实验动物心电参数自适应检测和分析系统
作者：刘修鑫 孙德法 田月洁 李莉 屠长河 刘兆平
单位：刘修鑫(山东省新药药理研究中心，济南 250100)；田月洁(山东省新药药理研究中心，济南 250100)；李莉(山东省新药药理研究中心，济南 250100)；刘兆平(山东省新药药理研究中心，济南 250100)；孙德法(山东大学 计算机系，济南 250100)；屠长河(山东大学 计算机系，济南 250100)
关键词：计算机；软件；实时分析；信号分析；心电；动物
生物医学工程学杂志000129 摘 要：介绍一种具有自适应功能的心电参数计算机自动监测分析系统，本系统在软件设计中提供了多种函数，用户可根据心电信号的具体特征编写参数分析表达式，使心电参数的自动监测和分析更具灵活性和准确性，较好地避免因信号变异和外界干扰引起的分析错误，特别适用于生理、药理、毒理试验中对实验动物心电参数的实时监测和分析。
, 百拇医药
A Self-adaptable System for Acquiring and Processing Animal
ECG Parameters
Liu Xiuxin Tian Yuejie Li li Liu Zhaoping
(Center of Pharmacology,Shandong Institute of Pharmacy Industry,jinan 250100)
Tu Changhe Sun Defa
(Department of Computer Science,Shandong University,Jinan 250100)
Abstract：The present authors have developed a computerized system for acquiring and processing the animal ECG. The system proviedes many functions in the software design and the users can compile the parameter-analyzing formulae by themselves according to the characteristics of ECG.The system is much more accurate and flexible in analyzing the ECG parameters and can significantly avoid the processing mistakes caused by signal variations and interference.It is especially suitable for continuous ECG monitoring and analysis of animal experiments in physiology,pharmacology and toxicology
, 百拇医药
Key words：Computer Software Real-time ECG Signal process▲
心电是心肌细胞电活动在体表的表现，记录分析心电参数对了解和探测心脏生理、病理性变化，观察药物对脏的药理、毒理作用具有重要的意义，但动物心电信号波形复杂、变异大，要实现对动物心电参数的自动分析难度较大，目前虽然国内外个别实验室也研制开发了用于实验动物的心电信号计算机检测系统[1～3],但仅限于对心电信号的实时监测，尚不能实现对心电参数的实时分析，且适应性较差， 无法对复杂、变异的心电信号进行分析，为此我们研制开发了具有自适应功能的动物心电信号自动检测分析系统。
1 系统硬件组成
本系统硬件包括：Pentium MMXTM型计算机，CPU主频为200 MHz，配有32MB内存，2.1G硬盘，VGA监视器(EMC)；12位HY-6070型A/D转换器；HP-41激不印字机。系统经自制接口电路与多导生理记录仪或心电图机连机。
, 百拇医药
2 系统软件设计
系统软件在Win 95平台下利用Visual C(Ver 2.0)、Visual B和汇编语言开发编写，主要有五个功能模块：(1)信号实时采集显示模块，采用定时触发方式启动A/D转换，采用中断方式采集数据，该模块用汇编语言编写；(2)数字信号处理模块，该模块用来完成对采样信号的数字滤波处理；(3)信号波形特征识别及参数计算模块，本系统对特征明显的波形识别采用阈值判别法，对于微小波形则采用导数分段法和最小均方插值法；(4)自编程实时分析模块，通过设置检测线和编制参数计算表达式实现对心电参数的实时分析；(5)数据管理模块，用来完成对采集信号、分析结果进行贮存、统计、绘图、制表、打印等功能。
3 心电参数自编程实时检测
