基于wilson心电图导联体系的8电极和10电极同步采集方法与流程

本发明涉及心电导联技术领域，特别涉及一种基于wilson心电图导联体系的8电极和10电极同步采集方法。

背景技术：

现有技术中的心电图系统中，对于胸导联采用如下设计：胸前ⅴ1至v6导联采用一对一电极摆放方式，胸前导联采用frank导联体系横面向量投影方式。即用x和z轴以双极导联方式推导出胸前包含ⅴ1、v2…v7r、v9等12个导联抽角度和设置一定放大系数来完成心电图同步描记。

技术实现要素：

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于wilson心电图导联体系的8电极和10电极同步采集方法，可以大大减少了使用的导联电极数量，通过较少的电极数量即可实现18导联同步动态心电图，并且重建效果和精度高。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于wilson心电图导联体系的8电极和10电极同步采集方法，所述导联方法使用电极数量为8个或10个，当导联方法使用的电极数量为8个时，所述导联方法包括如下步骤:

步骤s1，基于wilson导联体系计算胸前12导联至15导联同步心电图，包括如下步骤：

步骤s11，设置4个胸前的固定电极导联位置，分别对应胸前导联ⅴ2、v9、v5r、ⅴ5，根据所述胸前导联电极建立x轴、y轴和z轴，其中，以右肩窝电极位置及左肋下联电极位置联为y轴，以v5电极位置和v5r电极位置联为x轴，以v2电极位置和v9电极位置联为z轴，以上述xyz轴构建三维线性空间；

步骤s12，利用所述三维线性空间中的三轴位置，计算出心脏在胸廓内相对三维空间位置，采用数学方式计算得出心脏在胸廓内对各个角度的参照值均为0的位置，记为心脏0电位；

步骤s13，以胸前导联v2至ⅴ9为一轴，以ⅴ5至v5r为另一轴，以心脏0电位为参考点，作为固有参照电极位置，推算出胸前各个导联轴角度和放大系数，采样上述两条相对垂直轴向电极形成两条胸前同步心电采样通道，将该两条胸前同步导联心电采样通道和两条肢导采样通道组成四条同步心电图通道；

步骤s14，利用上述四条同步心电图通道同步采集胸前导联和肢体导联的全信息心电信号，从而根据胸前的固定位置电极导联轴推算出的胸前虚拟电极导联轴，模拟出胸前12导联至15导联全信息，生成12至15胸前同步导联心电图电极；

步骤s2，基于wilson导联体系推算肢体6导联体系；

步骤s3，将步骤s1中的胸前12导联至15导联同步心电图联合步骤s2中的肢体6导联同步心电图，重建18同步导联至21同步导联心电图体系。

进一步，在所述步骤s2中，所述基于wilson导联体系推算肢体6导联体系，采用以下两种方式之一：

(1)分别在左右肩窝和左侧肋缘下放置电极，左右肩窝联联为i导联，右肩至左肋缘下联为ii导联，推导出iii、avr、avl、avf导联，构成标准肢体导联系统；

(2)采用步骤s1推算出的胸前各个导联轴角度和放大系数，进而推算出肢体导联信息。

进一步，在所述步骤s11中，设置4个胸前的固定位置导联电极，分别对应胸前导联ⅴ2、v9、v5r、ⅴ5。

进一步，当所述导联方法使用的电极数量为8个时，其中，胸前导联4个电极，包括v5r、v2、v5和v9；

当所述导联方法使用的电极数量为10个时，其中，胸前导联6个电极，包括v5r、v1、v2、v3、v5和v9。

进一步，所述构建三维线性空间，包括如下步骤：

以右肩窝电极位置及左肋下联电极位置联为y轴，以v5电极位置和v5r电极位置联为x轴，以v2电极位置和v9电极位置联为z轴，以上述xyz轴构建三维线性空间。

进一步，在所述步骤s12和s13之间，还包括如下步骤：

以胸前导联v2至ⅴ9为一轴，以ⅴ5至v5r为另一轴，采样上述两条相对垂直轴向电极形成两条胸前同步心电采样通道，将该两条胸前同步导联心电采样通道和两条肢导采样通道组成四条同步心电图通道，利用上述四条同步心电图通道同步采集胸前导联和肢体导联的全信息心电信号。

