儿童心电图机的设计思路及应用

张波 刘鸣 向黎明 纪大鹏 余秀明 杨静

儿童心电图机的设计思路及应用

张波 刘鸣 向黎明 纪大鹏 余秀明 杨静

儿童尤其是婴幼儿作为一类特殊人群，其心血管系统的解剖、生理、心脏电活动频率与成年人有明显区别，儿童心电图的采集方法、分析参数和诊断标准亦有别于成人。但是，目前进行儿童心电图检查所使用的设备却是成人心电图机，诊断标准也大多采用成人标准。因此，开发一款能够无损采集儿童心电信号，支持儿童心电波形算法的专业心电图机刻不容缓。

心电图机；心电算法；自适应滤波；儿童

婴幼儿及儿童作为一类特殊人群，他们身体发育各个时期的生理、心理及病理状况都与成人有所不同，在临床上有其特殊性。但进行儿童心电图检查所使用的设备却是成人心电图机，国内心电图的诊断标准中，大部分诊断指标也没有将儿童单独列出来。因此，根据婴幼儿及儿童的特点，设计一款专用的儿童心电图机极其必要。

1 婴幼儿及儿童心脏解剖及心电图特点

1.1 婴幼儿及儿童心脏解剖和生理特点

胎儿期右室负荷大、左室负荷小而右心占优势。新生儿期左、右室壁厚度为1∶1，约为5 mm，随着年龄的增长，体循环的量日趋扩大，左室负荷明显增加，左室壁厚度较右侧增长为快。6岁时，左室壁厚达10 mm，右室则为6 mm，即1.6∶1(成人2.6∶1)。15岁时左室壁厚度增长到初生时的2.5倍，但右室仅增长原来厚度的1/3。而且小儿心脏位置随年龄而改变，2岁以内幼儿心脏多呈横位，3～7岁心脏逐渐转为斜位。婴幼儿时期表现为右室占优势，随着年龄的增长左室优势逐渐明显。

1.2 婴幼儿及儿童心电图特点

① 小儿交感神经占优势，心率较成人快，新生儿平均心率120～140次/min，到8～14岁时心率逐渐降至70～90 次/min。因为小儿迷走神经发育不成熟，所以婴幼儿窦性心动过缓往往有临床意义。② 小儿心率较快致各波段时限缩短，各间期及各波形持续时间较成人短。因此反映小儿心脏的心肌除极/复极时间指标均比成人短。③ 儿童胸壁薄，心电信息传导丢失少。各波振幅，尤其是心前导联振幅在5～14岁阶段较成人更大。④ 小儿心脏发育个体差异较大，T波不同年龄段有一定改变。

1.3 儿童(特别是婴幼儿)心理和生理特点

婴幼儿无意识的肢体活动、儿童对陌生环境的心理恐惧和不安等因素，使该人群对心电图检查依从性差，往往不能平静地配合医生完成心电图检查，哭闹和肢体活动所造成的偏差和伪差使原有心电异常被掩盖，往往是心电图采集质量不过关、检查失败的主要原因。

2 儿童心电图机的设计思路

2.1 常规15/16导联体系

在新生儿期，心电图以右室占优势，表现为心电轴右偏，可达+195°，右心前导联呈R型，左心前导联R/S<1。随着年龄增长，心电轴右偏逐渐减轻。3岁后心电轴<+120°，5岁以后接近于成人，多数为+30°～+90° 。

针对小儿右室占优势、心电轴右偏的特点，儿童心电图机应设计为常规15/16导联心电图，除常规12导联外，需增加右胸V3R～V5R(或V3R～V6R)。儿童心电图16导联体系的这种全对称方式，对于右位心患儿还可直接在心电图机上进行左右互换采样，给心电图检查医师提供方便。

2.2 儿童心电诊断标准算法

儿童心电图与成人心电图参数的差异客观存在，因此必须采用相应的儿童心电图诊断标准的算法，目前多家公司均有了儿童心电图诊断标准。

飞利浦DXL心电算法第一个做到了儿科的特异性分析，并引入典型的15导联儿科应用。将儿童分为12个年龄组，确保年龄相关的解释标准可以应用于分析采集的波形。

GE公司的Marquette 12SL 心电分析程序是第一个可以分析12导联心电信号并且同时记录10 s数据的商业化可用的心电程序，该程序具有儿科年龄的解释标准，能满足当前15导的标准并且能够分析儿科患者。

格拉斯哥大学12/15导心电图分析程序已连续开发超过30年。格拉斯哥儿科心电数据库(Glasgow pediatric ECG database)包括不满一个月的婴儿、幼儿和儿童，年龄范围是1天至18岁。格拉斯哥12导联心电图分析程序(Glasgow 12-lead ECG analysis program)中儿科心电图诊断程序1996年通过了美国FDA的认证。值得一提的是，格拉斯哥大学12/15导心电图分析程序在一定程度上承认患者种族的差异，例如对中国人用低一些的正常电压界限[1]。

瑞士SCHILLER公司的ETM-The Innovative ECG Analysis Program也有符合儿童标准的16导联心电图采集和分析及儿童心电图解释。

日本光电的ECAPS 12C分析程序适用于从3岁儿童到成人。

目前国产儿童心电图机就可以采用国外厂商的儿童心电图诊断程序，但这些心电图参数多半以数十年前欧美白种人资料为主，特别是小儿阶段病例统计样本较小、存在种族差异，且版权使用费极高，所以使用专门设备采集儿童心电图数据并开发出中国儿童心电图算法的任务刻不容缓。

2.3 高频响应至少250 Hz，超高采样率

从新生儿到成人，心电信号频率在逐渐递减。儿童QRS波具有较高的频率，且许多心电细节(波形)尚在研究中，此时输入信号若超过了心电图机所设定高频响应上限，整机增益会显著下降，就会产生不适当的高频反应，从而降低QRS波群振幅测量值和微小波形的检测能力。

