心电图机检定仪ECG组合测试波形的检测识别

/ .天津市计量监督检测科学研究院；.天津陆海石油设备系统工程有限责任公司

0 引言

目前所使用的心电图机检定仪都需要输出ECG组合测试波形（心电仿真信号）对数字心电图机进行计量检定，因此其输出的ECG 组合测试波形的准确与否至关重要。为了能够对ECG组合测试波形进行计量检定或校准，就需要对ECG组合测试波形进行识别，以获取P、QRS和T波的各种参数(包括幅度、时间间隔等)[1,2]。

心电ECG信号的检测和识别在心电分析中具有重要作用，一直以来都是国内外学者研究的热点。心电ECG信号检测识别方法大都通过确定其波群的位置、宽度、幅度及频率带宽来进行检测和识别。目前的方法有基于滤波和幅度阈值的QRS波检测方法[3]、数学形态学结合包络提取的QRS波检测方法[4]、基于小波变换的ECG波形信号检测方法[5]、基于神经网络的QRS波形信号检测方法[6]等，但是目前对心电图机检定仪所输出的ECG组合测试波形还没有相应的方法，尤其是对P波和ST波水平段的检测识别国内外的研究很少。本文主要研究心电图机检定仪ECG组合测试波形的检测识别方法。

方法是基于虚拟仪器技术的心电图机检定仪ECG组合测试波形的检测识别[7]，通过数据采集卡对心电图机检定仪输出的ECG组合测试波形采集的信号以数组的形式储存，然后对ECG组合测试波形进行检测及特征点的识别，对识别的特征点在波形图中标记，并显示其幅值，储存位置信息，最后依据公式计算出各波形的时间间隔，完成心电图机检定仪ECG组合测试波形的检测和识别。软件编制使用LabVIEW图形化编程软件[7]。

1 ECG组合测试波形识别流程

对心电图机检定仪ECG组合测试波形的检测是借助LabVIEW强大的信号处理功能、采用基于阈值的ECG信号的方法，利用相邻两点的斜率变化来识别，比较其对应波形的上升或下降斜率的不同，来定位心电图机检定仪ECG组合测试波形的幅值拐点和位置，通过检测波形序列对时间的导数（斜率的变化即一阶导数值）并与由实验获得的一阶导数阈值和幅度阈值相结合来定位QRS复合波以及P波和T波的位置和幅值，最后计算出所需要的时间间隔。

ECG组合测试波形检测识别流程如图1所示。

图1 ECG 组合测试波形识别流程

首先对ECG信号进行一阶导数的运算，同时找出R波峰值和位置。然后依次找出T波、ST段水平波、P波、Q波的峰值点和位置，最后对寻找到的各波的峰值点和位置进行分析和处理。

2 ECG组合测试波形检测与识别

心电图机检定仪ECG组合测试波形的检测识别如图2所示，其中兰色标记为波形检测所确定的位置。

图2 ECG组合测试波形检测识别的波形位置和时间间隔

2.1 确定R波的幅值和位置

因为R波在ECG组合测试波形中幅值最大，依据心电图机检定仪的技术指标预先设定R波幅值和RR间隔范围，检测在范围内所有的幅值，对小于RR间隔值一半的幅值的一组取平均值作为R波幅值参考值，选择最接近参考值的幅值作为R波幅值A6和位置t1。

向前、后搜寻相邻的R波幅值，任取前面或后面的R波幅值的位置作为另一R波的位置t1′，则为R波的时间间隔T1（向前、后搜寻是为了避免t1位置是第一个波或最后一个波而找不到t1′位置）。从t1处反向搜寻ECG波形，当其幅值趋于零（幅值阈值）时，确定t2位置。

对ECG组合测试波形进行一阶导数运算，利用相邻两点的斜率变化来识别。当斜率由正变负，即一阶导数过零点则为R波后的第一个R波波谷幅值A7并确定其位置t3；继续搜寻，当斜率由负变正，即一阶导数再次过零点则确定R′波幅值A8和其位置t4。

2.2 确定T波的幅值和位置

从t4位置继续搜寻，幅值最接近零点的位置为t5，一阶导数逐步减小且在零值附近（即导数阈值内），当一阶导数突变、远离导数阈值时确定ST段水平波的幅值A9和T波起始位置t6；当一阶导数过零点，则确定T波幅值A10；继续搜寻，当一阶导数趋于零（导数阈值）和幅值趋于零（幅值阈值）时，则确定T波终结点位置t7，计算T波间隔：T10=t7-t6。