进一步，所述推算出胸前各个导联轴角度和放大系数，包括如下步骤：

根据胸前各导联相对体表位置，胸前其他导联分别以多个固定电极位置角度为参照角度向一定方向推算出各导联轴相应角度和放大系数，包括：

胸前导联v3在固定电极v2基础上向左推20至25度，为+60至65度，放大系数为1，其中，v2为+80度；

胸前导联v4r在固定电极v5r约+150至160度基础上向左推20至25度，为+140至130度，放大系数为1。

进一步，在所述步骤s13之后，还包括如下步骤:利用病例数据库中的多个病种的实际病例对得到的各个导联轴角度和放大系数进行调整，直至符合临床认可标准。

进一步，在所述步骤s3中，所述重建18同步导联心电图体系，包括如下步骤：

选取8或10个导联作为初始的用于重建的导联，这个重建导联组s可表示为：

s＝{l(1),...,l(i),...,l(m)}

18导联心电图ecg系统表示为：

e＝{ι,п,ш,avr,avl,avf,v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7,v8,v9,v3r,v4r,v5r}

当有n组样本(s1,e1),...,(sn,en),(n＞m)时，e与s之间的线性模型可表示为：

e＝m·β+ε

其中，e是样本ei,(i＝1,...,n)，β是转换矩阵，ε是一个误差矩阵。而m定义为：

分析标准18导联采样点的数据，用样本导联的采样点数据去拟合剩下的导联数据，拟合过程采用最小二乘法来评估，确定估计矩阵b，

则重建后的18导联矩阵可以表示为：

根据本发明实施例的基于心电图wilson的8或10电极虚拟或半虚拟单极导联方法，采用标准wilson方式，并用硬件和软件相合实现的一种全数字方式全新导联体系。本发明的心电信号釆集全部运用wilson导联体系为基本原理，胸部导联采用wilson体系单极导联方式为基础设计，运用虚拟(模拟)和半虚拟(半模拟)方式，在极少量固有参照电极基础上运用数学计算推导方式，以胸部少量体表电极导出多条同步导联心电图。即，以少量固定位置电极以wilson方式推导出12个包含v1至v9及v3r至v5r同步胸前心电图导联，再联合肢体导联6导联，组成18至21同步导联心电图体系。本发明可以大大减少了使用的导联电极数量，通过较少的电极数量即可实现18导联同步动态心电图，并且重建效果和精度高。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的基于wilson心电图导联体系的8电极和10电极同步采集方法的流程图；

图2a和图2b为根据本发明实施例的以心脏0电位为参考点的导联轴向角度的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出一种基于wilson心电图导联体系的8电极和10电极同步采集方法，通过本发明可以重建18同步导联至21同步导联心电图体系。

在介绍本发明之前，首先对同步18导联动态心电图系统dcg(dynamicelectrocardiogram，动态心电图)进行说明。

18导联动态dcg可以有效地覆盖全心脏各个部位，从而可以作到同步采集心脏各部位长程心电图的改变，由于覆盖面全，因此称为全信息心电图。并且由于是同步长程监控，这对临床来讲，可以向一线医务人员客观地、全面地监控病人心肌缺血情况和病情严重程度提供了有效手段。

18导联dcg不同于传统的12导联dcg，除了12导dcg监控的前壁、下壁、侧壁、间壁心电情况，同时可同步监控左心室正后壁和右心室心肌缺血性疾病的动态变化情况，尤其是可及时、有效观察到这两个部位心肌缺血、梗死等病情发展和变化的全过程。

