， ， ，

(1.福建工程學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 福州 350118； 2.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

十二導(dǎo)聯(lián)心電圖(electrocardiography, ECG)是心電檢測(cè)使用最廣泛的技術(shù)手段，已經(jīng)成為臨床心臟評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)檢查工具。然而，受導(dǎo)聯(lián)數(shù)量限制，傳統(tǒng)心電圖技術(shù)對(duì)心肌梗死(myocardial infarction, MI)等復(fù)雜心臟病的診斷準(zhǔn)確率不高[1]。近年來(lái)，體表電位圖(body surface potential map, BSPM)技術(shù)的應(yīng)用使得心臟疾病的診斷有了全面提升。除了傳統(tǒng)心電圖常規(guī)的6個(gè)導(dǎo)聯(lián)位置外，BSPM的電極幾乎覆蓋了整個(gè)上軀干[2]，其檢測(cè)結(jié)果全面優(yōu)于傳統(tǒng)心電圖，被認(rèn)為是較好的復(fù)雜心臟疾病診斷手段[3]。然而，專用BSPM儀器價(jià)格昂貴，而非BSPM專用設(shè)備在多導(dǎo)聯(lián)同步高采樣率數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)軟硬件方面還不成熟。這些因素限制了BSPM技術(shù)的推廣?？紤]到專用BSPM儀器與腦電圖機(jī)的前端構(gòu)成基本類似，如包括多導(dǎo)聯(lián)電極，信號(hào)放大，數(shù)模轉(zhuǎn)化等。目前大部分醫(yī)院都配備了腦電圖機(jī)，將腦電圖機(jī)前端放大器改造為體表電位采集裝置將能加速BSPM技術(shù)臨床心臟疾病診斷應(yīng)用。

信號(hào)采集前端阻抗不匹配是腦電放大器用于體表電位測(cè)量存在的主要問題之一。克服阻抗不匹配除了改進(jìn)硬件設(shè)計(jì)外，還可以通過(guò)濾波的方法分離出真正由心臟電活動(dòng)產(chǎn)生的體表電位變化信號(hào)。針對(duì)該問題，論文分析了腦電放大器體表電位采集前端的導(dǎo)聯(lián)電學(xué)模型，提出了零相位數(shù)字濾波方法用于高采樣率多導(dǎo)聯(lián)同步信號(hào)降噪處理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案。

1 腦電放大器體表電位測(cè)量方案

腦電放大器體表電位測(cè)量采用兩臺(tái)64導(dǎo)聯(lián)，24位同步模數(shù)轉(zhuǎn)換的Synamps放大器(Neuroscan Inc., Herndon, VA, USA)實(shí)現(xiàn)。兩臺(tái)放大器以級(jí)聯(lián)的方式連接，通帶帶寬設(shè)置為0～3 500 Hz。導(dǎo)聯(lián)以Wilson中心點(diǎn)(Wilson’s central terminal)為參考電極，共120個(gè)導(dǎo)聯(lián)，包括上軀干117個(gè)測(cè)量點(diǎn)和3個(gè)肢體導(dǎo)聯(lián)。信號(hào)采樣率為2 500采樣/秒/導(dǎo)聯(lián)。測(cè)量電極為銀-氯化銀電極。電極上軀干體表布置位置如圖1所示，胸部和上腹部的117個(gè)點(diǎn)，行以第四肋間為起始參考點(diǎn)，每行間距為5 cm；列以傳統(tǒng)心電V1，V2導(dǎo)聯(lián)位置以及肋骨等解剖點(diǎn)為參考，列參考點(diǎn)間的其他電極位置采用均勻布置。文獻(xiàn)[4]中給出了更詳細(xì)的電極方案配置描述。

圖1 體表電位測(cè)量位置Fig.1 Electrode locations of BSPM

2 導(dǎo)聯(lián)電學(xué)模型分析

腦電放大器不是專用的BSPM設(shè)備，并沒有專門針對(duì)體表電位測(cè)量的硬件優(yōu)化。因此，存在被測(cè)試對(duì)象與電極，導(dǎo)聯(lián)間阻抗不匹配會(huì)引起真實(shí)信號(hào)中耦合大量不同成分的噪聲。采集的信號(hào)中除了體表電位變化信號(hào)外還包含了不同強(qiáng)度的直流偏置，肌電，呼吸，工頻等噪聲成分。

