Windows95下频谱心电图的实现及初步临床
作者：沈永林 蒋 珂 张玉峰 梁毓厚
单位：沈永林 蒋 珂 张玉峰 梁毓厚 清华大学；电机系生物医学工程教研组 北京 100084
关键词：频谱心电图；功率谱；相干函数；脉冲响应；互相关函数
北京生物医学工程990102 摘 要 我们在Windows95下建立了一个频谱心电图的检测分析系统，利用工程中的频谱分析方法对常规心电图进行分析。本系统进行了初步的临床检测和分析，可以看出频谱心电图对临床检测和诊断是很有意义的。
Frequency Spectrum ECG Based on Windows95/and
Its Primary Clinic
Shen Yonglin, Jiang Ke, Zhang Yufeng, Liang Yuhou
, http://www.100md.com
(Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084)
Abstract A detection and analysis system of frequency spectrum electrocaridograph has been set up under Windows 95. It can analyse general ECG, applying frequency spectrum analysis method, used in engineering. Preliminary clinical experiment has been done, and the significant meaning of the frequency spectrum electrocardiograph can be seem.
Key words:Frequency spectrum electrocardiograph;Power spectrum;Transfer function;Coherence function; Pulse response;Cross-correlation function
, 百拇医药
频谱心电图(FCG)是利用生物控制论及信息处理的方法来分析心电信号，它把ECG的时域信息转换为频率域的信息，从中提取频域的特征参数，从频域的角度分析某些心脏疾病，找出心脏病人的特征性改变，达到临床诊断的目的。其特点是：对相位变化灵敏，可以分析不同导联之间的关系，还可以观察动态趋势。
与只提供时间、幅度和形状的普通心电图相比，频谱心电图具有它自己的物理意义和特点，有些方面，它更容易分析和识别。经过大量的临床试验，FCG有希望成为无创性检查中诊断心脏疾病的一种方法，与常规心电相辅相成，拓宽心脏病诊断的途径。
其实，国外已经有这样的频谱心电图仪。随着数字信号处理技术的发展，也为快速、准确、可靠地获取和分析频谱心电图提供了可能。
0 系统构成
硬件系统 频谱心电图分析系统的硬件系统的框图如图1所示。
, 百拇医药
图1 硬件系统框图
放大电路的性能是本系统的关键，而被检测者的安全是该仪器首要的环节。我们设计制作了高质量的放大电路、A/D采集卡和DC/DC隔离电源，确保了系统运行的可靠稳定及人体的安全。
放大器的指标如下：
增益： 1000～10000，分档可选。
输入噪声： <10μV
共模抑制比：>100dB
频率响应： 0.05～150Hz
信号采集 信号采集时，显示器上同时监视采集的心电信号，以保证高质量的数据采集，避免由于各种因素造成的数据质量次而形成无效采集。
, 百拇医药
在Windows环境下，实时采集数据、显示曲线以及运行多任务之间，存在一定的矛盾。我们采用了多处理器的办法，较好地解决了多任务环境下，采集、显示和多任务运行的矛盾，采样率可以达到500Hz至1kHz，满足了心电信号采集的要求。
软件构成 Windows95是现在最流行的操作系统，它能提供强大的系统功能，支持多任务环境，便于使用新的程序设计语言、设计思想、设计方法，便于建立功能强、界面友好的用户程序。因此，它是本系统理想的系统设计平台。本系统软件结构如图2所示。
