医学数字信号处理心电图课件.ppt
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- 医学 数字信号 处理 心电图 课件
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1、资料仅供参考,不当之处,请联系改正。霍金教授的办公室(剑桥大学)“我的书每增加一个公式,读者就减少一半”霍金教授资料仅供参考,不当之处,请联系改正。BME在百年诺贝尔生理与医学奖中的份额 美国的保罗美国的保罗-劳特布尔和英国的彼得劳特布尔和英国的彼得-曼斯菲尔德共同获得了曼斯菲尔德共同获得了2003年年诺贝尔生理学或医学奖诺贝尔生理学或医学奖-核磁共振成像技术核磁共振成像技术-三维图象三维图象百年总计(1901-2000)91(届次)100%属于BME范畴1618 %与BME密切相关1314 %不采用BME方法、技术、设备与材料就不能完成的3943 %与BME无关的2325%资料仅供参考,不当
2、之处,请联系改正。教材作者:美国威斯康辛大学电气与计算机工程系教授 前IEEE生物医学工程学会主席 Willis J.Tompkins书名:Biomedical Digital Signal ProcessingISBN:7560925790页数:246资料仅供参考,不当之处,请联系改正。Lecture 2ElectrocardiologyElectrocardiogramECG 第第2讲讲心电学心电学资料仅供参考,不当之处,请联系改正。心脏机械收缩之前,先产生电激动,心房和心室的电激心脏机械收缩之前,先产生电激动,心房和心室的电激动可经人体组织传到体表。心电图是利用心电图机从体表动可经人体组
3、织传到体表。心电图是利用心电图机从体表记录心脏每一心动周期所产生电活动变化曲线图形。记录心脏每一心动周期所产生电活动变化曲线图形。资料仅供参考,不当之处,请联系改正。心脏的特殊传导系统由窦房结、结间束(分为前、中、后结间束)、房间束(起自结间束,称Bachmann束)、房间交界区(房室结、希氏束)、束支(分为左、右束支,左束支又分为前分支和后分支)以及普肯耶纤维(Pukinje fiber)构成。心脏传导系统与每一心动周期顺序出现的心电变化密切相关。正常心电活动始于窦房结,兴奋心房的同时经结间束传导至房室结(激动传,然后循希氏束-左、右束支-普肯耶纤维顺序传导,最后兴奋心室。这种先后有序的电激
4、动的传播,引起一系列电位改变,形成了心电图上相应的波段。资料仅供参考,不当之处,请联系改正。 心电图机是记录心电图的专用仪器,有单道心电图机和多道心电图机,多道心电图机可以同时记录多导联的心电,最多有同时记录12导联的,而单道心电图机只能顺序记录12个导联,有手控的心电图机,也有程控的、微电脑控制或数字式的心电图机,在很多其它仪器中也常有心电记录电路模块。三道心电图机 顺序记录导联心电图后重新排列在一幅纸上运动心电图记录系统 资料仅供参考,不当之处,请联系改正。2.1Electrocardiologicbasis 2.1 心电学基础心电学基础2.1.1 three basic techniqu
5、es 2.1.1 三种基本技术三种基本技术1. Standard clinical ECG(12 leads) 1. 标准临床标准临床 ECG (12 导联导联) 2. VCG (3 orthogonal leads) 3. Monitoring ECG (1 or 2 lead(s) ) 2. 向量心电图向量心电图 (三维正交导联三维正交导联) 3. 监护监护 ECG (1或或2 导联导联) 资料仅供参考,不当之处,请联系改正。2.1.2 Electrodes 2.1.2 电极电极Figure 2.3 A silver-silver chloride ECG electrode. Many
6、modern electrodes have electrolyte layers that are made of a firm gel which has adhesive properties. The firm gel minimizes the disturbance of the charge double layer.资料仅供参考,不当之处,请联系改正。2.1.3 心电等效心电等效发生器发生器Figure 2.4 Both the electrical and mechanical conditions of the heart are involved in determini
7、ng the characteristics of the spread of electrical activity over the surface of the heartA model of this activity is called a cardiac equivalent generator2.1.3 The cardiac equivalent generator 资料仅供参考,不当之处,请联系改正。Figure 2.5 Einthoven equilateral triangle. RA and LA are the right and left arms and LL i
8、s the left leg. 资料仅供参考,不当之处,请联系改正。A current dipole is a current source and a current sink separated by a distance. Since such a dipole has magnitude and direction which change throughout a heartbeat as the cells in the heart depolarize, this leads to the vector representation. 电流偶极子是相隔一段电流偶极子是相隔一段距离
9、的电流源和穴距离的电流源和穴(漏漏)。当心肌细胞去极化当心肌细胞去极化 (读注:读注:实际应包含反极化和复实际应包含反极化和复极化极化)时,这样一个偶极时,这样一个偶极子的大小和方向在整个子的大小和方向在整个心搏周期都是变化的,心搏周期都是变化的,这就导致了向量表示法。这就导致了向量表示法。 P(t) = Px(t)X P(t) = Px(t)X 十十 Py(t)Y Py(t)Y 十十 Pz(t)Z (2.1)Pz(t)Z (2.1)Where P(t) is the time-varying cardiac vector, Pi(t) are the orthogonal component
10、s of the vector also called scalar leads, and X,Y,Z are unit vectors in the x, y, z directions.式中式中P(t) 是时变心脏偶极是时变心脏偶极子,子,Pi(t) 为该矢量的正交为该矢量的正交分量,也称为标量导联,分量,也称为标量导联, X,Y,Z 是是X,Y,Z方向的单位方向的单位矢量。矢量。资料仅供参考,不当之处,请联系改正。The forward solution provides the potential at any arbitrary point on the body surface f
11、or a given cardiac dipole. Expressed mathematically,对于给定的心电偶极子,对于给定的心电偶极子,心电正问题的解提供了心电正问题的解提供了体表任意点的电位,数体表任意点的电位,数学上表示为,学上表示为,v vn(t) = tnxPx(t)十十tnyPy(t)十十tnzPy(t) (2.2)This forward so1utlon shows that the potential vn(t) ( ie, ,the ECS) at any point n on the body surface is given by the linear sum
12、 of the products of a set of transfer coefficients tn i unique to that point and the Corresponding orthogonal dipole vector components Pi(t) 资料仅供参考,不当之处,请联系改正。The ECSs are time-varying as are the dipo1e components, while the transfer coefficients are only dependent on the t h o r a c i c g e o m e t