信號(hào)采集前端中導(dǎo)聯(lián)等效電學(xué)模型如圖2所示。Re為Wilson的中心點(diǎn)，放大器輸入的第k條導(dǎo)聯(lián)信號(hào)I可寫為：

圖2 導(dǎo)聯(lián)電學(xué)模型Fig. 2 Lead electrical model

(1)

其中，ZC_R為參考電極接觸阻抗，ZL_R為連接參考電極的導(dǎo)聯(lián)阻抗，ZC_k和ZL_k分別為第k條導(dǎo)聯(lián)的電極接觸阻抗和導(dǎo)聯(lián)阻抗，ZIN為放大器的輸入阻抗。NPF為工頻噪聲；NH主要包括肌電在內(nèi)的高頻噪聲；NL表示低頻噪聲，主要由呼吸以及人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生；S為心臟電活動(dòng)產(chǎn)生的真實(shí)體表電位信號(hào)，D為阻抗不匹配及零電位點(diǎn)等因素產(chǎn)生的直流偏置。根據(jù)腦電放大器輸入阻抗大于10 GΩ，銀氯化銀電極與皮膚的接觸阻抗小于80 kΩ[5]，銀導(dǎo)聯(lián)線阻抗小于3 Ω等特性，放大器輸入阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)聯(lián)接觸阻抗和導(dǎo)聯(lián)線間的阻抗ZIN?ZC?ZL?？紤]信號(hào)間屬于加性耦合關(guān)系，因此由導(dǎo)聯(lián)輸入放大器的信號(hào)可近似為：

I≈NPF+NH+NL+S+D

(2)

根據(jù)先驗(yàn)可知，公式(2)中各信號(hào)分別處在不同的頻段上：NPF頻率為工頻50 Hz，NL和NH信號(hào)頻率分別小于0.5 Hz和大于100 Hz，S中主要集中在0.5～30 Hz的心電信號(hào)頻帶內(nèi)[6]，D為直流偏置。因此，可以通過(guò)數(shù)字濾波器方法分離S用于BSPM重構(gòu)。為了保證濾波后多通道間同步采樣信號(hào)相位不變，借鑒之前的經(jīng)驗(yàn)[7]，需要設(shè)計(jì)0.5～30 Hz帶通零相位數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)體表電位信號(hào)提取。

3 零相位數(shù)字濾波器

設(shè)數(shù)字濾波器的單位脈沖沖擊響應(yīng)的形式為h(n)。對(duì)應(yīng)的零相位數(shù)字濾波器時(shí)域形式為：

(3)

對(duì)公式(3)進(jìn)行Z變換

(4)

對(duì)公式(4)化簡(jiǎn)可得

Y(z)=X(z)H(z)H(1/z)

(5)

由z=ejω，H(ejω)=|H(ejω)|ejφ(ω)和H(e-jω)=|H(ejω)|e-jφ(ω)可得

Y(ejω)=X(ejω)|H(ejω)|2

(6)

根據(jù)公式(6)可知，濾波后信號(hào)Y(ejω)與濾波前信號(hào)X(ejω)嚴(yán)格同相位。根據(jù)公式(3)，零相位數(shù)字濾波器時(shí)域反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)步驟為：

步驟1，將輸入信號(hào)x(n)按采樣順序進(jìn)行濾波，即與h(n)做卷積，得到y(tǒng)1(n)。

步驟2，將步驟1所得結(jié)果y1(n)做一次反向?yàn)V波，即反轉(zhuǎn)y1(n)為y2(n)后與h(n)做卷積，得到y(tǒng)3(n)。

步驟3，逆轉(zhuǎn)輸出y3(n)，得到最終的濾波結(jié)果y(n)。

將零相位數(shù)字濾波器用于多路同步采集信號(hào)噪聲抑制處理可以得到精確零相位失真的輸出序列，能夠嚴(yán)格保證濾波處理前后信號(hào)間的同步。