2.3 确定P波的幅值和位置

从t7位置继续搜寻，幅值和一阶导数应在零点（导数阈值）附近。当一阶导数再次突变时，此时确定P波的起始位置t8，从t8开始，搜寻一阶导数趋于零（导数阈值）的位置t9、t10、t11，这些位置的幅值就是P波的极值点，即P波峰值A2、P波谷值A3和P′波峰值A4；当幅值趋于零（幅值幅值）和一阶导数趋于零时（导数幅值）的位置t12，就是P波的终结位置，则P波时间间隔：T2=t12-t8。

2.4 确定Q波的幅值和位置

从t12位置继续搜寻，幅值和一阶导数应在幅值零点（幅值阈值）导数零点（导数阈值）附近，当一阶导数再次突变时，此时确定Q波的起始位置t13。当斜率由负变正，即一阶导数过零点则可以确定Q波的位置t14和Q波的幅值A5；当幅值过零点时，即为Q波的终结位置t15，直到下一个R波幅值的位置t1′；继续搜寻t16（与搜寻t4方法相同）、t17（与搜寻t5方法相同）、t18（与搜寻t7方法相同），一个完整的ECG组合测试波形搜寻结束。

2.5 确定ECG组合测试波形幅值和时间间隔

经过检测ECG组合测试波形，各个波形的幅值在上面的检测过程中已经得到，A1幅值可以通过波形测量直接获得，各波形的位置也已确定，利用下面的公式来确定ECG组合测试波形的各个波形的时间间隔；

RR 时间间隔T1：T1=t1′ -t1；

P波时间间隔T2：T2=t12-t8；

QRS复合波时间间隔T3：T3=t5-t13；

Q波时间间隔T4：T4=t15-t13；

R波时间间隔T5：T5=t5-t15；

PQ波时间间隔T6：T6=t13-t8；

QT波时间间隔T7：T7=t7-t13；

QR波时间间隔T8：T8=t1-t13；

QR′波时间间隔T9：T9=t4-t13；

T波时间间隔T10：T10=t7-t6；

TP 波时间间隔T11：T11=t12-t6。

3 ECG组合测试波形检测识别的实验

按照心电图机检定仪ECG组合测试波形检测识别流程构建LabVIEW程序，使用NI公司的数据采集卡对ECG组合测试波形进行采集，采样率为1 MS/s。R波的阈值设定为R波标准值的最大允许误差之间。心电图机检定仪输出幅值为2 mV的ECG组合测试波形，其检测识别结果如图3。

实验显示，该方法可以准确检测识别出幅值参数A1～A10和时间间隔参数T1～T11，并且可以通过指示灯直观显示结果是否合格。

图3 ECG组合测试波形LabVIEW识别

4 结语

本文提出了基于虚拟仪器技术的ECG组合测试波形检测识别方法，使用NI公司的数据采集卡对ECG组合测试波形进行采样，并把采集到的信号进行检测及识别。本文构建了硬件结构并设计了检测识别软件，对采集的心电图机检定仪ECG组合测试波形进行实验，通过分析说明该方法可以快速准确地对心电图机检定仪输出的ECG组合测试波形进行检测、识别和分析，且准确度高。

[1]全国无线电计量技术委员会.JJG 1041-2008 [S].中国计量出版社, 2008.

[2]全国无线电计量技术委员会.JJG 749-2007 [S].中国计量出版社,2007.

[3]AdriaanLigtenberg, Murat Kant, A Robust.Digital QRS Detection Algorithm for Arrhythmia Monitoring[J].Computers and Biomedical Research, 1983(16): 273-286.

[4]陈永利, 段会龙.基于数学形态学和信号包络提取的QRS波检测[J].中国生物医学工程, 2007, 26(3): 332-335.

[5]张勇, 张萍.小波变换在心电图识别系统中的应用[J].石油化工高等学校学报，2007(9): 89-92.

[6]蒋德育, 刘光远, 龙正吉.基于心电P-QRS-T波的特征提取及情感识别[J].计算机工程与应用, 2009(8): 213-215.

[7]Jeffrey Travis,Jim Kring.LabVIEW 大学实用教程，3版[M].乔瑞萍，译.北京: 电子工业出版社, 2008.