摘 要： 針對(duì)竇房結(jié)電圖（SNE）采集電極的位置因人不同而需要手動(dòng)調(diào)整效率較低的問(wèn)題，提出一種分布式電極獲取竇房結(jié)電圖的方法。首先利用分布式布局的電極采集多路數(shù)據(jù)，然后采用具有低通和高通性能的形態(tài)濾波器對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，最后采用模糊模板匹配方法確定每個(gè)測(cè)試者獲取竇房結(jié)電圖的最佳準(zhǔn)確電極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用分布式布局的竇房結(jié)電圖采集系統(tǒng)，可以快速、有效地自動(dòng)獲取不同測(cè)試對(duì)象的竇房結(jié)電圖，從而為竇房結(jié)功能的診斷提供有效的原始數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞： 竇房結(jié)電圖； 分布式電極； 采集系統(tǒng)； 形態(tài)濾波； 模糊模板匹配

中圖分類號(hào)： TN911.7?34； TP216.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）07?0092?04

0 引 言

心臟竇房結(jié)是正常心臟活動(dòng)的起搏點(diǎn)，竇房結(jié)功能障礙是由心臟竇房結(jié)或其周圍組織的器質(zhì)性病變導(dǎo)致的機(jī)能障礙，它是心律失常的主要病因之一，是重要的心臟疾病。針對(duì)心臟功能檢測(cè)與分析的方法一直是研究的熱點(diǎn)[1]?，F(xiàn)有體表竇房結(jié)電圖的記錄方法主要采用超微心電圖儀，導(dǎo)聯(lián)方式采用C導(dǎo)聯(lián)又稱蔡氏導(dǎo)聯(lián)，即以[Z]軸為方向，記錄電極在體表胸骨左右緣，從第2肋間開始順序向下探測(cè)，參考電極置于背部平對(duì)的第三至第四胸椎水平，在后正中線右側(cè)約1.5 cm左右[2] 。

上述采集竇房結(jié)電圖的方法由于被測(cè)者的身高和生理結(jié)構(gòu)不同，電極具體的安裝位置會(huì)有所差異。

南京蔡毓英在1987年對(duì)50例臨床診斷進(jìn)行了竇房結(jié)電圖的采集[3]，湖南趙玉元等在2001年研究了體表竇房結(jié)電圖對(duì)竇房結(jié)功能檢測(cè)的意義，對(duì)210例測(cè)試者進(jìn)行竇房結(jié)數(shù)據(jù)采集[4]。上述研究獲取竇房結(jié)電圖的電極位置在胸骨右緣第三肋骨間（R3）的比例最大占65%，其次是胸骨右緣第四肋骨間（R4），占28%，其他采集位置分布在胸骨左右緣第二到第五肋骨間，占7%。因此如果僅在某個(gè)固定的位置上采集竇房結(jié)電圖有時(shí)會(huì)無(wú)法獲取數(shù)據(jù)，另外如果根據(jù)測(cè)試對(duì)象實(shí)際手動(dòng)調(diào)整電極位置，將增加醫(yī)務(wù)人員的工作量，工作效率會(huì)降低。

本文以現(xiàn)有研究中獲取有效竇房結(jié)電圖電極的位置為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一款分布式布局的竇房結(jié)電圖采集系統(tǒng)，包括分布式布局的電極、信號(hào)調(diào)理與采集電路及信號(hào)處理電路。所設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)可以自動(dòng)獲取有效的竇房結(jié)電圖數(shù)據(jù)，而不需要手動(dòng)調(diào)節(jié)電極的位置，從而為快速獲取竇房結(jié)電信號(hào)及進(jìn)一步評(píng)價(jià)竇房結(jié)功能提供了可靠依據(jù)。

1 分布式電極的設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[5]中給出第三肋間開始一直到第七肋間隙這一段胸骨的平均寬度，女性是（2.71±0.31） cm，男性是（3.07±0.43） cm。由此可見成年人的肋骨間距相差較小，因此，可以設(shè)計(jì)分布電極與各肋骨邊緣的位置相對(duì)應(yīng)。將分布式電極片安裝到可穿戴的背心上，所設(shè)計(jì)的分布電極位置示意圖如圖1所示。

圖1 分布式電極模型圖

圖1中0為參考電極置于背部平對(duì)的第三至第四胸椎水平，在后正中線右側(cè)約1.5 cm左右；1、2、3及4號(hào)電極在胸骨右緣的第二、第三、第四及第五肋間；5、6、7及8號(hào)電極在胸骨左緣的第二、第三、第四及第五肋間。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

竇房結(jié)電圖采集系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括電極保護(hù)電路、信號(hào)調(diào)理與采集電路、信號(hào)處理電路。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 竇房結(jié)電圖采集系統(tǒng)框圖