图2 软件结构
软件系统的主要功能包括：
心电信号的采集、分析和显示[1]；
, 百拇医药
诊断报告的预览和打印；
电子病历建立和数据库管理。
程序采用面向对象的程序设计语言，具有良好的结构和规范性，运行可靠而且易于维护和升级[2]。程序界面友好，使用方便，还提供了帮助文件，只要会用Windows，无需培训即可以操作运行程序。
1 心电图频域自动分析
本文采用离心脏最近的V5导联信号和离心脏最远的标准Ⅱ导联信号，作为计算和分析的心电信号，在频域中对它们进行功率谱、传递函数、脉冲响应、相干函数和互相关函数等的分析
[3]，来检测心电信号从离开心脏出发到肢体远端的频域特性，分析心脏的情况和特点。
这里，V5导联的心电信号记为y(n),Ⅱ导联的心电信号记为x(n)。其傅立叶变换频谱为：
, 百拇医药
FX(ω)=HX(ω)ejΦX(ω)和FY(ω)=HY(ω)ejΦY(ω)
(1)功率谱(GXX ，GYY ，GXY)
心电功率谱是心电信号每一频率成分功率分布的反映，分为自功率谱和互功率谱。V5和Ⅱ导本身的自功率谱和互功率谱为：
GXX=FXX .F*XX=｜HXX(ω)｜2
, http://www.100md.com
GYY=FYY .F·YY=｜HYY(ω)｜2
GXY=FXY .F·YY
由于心电信号基本上是周期性的，只取几个心动周期进行分析，因此，其功率谱基本上是分立的，其谱线间距大致相等。第一谱峰反映心脏搏动的频率。正常心电，频谱具有一定的形状和幅度，基波高于一次谐波，主要功率集中在几个低次谐波上，并且含有一定成分的高次谐波。心脏病变后，功率谱会发生变化，如基波低于一次谐波，高次谐波消失，频谱包络线变形等。
, 百拇医药
(2)心电传递函数的幅频、相频特性(HXY和ΦXY)
传递函数如下：
其中，HXY为幅频特性，ΦXY为相频特性。对它们分析可以观测心电信号间的幅度、相位与频率间的关系，探查心电系统的特性、品质、稳定性、可靠性等。
正常人Ⅱ导和V5导的心电信号基本类似，所以AXY(w)为常数，ΦXY大致分布在零线附近。若心脏有病，影响心电信号传输，就会导致AXY(w)发生变化，如ΦXY波动起伏。
(3)心电脉冲响应(PIH)
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在自动控制理论中，脉冲响应是衡量一个系统的品质因数的重要指标。用于人体心脏的评估，它也是一个很重要的函数，可以衡量心脏的调整能力。其定义如下：
PIH=FT-1[AXY(ω)]
如果V5和Ⅱ的心电信号形状很相似，那么A(ω)为常数，常数的逆变换为一个单脉冲，所以正常人的PIH为一个单脉冲，表示心脏有很好的调整能力，适应性好。若脉冲响应异常，呈现多峰、倒峰、无峰或锯齿状，均反映心脏功能有问题。
(4)相干函数(RF)
相干函数是用来表示V5和Ⅱ导联信号的振幅、频率和相移之间的相干性。在频谱心电图中，不同导联信号的相干函数表示心脏不同部位功能的相应性和协调性，其变化范围在0和1之间，接近1表示两导联信号间相关性高，而接近0表示它们独立性强。
, 百拇医药
相干函数定义为：
正常情况下，心电向量在V5和Ⅱ导联上的投影大致相似，V5和Ⅱ之间具有很高的相干性，所以RF接近为1。
(5)互相关函数(VXY)
在频谱心电图中，互相关函数反映了V5和Ⅱ导联信号的相互依赖性，是心脏不同部位的电活动功能及它们相互匹配的反映。
VXY=FT-1[GXY(ω)]
正常人的VXY为一周期性、左右对称的波形，最高点位于坐标的0点处。VXY出现N型波的异常情况时，这样的患者心脏几乎都不正常，尤其是冠心病患者。
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2 临床测试
本系统(包括PC586微机、自制的高质量放大器、高分辨率A/D采集卡及心电检测分析软件系统)对30例正常人和心脏病人(包括冠心病人)进行了临床测试。每例采样1分钟，采集率为
500Hz。测试的统计情况见表1。
表1 测试情况统计 病人总数
性别
平均年龄
正常心电
心肌梗塞
束支阻滞
心律失常
, 百拇医药
ST-T改变
男
女
