第十三章 ECG分析系统

机械心脏阀 Thrombus on a mechanical heart valve (courtesy of RWTH-Aachen)

心血管系统电信号简称心电信号（ECS: electrocardiosignal）。ECS处理的目的是根据心电信号的特征推断心血管系统的状态（正常或异常），并据之作出医学决策：药物治疗，还是外科治疗，还是介入治疗（如射频消融、起搏、除颤等）。

从1901年荷兰莱顿大学的Einthoven用弦线式电流计（string galvanometer）记录心电信号，并将正常心电波的主要波形命名为P、Q、R、S、T算起，对心电信号的记录和处理的历史已跨过了100年。在生物医学信号处理中，对心电信号中所含信息的挖掘是最为深入的，并使用了种类繁多的信号处理技术。最近出版的专著《临床心电信息学》对所涉及的技术范围，从临床的角度，进行了比较全面的收集。现在心血管疾病是发病和死亡率最高，对人类生命威胁最大的疾病，因此在临床工作中，县级以上的医院都普遍利用心电信号中所含的信息，普遍使用记录心电信号的心电图机。

对心电信号的显示和记录技术也是多种多样的。目前对于普通系统（以常规诊断为目的的短时记录），临床上最常用的是纸记录。模拟心电记录设备（一般称为心电图机）用的是模拟方式进行纸记录。数字心电图机可以数字打印输出，也可经过数模转换技术用模拟方式进行纸记录。对于动态心电系统（常称为Holter系统），先用特制慢速磁带（早期）或半导体（近期）记录系统，然后（一天）读入计算机进行分析。

对于监护设备一般用电子显示（波形和数字）＋报警技术。 对心电信号的获取技术分为无创（体表）技术、微创技术（经由心导管记录心内心电信号）、有创技术（心脏手术时体内记录）。

记录在纸上的心电信号称为“心电图”，因此临床上有“时域心电图”，“频域心电图”，“高频心电图”，“平静心电图”，“运动心电图”（如活动平板心电图），“普通心电图”，“向量心电图”，“立体心电图”等术语。对记录在纸上的各种各样的心电信息而论，这是比较准确的。在大量文献中，常把用计算机技术对心电信号的处理称为心电图(electrocardiogram)处理，也可称为对心电信号（ECS:electrocardiosignal）的处理

本章分别介绍 常规心电信号数字处理 心电监测（electrocardiosignal monitoring）

第一节 常规心电信号数字处理 （Routine Digital Processing for ECS） 一、概述 常规心电信号处理系统有分时12导联单道记录式、分时12导联三道记录式、同时12导联3道记录式、6道记录式、12道记录式。同时（临床上多称为同步）12导联系统（12 lead simultaneous electrocardiograph）又分为真实12导联和计算12导联（实际8导联：2个双极标准导联，6个单极胸导联）。现代心电图机，几乎都是计算机化的数字系统，国际标准推荐500Hz采样频率，因此，所谓同时（或同步）也是相对的，因为AD转换器是单道的，道间时差2ms。如果采用真实12导联技术，则第一道与最后1道间相差24ms。

为了尽可能保持同时性，都采用采样保持技术。但是采样保持电路有有限的时间常数（时间常数过大，不利于信号清除）因而采样保持信号也会随时间而衰减，因此难于达到真正的12导联的同时性。可考虑的提高同时性的措施是采用更高的采样频率（如20KHz），然后以500Hz的采样率二次抽取(40抽1)。

配合500Hz的采样率，心电信号放大系统应有最高250Hz的高端截止频率。时间常数3s（相当于0 配合500Hz的采样率，心电信号放大系统应有最高250Hz的高端截止频率。时间常数3s（相当于0.05Hz的低端截止频率）。对于描笔式心电图机，由于描笔的响应频率80~100Hz，因此，更高的频率成分会被描笔这种机械滤波器滤掉，所以对于这种系统，采用的采样频率为100Hz。当放大系统的通带为.0.05~250Hz时，这样的采样率获得的数字信号不宜做频域分析。 计算机化心电信号数字处理系统，又称为心电工作站（electrocardiac work station），其框图如图12-1。它有模拟和数字部分。