為了得到零相位延遲的0.5～30 Hz帶通，設(shè)計(jì)的濾波器由一個(gè)0.5 Hz高通FIR型和一個(gè)30 Hz低通FIR型零相位濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。此外，為了抑制數(shù)字濾波器引起的信號(hào)首尾突變。反射變換首尾延拓方法[8]被選用與零相位數(shù)字濾波器配合實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的處理。反射變換首尾延拓方法具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：設(shè)待處理信號(hào)X=[x(1),x(2),…,x(n)]，將信號(hào)首尾擴(kuò)展3N，N為FIR濾波器系數(shù)長(zhǎng)度。

(7)

式中F和A分別為信號(hào)首和尾延拓的信號(hào)。輸入帶通零相位濾波器信號(hào)為[FXA]。濾波器輸出結(jié)果丟棄首尾各3N個(gè)點(diǎn)后為X濾波后的結(jié)果。進(jìn)一步通過(guò)測(cè)量點(diǎn)空間分布關(guān)系和克里金(Kriging)插值方法[9]，利用濾波后的信號(hào)可以重構(gòu)出BSPM。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證提出方案和信號(hào)處理方法的有效性，實(shí)驗(yàn)采集了一名健康成年男性自愿者(24歲)大于一個(gè)完整心動(dòng)周期的數(shù)據(jù)。采用零相位數(shù)字濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，分析了BSPM結(jié)果，并將所得的BSPM與Lux等人給出的健康人標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果[10]進(jìn)行了對(duì)比。

4.1 零相位數(shù)字濾波處理結(jié)果

圖3為采集到的原始V1和X導(dǎo)聯(lián)信號(hào)(對(duì)應(yīng)圖1中標(biāo)出位置)和經(jīng)過(guò)零相位數(shù)字濾波處理后信號(hào)的對(duì)比結(jié)果。在圖3(a)中，原始信號(hào)除了心臟電活動(dòng)引起的真實(shí)體表電位變化外，還包含有不同程度的直流偏置和噪聲。在圖3(b)中，濾波后信號(hào)噪聲被有效抑制，信號(hào)特征波形清晰且具有和原始信號(hào)嚴(yán)格一致的相位，不同導(dǎo)聯(lián)信號(hào)間同步關(guān)系不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了零相位數(shù)字濾波處理方法的有效性。

4.2 BSPM結(jié)果

實(shí)驗(yàn)對(duì)比了在Q-R和R-S間期內(nèi)重構(gòu)的BSPM和文獻(xiàn)[10]報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果。圖4為Q-R和R-S間期內(nèi)的BSPM及其對(duì)應(yīng)I導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)時(shí)間截點(diǎn)。視覺對(duì)比重構(gòu)和文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，忽略電極位置差異的因素，提出方案重構(gòu)的BSPM結(jié)果和已有報(bào)道結(jié)果對(duì)應(yīng)的電位圖中正負(fù)電位塊分布位置，形狀和電位分布梯度具有高度一致性。重構(gòu)結(jié)果符合已知BSPM幅度變化在[-1 500 μV, +1 500 μV]區(qū)間內(nèi)的先驗(yàn)信息[4]。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出方法產(chǎn)生的BSPM的正確性。

圖4 在Q-R和R-S間期對(duì)比結(jié)果Fig.4 Coomparison of results between Q-R and R-S intervals