30例
20
10
46岁
14例
6例
2例
4例
6例
测试中，可以发现正常人的频谱心电图是有规律的。主要能量集中在前面几个谐波上，基波比较高，并且含有相当数量的高次谐波分量；传递函数相频特性ΦXY趋向于零线；脉冲响应为很规则的单脉冲；相干函数RF趋向于1；互相关函数VXY是周期性、左右对称的波形。
, 百拇医药
而心脏病人的频谱心电图则明显不同于正常人。图3是一位正常人的频谱心电图，图4是一位冠心病患者的频谱心电图，分别表示V5导联自功率谱，传递函数相移，相干函数和脉冲响应。从图中可以看到，冠心病人的频谱心电图表现出了明显的特异性：在自功率谱中，基波降低；传递函数相移远离基线，相差高达90度；相干函数出现高频波动，而正常人则趋于1；脉冲响应的主峰形态异常，且主峰基本消失。
图3 某正常人心电的频谱图
图4 某冠心病患者的心电频谱图
3 讨 论
80年代末90年代初，频谱心电图曾经风行一时，大有取代一切之势。物极必反，由于缺乏扎实的研究基础，频谱心电图几乎被全盘否定。然而，它毕竟有它的可取之处，可以弥补常规心电图时域分析参数少的限制，提供时域分析所没有的有用参数，增加了心脏疾病的诊断手段。
, 百拇医药
另外，常规心电图学是一门经验学科，它的诊断水平很大程度上依赖于医生的理论知识和经验，以及认真的观察和正确的分析。普通人一般很难识别微小差别的心电图，而经频域处理后，可以较清楚地看到频域心电图的差别。至于差别所反映的病理、生理意义，随着频谱心电图研究的深入，会逐渐得到揭示。
当然，在临床上，频谱心电图尚有相当一段距离要走。国外已经有这样的频谱心电图仪。我们应当加强工程人员与医务人员的合作，尽快缩短频谱心电图达到真正临床应用的距离，这是很有意义的。
我们的工作得到了北京医科大学第一医院杨虎教授的大力支持，特别是仪器临床时，给予我们最热情的配合。在此，向他表示我们最诚挚的谢意。
作者简介:沈永林：54岁，男，副教授，清华大学计算机硬件与应用实验室主任。
4 参考文献
[1]郑岚.Windows下十二导同步ECG监测分析使用软件的研究.清华大学硕士论文，1996.5
[2]李翠微，郑崇勋.ECG自动分析技术的发展.国外医学生物医学工程分册，1994，17(1)：15
[3]杨世豪.心血管仪器.首届全国医疗器械设备发展现状与未来研讨会，1991，10月
(1998-06-25收稿，1998-10-12修回), 百拇医药
单位：沈永林 蒋 珂 张玉峰 梁毓厚 清华大学；电机系生物医学工程教研组 北京 100084
关键词：频谱心电图；功率谱；相干函数；脉冲响应；互相关函数
北京生物医学工程990102 摘 要 我们在Windows95下建立了一个频谱心电图的检测分析系统，利用工程中的频谱分析方法对常规心电图进行分析。本系统进行了初步的临床检测和分析，可以看出频谱心电图对临床检测和诊断是很有意义的。
Frequency Spectrum ECG Based on Windows95/and
Its Primary Clinic
Shen Yonglin, Jiang Ke, Zhang Yufeng, Liang Yuhou
, http://www.100md.com
(Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084)
Abstract A detection and analysis system of frequency spectrum electrocaridograph has been set up under Windows 95. It can analyse general ECG, applying frequency spectrum analysis method, used in engineering. Preliminary clinical experiment has been done, and the significant meaning of the frequency spectrum electrocardiograph can be seem.
