高通滤波电路对心电波形ST段精确测量的影响研究

【作 者】宋艳涛，朱彩兵，魏兰兰，王凡，叶继伦，张旭，黄晓东

1 深圳大学医学院生物医学工程系，深圳市，518060

2 广东省生物医学信号检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

0 前言

心电波形ST段是由QRS波群结束到T波开始的平线，正常时接近于等电位线。心电ST段波形如图1所示。

图1 典型心电信号Fig.1.Typical ECG waveform

ST段偏移是指ST段的电平相对于等电位处的偏差。ST段偏移的测量主要是确定两个点：等电位点（ISO点）和ST测量点。等电位点一般选择P波和R波之间的PR段中的一点，而ST点选择R+X点。R+X点是指以R波顶点为基准，往后X点作为ST段的测量点，ISO点默认值为80 ms，ST测量点默认值为108 ms。

高通滤波电路常接在前置放大器与后一级的电压放大器之间，其作用主要是隔去前置放大器的直流电压和直流极化电压以及去除基线漂移这类低频噪声。但是ECG信号中ST段的频率也很低，其频谱与基线漂移非常接近，甚至可能重叠，正常情况下ST段多与等电位线平行，或有轻度的上下偏移；故如果使用的高通滤波器设计不合理则会引起ST段的失真。

1 心电波形ST段形态及意义

ST段正常的时限为J点之后的0.08 s～0.15 s，其长度受心率的影响。正常人的ST段多位于基线上，通常呈等电位。肢体导联抬高和胸导联V4～V6抬高不超过0.1 mV，压低不超过0.05 mV，在胸导联V1～V3导联上抬高不超过0.3 mV。

近些年来，人们经过大量的临床实践发现，心电图中的ST段的变化与大多数心血管疾病都有着紧密的联系，如冠心病、心肌炎、心肌病及其它各种器质性心脏病，其中以冠心病中的心肌缺血现象最为典型。因而，对于ST段的分析就显得尤为重要了。

ST段的改变具有重要的临床意义，因此，研究高通滤波电路对心电波形ST段影响具有重要的意义。

2 时间常数电路对ST段影响

2.1 性能测试

利用已经搭建的心电检测硬件平台(图2)将高通滤波电路分别调整为0 Hz、0.05 Hz、0.15 Hz和0.5 Hz，用心电模拟器MPS450调整心电波形ST段设置，并利用搭建好的软件平台来分别测试其对心电波形ST段的影响，软件平台如图3所示。

图2 实验室硬件平台Fig.2 Hardware platform of laboratory

图3 心电波形检测软件平台Fig.3 The software platform of ECG detection

MPS450可以调整等于或低于180 BPM(Beats Per Minute)的成人正常窦波的ST段，19 个可编程设置（mV）包括了从-0.8 mV 到+0.8 mV（步长为0.1 mV）以及+0.05 mV 和-0.05 mV。其指定的抬高/降低量是针对LeadⅡ的每mV ECG 幅值的变化，其它导联都是按比例分配。

心电模拟器MPS450输出的心电信号为80 BPM、1.0 mV的心电信号，分别测试在诊断模式下某知名公司监护仪（2010年生产）0.05 Hz的高通滤波对ST段影响和搭建心电检测硬件平台0.05 Hz高通滤波对ST段影响，其结果如图4所示。

图4 心电检测平台与某知名公司监护仪对比Fig.4 The platform of ECG detection compared with a established company's monitor

从图4中可以看出所搭建的心电检测硬件平台的测试结果与某知名公司监护仪（2010年生产）的测试结果基本一致，在ST偏移为负值时和期望值有一定的偏差，但是通过调节ISO和ST测量点可以达到期望值。从图4可以说明搭建的心电检测平台的性能可以达到要求，可以用来测试高通滤波对心电波形ST段的影响。

2.2 调整ST段设置测试不同滤波模式影响

用心电模拟器MPS450调整心电波形ST段包括了从-0.8 mV 到+0.8 mV（步长为0.1 mV）以及+0.05 mV 和-0.05 mV，指定的抬高/降低量是针对LeadⅡ。

心电模拟器MPS450输出80 BPM、1.0 mV的心电信号，测试在诊断模式下各个高通滤波对心电波形ST段的影响（在默认的ISO点和ST测量点模式下），测试结果如图5所示。

图5 调整ST段设置测试不同滤波模式下的影响（HP：高通滤波）Fig.5 Adjusting the setting of ST-segment and testing the effect of different filtering modes（HP：high-pass filter）

从图5可以看出，随着高通滤波的截止频率越低，曲线越靠近期待值，即截止频率越低对ST段影响越小。

2.3 不同滤波模式对ST段影响

利用心电模拟器MPS450分别调整ST段偏移量为0 mV、0.2 mV、0.4 mV、-0.2 mV及-0.4 mV，分别测试在不同的滤波模式下对心电波形ST段的影响,其中，当ST段设置为-0.2 mV和-0.4 mV时，需要调整ISO点和ST测量点，以得到预期的结果，测试结果如表1所示。

表1 不同滤波模式对ST段影响Tab.1 The effect of different filtering modes on ST-segment

从表1可以看出，信号在高通截止频率为0 Hz、0.05 Hz时对信号基本没有影响，在高通截止频率为0.15 Hz时对信号会产生影响，当高通截止频率为0.5 Hz时对信号产生严重的影响导致波形失真。

3 结论

从上述测量结果可以看出，高通滤波的截止频率越低，测量的结果就越接近期待值。心电图机检定规程规定合格心电图机的时间常数不小于3.2 s。因此，为了保证心电信号不失真地耦合到下一级，必须选择合适的电阻和电容，确保时间常数不低于3.2 s。

在监护产品中，针对心电的应用常有诊断、监护和手术等模式，其中监护模式下的滤波频带是0.5 Hz～40 Hz，手术模式下是1 Hz～25 Hz，其高通截止频率均大于等于0.5 Hz，会对心电波形的ST段测量产生显著性的影响，将直接影响基于ST段的临床诊断。

因此，在这两个模式的应用时，建议将ST段监测功能关闭，当需要ST段监测功能时，则可以增加ST段模式，即设置0.05 Hz～40 Hz的滤波频带，这样就能进行准确的ST段测量。

另外在本文的研究中，如采取直接耦合方式的心电测量功能，更能不失真地实现对ST段的准确测量，是未来获取高质量的诊断心电信号的关键实现方案。

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