本系统根据生理信号具有周期性变化的特点，引入了阈值判别和自我编程的方法和概念，为用户提供了心电检测自编程窗口，实现对心电信号的实时分析和参数计算。
, 百拇医药
阈值判别是指在心电信号实时显示的同时设置一条直观可调的检测线(阈值)，对心电信号进行检测，实现对心动周期和心电特征点快速准确的判别。设采集的心电信号为Y(x)，其中x=0,1,2，……，N。将最新通过检测线的两个相邻特征点分别记为x1和x2，如图1所示。
图1 心电参数分析系统检测线及特征点x1,x2
Fig 1 The detecting line and the characteristic points x1,x2
自我编程的概念是指试验者根据信号的具体特征和心电参数的定义按照本系统提供的函数和编程规则自行编制心电参数分析程序。
(1)本系统为用户提供的常量、变量和函数
, 百拇医药
常量：
C：指任意整数
变量：
x1：第一个特征点x值
x2：第二个特征点x值
f:系统采样频率
函数：
Y(x)：求Y(x)在x点的Y值
YX(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内Y最大值
YN(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内Y最小值
XX(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内Y最大值对应的X值
, 百拇医药
XN(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内Y最小值对应的X值
IN(xa,xb)：求Y(x)在xa至xb区间内积分值
YDX(xa,xb)：求Y(x)在xa至xb区间内微分最大值
YDN(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内微分最小值
XDX(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内微分最大值对应的X值
XDN(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内微分最小值对应的X值
KY(x,c):求Y(x)在x点向前(c<0)或向后(c>0)拐点的Y值(步长为c)
KX(x,c):求Y(x)在x点向前(c<0)或向后(c>0)拐点的X值(步长为c)
, 百拇医药
其中xa,xb,可以是常量、变量、表达式或函数，c为整数常量。
(2)本系统为用户提供的运算符号及运算法则
+：代表加法
-：代表减法
*：代表乘法
/：代表除法
()：代表括号
由上述常量、变量、函数及运算符号组成的表达式遵循四则混合运算法则。
根据该系统提供的常量、变量、函数、运算符号及运算法则，试验者可根据心电信号的具体特征和心电参数的定义[1]自行编制心电参数分析程序，仍以图1为例说明心电主要参数的计算表达式。
, 百拇医药
(1)心动周期(ms):CC=(x2-x1)*1000/f,相邻R波间期。
(2)心率(beats/min):HR=f*60/(x2-x1),相邻R波间期的倒数。
(3)R波(mv)：RW=Y(x1),x1点心电幅值。
(4)P波(mv)：PW=YX(x1-c1,x1-c2),R波之前区间(x1-c1,x1-c2)内心电最大值。
(5)T波(mv)：TW=YX(x1+xc,x1+c2),R波之后区间(x1-c1,x1-c2)内心电最大值。
(6)ST段(mv)：ST=Y(x1+c),R波之后(x1+c)点心电幅值。
(7)PR间期(ms):PR=(KX((x1+c1),-2)-KX(XX(x1-c2,x1-c3)-c4),-2))*1000/f,R波之前拐点与P波之前拐点的间期。
, 百拇医药
式中：c,c1,c2,c3,c4为常量，可根据具体心电特征和采样频率确定。
4 去基线漂移与数字滤波
心电信号的干扰主要有来自市电的工频干扰、呼吸及电极不稳引起的基线漂移和由寒冷或紧张引起的肌电噪声等，现代心电记录仪对各种干扰具有很强地抑制能力，本系统与多导生理记录仪或心电图机连机，未发现明显的工频干扰和肌电噪声，因此在实时分析时只考虑到去基线漂移。
P-R结零电平法[4]是一种简单有效的去除基线漂移方法，实际应用中采取QRS复合波群起点前2点的平均值作 P-R结电平，P-R结电平与零电平(0mv)的差值即为该心动周期中ECG信号的基线漂移电位，将ECG信号减去该漂移电位即可达到去除基线漂移的目的。
以心电R波为例，去除基线漂移后其幅值计算公式为：
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RW=Y(x1)-IN(KX(((x1+c),-2)-2),(KX((x1+c),-2)-1))/2