Key words:Frequency spectrum electrocardiograph;Power spectrum;Transfer function;Coherence function; Pulse response;Cross-correlation function
, 百拇医药
频谱心电图(FCG)是利用生物控制论及信息处理的方法来分析心电信号，它把ECG的时域信息转换为频率域的信息，从中提取频域的特征参数，从频域的角度分析某些心脏疾病，找出心脏病人的特征性改变，达到临床诊断的目的。其特点是：对相位变化灵敏，可以分析不同导联之间的关系，还可以观察动态趋势。
与只提供时间、幅度和形状的普通心电图相比，频谱心电图具有它自己的物理意义和特点，有些方面，它更容易分析和识别。经过大量的临床试验，FCG有希望成为无创性检查中诊断心脏疾病的一种方法，与常规心电相辅相成，拓宽心脏病诊断的途径。
其实，国外已经有这样的频谱心电图仪。随着数字信号处理技术的发展，也为快速、准确、可靠地获取和分析频谱心电图提供了可能。
0 系统构成
硬件系统 频谱心电图分析系统的硬件系统的框图如图1所示。
, 百拇医药
图1 硬件系统框图
放大电路的性能是本系统的关键，而被检测者的安全是该仪器首要的环节。我们设计制作了高质量的放大电路、A/D采集卡和DC/DC隔离电源，确保了系统运行的可靠稳定及人体的安全。
放大器的指标如下：
增益： 1000～10000，分档可选。
输入噪声： <10μV
共模抑制比：>100dB
频率响应： 0.05～150Hz
信号采集 信号采集时，显示器上同时监视采集的心电信号，以保证高质量的数据采集，避免由于各种因素造成的数据质量次而形成无效采集。
, 百拇医药
在Windows环境下，实时采集数据、显示曲线以及运行多任务之间，存在一定的矛盾。我们采用了多处理器的办法，较好地解决了多任务环境下，采集、显示和多任务运行的矛盾，采样率可以达到500Hz至1kHz，满足了心电信号采集的要求。
软件构成 Windows95是现在最流行的操作系统，它能提供强大的系统功能，支持多任务环境，便于使用新的程序设计语言、设计思想、设计方法，便于建立功能强、界面友好的用户程序。因此，它是本系统理想的系统设计平台。本系统软件结构如图2所示。
图2 软件结构
软件系统的主要功能包括：
心电信号的采集、分析和显示[1]；
, 百拇医药
诊断报告的预览和打印；
电子病历建立和数据库管理。
程序采用面向对象的程序设计语言，具有良好的结构和规范性，运行可靠而且易于维护和升级[2]。程序界面友好，使用方便，还提供了帮助文件，只要会用Windows，无需培训即可以操作运行程序。
1 心电图频域自动分析
本文采用离心脏最近的V5导联信号和离心脏最远的标准Ⅱ导联信号，作为计算和分析的心电信号，在频域中对它们进行功率谱、传递函数、脉冲响应、相干函数和互相关函数等的分析
[3]，来检测心电信号从离开心脏出发到肢体远端的频域特性，分析心脏的情况和特点。
这里，V5导联的心电信号记为y(n),Ⅱ导联的心电信号记为x(n)。其傅立叶变换频谱为：
, 百拇医药
FX(ω)=HX(ω)ejΦX(ω)和FY(ω)=HY(ω)ejΦY(ω)
(1)功率谱(GXX ，GYY ，GXY)
心电功率谱是心电信号每一频率成分功率分布的反映，分为自功率谱和互功率谱。V5和Ⅱ导本身的自功率谱和互功率谱为：
GXX=FXX .F*XX=｜HXX(ω)｜2
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GYY=FYY .F·YY=｜HYY(ω)｜2
GXY=FXY .F·YY
由于心电信号基本上是周期性的，只取几个心动周期进行分析，因此，其功率谱基本上是分立的，其谱线间距大致相等。第一谱峰反映心脏搏动的频率。正常心电，频谱具有一定的形状和幅度，基波高于一次谐波，主要功率集中在几个低次谐波上，并且含有一定成分的高次谐波。心脏病变后，功率谱会发生变化，如基波低于一次谐波，高次谐波消失，频谱包络线变形等。
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(2)心电传递函数的幅频、相频特性(HXY和ΦXY)
传递函数如下：
其中，HXY为幅频特性，ΦXY为相频特性。对它们分析可以观测心电信号间的幅度、相位与频率间的关系，探查心电系统的特性、品质、稳定性、可靠性等。
