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首页256导联体表电势:新型去噪与三维可视化研究
本篇论文主要探讨的是在信息技术迅速发展和城市化进程加快的社会背景下,心脏病发病率日益增长的问题。传统的12导联心电图(ECG)设备通过收集人体胸腔和四肢的信号来生成心电图,但其存在局限性,如覆盖的胸点较少、不包含背部电势,导致敏感性和特异性不足,无法精确描绘和分析复杂的心脏电生理活动。 论文提出了一种创新的方法,即基于256导联的心电信号获取技术。相比于12导联,256导联ECG采用大量电极覆盖患者胸部和背部,能提供更丰富的信息。作者针对256导联心电图特有的噪声特性,设计了一种新的降噪算法,旨在提高信号的质量和解析度。 论文的核心贡献是构建了一个三维体表电势地图,结合人体躯干模型和256导联心电信号,这种方法使得心电活动能在空间上得到更为精确的展示。通过体表电势,论文进一步提出了利用电位环提取心电向量,从而对心脏活动进行更深入的分析。作者还进行了敏感性分析,探究了电位环与心脏生理参数之间的关系,这对于理解心脏疾病的动态变化以及早期诊断具有重要意义。 此外,这篇毕业设计论文可能还涉及到了数据分析方法、信号处理技术、硬件设备的设计与优化,以及实际临床应用的可能性评估。论文的研究成果不仅提升了心电图分析的精度,也为医学研究和临床实践提供了新的视角和工具,对于推动心电学领域的进步具有积极的推动作用。该论文深入探讨了体表电势可视化在复杂心脏电生理活动研究中的应用价值,展示了作者在相关领域扎实的专业技能和深厚的研究功底。
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五章首先提出一种从 BSPM 中提取三维心电向量特征的方法,然后验证三维心
电向量特征的敏感程度,最后再使用第四章中融合所得的
BSPM
数据提取三维
心电向量训练深度神经网络完成分类任务。
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第 2 章 心电信号处理相关知识
2.1 ECG
心电向量背景介绍
2.1.1
心电信号基础
心脏通过有规律的跳动向全身循环系统输送血液。心肌细胞通过接受相邻
细胞的刺激进行去极化与复极化进而使得膜内外产生电位变化,而膜电位的变
化通过心脏周围的导电器官传导,在皮肤表面会产生细微的电位变化,心电采
集设备采集到微小的电位变化后使用放大器放大电位数值并按时间为轴将电位
绘制为波形就形成了 ECG 心电波形
[6]
。
一次完整的心脏起搏由窦房结发起,窦房结是心脏的自然起搏点确定了人
的心率,有规律的电兴奋从窦房结出发依次通过心房、房室结、房室束、浦肯
野纤维刺激心室完成一次整体收缩泵出血液。心脏的电活动可以记录为心电图,
心电图简称为
ECG
,在一个周期内的心电信号波形形态如图
2-1
所示。
图 2-1 典型 ECG 信号周期
心电图复合了节点和所有心肌细胞的产生的所有动作电位,心电图的各波
以及段对应了一个心电周期的某一个特定的生理事件:
(1)P 波 心电图中第一个波,此时对应于窦房结发出的电位刺激已经充满整
个心房并促使他们去极化,心房去极化过程中产生的体表电位变化形成的就是
P 波。
(2)P-R
段
P
波后大概
100
毫秒的平稳电位区间,这一时间内代表窦房结的
刺激向房室结传递的时间。传递过程中不会引起心室心肌细胞的兴奋,所以在
心电波形上只会体现为一段较平的低电位。
(3)QRS
波群 代表着房室结发出电兴奋,心室的去极化的全过程。
Q
波为首
先代表室内隔去极化、R 波为心室肌的去极化、S 代表心室基底部的去极化。
QRS 三个波连接在一起而且间隔很短,所以三者统称 QRS 波群。心房复极也在
这一时间段进行,但是在
12
导联心电图中这一生理活动完全被
QRS
波群遮蔽
是不可观察的。
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(4)S-T 段 心室肌收缩动作活动的平台期,表示心室正在收缩泵血直到去极
化结束进入心室快速复极的时间
(5)T
波 一段幅值相对较低而且时间间隔较长的波,表示心室舒张或者心室
复极前的心肌舒张。
根据上一小节从生理活动层面对各种心电信号波段的解释,通过心电信号
对心电生理活动进行分析就具有了相当程度的可解释性。医生可以根据心脏生
理活动的先验理论判断患者的心电异常
[6]
,例如从 P-R 段,P 波跨越时间间隔以
及形态特征可以对心肌梗死、心动过速和早搏做出诊断。由 Q 波诊断心室肥大,
心肌梗塞和心房扩大。通过 RS 波可以观察到肥胖和心肌炎症的区别。T 波形态
可以用来诊断心包炎和心肌梗塞。
2.1.2
心电向量形成机制
心肌细胞在进行去极化或者复极化的过程当中会使得各自表面电性发生变
化,从而产生电动力,这种有方向有大小的电矢量称为心电向量,由于心脏包
含大量细胞,每个细胞产生的心电向量综合起来会表现为综合向量,因此可以
通过使用综合向量来反映心脏的整体去极化以及复极化状态
[7]
。在每个时刻都
可以计算出一个综合向量,接下来将各个瞬间三维的综合向量轨迹序列逐个连
接就可以得到向量环,这种可以反映心脏各时刻状态的心电向量序列称为心电
向量环。心电向量的形成机制如图
2-2
所示。
图 2-2 心电向量的形成机制
心电向量记录了心脏电生理活动过程中各个瞬间的综合向量,侧重反应每
个心跳周期内各时间段电活动综合向量的特征,能够从侧面解释心电图波形的
产生。目前关于心电向量内部机制的一种理论称为心电向量的投影学说
[8]
,心
脏在除、复极过程中的形成的心电向量环,携带了心电位场的所有物理信息,
心电向量环与导联向量的点积就是心电图,或用数学术语表述为
:
心电图是心
电向量环在投影轴上的投影再乘以投影轴的长度。也就是说,心电导联的空间
位置形成的导联向量是心电信号形成的外部成因,而每个时刻计算得到的心电
向量是心电信号电势形成的内部成因,在体表的所有心电导联记录的心电电势
值都是记录了同一个心脏的心电向量环反映在体表的电势活动。
目前心电向量环一般使用专用的富兰克导联体系进行采集与绘制。研究表
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