具体来说，这两个部位心肌缺血和梗死在临床上有发病时间短、常和其它部位并发的特点，这个在12导联无法检测到的。利用18导联dcg可以向心内科一线临床提供了更全面、更及时监控心肌缺血性疾病的有效手段。因此，可以理解为12导联dcg取代了3导联dcg，实现了dcg仅仅是用于心律失常监控的桎梏，而18导联dcg则在12导联dcg基础上更全面地监控心脏各部位、各种类心肌缺血性疾病的全面动态情况，是心电图应用技术的一个重要发展。

如图1所示，本发明实施例的基于wilson心电图导联体系的8电极和10电极同步采集方法，包括如下步骤：

步骤s1，基于wilson导联体系计算胸前12至15导联同步心电图，包括如下步骤：

步骤s11，设置多个胸前的固定电极导联位置，根据胸前导联电极建立x轴、y轴和z轴，并根据xyz三轴构建三维线性空间。

在本发明的一个实施例中，设置4个胸前的固定位置导联电极，分别对应胸前导联ⅴ2、v9、v5r、ⅴ5。

现有技术是随机选取的三个互相垂直的导联作为xyz轴，不同个体对此空间坐标标准的符合程度不同，而且实际测定中电极位置的放置存在差别，导致重建结果误差。以右肩窝电极位置及左肋下联电极位置联为y轴，以v5电极位置和v5r电极位置联为x轴，以v2电极位置和v9电极位置联为z轴的xyz轴是固定的三维线性空间，而且v5、v5r、v2、v9是四个相对稳定且互相垂直的电极，所有个体均以此为空间坐标，重建结果更准确。

其中，本发明的导联方法使用电极数量为8个或10个。

其中，当所述导联方法使用的电极数量为8个时，其中，胸前导联4个电极，包括v5r、v2、v5和v9；

当所述导联方法使用的电极数量为10个时，其中，胸前导联6个电极，包括v5r、v1、v2、v3、v5和v9。

步骤s12，利用三维线性空间中的三轴位置，相对三维空间位置，采用数学方式计算得出心脏在胸廓内对各个角度的参照值均为0的位置，记为心脏0电位。

下面对数学计算的过程进行说明。

wilson中心电端(wct)由ra、la、ll电极电位的平均值，即wct＝(ra+la+ll)/3，kirchhoff定律不要求wct电位在心动周期中是0或保持恒定。wct与ra、la、ll之间的电位差被分别定义为新的额面肢体导联vr、vl和vf。wilson称这些电极对为“单极”导联。

具体地，构建三维线性空间，包括如下步骤：

以右肩窝电极位置及左肋下联电极位置联为y轴，以v5电极位置和v5r电极位置联为x轴，以v2电极位置和v9电极位置联为z轴，以上述xyz轴构建三维线性空间。利用三轴组成空间位置，用数学方式实现计算设定心脏在胸腔内相对位置(第四至五肋间水平)为0。

在本发明的一个实施例中，在步骤s12和s13之间，还包括如下步骤：以胸前导联v2至ⅴ9为一轴，以ⅴ5至v5r为另一轴，采样上述两条相对垂直轴向电极形成两条胸前同步心电采样通道，将该两条胸前同步导联心电采样通道和两条肢导采样通道组成四条同步心电图通道，利用上述四条同步心电图通道同步采集胸前导联和肢体导联的全信息心电信号。

本发明釆用3至4条通道同步釆集长程全信息(18导联同步心电信号)心电信号技术。

步骤s13，利用多个胸前的固定位置导联电极，以心脏0电位为参考点，作为固有参照电极位置，推算出胸前各个导联轴角度和放大系数，从而根据胸前的固定位置电极导联轴推算出的胸前虚拟电极导联轴，模拟出胸前12导联至15导联全信息，生成12至15胸前同步导联心电图电极。其中，12导联包括：12个v1至v9及v3r至v5r同步胸前心电图导联，即v1、v2、v3、v4、v5、v5、v6、v7、v8、v9、v3r、v4r、v5r。