正常人Ⅱ导和V5导的心电信号基本类似，所以AXY(w)为常数，ΦXY大致分布在零线附近。若心脏有病，影响心电信号传输，就会导致AXY(w)发生变化，如ΦXY波动起伏。
(3)心电脉冲响应(PIH)
, http://www.100md.com
在自动控制理论中，脉冲响应是衡量一个系统的品质因数的重要指标。用于人体心脏的评估，它也是一个很重要的函数，可以衡量心脏的调整能力。其定义如下：
PIH=FT-1[AXY(ω)]
如果V5和Ⅱ的心电信号形状很相似，那么A(ω)为常数，常数的逆变换为一个单脉冲，所以正常人的PIH为一个单脉冲，表示心脏有很好的调整能力，适应性好。若脉冲响应异常，呈现多峰、倒峰、无峰或锯齿状，均反映心脏功能有问题。
(4)相干函数(RF)
相干函数是用来表示V5和Ⅱ导联信号的振幅、频率和相移之间的相干性。在频谱心电图中，不同导联信号的相干函数表示心脏不同部位功能的相应性和协调性，其变化范围在0和1之间，接近1表示两导联信号间相关性高，而接近0表示它们独立性强。
, 百拇医药
相干函数定义为：
正常情况下，心电向量在V5和Ⅱ导联上的投影大致相似，V5和Ⅱ之间具有很高的相干性，所以RF接近为1。
(5)互相关函数(VXY)
在频谱心电图中，互相关函数反映了V5和Ⅱ导联信号的相互依赖性，是心脏不同部位的电活动功能及它们相互匹配的反映。
VXY=FT-1[GXY(ω)]
正常人的VXY为一周期性、左右对称的波形，最高点位于坐标的0点处。VXY出现N型波的异常情况时，这样的患者心脏几乎都不正常，尤其是冠心病患者。
, http://www.100md.com
2 临床测试
本系统(包括PC586微机、自制的高质量放大器、高分辨率A/D采集卡及心电检测分析软件系统)对30例正常人和心脏病人(包括冠心病人)进行了临床测试。每例采样1分钟，采集率为
500Hz。测试的统计情况见表1。
表1 测试情况统计 病人总数
性别
平均年龄
正常心电
心肌梗塞
束支阻滞
心律失常
, 百拇医药
ST-T改变
男
女
30例
20
10
46岁
14例
6例
2例
4例
6例
测试中，可以发现正常人的频谱心电图是有规律的。主要能量集中在前面几个谐波上，基波比较高，并且含有相当数量的高次谐波分量；传递函数相频特性ΦXY趋向于零线；脉冲响应为很规则的单脉冲；相干函数RF趋向于1；互相关函数VXY是周期性、左右对称的波形。
, 百拇医药
而心脏病人的频谱心电图则明显不同于正常人。图3是一位正常人的频谱心电图，图4是一位冠心病患者的频谱心电图，分别表示V5导联自功率谱，传递函数相移，相干函数和脉冲响应。从图中可以看到，冠心病人的频谱心电图表现出了明显的特异性：在自功率谱中，基波降低；传递函数相移远离基线，相差高达90度；相干函数出现高频波动，而正常人则趋于1；脉冲响应的主峰形态异常，且主峰基本消失。
图3 某正常人心电的频谱图
图4 某冠心病患者的心电频谱图
3 讨 论
80年代末90年代初，频谱心电图曾经风行一时，大有取代一切之势。物极必反，由于缺乏扎实的研究基础，频谱心电图几乎被全盘否定。然而，它毕竟有它的可取之处，可以弥补常规心电图时域分析参数少的限制，提供时域分析所没有的有用参数，增加了心脏疾病的诊断手段。
, 百拇医药
另外，常规心电图学是一门经验学科，它的诊断水平很大程度上依赖于医生的理论知识和经验，以及认真的观察和正确的分析。普通人一般很难识别微小差别的心电图，而经频域处理后，可以较清楚地看到频域心电图的差别。至于差别所反映的病理、生理意义，随着频谱心电图研究的深入，会逐渐得到揭示。
当然，在临床上，频谱心电图尚有相当一段距离要走。国外已经有这样的频谱心电图仪。我们应当加强工程人员与医务人员的合作，尽快缩短频谱心电图达到真正临床应用的距离，这是很有意义的。
我们的工作得到了北京医科大学第一医院杨虎教授的大力支持，特别是仪器临床时，给予我们最热情的配合。在此，向他表示我们最诚挚的谢意。
作者简介:沈永林：54岁，男，副教授，清华大学计算机硬件与应用实验室主任。
4 参考文献
[1]郑岚.Windows下十二导同步ECG监测分析使用软件的研究.清华大学硕士论文，1996.5
[2]李翠微，郑崇勋.ECG自动分析技术的发展.国外医学生物医学工程分册，1994，17(1)：15
[3]杨世豪.心血管仪器.首届全国医疗器械设备发展现状与未来研讨会，1991，10月
(1998-06-25收稿，1998-10-12修回), 百拇医药