竇房結(jié)電信號(hào)采集放大電路如圖3所示。

圖3 竇房結(jié)電信號(hào)采集放大電路

考慮到竇房結(jié)電信號(hào)是極其微弱的高內(nèi)阻信號(hào)，因此在設(shè)計(jì)中，一方面采用高輸入阻抗的前置放大器[6]；另一方面為了避免測(cè)量系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)生的靜電與除顫等高電壓損壞前端采集電路，在每個(gè)電極到前置放大器之前都采用陶瓷氣體放電管及二極管進(jìn)行雙重保護(hù)。信號(hào)調(diào)理與信號(hào)采集電路主要完成對(duì)信號(hào)的放大、硬件濾波及采集。通過(guò)在前置放大電路管腳間引入反相積分電路可初步濾除基線漂移，高通截止頻率可以根據(jù)[f-3 dB=1（2πRC）]確定。

3 信號(hào)處理

3.1 竇房結(jié)電圖信號(hào)濾波器的設(shè)計(jì)

竇房結(jié)電圖在記錄過(guò)程中，會(huì)受到環(huán)境電磁波、采集設(shè)備的電子噪聲、測(cè)試者的呼吸與移動(dòng)所引起的基線漂移、肌電信號(hào)等多種干擾。本設(shè)計(jì)在硬件電路中已經(jīng)初步濾除了基線漂移。因此在信號(hào)處理算法上需要重點(diǎn)濾除高頻噪聲及殘余的基線漂移干擾。

數(shù)學(xué)形態(tài)濾波的基本思想是在信號(hào)中不斷地移動(dòng)元素結(jié)構(gòu)，以提取有用的信息從而達(dá)到信息提取、細(xì)節(jié)保持和噪聲抑制的目的[7?8]。由于竇房結(jié)電圖信號(hào)是低頻信號(hào)，而扁平元素通常容易導(dǎo)致低頻段的信號(hào)失真，因此本文采用非平結(jié)構(gòu)元素，設(shè)計(jì)不同半徑和高度的半圓結(jié)構(gòu)元濾除基線漂移及高頻噪聲干擾[9]。半圓型結(jié)構(gòu)元半徑介于待濾波函數(shù)幅值的[150]～[110]之間，而且半徑越小，濾波精度越高。通過(guò)多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)得到用于抑制基線漂移的兩個(gè)半圓型結(jié)構(gòu)元半徑及高度分別為（85，47）和（52，17）。用于濾除高頻噪聲干擾的半圓型結(jié)構(gòu)元半徑和高度為（5，2）。半圓型結(jié)構(gòu)元素圖如圖4所示。

圖4 半圓結(jié)構(gòu)元素圖

3.2 基于模糊匹配的竇房結(jié)電圖采集電極選擇

由分布式布局的多電極同時(shí)采集不同部位潛在的竇房結(jié)電圖數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步確定被測(cè)試者獲取竇房結(jié)電圖的最佳位置。本文采用模糊模板匹配的方法進(jìn)行識(shí)別。

首先以文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中的竇房結(jié)電圖信號(hào)作為初始的標(biāo)準(zhǔn)模板，在采集到與之匹配的竇房結(jié)電圖后，對(duì)模板進(jìn)行更新，并建立竇房結(jié)電圖的模板庫(kù)。

模糊模板匹配方法確定竇房結(jié)電圖采集電極的方法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1） 歸一化

將標(biāo)準(zhǔn)模板及各個(gè)電極采集的信號(hào)對(duì)A波最大值歸一化。

（2） 特征提取

以A波峰值為中心，向前取430 ms，向后取200 ms的信號(hào)，作為分析的信號(hào)片段。提取如下特征：A波寬度（WA），A?V期間（PAV），A波起點(diǎn)向前40 ms的波形，并對(duì)A波起點(diǎn)值做歸一化計(jì)算（Wave40），以及A波起始點(diǎn)前20 ms的斜率（Slope）。

（3） 模糊隸屬度計(jì)算

計(jì)算上述4個(gè)特征量[WA，PAV，Wave40，Slope]對(duì)模板相應(yīng)特征量的模糊隸屬度。采用正態(tài)型隸屬函數(shù)[12?14]：

[μi（xi）=exp-xi-aibi2， i=1，2，3，4] （1）

式中：[xi]為第[i]個(gè)特征量值；[ai]為模板的第[i]項(xiàng)特征量值；[bi]的值反映了隸屬度對(duì)特征量值變化的敏感度，具體設(shè)置為：[b1]為模板中A波寬度的一半；[b2]為模板AV期間值的一半；[b3]為模板A波起點(diǎn)前40 ms對(duì)A波起點(diǎn)歸一化的波形的數(shù)值；[b4]為模板A波起點(diǎn)前20 ms的斜率。

（4） 模糊貼近度的計(jì)算

采用模糊貼近度來(lái)衡量各信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)模板的匹配情況，采用公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

[ρ（Xj）=1-i=14ωiμ2i（xji）] （2）

式中：[Xj]為待判定的SNE信號(hào)的特征；[ωi]為各項(xiàng)特征的模糊隸屬度在貼近度中的權(quán)重，4個(gè)特征的權(quán)重分別為0.05，0.1，0.05，0.8。