需要说明的是，胸前的固定位置电极的数量在同步18导联心电图均不少于12个，胸前的固定位置电极的数量在同步21导联心电图均不少于15个。

例如，真实存在的胸前固定电极数量为4个，由该4个真实电极推算出8个虚拟导联电极，共同组成胸前12导联电极；

真实存在的胸前固定电极数量为4个，由该4个真实电极推算出11个虚拟导联电极，共同组成胸前15导联电极。

在本发明的一个实施例中，推算出胸前各个导联轴角度和放大系数，包括如下步骤：

参考图2a和图2b，根据胸前各导联相对体表位置，胸前其他导联分别以多个固定电极位置(ⅴ2、v9、v5r、ⅴ5)角度为参照角度向一定方向推算出各导联轴相应角度和放大系数，包括：

胸前导联v3在固定电极v2基础上向左推20至25度，为+60至65度，放大系数为1，其中，v2为+80度；

胸前导联v4r在固定电极v5r约+150至160度基础上向左推20至25度，为+140至130度，放大系数为1。

胸前导联v4在固定电极v5基础上向右推10至15度，为+40至45度，放大系数为1，其中，v5为+30度；

胸前导联v1在固定电极v5r约+150至160度基础上向左推50至55度，为+100至110度，放大系数为1。

胸前导联v6在固定电极v5基础上向左推10至15度，为+15至20度，放大系数为1，其中，v5为+30度；

胸前导联v3r在固定电极v5r约+150至160度基础上向左推40至45度，为+110至120度，放大系数为1。

通过采用上述方式可以推算出胸前12个同步心电图导联轴并形成同步胸导心电图。

需要说明的是，上述角度不是算出来的，而是根据wilson体系标准的电极安放位置转换成角度数据便于运算。

此外，本发明还包括如下步骤：利用病例数据库中的足够数量的多个病种的实际病例对得到的各个导联轴角度和放大系数进行调整，直至符合临床认可标准。

步骤s2，基于wilson导联体系推算肢体6导联体系。

在本发明的一个实施例中，基于wilson导联体系推算肢体6导联体系，采用以下两种方式之一：

(1)分别在左右肩窝和左侧肋缘下放置电极，左右肩窝联联为i导联，右肩至左肋缘下联为ii导联，推导出iii、avr、avl、avf导联，构成标准肢体导联系统。

具体地，在步骤s2中，基于wilson导联体系，分别在左右肩窝(锁骨下缘部位)和左侧肋缘下(腋前线)放置电极，左右肩窝联联为i导联，右肩至左肋缘下联为ii导联，用计算方式推导出iii、avr、avl、avf导联，构成标准肢体导联系统。

(2)采用步骤s1推算出的胸前各个导联轴角度和放大系数，进而推算出肢体导联信息。

具体地，通过从中心电端电位中除去单个探查电极的电位，goldberger“加压单极”肢体导联，之所以如此称谓是因为从数学角度上说，记录的波幅与利用wilson中心电端记录的相比增大50％。加压肢体导联的goldberger中心电端通过以下方法计算获得，即avr导联为(la+ll)/2，avl导联为(ra+ll)/2，avf为(ra+la)/2。因此，avl导联代表了左上肢与改良后的goldberger中心电端的电位差，其计算方法为la-(ra+ll)/2，其可简化为(ⅰ导联-ⅲ导联)/2。同样的，avr导联为ra-(la+ll)/2，可简化为-(ⅰ导联+ⅱ导联)/2；avf导联为ll-(la+ra)/2，可简化为(ⅱ导联+ⅲ导联)/2。这些衍生的导联提供了额面内的新向量视角。

步骤s3，将步骤s1中的胸前12导联至15导联同步心电图联合步骤s2中的肢体6导联同步心电图，重建18同步导联至21同步导联心电图体系。

首先，对导联之间的关系进行说明：

标准12导联ecg信号由肢体导联(ⅰ、ⅱ、ⅲ、avr、avl和avf)和胸导联(v1、v2、v3、v4、v5和v6)组成，18导联是在标准12导联的基础上又向右胸增加v3r、v4r和v5r和向左胸增加v7、v8和v9导联。其中，各导联之间的关系如下：