三、参数测量 用描出的心电信号图形进行诊断（评价心脏状态）已有100多年历史。以往都凭人工测量，然后凭积累的经验作出结论。这些经验形成了一门学问称为“心电图学”。直到现在，计算机自动诊断系统（专家系统）仍然不如有经验的专科医生，还不能代替有经验的专科医生。

心电信号的参数测量可分为时间测量、幅度的测量和波形分析三个方面。如第5章图5-6所示的各种间期和时限等时间参数测量具有重要的临床意义，它是诊断各类心律失常的基础。如P波时限过长表示心房内传导阻滞，QRS时限过长表示室内传导阻滞。RR间期过长表示心动过缓，RR间期过短表示心动过速。

在心电信号的电压测量中，参考点是“基线”，因此消除基线漂移的精确程度确定了幅度测量的精确程度。R波电压幅度过高可能提示心室肥厚。ST段电压过低提示心肌缺血。所有这些判断都有凭大量统计数据加上既往的经验制定的标准。

在心电信号的计算机自动分析中，最难的是波形分析，如顿挫、双相、倒置、rS（小R波大S波）等。如果心电专家对于计算机自动分析有怀疑，可以通过人机对话的方法进行核查。一般使用移动光标来完成核查。每当移动到一个点，计算机自动显示位置和幅度。位置可显示为距起点的点数，或根据采样频率换算成的时间，。也可根据一定的操作而显示间期或时限或幅度。人工核查的例子如图12-5

图形顶部示出了光标（空心箭头）所在位置的参数（距起点的点数和幅度）。图形底部是操作说明。光标可上、下、左、右移动。在左右移动时还可分为快速移动（Ctrl加左右移动键）。 12导心电的纸记有各种格式，如3×4的格式，6×2的格式，12×1的格式。图12-6为12×1格式的例子。

图12-5 人机会话参数测量示意图

四、QT间期测量 这里以心电信号的Q－T间期测量来进一步说明时域参量的测量。应该说，Q－T间期测量是诊断LQTS（long Q－T syndrome：长QT间期综合症）的金标准（gold standard 或gold criteria）。LQTS是一种严重的心律失常事件，现已证实LQTS是由于Na+、K+离子通道的基因突变造成的，典型地证实了基因型（genotype）与电生理表现型（phenotype）的关系。各导联间的心电信号Q－T间期的不一致，称为Q－T离散度（Q－T dispersion：QTd）。近来研究发现，QTd是由于心室肌的复极时间不一致造成的。QTd的测量可用以预测心肌梗塞、严重心律失常等心血管系统疾病。

QTd的计算以QT间期的测量为基础 QTd = QTmax－QTmin (12-11) 设Q波起点为N1，T波终点为N2，则 QT =(N2－N1)Δt (12-12) 图12-6 常规临床12导心电信号的12×1格式记录

图12-7是用两种方法（峰值法和起始点法）测量QTI（Q－T interval：Q－T间期 ）的一个例子。图的顶部的图注的意义是：第1行为各波的幅值，如Rm表示R波的幅值，Pm表示P波的幅值，Qm表示Q波的幅值，Sm表示S波的幅值，Tm表示T波的幅值。

第2行为用测量各对应波的极值点的方法测量的心率，如HRp是用相继的两P波的极值点间的距离（点数），即P－P间期计算的心率，HRq是用Q－Q间期计算的心率，HRr是用R－R间期计算的心率，HRs是用S－S间期计算的心率，HRt是用T－T间期计算的心率。 第3行为P波宽度的数据，pw表示均值。后继的是每一心动周期的P波宽度的测量值。

第4行为用Q、T波的始末点的距离计算的QT间期，如qte表示用Q波的起点与T波的终点间的距离计算的QTI的均值，后继的是每一心动周期的qte的测量值。第5行为用Q、T波的极值点的距离计算的QT间期 如qtp表示用Q波的极值点与T波的极值点间的距离计算的QTI，后继的是每一心动周期的QTI的测量值。

