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1、BIOMEDICALDIGITALSIGNALPROCESSING 生物医学数字信号处理 2009 03 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 BME在百年诺贝尔生理与医学奖中的份额 美国的保罗 劳特布尔和英国的彼得 曼斯菲尔德共同获得了2003年诺贝尔生理学或医学奖 核磁共振成像技术 三维图象 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WillisJ Tompkins书名 BiomedicalDigitalSignalProcessingISBN 7560925790页数 246 Lecture2Electrocar
2、diologyElectrocardiogramECG 第2讲心电学 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记录心脏每一心动周期所产生电活动变化曲线图形 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 Pukinjefiber 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
3、序传导 最后兴奋心室 这种先后有序的电激动的传播 引起一系列电位改变 形成了心电图上相应的波段 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 2 1Electrocardiologicbasis 2 1心电学基础 2 1 1threebasictechniques 2 1 1三种基本技术 1 StandardclinicalECG 12leads 1 标准临床ECG 12导联 2
4、 VCG 3orthogonalleads 3 MonitoringECG 1or2lead s 2 向量心电图 三维正交导联 3 监护ECG 1或2导联 2 1 2Electrodes 2 1 2电极 Figure2 3Asilver silverchlorideECGelectrode Manymodernelectrodeshaveelectrolytelayersthataremadeofafirmgelwhichhasadhesiveproperties Thefirmgelminimizesthedisturbanceofthechargedoublelayer 2 1 3心电等效
5、发生器 Figure2 4Boththeelectricalandmechanicalconditionsoftheheartareinvolvedindeterminingthecharacteristicsofthespreadofelectricalactivityoverthesurfaceoftheheart Amodelofthisactivityiscalledacardiacequivalentgenerator 2 1 3Thecardiacequivalentgenerator Figure2 5Einthovenequilateraltriangle RAandLAare
6、therightandleftarmsandLListheleftleg Acurrentdipoleisacurrentsourceandacurrentsinkseparatedbyadistance Sincesuchadipolehasmagnitudeanddirectionwhichchangethroughoutaheartbeatasthecellsintheheartdepolarize thisleadstothevectorrepresentation 电流偶极子是相隔一段距离的电流源和穴 漏 当心肌细胞去极化 读注 实际应包含反极化和复极化 时 这样一个偶极子的大小和方
7、向在整个心搏周期都是变化的 这就导致了向量表示法 P t Px t X十Py t Y十Pz t Z 2 1 WhereP t isthetime varyingcardiacvector Pi t aretheorthogonalcomponentsofthevectoralsocalledscalarleads andX Y Zareunitvectorsinthex y zdirections 式中P t 是时变心脏偶极子 Pi t 为该矢量的正交分量 也称为标量导联 X Y Z是X Y Z方向的单位矢量 Theforwardsolutionprovidesthepotentialatan
8、yarbitrarypointonthebodysurfaceforagivencardiacdipole Expressedmathematically 对于给定的心电偶极子 心电正问题的解提供了体表任意点的电位 数学上表示为 vn t tnxPx t 十tnyPy t 十tnzPy t 2 2 Thisforwardso1utlonshowsthatthepotentialvn t i e theECS atanypointnonthebodysurfaceisgivenbythelinearsumoftheproductsofasetoftransfercoefficients tni
9、uniquetothatpointandtheCorrespondingorthogonaldipolevectorcomponents Pi t TheECSsaretime varyingasarethedipo1ecomponents whilethetransfercoefficientsareonlydependentonthethoracicgeometryandinhomogeneities Thusforasetofkbodysurfacepotentials i e 1eads thereisasetofkequationsthatcanbeexpressedinmatrix
10、form V T P 2 3 WhereVisakxlvectorrepresentingthetime varyingpotentials Tisakx3matrixoftransfercoefficients Whicharefixedforagivenindividual andPisthe3x1time varyingheartvector 心电信号与偶极子分量一样是时变的 而传递系数则只决定于胸部的几何形状和非均匀性 因此 一组k体表电位 即 导联 就有kequations个方程的方程组 并可表示成矩阵形式 Ofcourse theheartvectorandtransfercoef
11、ficientsareunknownforagivenindividual Howeverifwehadawaytocomputethisheartvector Wecoulduseitintheso1utionoftheforwardproblemandobtaintheECSforanybodysurfacelocation Theapproachtosolvingthisproblemisbasedonaphysicalmodelofthehumantorso Themodelprovidestransfercoefficientsthatrelatethepotentialsatman
12、ybodysurfacepointstotheheartvector Withthisinformation wese1ectthreeECSleadsthatsummarizetheintrinsiccharacteristicsofthedesiredabnormalECStosimulate Thenwesolvetheinverseproblemtofindthecardiacdipolevector 自然 对于任一个体心脏向量P和传递系数T是未知的 然而 若我们有计算心脏矢量的方法 就可用之解正问题并获得任意体表位置的ECS 解此类问题的方法建立在人体胸廓物理模型的基础上 该模型提供
13、了众多体表点的电位与心脏向量的关系的传递系数 用该信息 则只选择三个ECS导联就能概括欲模拟的所希望的异常ECS的本质特征 然后 就解逆问题以求出心脏偶极向量 Thus forthreeheartvectorcomponent therearethreelinearequationsoftheform 因此 对于三个心脏向量的分量 有如下形式的三个线性方程 Px t bx1v1 t bx2v2 t bxkvk t 2 5 P B V 2 4 WhereBisa3xkmatrixofleadcoefficientsthatisdirectlyderivedfrominvertingthetran
14、sfercoefficientsmatrixT IfweselectkbodysurfaceECSleads v1 t v2 t vk t forwhichtheleadcoefficients T orB areknownfromthephysicalmodelofthehumantorso wecansolvetheinverseproblemandcomputethetime varyingheartvector P usingEq 2 4 Oncewehavethesedipolecomponents wesolvetheforwardproblemusingEq 2 3 tocomp
15、utetheECSforanypointonthebodysurface 如果选择了K个体表ECS导联 v1 t v2 t vk t 且由人体胸廓的物理模型得知了导联系数T 或B 则就可由 2 4 式求解逆问题并计算时变的心脏向量P 一旦有了这些偶极分量 则就可用方程 2 3 解正问题以计算任意点的ECS 2 1 4GenesisoftheECS 2 1 4心电的起源 TimevaryingmotionofthecardiacvectorproducesthebodysurfaceECSforoneheartbeatwithitscharacteristicPandTwavesandQRSco
16、mplex 心脏向量的时变运动产生体表心电 每搏都有其特征性的P T波和QRS复合波 Figure2 7Basicconfigurationforrecordinganelectrocardiogram Usingelectrodesattachedtothebody theECGisrecordedwithaninstrumentationamplifier a Transverse top viewofasliceofthebodyshowingtheheartandlungs b FrontalviewshowingelectrodesconnectedinanapproximateleadIIconfiguration Forthepointsintimethatthevectorpointstowardtheelectrodeconnectedtothepositiveterminaloftheamplifier theoutputECSwillbepositive going Ifitpointstothenegativeelectrode theECSwillbenega
