1、第五章第五章 生物医学电源模型和三维生物医学电源模型和三维问题问题(Electro-signal Source Model and 3D Problems in Biomedicine)第一节第一节 生物电信号源的偶极子模型生物电信号源的偶极子模型（Dipole Model for Bio-electro-signal Source）理论上，任何细胞的兴奋都会产生电现象。现在研究得较多的有肌电（心肌、骨骼肌和平滑肌）现象和神经系统（中枢和外周神经系统、自主神经系统、诱发）电现象。本章将以用得最广的心肌电现象进行说明。一、生物电现象一、生物电现象v细胞受到刺激兴奋时，细胞内外电位差发生变化，离子
2、通道开放，产生通过通道的电解质传导电流，另外还有由于细胞内外电位差发生变化而产生的位移电流。二、生物电偶极子二、生物电偶极子三、心电偶极子和Einthoven学说 在研究人体电现象时，有解剖坐标系（对象为参照）和几何坐标系（观察者为参照）。Einthoven学说是把整个心脏的电活动等效于一个空间心电偶极子P。把双极肢体导联I、II、III看成人体正面（frontal view）一个等边三角形，称为Einthoven三角形。第二节第二节 传输介质和导联系统传输介质和导联系统（Trasmission Media and Lead Systm）一、信号源和传输介质特性一、信号源和传输介质特性(一一)
3、生物医学信号源特性生物医学信号源特性1体扩展源特性（体扩展源特性（3D extended feature for bioelectrosignal source）2传播的局限性（传播的局限性（propagation limitation）3宽带特性（宽带特性（wide band characteristics）(二二)生物医学信号传输介质特性生物医学信号传输介质特性1.非均匀性非均匀性(inhomogeneity)生物信号在体内的传播，是在非常不均匀的传输介生物信号在体内的传播，是在非常不均匀的传输介质中的传播。质中的传播。2.各向异性各向异性(anisotropy)不但生物电信号源没有球对称
4、性，体内传输介质也不但生物电信号源没有球对称性，体内传输介质也无球对称性。因此，在不同方向的测量，有不同的无球对称性。因此，在不同方向的测量，有不同的衰减，不同的相移，再加上介电常数的频散特性，衰减，不同的相移，再加上介电常数的频散特性，使之对信号的不同成分也有不同的衰减和相移，因使之对信号的不同成分也有不同的衰减和相移，因而即使是在对称方向测量的信号也可能并不具有对而即使是在对称方向测量的信号也可能并不具有对称性。称性。(三三)测量的近场性测量的近场性 生物医学信号的测量实践，都是在靠近非对称的扩展信号源很近的距离上完成的。不满足电偶极子近似的条件，更不满足点源的条件。体表测量的信号主要反映
5、其附近的组织的状态（正常或病理）和特征。如要用心电信号反映后壁心肌梗塞要使用背部靠近左心室的电极（V8、V9）。因此，在心电、脑电测量中，采用多电极系统就成了一种自然的需要。二、导联系统二、导联系统(一一)Wilson导联系统及其中心电端学说导联系统及其中心电端学说v1加压导联加压导联(augmented leads)v2中心电端中心电端v3.单极胸导联单极胸导联V1V6六个单极胸导联的六个单极胸导联的位置如图所示。位置如图所示。三、心电信号波形和时间参量三、心电信号波形和时间参量v1.心电信号波形的命名和意义心电信号波形的命名和意义 电势不为电势不为0的各种形状的波形，从左到右（几何坐的各种
6、形状的波形，从左到右（几何坐标系）分别称为标系）分别称为P波（波（P wave）、）、Q波（波（Q wave）、）、R波（波（R wave）S波（波（S wave）、后三者合起来称）、后三者合起来称为为QRS复合波（复合波（QRS complex）、往后为）、往后为T波波(T wave)、U波波(U wave)。心电信号各波形的生理意义为：心电信号各波形的生理意义为：P波为心房去极化波为心房去极化波。波。QRS复合波为心室去极化波。复合波为心室去极化波。T波为心室复极波为心室复极化波。化波。v2.心电信号波形的间期心电信号波形的间期 间期是重要的波形特征点间的时距（time span）v3.心
7、电信号波形的时限心电信号波形的时限 所谓时限是指特征波形延续的时间长度，即波形的宽度。四、正交导联四、正交导联空间向量心电图空间向量心电图v一种组态的正交导联：vX（X+与X）：左右腋中线与V2所处的同一水平面（横面）的交点。vY（Y+与Y）：通过锁骨中线与X轴正交的直线，电极置于该直线上的锁骨下缘和肋缘处。vZ（Z+与Z）：X、Y轴的交点的前胸与后背的对应位置的连线。规定X、Y、Z轴的方向为左、前、下为正,如图5-7。v心电向量环的作法：实际上平面心电向量环就是平面李萨如图形。在临床上或心电学中心电向量环的作法如下：v正面（frontal:额面）心电向量环：由测量的X、Y轴的心电信号合成。v