对带有明显干扰的心电信号，可先对采样信号进行数字滤波，然后再通过本系统回放功能实现对心电信号的自动分析。
对肌电干扰可用低通数字滤波器：
Y[n]=(x[n-2]+2x[n-1]+3X[n]+
2X[n+1]+X[n+2])/9
对工频干扰可用周期为50Hz的陷波器[5]：
T(n)=X(n)+X(n-100)-X(n-200)-
X(n-300)+T(n-4)
, 百拇医药
Y(n)=X(n-148)-T(n)/100
5 实验验证
垂体后叶素(Pit)为一强烈缩血管药物，可引起民冠脉痉挛，诱发心肌缺血，为验证该系统的性能，观察分析了Pit(1 ug/kg,iv)对家犬心电参数及血压(MAP)的影响，结果见表1。由表1可见家犬iv Pit后0.5～30min，心率减慢，PR间期延长，ST段抬高，T皮幅值升高，表现为典型的心肌缺血心电图改变。
表1 Pit对家犬心电参数及血压的影响
Table 1 Effects of pitressin on ECG parameters of dog Parameters
Before
iv
, http://www.100md.com
After iv(min)
0.5
1
2
3
5
10
15
20
30
45
60
HR(beats/min)
, 百拇医药
146
125
116
94
107
110
111
115
117
118
128
134
PR period(ms)
, 百拇医药
119
143
158
215
171
165
165
161
150
150
137
135
P wave(mv)
, http://www.100md.com
0.57
0.06
0.11
0.02
0.06
0.20
0.07
0.16
0.28
0.36
0.38
0.37
R wave(mv)
, 百拇医药
1.34
1.50
1.51
1.44
1.27
1.22
1.41
1.50
1.55
1.47
1.43
1.44
ST segment(mv)
, http://www.100md.com
0.04
0.04
0.07
0.21
0.22
0.22
0.19
0.14
0.14
0.12
0.12
0.06
T wave(mv)
, 百拇医药
0.23
0.26
0.48
0.50
0.59
0.71
0.75
0.54
0.42
0.29
0.26
0.24
MAP(kpa)
, 百拇医药
9.54
5.68
7.61
11.72
11.29
10.62
10.60
10.40
9.71
9.38
9.01
9.08
6 讨 论
, 百拇医药
心电信号计算机检测与分析已广泛应用于临床冠心病的诊断，麻醉监控，高血压监测，ICU监测及胎儿监测等领域[1]，但能够适用于各种实验动物的心电参数实时检测分析系统尚未见文献报道。由于不同种属动物之间心电特征差别较大，既使同一种动物在不同状态下也有很大不同，例如家犬心电QRS波群可有qRs、Rs、rS、RS等我种表现形式，而大鼠 心电R波有时具有双峰特征[2]，因此很难用一种固有的心电分析软件对其进行准确地检测和分析，本工作研究开发的具有自适应功能的心电分析系统较好地解决了上述问题，允许试验者根据心电信号的具体特征和心电参数的定义编写心电参数分析程序，实现对心电参数的实时分析，极大地提高了系统的灵活性和适应性，同时使心电参数分析结果的准确性和可靠性也有明显提高。
系统软件在win95环境下开发，具有win95标准窗口和界面的所有功能特点，因此操作使用极为方便；本系统为用户提供的编程规则和函数简单明了，熟悉计算机操作的人略加训练即可掌握；本系统已在多个新药的一般药理试验、长期毒性试验心电图检查中进行了试用，效果令人满意。
, http://www.100md.com
参考文献：
[1]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
[2]徐晓红，罗勇，何伟.计算机化大鼠心电信号采集和处理系统.生物医学工程学杂志，1996；3(4)∶320
[3]傅继华，张琪，王利娟.动物心电图的计算机自动采集及分析处理系统.中国药科大学学报，1995；26(5)∶304
[4]Hung TL,Van Arsdel WC.Automated Analysis of Rodent Threechannel Electocardiograms and Vectocardiograms.IEEE Trans,1985;32(1)∶56
[5]段新星，林家瑞.陷波滤波器在心电信号消噪处理中的应用.中国医疗器械杂志，1993；17(5)∶269
收稿日期：1998-10-05
修改日期：1998-11-23, 百拇医药
