA准则是运动后STA下降-0.40 mV或以下，并持续2 min以上；ST/HR斜率小于-2.1 μV/beat；STA/HR斜率小于-6.0 μV/beat)，这5例运动试验结果乃是阴性的或可疑阳性的；而运动已使得这些值发生不同程度的显著改变(相对于静态的值)，改变量的大小对于运动试验结果的鉴别应该是具有参考价值的，与临床使用具有怎样的对应关系，这还需要进一步的临床统计研究。
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表1 14例(CM5导联)运动心电信号特征参数计算值的列表(mV)
Table 1 List of characteristic parameters value of 14 cases in exercise ECG(mV) No.
before exercise
during exercise
(μV/beat)
after exercise
1 min
2 min
4 min
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6 min
ST
STA
ST/HR
STA/HR
ST
STA
ST
STA
ST
STA
ST
STA
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1
0.076
0.249
-1.99
-6.43
0.052
0.092
0.014
-0.018
0.001
-0.026
0.037
0.107
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2
0.230
0.566
0
0
0.333
0.719
0.316
0.591
0.300
0.646
0.270
0.718
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3
0.245
1.005
-5.49
-20.56
0.151
0.346
0.088
0.226
0.148
0.483
0.168
0.562
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4
0.210
0.641
-2.95
-14.56
0.173
0.305
0.165
0.350
0.166
0.387
0.197
0.511
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5
-0.087
-0.254
-7.08
-24.13
-0.024
-0.241
-0.022
-0.149
-0.030
-0.161
-0.022
-0.103
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6
0.140
0.405
-1.76
-5.59
-0.138
-0.342
-0.068
-0.177
-0.057
-0.168
-0.039
-0.111
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7
0.192
0.712
-6.32
-25.32
-0.04
-0.198
-0.047
-0.227
-0.007
-0.095
0.067
0.172
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8
0.041
0.078
-19.6
-65.8
-0.136
-0.541
-0.148
-0.518
-0.088
-0.346
-0.036
-0.112
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9
0.002
-0.029
-7.98
-30.9
-0.086
-0.357
-0.087
-0.499
-0.087
-0.419
-0.093
-0.482
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10
0.032
0.104
-9.4
-33.88
-0.113
-0.428
-0.117
-0.483
-0.134
-0.551
-0.098
-0.392
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11
0.030
0.097
-5.54
-22.08
-0.133
-0.541
-0.136
-0.546
-0.110
-0.448
-0.077
-0.314
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12
0.036
0.137
-3.35
-11.8
-0.160
-0.597
-0.148
-0.606
-0.101
-0.454
-0.073
-0.266
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13
0.059
-0.125
-8.45
-33.8
-0.168
-0.656
-0.169
-0.650
-0.060
-0.278
-0.040
-0.201
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14
-0.049
-0.127
-2.58
-10.20
-0.151
-0.743
-0.116
-0.560
-0.094
-0.364
-0.035
-0.171
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讨论与结论
运动试验方法是用于心肌缺血检测，特别是隐性心肌缺血检测的有效方法。临床的实践已表明单纯的ST段指标诊断的准确率仅有60%左右，进一步改善对运动心电信号特征识别方法，进而计算二次特征参数以提高运动试验诊断的准确性是十分必要和有意义的。本文提出了基于R波峰值的运动ST段单位时间面积改变的参数(dSTA)，并由此引伸出运动ST段单位时间面积与相应心率的斜率参数的计算(STA/HR斜率)，能为运动心电信号分析提供更好的二次特征计算参数。同时也提出了减小运动试验中可能混入运动心电信号记录中的噪声干扰的措施。这些新特征参数的计算和应用(并综合原有的参数)可以为运动心电信号应用于心脏缺血性疾病的诊断提供更为可靠的依据。由于本文所分析的病例数有限，没能给出这些新参数在实际应用的正常和异常值范围，还需要更深入的临床应用和统计学分析研究。在对运动心电信号的研究中，信号特征的改变还应考虑T波的变化、R波幅值的变化等，这些改变也能为评价运动试验提供更多的参考指标。对于运动中心电可采用多道监测以弥补对运动中其它部位心肌缺血的监测，更好地检测运动中心肌缺血部位的分布及定位；对恢复期的记录导联也可以采用9和12道同步记录，以全面了解各个导联心电信号受运动影响的改变情况，观测心肌缺血的部位。这需要在硬件的心电信号放大仪采用具有同步的9或12通道心电信号放大，采用多通道的高性能模数采样板，同时也要提高对运动心电信号的数据采样率，有利于分析运动心电信号的精细结构变化，这些都是进一步要继续研究工作。
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收稿日期：1999-03-01, 百拇医药