（5） 判斷決策

首先找到最大的模糊貼進(jìn)度[ρmax，]然后判斷[ρmax]是否大于閾值[ρth。][ρth]的值在調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)對(duì)10個(gè)測(cè)試對(duì)象模糊貼近度的實(shí)際值進(jìn)行平均而得到。如果[ρmax]大于閾值則選擇其對(duì)應(yīng)的電極為該測(cè)試者的測(cè)試電極；如果[ρmax]小于閾值，則表明在各個(gè)通道中均沒(méi)有反應(yīng)竇房結(jié)電圖的電極，此時(shí)需要再調(diào)整電極的位置，直到[ρmax]大于閾值，即找到獲取竇房結(jié)電圖的位置。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 竇房結(jié)電圖濾波結(jié)果

利用分布式布局的采集系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)人體進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。在每個(gè)電極對(duì)應(yīng)的位置上涂擦導(dǎo)電膏，然后測(cè)試者穿上分布式布局電極的背心，靜坐5 min后開始采集數(shù)據(jù)。對(duì)于硬件濾波中殘余的基線漂移信號(hào)，采用圖4（a）、（b）中的結(jié)構(gòu)元分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行開?閉計(jì)算，然后取兩者的平均，得到基線漂移信號(hào)，再用原始信號(hào)減去該基線漂移信號(hào)，就可得到去除基線漂移的竇房結(jié)電信號(hào)。第二階段對(duì)濾除基線漂移的信號(hào)采用圖4（c）中半圓結(jié)構(gòu)元形態(tài)濾波器去除高頻干擾。

本文所提出的形態(tài)濾波器濾波結(jié)果如圖5所示。

圖5 SNE信號(hào)濾波前后對(duì)比

4.2 竇房結(jié)電圖自動(dòng)采集結(jié)果

分布式電極同時(shí)采集到測(cè)試對(duì)象的8組信號(hào)波形，如圖6所示。將每組信號(hào)的特征參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)模板的參數(shù)進(jìn)行模糊模板匹配，確定采集竇房結(jié)電圖的準(zhǔn)確電極。在20個(gè)測(cè)試對(duì)象中識(shí)別到正確竇房結(jié)電圖信號(hào)的電極在胸骨右緣第三肋間（R3）的有14例（70%），胸骨右緣第四肋間隙（R4）的有3例（15%），胸骨左緣第三肋間隙（L3）的有1例（5%），胸骨右緣第五肋間（R5）的有1例（5%），需要手動(dòng)調(diào)整的1例，采集位置在胸骨左緣第四肋間（L4）（5%），該測(cè)試者偏胖。

圖6 由分布式電極獲取的數(shù)據(jù)波形

4.3 竇房結(jié)電圖手動(dòng)與自動(dòng)獲取時(shí)間對(duì)比

對(duì)4.2節(jié)中的20名測(cè)試者分別采用手動(dòng)方式和分布式電極自動(dòng)獲取方式獲得竇房結(jié)電圖。對(duì)每個(gè)測(cè)試者從第一次安放好電極開始計(jì)時(shí)，直至檢測(cè)到正確的SNE信號(hào)停止計(jì)時(shí)。記錄每個(gè)測(cè)試者在不同方式下獲得準(zhǔn)確SNE信號(hào)的時(shí)間，兩種方式時(shí)間對(duì)比如表1所示。手動(dòng)測(cè)試每次從胸骨右緣第三肋間開始。

從表1可見，對(duì)竇房結(jié)電圖采集位置在胸骨右緣第三肋骨間R3的測(cè)試者，采集時(shí)間相同，而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)體型的測(cè)試者在其他位置獲取SNE信號(hào)時(shí)，分布式電極采集方法具有明顯的時(shí)間優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于特殊體型的人，由于自動(dòng)獲取方式具有多個(gè)電極，在需要移動(dòng)電極位置獲取SNE信號(hào)時(shí)仍然具有明顯的時(shí)間優(yōu)勢(shì)。

表1 手動(dòng)方式與自動(dòng)方式獲得SNE信號(hào)時(shí)間對(duì)比

[獲取SNE

位置＼測(cè)試者數(shù)量

/人＼手動(dòng)測(cè)試

平均時(shí)間 /s＼自動(dòng)獲取

平均時(shí)間 /s＼R3＼14＼0.020＼0.020＼R4＼3＼70＼0.021＼R5＼1＼85＼0.019＼L3＼1＼100＼0.020＼L4＼1體型偏胖＼120＼20＼]

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種分布式布局的竇房結(jié)電圖獲取方法，通過(guò)模糊匹配方法對(duì)分布式電極采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行匹配，可以快速確定獲取竇房結(jié)電圖的最佳位置。該方法操作方便，實(shí)現(xiàn)了竇房結(jié)電圖的自動(dòng)采集，大幅度提高檢測(cè)效率。同時(shí)，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)本文提出的復(fù)合式形態(tài)濾波，可以很好地保留竇房結(jié)電圖的特征，可為后續(xù)分析提供良好的數(shù)據(jù)源。

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