8、侧面（sagittal:矢状面）心电向量环：由测量的Y、Z轴的心电信号合成。v水平面（horizontal:横面或冠壮面）心电向量环：由测量的X、Z轴的心电信号合成。v空间心电向量环:可由测量的X、Y、Z轴的心电信号进行三维合成。计算机技术使心电向量环的绘制十分方便和稳定。五、导联阵五、导联阵体表电位标测体表电位标测 前面已经论及，心电源是扩展源（extended source），且体表心电测量属于近场测量，再加上介质和场的非均匀性（Nonhomogeneity）、各向异性（anisotropy），致使心前区的电极主要反映电极附近的心肌的电活动，因此，就有了心前区电极阵的设计出现。第三节第三节
9、 一维信号一维信号参数测量参数测量(1D Signal-Parameter Measurement)v一、基线校直（一、基线校直（Base line alignment）在典型的心电信号图形中，一般认为在典型的心电信号图形中，一般认为P-R段和段和U-P段段基本上处于基本上处于0电势线。电势线。应该特别指出的是，由于心电信号的应该特别指出的是，由于心电信号的ST段的抬高或段的抬高或降低有重要的生理和临床诊断意义，因此，在心电降低有重要的生理和临床诊断意义，因此，在心电信号处理中，要特别慎用高通滤波技术，因为高通信号处理中，要特别慎用高通滤波技术，因为高通滤波技术对滤波技术对ST段的状态（特别是
10、电压值）有严重影段的状态（特别是电压值）有严重影响。还要指出的是，生物医学信号，特别是心电信响。还要指出的是，生物医学信号，特别是心电信号，基线并非对称轴，因此，在时域特征提取中要号，基线并非对称轴，因此，在时域特征提取中要特别慎用去均值技术，因为去均值也对特别慎用去均值技术，因为去均值也对ST段的电压段的电压值有严重影响。值有严重影响。二、二、QRS复合波的检测复合波的检测R波的准确定位波的准确定位v在心电信号参数的计算机自动测量中，QRS位置的确定，特别是R波位置的准确测定是心电信号测量中的核心问题核心问题。v下面介绍一种成功用于R波的位置的准确测定方法：最大一阶导数加最大值双重搜索算法最
11、大一阶导数加最大值双重搜索算法。v1求一阶导数求一阶导数v2向前搜索一阶导数最大（绝对）值向前搜索一阶导数最大（绝对）值v3搜索局部一阶导数最大值搜索局部一阶导数最大值v4R波峰位置和幅值的搜索波峰位置和幅值的搜索v5.P、Q、S、T波峰位置和幅值的搜索波峰位置和幅值的搜索 (1)Q波峰位置和幅值的搜索波峰位置和幅值的搜索 (2)P波峰峰位置和幅值的搜索波峰峰位置和幅值的搜索 (3)S、T波峰位置和幅值的搜索波峰位置和幅值的搜索四、时间测量四、时间测量 对于心电信号的时间测量，大概分为两类：对于心电信号的时间测量，大概分为两类：一类叫间期（一类叫间期（interval），另一类叫时限），另一类
12、叫时限（duration。对于心电信号来说，一般首先。对于心电信号来说，一般首先确定确定QRS的位置，具体说是的位置，具体说是R波的位置，常波的位置，常选选II或或V5这样一些这样一些R波明显且直立导联。波明显且直立导联。v1.间期测量间期测量v2.时限测量时限测量v3.时段测量时段测量v4时间参数的计算时间参数的计算五、幅值测量五、幅值测量在校正了基线的情况下，幅值测量很容在校正了基线的情况下，幅值测量很容易完成。如果采样序列，如易完成。如果采样序列，如ECS（n）已经校准，则某个特征点的值就是该点已经校准，则某个特征点的值就是该点的幅值，两点的幅度差，也就是序列两的幅值，两点的幅度差，也就
13、是序列两点值之差。点值之差。六、波的形态分析六、波的形态分析第四节第四节 二维信号及合成二维信号及合成(2D Signal and Their Synthesis)一、二维信号的图形合成一、二维信号的图形合成 二、二维信号的线性数字合成二、二维信号的线性数字合成三、二维数字信号的矢量合成三、二维数字信号的矢量合成v1.二维数字信号的矢量（向量）合成算法二维数字信号的矢量（向量）合成算法v2.信号的矢量合成改变了频率的分布特性信号的矢量合成改变了频率的分布特性v3.交叉项的产生交叉项的产生第五节二维信号及合成二维信号及合成(3D Signal and Their Synthesis)v信号的三维合成可以看成二维合成的简单推广，故类似问题不再叙述。v信号的三维合成也可分为三维图形合成，三维线性合成和三维矢量合成。信号的三维图形合成产生空间矢量图