考慮到周期心臟電活動(dòng)可分為心房和心室去極、復(fù)極4個(gè)重復(fù)的階段，實(shí)驗(yàn)還重點(diǎn)分析了每個(gè)階段中心電特征波形點(diǎn)對(duì)應(yīng)截取的BSPM圖像。根據(jù)設(shè)置，實(shí)驗(yàn)可以得到每秒2 500幀BSPM圖像，為了便于討論，在此選取了每個(gè)階段各一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。心臟去極、復(fù)極的BSPM圖以及對(duì)應(yīng)的I導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)時(shí)間截點(diǎn)如圖5所示。在心房起搏期間，負(fù)電位位于心窩區(qū)域，正電位分布在身體的左后側(cè)以及脖頸位置。在心房復(fù)極階段，正負(fù)電位的分布與心房起搏期間的電位分布類似，負(fù)電位最小值位于胸骨和左乳腺區(qū)域，正電位最大值位于右肩上。此期間的電位分布結(jié)果與心房復(fù)極區(qū)域所在位置一致[11]。心室去極化期間，負(fù)電位主要分布在右肩附近，而正電位的最大值位于左胸壁外側(cè)。該電位分布與Montague[4]報(bào)道的健康對(duì)象QRS期間BSPM的雙極性特征相符。在心室復(fù)極的過(guò)程中，正電位主要集中在前胸區(qū)域，而負(fù)電位分布在身體的其他區(qū)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用提出的方案可以進(jìn)行心臟電活動(dòng)分析。

圖5 實(shí)驗(yàn)對(duì)象BSPM結(jié)果及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間截點(diǎn)Fig.5 The subject’s BSPM results corresponding to the intervals during the 4 stages of the cardiac electrical activity

5 結(jié)論

論文提出通過(guò)串聯(lián)兩臺(tái)64導(dǎo)聯(lián)腦電放大器獲取BSPM的方案。零相位濾波處理方法能夠保證多路信號(hào)同步條件下濾除噪聲的干擾。重構(gòu)BSPM結(jié)果表明提出方案可行，獲得的BSPM能夠反應(yīng)心臟電活動(dòng)過(guò)程。提出的方法可用于后續(xù)求解心臟電活動(dòng)逆問題或基于BSPM的心肌梗死等研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] AMBROGGI L D, BERTONI T, BREGHI M L, et al. Diagnostic value of body surface potential mapping in old anterior non-Q myocardial infarction[J]. Journal of Electrocardiology,1988, 21(4): 321-329.

[2] KORNREICH F，MONTAGUE T J，RAUTAHARJU P M. Body surface potential mapping of ST segment changes in acute myocardial infarction[J]. Circulation, 1993,87(3): 773-782.

[3] MONTAGUE T J, SMITH E R, SPENCER C A, et al. Body surface electrocardiographic mapping in inferior myocardial infarction. Manifestation of left and right ventricular involvement[J]. Circulation, 1983, 67(3): 665-673.

[4] MONTAGUE T J, SMITH E R, CAMERON D A,et al. Isointegral analysis of body surface maps: surface distribution and temporal variability in normal subjects[J]. Circulation, 1981, 63(5): 1166-1172.

[5] CAI Z, LUO K, LIU C, et al. Design of a smart ECG garment based on conductive textile electrode and flexible printed circuit board[J]. Technology & Health Care, 2017: 1-7.

[6] THAKOR N V, WEBSTER J G, TOMPKINS W J. Estimation of QRS complex power spectra for design of a QRS filter[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1984, 31(11): 702-706.

[7] LUO K, LI J, WU J, et al. A cascade filter for pulse wave baseline drift elimination[C]∥ 2012 5th International Congress on Image and Signal Processing. Chongqing, China: IEEE Computer Society, 2012: 1495-1499.

[8] 陳淑珍,楊濤.零相移濾波器的改進(jìn)及實(shí)現(xiàn)方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版),2001,47(3):373-376.

[9] 王輝贊,張韌,劉巍，等.支持向量機(jī)優(yōu)化的克里金插值算法及其海洋資料對(duì)比試驗(yàn)[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2011(5):567-573.

[10] LUX R L, SMITH C R, WYATT R F, et al. Limited lead selection for estimation of body surface potential maps in electrocardiography[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1978, 25(3): 270-276.

[11] SPACH M S, BARR R C, WARREN R B, et al. Isopotential body surface mapping in subjects of all ages:emphasis on low-level potentials with analysis of the method[J].Circulation, 1979, 59(4): 805-821.