第二节 心电监测（ECS Monitoring） 心电监测是指用心电检测仪器对监测对象的心电信号进行长时间和/或远距离的监测，通过计算机分析和处理后直接显示和/或打印出心电波形和数据，为临床诊断提供依据。

心电监测系统可按传输方式分为有线系统和无线系统，可按传输距离分为床旁系统和遥测系统，可按应用环境分为医院系统和院外个人系统（Holter系统和基于WEB的系统）。 遥测系统又可分为有线遥测系统（临床称为电话传输心电图）和无线遥测系统。遥测系统还可分为普通专用系统和基于WEB的系统。还可分为实时系统和分时系统，如Holter系统。不能获得实时处理是Holter系统的一大缺点。

一、概述 1903年Calson在手术室首次应用了监测技术监测手术患者的心电信号。这种雏型心电监测仪所起到的独特监护作用引起了学者们的共鸣，启迪了应用电子技术自动监测患者的ECS的设想。1958年Safar创建ICU（intensive care unit：重症监护室）, 将床边心电作为危重患者长期监测项目。

1962年Day首创CCU（central care unit or coronary care unit：中心监护室或冠心病监护室）应用床边心电监测技术持续监测AMI患者，及时发现与处理心律失常，使他所在医院该年度AMI住院患者死亡率从39％降至19％。CCU因此迅速得到承认，床边心电监测的医疗价值蜚声一时，但床边心电监测只适宜于住院患者的院内监测，对院外患者无所帮助。

1957年美国物理学博士Holter研制了长时间连续记录患者在日常活动状态下的心电信号(即动态心电图, AECG: ambulatory ECG)的技术于1961年应用于临床，实现对院外患者长时间(一般24h)心电图记录，这对发现24h内心电活动的改变和心肌缺血具有重要价值。

传统的动态心电图所记录的仅为过去的事件，只能在24h后通过心电分析仪的分析和处理才能做出诊断，不能及时发现和处理正在进行动态心电图监测期间各种严重心脏事件。1978年电话传输心电图监测技术成功地应用于临床，使远离医院的患者在发生心脏事件时能够通过电话及时地将心电信号传送至心电监测中心，及时得到医师的诊断和医疗或急救指导，显著降低了院外恶性心律失常患者的死亡率。

随着电子技术的迅猛发展和电脑新软件的不断开发，心电监测仪器不断更新，监测技术不断改进。目前CCU与ICU内床边心电监测系统的功能已相当完善

能够显示、打印记录心电信号波形和数据 能人工设置心率上、下限及心律失常自动报警； 2导联、3导联乃至12导联心电图波形显示与图形冻结功能，可供逐帧心电图波形的仔细分析； 数小时与24小时储存资料可提供心电活动的趋势分析以协助评估病情变化与治疗效果； 微机系统可对多种心律失常进行自动分析，并可识别T波，测量ST段诊断心肌缺血； 心电、呼吸、血压、心泵功能联合监测的电脑技术已应用于临床。

Holter监测技术也已由传统的记录已过去的事件，发展为具有实时显示、记录的Holter监测系统，成为当代心脏病学领域中最为盛行、最为实用的诊断技术手段之一。

是评定心律失常的重要临床手段，也是评定有症状或无症状心肌缺血的重要辅助工具。电信事业的飞速发展和医院内ICU的普及，为电话传输心电图监测技术的临床应用创造了条件。 随着区域性电话传输心电监测网络的形成与扩展乃至世界联网，在广大空间和时间中监测每一个角落的患者的心电活动，预防、急救或处理患者的突发心脏事件已不再是人类的幻想。

二、可移动心电监测 可移动心电监测系统或长时ECS监测系统（long-term ECS monitoring system）俗称HOLTER系统，因为他是由美国物理学家Holter发明的而得名，国内多称为动态心电处理系统（AECG：ambulatory ECG or ambulatory long-term ECG）。最长的记录时间可达48小时，甚至72小时。