单位：刘修鑫(山东省新药药理研究中心，济南 250100)；田月洁(山东省新药药理研究中心，济南 250100)；李莉(山东省新药药理研究中心，济南 250100)；刘兆平(山东省新药药理研究中心，济南 250100)；孙德法(山东大学 计算机系，济南 250100)；屠长河(山东大学 计算机系，济南 250100)
关键词：计算机；软件；实时分析；信号分析；心电；动物
生物医学工程学杂志000129 摘 要：介绍一种具有自适应功能的心电参数计算机自动监测分析系统，本系统在软件设计中提供了多种函数，用户可根据心电信号的具体特征编写参数分析表达式，使心电参数的自动监测和分析更具灵活性和准确性，较好地避免因信号变异和外界干扰引起的分析错误，特别适用于生理、药理、毒理试验中对实验动物心电参数的实时监测和分析。
, 百拇医药
A Self-adaptable System for Acquiring and Processing Animal
ECG Parameters
Liu Xiuxin Tian Yuejie Li li Liu Zhaoping
(Center of Pharmacology,Shandong Institute of Pharmacy Industry,jinan 250100)
Tu Changhe Sun Defa
(Department of Computer Science,Shandong University,Jinan 250100)
Abstract：The present authors have developed a computerized system for acquiring and processing the animal ECG. The system proviedes many functions in the software design and the users can compile the parameter-analyzing formulae by themselves according to the characteristics of ECG.The system is much more accurate and flexible in analyzing the ECG parameters and can significantly avoid the processing mistakes caused by signal variations and interference.It is especially suitable for continuous ECG monitoring and analysis of animal experiments in physiology,pharmacology and toxicology
, 百拇医药
Key words：Computer Software Real-time ECG Signal process▲
心电是心肌细胞电活动在体表的表现，记录分析心电参数对了解和探测心脏生理、病理性变化，观察药物对脏的药理、毒理作用具有重要的意义，但动物心电信号波形复杂、变异大，要实现对动物心电参数的自动分析难度较大，目前虽然国内外个别实验室也研制开发了用于实验动物的心电信号计算机检测系统[1～3],但仅限于对心电信号的实时监测，尚不能实现对心电参数的实时分析，且适应性较差， 无法对复杂、变异的心电信号进行分析，为此我们研制开发了具有自适应功能的动物心电信号自动检测分析系统。
1 系统硬件组成
本系统硬件包括：Pentium MMXTM型计算机，CPU主频为200 MHz，配有32MB内存，2.1G硬盘，VGA监视器(EMC)；12位HY-6070型A/D转换器；HP-41激不印字机。系统经自制接口电路与多导生理记录仪或心电图机连机。
, 百拇医药
2 系统软件设计
系统软件在Win 95平台下利用Visual C(Ver 2.0)、Visual B和汇编语言开发编写，主要有五个功能模块：(1)信号实时采集显示模块，采用定时触发方式启动A/D转换，采用中断方式采集数据，该模块用汇编语言编写；(2)数字信号处理模块，该模块用来完成对采样信号的数字滤波处理；(3)信号波形特征识别及参数计算模块，本系统对特征明显的波形识别采用阈值判别法，对于微小波形则采用导数分段法和最小均方插值法；(4)自编程实时分析模块，通过设置检测线和编制参数计算表达式实现对心电参数的实时分析；(5)数据管理模块，用来完成对采集信号、分析结果进行贮存、统计、绘图、制表、打印等功能。
3 心电参数自编程实时检测
本系统根据生理信号具有周期性变化的特点，引入了阈值判别和自我编程的方法和概念，为用户提供了心电检测自编程窗口，实现对心电信号的实时分析和参数计算。
, 百拇医药