ⅰ-ⅱ-ⅲ＝0；

avr＝-(ⅰ+ⅱ)/2；

avl＝ⅰ-ⅱ/2；

avf＝ⅱ-ⅰ/2。

下面对心电图的重建过程进行说明。

根据重建算法的不同，导联重建方法主要可以分为线性重建法和非线性重建方法。下面以线性导联重建方法为例进行说明。绝大多数的导联重建系统都用线性变换的方法来进行ecg导联的重建。

假设选取m个导联作为初始的用于重建的导联，这个重建导联组s可表示为：

s＝{l(1),...,l(i),...,l(m)}

18导联ecg系统表示为：

e＝{ι,п,ш,avr,avl,avf,v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7,v8,v9,v3r,v4r,v5r}

当有n组样本(s1,e1),...,(sn,en),(n＞m)时，e与s之间的线性模型可表示为：

e＝m·β+ε

其中，e是样本ei,(i＝1,...,n)，β是转换矩阵，ε是一个误差矩阵。而m定义为：

因此，只需将转换矩阵β的估计矩阵b算出来就能将18导联重建出来。

本发明利用统计的方法来计算估计矩阵b，通过分析标准18导联采样点的数据，用样本导联的采样点数据去拟合剩下的导联数据，拟合过程采用最小二乘法来评估，最终确定估计矩阵b，实际上，在矩阵运算中，b＝(m^tm)^-1m^te即为线性回归运算后的结果。

在转换矩阵β的估计矩阵b确定后，则重建后的18导联矩阵可以表示为：

由此实现了导联的重建，而理论上统计的方法可以最少用2个导联来重建出标准的18导联，但随着用于重建的原始导联数量的减少，重建效果也会越差，因此需要选取合适的导联数量及导联种类来进行重建。

本发明中，从线性代数的角度看，心电向量是三维线性空间中的向量，xyz轴是这个线性空间中的一个基，导联轴也是这个线性空间中的向量。当九个导联轴的向量线性无关时，它们就构成了线性空间的一个基，从而可以求出各导联在这九个原始导联上的投影系数并作为重建系数，进而可以计算出十八导联的心电图数据。

本申请采用改良的wilson威尔逊导联体系，采用较少的体表电极少、具有图形还原好、干扰少(运用新的导联体系，采用新的电极贴法，可有效在一定程度上减少干扰的产生)的鲜明持点。本发明仅运用仅用4条心电采样通道，相比真18导为16个体表电极、14条心电通道，并采用全wilson方式，而非正交方式的方案，本发明体现了心电信号采样同步性好、通道少、电极片少、效率高、图形还原率高等特性。

本发明在面向医院和病人角度，均具有一定有益效果：

1)对医院来讲，可减少耗材，体现了节约精神，少消耗获得大信息量；

2)对病人来讲，由于电板少配带明显较为舒适，易被病人接受；

3)对于发展看，由于通道数明显减少，可有效控制信息量，充分扩大信息利用空间，极有利于远程同步心电信号传输工作的延伸。

根据本发明实施例的基于wilson心电图导联体系的8电极和10电极同步采集方法，采用标准wilson方式，并用硬件和软件相合实现的一种全数字方式全新导联体系。本发明的心电信号釆集全部运用wilson导联体系为基本原理，胸部导联采用wilson体系单极导联方式为基础设计，运用虚拟(模拟)和半虚拟(半模拟)方式，在极少量固有参照电极基础上运用数学计算推导方式，以胸部少量体表电极导出多条同步导联心电图。即，以少量固定位置电极以wilson方式推导出12个至15个包含v1至v9及v3r至v5r同步胸前心电图导联，再联合肢体导联6导联，组成18至21同步导联心电图体系。本发明可以大大减少了使用的导联电极数量，通过较少的电极数量即可实现18导联至21导联同步动态心电图，并且重建效果和精度高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。