临床主要用于判断偶发心血管系统异常。早期是单导或双导或三导磁带记录系统，现在由于大容量闪存技术的出现，克服了早期的磁记系统的诸多弊端，因而12导系统可能成为常规。早期采样频率为128Hz，现在都在256Hz以上。导联系统为CM1-6（C：chest，表示胸导联，

M：manubrium, 柄，CM联合表示胸骨柄，1~6：V1~V6），是双极胸导联系统。负端为胸骨柄，正端为V1-6。Holter系统记录的心电信号要输入到计算机用专用软件进行后处理，以判断各类心律失常。也可进一步计算QTd、ST段电压，或HRV（heart rate variability：心率变异性，见第16章）。现在，已经出现了实时显示、记录的12导Holter监测系统。 图12-7 Holter系统改良12导联电极位置

Holter系统主要用于院外个人佩带，也可用于住院病人。实时显示、记录的12导Holter监测系统的出现，更增加了Holter系统的临床重要性。12导Holter监测系统常用改良的12导联，其电极位置如图12-7。如果是1，2，3导联的系统，则可根据临床需要选用CM1~CM6双极胸导联。临床系统常用的导联线的标记为：通道1：红(+)—白(－)；通道2：棕(+)—黑(－)；通道3：橘黄(+)—蓝(－)；参考电极（地）：绿。

2．实时性 接受床边心电图监测的病人都相对固定于一定的监测场所(ICU／CCU)，并有专业人员动态观察、分析、诊断和处理病人随时间变化而出现的各种心电变化。一旦病人发生心律失常或出现恶性心律失常先兆，监测人员可以及时发现和诊断，并迅速采取各种有效治疗措施。这一点与当前采用的Holter监测不同，后者由于只能在事后才能对记录结果进行分析和诊断，因此不能及时发现和处理各种严重心律失常事件

3．可干预性 常规Holter监测虽然也能长时间记录病人的心电活动，但由于要在记录结束后才能进行分析，因此对监测中发生的心电异常不能及时进行处理。而床边心电图监测能够实时显示整个监测过程中发生的任何心律失常，监测人员可以根据具体情况及时采取各种干预措施，真正做到及时发现、早期诊断和早期治疗。

为了减轻监测人员的劳动强度，很多现代化的监护系统部带有功能强大的自动监测、诊断和报警功能，能实现对各种恶性心律失常的自动监测、记录和警示。 4．自动性 为了减轻监测人员的劳动强度，很多现代化的监护系统部带有功能强大的自动监测、诊断和报警功能，能实现对各种恶性心律失常的自动监测、记录和警示。

5．适应性 由于床边心电图监测的无创性以及导联系统简单可靠，监测过程上也不影响各种常规的急救诊疗措施的实施，因此可应用于各种重危病人。

(二)床旁检测技术 1.普通床旁心电监测系统 设置在患者床边，通过导联直接从人体引入心电信号，可以独立地进行病情监测和显示心电波形，必要时可进行报警并自动记录。有的床边监测系统还配有除颤器、起搏器等心脏复苏设备。结构简单，心电信号不易受干扰。常配备在抢救室、手术室等场所使用。

2. 无线遥测心电监测系统 该设备分为人体佩带的心电获取和无线发射部分以及中央接收和处理计算机。佩带的无线发射器将患者的心电信号发射至中央遥测心电监测计算机系统，进行分析和处理。遥测半径一般在30～l00m。因为是无线连接，故患者可起床在遥测范围内活动，因而适合于监测AMI急性期后可以下床活动的患者及需要去进行CT、血管造影等特殊检查的危重患者。主要缺点是心电信号易受千扰，CCU／ICU内一般不用。

3. 中央心电监测系统 现代CCU／ICU内通常配备中央心电监测系统，由一台中央监测系统和4—8台床边检测仪组成，床边监测仪的心电信号通过电缆和网络交换器输入到中央监测台，中央台可有4-16个显示通道，同时监测多个患者的生命特征。该系统常与血压、呼吸、体温及其他生命特征信号监测组合在一起。