阈值判别是指在心电信号实时显示的同时设置一条直观可调的检测线(阈值)，对心电信号进行检测，实现对心动周期和心电特征点快速准确的判别。设采集的心电信号为Y(x)，其中x=0,1,2，……，N。将最新通过检测线的两个相邻特征点分别记为x1和x2，如图1所示。
图1 心电参数分析系统检测线及特征点x1,x2
Fig 1 The detecting line and the characteristic points x1,x2
自我编程的概念是指试验者根据信号的具体特征和心电参数的定义按照本系统提供的函数和编程规则自行编制心电参数分析程序。
(1)本系统为用户提供的常量、变量和函数
, 百拇医药
常量：
C：指任意整数
变量：
x1：第一个特征点x值
x2：第二个特征点x值
f:系统采样频率
函数：
Y(x)：求Y(x)在x点的Y值
YX(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内Y最大值
YN(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内Y最小值
XX(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内Y最大值对应的X值
, 百拇医药
XN(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内Y最小值对应的X值
IN(xa,xb)：求Y(x)在xa至xb区间内积分值
YDX(xa,xb)：求Y(x)在xa至xb区间内微分最大值
YDN(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内微分最小值
XDX(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内微分最大值对应的X值
XDN(xa,xb):求Y(x)在xa至xb区间内微分最小值对应的X值
KY(x,c):求Y(x)在x点向前(c<0)或向后(c>0)拐点的Y值(步长为c)
KX(x,c):求Y(x)在x点向前(c<0)或向后(c>0)拐点的X值(步长为c)
, 百拇医药
其中xa,xb,可以是常量、变量、表达式或函数，c为整数常量。
(2)本系统为用户提供的运算符号及运算法则
+：代表加法
-：代表减法
*：代表乘法
/：代表除法
()：代表括号
由上述常量、变量、函数及运算符号组成的表达式遵循四则混合运算法则。
根据该系统提供的常量、变量、函数、运算符号及运算法则，试验者可根据心电信号的具体特征和心电参数的定义[1]自行编制心电参数分析程序，仍以图1为例说明心电主要参数的计算表达式。
, 百拇医药
(1)心动周期(ms):CC=(x2-x1)*1000/f,相邻R波间期。
(2)心率(beats/min):HR=f*60/(x2-x1),相邻R波间期的倒数。
(3)R波(mv)：RW=Y(x1),x1点心电幅值。
(4)P波(mv)：PW=YX(x1-c1,x1-c2),R波之前区间(x1-c1,x1-c2)内心电最大值。
(5)T波(mv)：TW=YX(x1+xc,x1+c2),R波之后区间(x1-c1,x1-c2)内心电最大值。
(6)ST段(mv)：ST=Y(x1+c),R波之后(x1+c)点心电幅值。
(7)PR间期(ms):PR=(KX((x1+c1),-2)-KX(XX(x1-c2,x1-c3)-c4),-2))*1000/f,R波之前拐点与P波之前拐点的间期。
, 百拇医药
式中：c,c1,c2,c3,c4为常量，可根据具体心电特征和采样频率确定。
4 去基线漂移与数字滤波
心电信号的干扰主要有来自市电的工频干扰、呼吸及电极不稳引起的基线漂移和由寒冷或紧张引起的肌电噪声等，现代心电记录仪对各种干扰具有很强地抑制能力，本系统与多导生理记录仪或心电图机连机，未发现明显的工频干扰和肌电噪声，因此在实时分析时只考虑到去基线漂移。
P-R结零电平法[4]是一种简单有效的去除基线漂移方法，实际应用中采取QRS复合波群起点前2点的平均值作 P-R结电平，P-R结电平与零电平(0mv)的差值即为该心动周期中ECG信号的基线漂移电位，将ECG信号减去该漂移电位即可达到去除基线漂移的目的。
以心电R波为例，去除基线漂移后其幅值计算公式为：
, http://www.100md.com
RW=Y(x1)-IN(KX(((x1+c),-2)-2),(KX((x1+c),-2)-1))/2
对带有明显干扰的心电信号，可先对采样信号进行数字滤波，然后再通过本系统回放功能实现对心电信号的自动分析。
对肌电干扰可用低通数字滤波器：
Y[n]=(x[n-2]+2x[n-1]+3X[n]+
2X[n+1]+X[n+2])/9
对工频干扰可用周期为50Hz的陷波器[5]：