13、 r y a n d inhomogeneitiesThus for a set of k body surface potentials (i. e., 1eads), there is a set of k equations that can be expressed i n m a t r i x f o r m V = TP (2.3) Where V is a k x l vector representing the time-varying potentials, T is a k x 3 matrix of transfer coefficients, Which are f
14、ixed for a given individual, and P is the 3 x 1 time-varying heart vector心电信号与偶极子分心电信号与偶极子分量一样是时变的,而量一样是时变的,而传递系数则只决定于传递系数则只决定于胸部的几何形状和非胸部的几何形状和非均匀性。因此,一组均匀性。因此,一组 k 体表电位体表电位(即即, 导联导联), 就有就有 k equations个个方程的方程组,并可方程的方程组,并可表示成矩阵形式。表示成矩阵形式。 资料仅供参考,不当之处,请联系改正。Of course, the heart vector and transfer co
15、efficients are unknown for a given individualHowever if we had a way to compute this heart vectorWe could use it in the so1ution of the forward problem and obtain the ECS for any body surface locationThe approach to solving this problem is based on a physical model of the human torsoThe model provid
16、es transfer coefficients that relate the potentials at many body surface points to the heart vector. With this information,we se1ect three ECS leads that summarize the intrinsic characteristics of t h e d e s i re d a b n o r m a l E C S t o simulateThen we solve the inverse problem to find the card
17、iac dipole vector.自然,对于任一个体心自然,对于任一个体心脏向量脏向量P和传递系数和传递系数T 是未知的。然而,若我是未知的。然而,若我们有计算心脏矢量的方们有计算心脏矢量的方法,就可用之解正问题法,就可用之解正问题并获得任意体表位置的并获得任意体表位置的ECS。解此类问题的方解此类问题的方法建立在人体胸廓物理法建立在人体胸廓物理模型的基础上。该模型模型的基础上。该模型提供了众多体表点的电提供了众多体表点的电位与心脏向量的关系的位与心脏向量的关系的传递系数。用该信息,传递系数。用该信息,则只选择三个则只选择三个ECS导联导联就能概括欲模拟的所希就能概括欲模拟的所希望的异常望的
18、异常ECS的本质特的本质特征。然后,就解逆问题征。然后,就解逆问题以求出心脏偶极向量。以求出心脏偶极向量。资料仅供参考,不当之处,请联系改正。Thus, for three heart vector component, there are three linear equations of the form因此,对于因此,对于 三个心脏向三个心脏向量的分量,有如下形式的量的分量,有如下形式的三个线性方程三个线性方程 Px(t) = bx1v1(t) + b x2 v2(t) + + bxk vk(t) (2.5) P = BV (24) Where B is a 3 x k matrix o
19、f lead coefficients that is directly derived from inverting the transfer coefficients matrix T. 资料仅供参考,不当之处,请联系改正。If we select k body surface ECS leads v1(t), v2(t), , vk(t) for which the lead coefficients,T (or B),are known from the physical model of the human torso, we can solve the inverse proble
20、m and compute the timevarying heart vector, P, using Eq. (2.4). Once we have these dipole components, we solve the forward problem using Eq. (2.3) to compute the ECS for any point on the body surface.如果选择了如果选择了K个体表个体表E C S 导 联导 联 v1( t ) , v2(t), vk(t) ,且由且由人体胸廓的物理模型人体胸廓的物理模型得知了导联系数得知了导联系数T (或或B) ,则
21、就可由,则就可由(2.4)式求解逆问题并计算式求解逆问题并计算时变的心脏向量时变的心脏向量P 。一旦有了这些偶极分一旦有了这些偶极分量,则就可用方程量,则就可用方程(2.3)解正问题以计算任意解正问题以计算任意点的点的ECS.资料仅供参考,不当之处,请联系改正。2.1.4 Genesis of the ECS2.1.4 心电的起源心电的起源Time varying motion of the cardiac vector produces the body surface ECS for one heartbeat with its characteristic P and T waves a
22、nd QRS complex.心脏向量的时变运动心脏向量的时变运动产生体表心电,每搏产生体表心电,每搏都有其都有其 特征性的特征性的P、T 波和波和QRS复合波。复合波。Figure 2.7 Basic configuration for recording an electrocardiogram. Using electrodes attached to the body, the ECG is recorded with an instrumentation amplifier. (a) Transverse (top) view of a slice of the body showi
23、ng the heart and lungs. (b) Frontal view showing electrodes connected in an approximate lead II configuration. 资料仅供参考,不当之处,请联系改正。For the points in time that the vector points toward the electrode connected to the positive terminal of the amplifier, the output ECS will be positive-goingIf it points t
24、o the negative electrode,the ECS will be negative(The following statement is better and more detailed. “If the vector points to the electrode connected to the negative terminal of the amplifier, the ECS will be negative”) ) 在心脏矢量指向的在心脏矢量指向的电极连到放大器正电极连到放大器正端的那些时间点,端的那些时间点,输出的输出的ECS为正的。为正的。若心电向量指向的若心电
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