就心电波形中QRS波群来说，成年人中大部分的心电诊断信息都在100 Hz以下，婴儿QRS波群频率最高可达250～350 Hz。为保证心电图机所描记心电波形进行诊断的准确性，儿童心电图机设计的高频响应上限至少应为150 Hz,婴儿应为250 Hz[2]。

依据国外的研究结果：150～300 Hz频响范围对儿童心电图形的影响比对成人心电图形的影响更明显，推测儿童QRS波群在此频响范围之间应该存在较高的频率。心电图机频响在300 Hz高频上限范围内时，数值越大，越能真实反映儿童心电图特征，但同时也增加了干扰波的引入。为提高所采集心电波形的准确性，综合考虑，推荐儿童使用心电图机的频率上限至少为250 Hz[3]。

高采样率的心电图机可以将数字信号更加准确地恢复成原本的心电信号，减少波形的失真，全面提高所描记心电图的质量，最大限度的反应原本的心电信号。尽管目前推荐数字化电路心电图机采样率不能<500 Hz/通道，但是对于起搏器心电图来说，要保证检测和显示，只有采样率≥2 000 Hz/通道时才能够捕捉低于0.5 ms的起搏器刺激脉冲。高端模数转换器的采样率能够达到10 000～15 000 Hz，甚至更高[4]。

2.4 针对儿童哭闹的自适应滤波专利技术

婴幼儿、儿童进行检查时缺乏良好的依从性，哭闹、四肢乱动，导致严重的干扰、伪差，均会影响心电图的分析结果。有时不得不使用镇静药，让患儿安静入睡后再行检查。由于哭闹和运动的频率与心电波形频率区别较大，只要能够采用软件滤波技术过滤掉干扰波，将会给儿童心电图检查带来极大的方便。

针对儿童尤其是婴幼儿易哭闹的特点，武汉中旗生物医疗电子有限公司基于其独有的自适应滤波专利技术(工频噪声滤除装置与方法)，特别设计了针对哭闹模式的算法，可有效解决儿童在哭闹时产生的干扰或伪差(图1，图2)。

图1 儿童哭闹时记录的心电图片段

图2 同一片段应用儿童心电伪迹去噪算法后

2.5 心电图机附件产品设计儿童化

婴幼儿、儿童进行检查时，会对导线、电极夹(球)恐惧、惊慌，甚至担心触电。可考虑将心电图机、导线和电极进行贴心设计，或者可采用卡通外观和卡通电极，减少儿童的紧张、恐惧心理。根据儿童的身体特点选用大小适合的电极，钟形金属吸附电极，要求吸力适中，粘贴电极要黏性适度，以防损伤皮肤。

基于儿童的心理、生理及心电信号的特殊性，开发一款能够无损采集儿童心电信号、支持儿童心电波形算法的专业心电图机刻不容缓。2016年12月31日由武汉中旗生物医疗电子有限公司和武汉亚洲心脏病医院成立“中旗-亚心心电联合研究实验室”，经过5个月的研发，在2017年5月的“第四届全国动态心电图大会”上，发布了国内首款针对14岁以下儿童设计的专业心电图机，契合儿童的心脏电生理特点，外观设计也十分人性化。投入临床使用后将极大改善儿童心电图检查的效率及结果的精度。

[1] Peter W, Marion P. Serial comparison in the glasgow ECG analysis program[J]. J Electrocardiol，1986，19(3):309.

[2] 王永生，王永生，王巍亚，等. 心电图机频响范围对儿童心电图振幅的影响[J].中国实用儿科杂志，2013,28(4)：298-299.

[3] Eleuteri A, Fisher AC, Groves D, et al.An efficient time-varying filter for detrending and bandwidth limiting the heart rate variability tachogram without resampling: MATLAB open-source code and Internet web-based implementation[J].Comput Math Methods Med,2012. doi:10.1155/2012/578785.

[4] 郭继鸿，林治湖，刘仁光，等.心电图标准化和解析的建议与临床应用国际指南[M].北京:中国环境科学出版社，2009:5-7.

Designandapplicationofelectrocardiogramforchildren

ZhangBo1,LiuMing2,XiangLi-ming2,JiDa-peng1,YuXiu-ming2,YangJing2

(Department of Cardiac Function, the Affiliated Hospital of Jianghan University(Wuhan No.6 Hospital), Wuhan Hubei 430015; 2. Cardiac-pulmonary Function Testing Center, Wuhan Asia Heart Hospital, Wuhan Hubei 430022, China)

As a special group, children especially infants have their own anatomic and physiologic features of cardiovascular system, and frequencies of cardiac electrical activities, which is significantly different from adults. The collection method, analysis parameters and diagnostic criteria for children electrocardiogram(ECG) are also different from those for adults. However, the ECG equipments and diagnostic criteria for children are almost the same as those for adults at present. Therefore, it is urgent to develop a professional ECG machine for children, which is capable of collecting children’s ECG signals nondestructively and supporting children ECG waveform algorithm.

ECG machine; ECG algorithm; adaptive filtering; chlidren

430015湖北 武汉，江汉大学附属医院(武汉市第六医院)心功能科(张波，纪大鹏)；430022湖北 武汉，武汉亚洲心脏病医院心肺功能检测中心(刘鸣，向黎明，余秀明，杨静)

张波，副主任医师，主要从事心脏电生理检查及研究。

刘鸣，E-mail：278009820@qq.com

R541.71;R540.41

A

2095-9354(2017)04-0260-03

10.13308/j.issn.2095-9354.2017.04.005

2017-06-15) (本文编辑：郭欣)