T(n)=X(n)+X(n-100)-X(n-200)-
X(n-300)+T(n-4)
, 百拇医药
Y(n)=X(n-148)-T(n)/100
5 实验验证
垂体后叶素(Pit)为一强烈缩血管药物，可引起民冠脉痉挛，诱发心肌缺血，为验证该系统的性能，观察分析了Pit(1 ug/kg,iv)对家犬心电参数及血压(MAP)的影响，结果见表1。由表1可见家犬iv Pit后0.5～30min，心率减慢，PR间期延长，ST段抬高，T皮幅值升高，表现为典型的心肌缺血心电图改变。
表1 Pit对家犬心电参数及血压的影响
Table 1 Effects of pitressin on ECG parameters of dog Parameters
Before
iv
, http://www.100md.com
After iv(min)
0.5
1
2
3
5
10
15
20
30
45
60
HR(beats/min)
, 百拇医药
146
125
116
94
107
110
111
115
117
118
128
134
PR period(ms)
, 百拇医药
119
143
158
215
171
165
165
161
150
150
137
135
P wave(mv)
, http://www.100md.com
0.57
0.06
0.11
0.02
0.06
0.20
0.07
0.16
0.28
0.36
0.38
0.37
R wave(mv)
, 百拇医药
1.34
1.50
1.51
1.44
1.27
1.22
1.41
1.50
1.55
1.47
1.43
1.44
ST segment(mv)
, http://www.100md.com
0.04
0.04
0.07
0.21
0.22
0.22
0.19
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0.14
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0.12
0.06
T wave(mv)
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0.50
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0.26
0.24
MAP(kpa)
, 百拇医药
9.54
5.68
7.61
11.72
11.29
10.62
10.60
10.40
9.71
9.38
9.01
9.08
6 讨 论
, 百拇医药
心电信号计算机检测与分析已广泛应用于临床冠心病的诊断，麻醉监控，高血压监测，ICU监测及胎儿监测等领域[1]，但能够适用于各种实验动物的心电参数实时检测分析系统尚未见文献报道。由于不同种属动物之间心电特征差别较大，既使同一种动物在不同状态下也有很大不同，例如家犬心电QRS波群可有qRs、Rs、rS、RS等我种表现形式，而大鼠 心电R波有时具有双峰特征[2]，因此很难用一种固有的心电分析软件对其进行准确地检测和分析，本工作研究开发的具有自适应功能的心电分析系统较好地解决了上述问题，允许试验者根据心电信号的具体特征和心电参数的定义编写心电参数分析程序，实现对心电参数的实时分析，极大地提高了系统的灵活性和适应性，同时使心电参数分析结果的准确性和可靠性也有明显提高。
系统软件在win95环境下开发，具有win95标准窗口和界面的所有功能特点，因此操作使用极为方便；本系统为用户提供的编程规则和函数简单明了，熟悉计算机操作的人略加训练即可掌握；本系统已在多个新药的一般药理试验、长期毒性试验心电图检查中进行了试用，效果令人满意。
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参考文献：
[1]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
[2]徐晓红，罗勇，何伟.计算机化大鼠心电信号采集和处理系统.生物医学工程学杂志，1996；3(4)∶320
[3]傅继华，张琪，王利娟.动物心电图的计算机自动采集及分析处理系统.中国药科大学学报，1995；26(5)∶304
[4]Hung TL,Van Arsdel WC.Automated Analysis of Rodent Threechannel Electocardiograms and Vectocardiograms.IEEE Trans,1985;32(1)∶56
[5]段新星，林家瑞.陷波滤波器在心电信号消噪处理中的应用.中国医疗器械杂志，1993；17(5)∶269
收稿日期：1998-10-05
修改日期：1998-11-23, 百拇医药