心室复极高频波的检测、诊断与心脏猝死预测系统

摘要

心脏猝死是指因心脏原因引起的突然、快速、意料不到的死亡。心脏猝死是一种严重危害人类健康的疾病，它具有发病率高、发病突然和死亡率高的特点，患者一旦出现症状，通常1会在一小时内死亡。就现有的急救技术水平而言，心脏多停搏1分钟，抢救的成功率就会下降7％到10％，如果心脏停搏时间超过10分钟，患者活下来的希望就微乎其微了。更为不幸的是，有60％到70％的心脏猝死事件发生在医院之外，根本不可能在10分钟之内得到专业化的抢救。因此避免心脏猝死主要是依靠预测和预防。 心脏猝死预测研究已有几十年的历史，有广泛影响的预测方法也已发展到十几种之多，但这些方法都有各自的局限性，至今尚无一种方法能够很好地满足临床实践的需求。 本文基于课题组新发现的心室复极的S-T—U段的一系列微伏级的高频小波，我们将它命名为心室复极高频波。由于心室复极阶段与心脏猝死的密切联系以及高频心电信号对于心脏疾病的诊断价值，心室复极高频波在心脏猝死预测和心脏疾病诊断方面有着巨大潜力。心室复极高频波研究的意义在于：(1)在心脏猝死的预测方面，能得到比QT变量、T波交替更好的结果。(2)可以用于对心脏病患者治疗前、治疗中和治疗后心脏猝死危险性预测。(3)将成为临床心脏疾病诊断的新方法、新工具。 本研究课题基于国家自然科学基金资助项目(项目编号：60571034)，将为心室复极高频波的研究提供先进的硬件和软件平台，对心室复极高频波产生的机理及其与心脏猝死和心脏疾病的联系作进一步的研究。本论文的主要工作在于： (1)发现并提出了心室复极高频波这一全新的心电现象，对心室复极高频波的深入研究将开辟出一个全新的研究领域，为心脏疾病的诊断和心脏猝死风险的预测提供新的方法。 (2)从心脏模型结构和电生理的角度对心室复极高频波的电生理基础进行了研究。对心室复极高频波的产生机制做出了初步的论证，为以后的活体解剖实验和心腔内标测提供了理论依据和实际参考。 (3)利用临床试验和数据库数据分析，研究了室性心动过速和心肌梗塞两类疾病患者的心室复极高频波波形的特征和参数，并取得了有价值的发现。心室复极高频波的病理特性从实验的角度论证了心室复极高频波的研究潜力和意义，并为心室复极高频波诊断阳性标准的建立奠定了基础。 (4)解决了心室复极高频波体表检测的关键性问题。采用零相移滤波、自适应滤波和小波域维纳滤波等多种信号处理方式相结合的方法成功实现了心室复极高频波的体表无创检测。该方法曾被用于体表希氏束的无创检测，与国外的同期研究对比显示，该方法具有一定的先进性。同时，该方法不仅仅局限于希氏束和心室复极高频波等心电信号的检测，通过一定形式的调整也可以适用于一般情况下的微弱信号检测。 (5)建立了心室复极高频波规范，搭建了心室复极高频波的硬件检测平台和软件综合系统，并在常规心电信号处理的某些方面，如QRS波识别和心电信号压缩提出了改进的方法。硬件平台和软件系统为心室复极高频波的研究提供了工具。 本文研究的内容和结论实现了预期的目的并达到了国家自然科学基金项目的要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1心脏猝死

1.1.1心脏猝死

1.1.2历史背景

1.1.3心脏猝死的机制

1.1.4心脏猝死的特点和危害性

1.2心脏猝死风险预测的研究现状

1.2.1国外现状

1.2.2国内现状

1.3心脏猝死风险预测方法及其局限性

1.3.1左室射血分数

1.3.2心电图

1.3.3长程动态心电图记录

1.3.4运动测试和功能状态

1.3.5压力感受器敏感性

1.4心室复极高频波及其研究的意义

1.4.1心室复极高频波的发现及定义

1.4.2心室复极高频波的研究进展

1.4.3心室复极与心脏猝死

1.4.4高频心电成分研究的意义

1.4.5心室复极高频波研究的意义

1.5本论文工作

1.5.1研究的内容、目标和关键问题

1.5.2研究方法与技术路线

1.5.3特点与创新

1.6论文结构安排

1.7本章小结

第2章 心室复极高频波的电生理基础探讨

2.1概述

2.2心电产生的原理

2.2.1静息电位

2.2.2动作电位

2.2.3除极与复极的电偶学说

2.2.4容积导电

2.3心脏起搏传导系统

2.3.1窦房结

2.3.2结间束与房间束

2.3.3房室交界区

2.3.4心室内传导束

2.3.5浦肯野纤维

2.3.6副传导束

2.3.7心脏激动传导

2.4心电向量

2.5心房以及心室晚电位

2.6心室复极高频波电生理研究

2.7本章小结

第3章 心室复极高频波体表检测的关键技术

3.1生物医学信号的特点[137]

3.1.1产生生物医学信号的系统的特点

3.1.2生物医学信号源的特点

3.1.3生物医学信号传输介质的特点

3.1.4生物医学信号的特点

3.1.5心室复极高频波信号的特点

3.2干扰及噪声

3.3零相位滤波

3.4低通滤波

3.5 50Hz及其谐波滤除

3.6基线漂移的消除

3.7小波域维纳滤波

3.7.1维纳滤波[158]

3.7.2小波变换

3.7.3多尺度分析

3.7.4小波域维纳滤波

3.8本章小结

第4章 心室复极高频波检测系统的硬件设计

4.1系统概述

4.1.1系统设计要求

4.1.2系统总体结构

4.2信号获取与放大

4.2.1体表电极

4.2.2电极位置

4.2.3放大电路

4.3数据采集与无线传输

4.3.1 16位ADCH芯片AD976[160]

4.3.4无线传输芯片nRF2401A[163]

4.3.5硬件配置与流程

4.4无线接收及USB总线

4.4.1USB简介

4.4.2EZ-USB AN2131QC[167]

4.4.3 USB固件设计[167-168]

4.4.4 USB驱动程序[169-172]

4.5系统安全

4.6本章小结

第5章　心室复极高频波检测系统的软件设计

5.1总体架构

5.2数据读取与USB控制

5.3接口显示及测量

5.4文件操作

5.5数据压缩存储

5.5.1概述

5.5.2QRS波检测与信号分段

5.5.3周期一致化

5.5.4预测

5.5.5量化与编码

5.5.6心电周期的编码

5.5.7实验结论

5.6本章小结

第6章　实验结果与若干病理研究

6.1实验结果

6.1.1动物实验[182]

6.1.2人体实验

6.2心室复极高频波的相关病理研究

6.2.1室性心动过速前期的心室复极高频波变化

6.2.2心肌梗塞病人与健康人群各波间期差异

6.3本章小结

第7章　结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

附录

致　谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果