2003年--外文翻譯--生成合成心電信號(hào)的動(dòng)力學(xué)模型（譯文）

1、<p>　　中文4990字，3400單詞，17300英文字符</p><p>　　出處：McSharry P E, Clifford G D, Tarassenko L, et al. A dynamical model for generating synthetic electrocardiogram signals[J]. Biomedical Engineering, IEEE Transact

2、ions on, 2003, 50(3): 289-294.</p><p>　　生成合成心電信號(hào)的動(dòng)力學(xué)模型</p><p>　　A Dynamical Model for Generating Synthetic Electrocardiogram Signals</p><p>　　學(xué) 部（院）： 電信學(xué)部 </p><p

3、>　　專 業(yè)： 生物醫(yī)學(xué)工程 </p><p>　　生成合成心電信號(hào)的動(dòng)力學(xué)模型</p><p>　　Patrick E. McSharry , Gari D. Clifford, Lionel Tarassenko, and Leonard A. Smith</p><p><b>　　摘要</b></p>

4、;<p>　　一個(gè)基于三個(gè)相關(guān)聯(lián)的普通微分方程的動(dòng)力學(xué)模型，該系統(tǒng)能夠生成逼真的合成心電信號(hào)。該操作能詳細(xì)顯示心率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差以及心電的PQRST周期的形態(tài)和RR血流速度圖的功率。特別的，該模型包含了在高頻的呼吸性竇性心率不齊和在低頻的Mayer波以及低頻與高頻的比率。許多在形態(tài)學(xué)和時(shí)域的人類(lèi)心電圖的beat-to-beat變化，包括QT的分散度和R峰的振幅調(diào)整都在結(jié)果中顯示出來(lái)了。該模型可能能夠評(píng)估生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理

5、的方法，這能夠計(jì)算心電圖的臨床統(tǒng)計(jì)學(xué)。</p><p>　　關(guān)鍵詞——?jiǎng)恿W(xué)模型，心率變異性（HRV），Mayer波，QRS形態(tài)，QT間隔，呼吸性竇性心率不齊，RR間隔，RR血流速度圖，合成心電圖。</p><p><b>　　1.介紹</b></p><p>　　心電信號(hào)是一個(gè)時(shí)變的信號(hào)，它反映了引起心臟纖維收縮與隨后的舒張的離子電流。體表心

6、電信號(hào)是通過(guò)記錄放置于皮膚表面的兩電極的電勢(shì)差獲得的。心電信號(hào)的一個(gè)正常信號(hào)周期代表了每次心跳時(shí)連續(xù)的心房去極化/復(fù)極化和心室的去極化/復(fù)極化。這些可以近似的描述成圖1中的心電信號(hào)波形標(biāo)注的波峰與波谷P，Q，R，S，T。</p><p>　　圖1 。 正常人類(lèi)的平均P，Q，R，S，T心電圖形態(tài)記錄</p><p>　　從真實(shí)的心電信號(hào)中提取有用的臨床信息需要可靠的信號(hào)處理方法。這些包括R

7、峰的檢測(cè)，QT間隔的檢測(cè)，從心電信號(hào)中分離處心率和呼吸率。RR間隔是相連的兩個(gè)R峰之間的時(shí)間，反過(guò)來(lái)，這個(gè)時(shí)間間隔可以計(jì)算出瞬時(shí)心率。一系列的RR間隔被稱作RR血流速度圖。這些RR間隔的可變性揭示了關(guān)于生理狀態(tài)這一問(wèn)題的重要的信息。目前，新的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理方法被評(píng)估通過(guò)將他們應(yīng)用于心電信號(hào)在大的數(shù)據(jù)庫(kù)中，例如生物數(shù)據(jù)庫(kù)。雖然這給操作者一個(gè)指示關(guān)于一個(gè)給定的算法的準(zhǔn)確性當(dāng)它應(yīng)用于實(shí)際時(shí)，但是它很難推斷其性能會(huì)怎樣變化在不同的有一定范圍的

8、噪音水平和采樣頻率的臨床設(shè)定中。得到逼真的人造心電信號(hào)可以對(duì)這個(gè)評(píng)估有幫助。</p><p>　　這篇文章展示了一個(gè)能產(chǎn)生一個(gè)合成心電信號(hào)并擁有逼真的PQRST形態(tài)和指定的心率動(dòng)態(tài)的模型。該模型的目的是提供一個(gè)擁有已知特性的標(biāo)準(zhǔn)的逼真的心電信號(hào)。該信號(hào)能在具體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)例如心率的均值和標(biāo)準(zhǔn)差和心率變異性的頻域特性下生成，例如，低頻與高頻的比率被定義為功率的比率，它在RR血流速度圖中在0.0015~0.15Hz和0

9、.15~0.4Hz之間。通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)能代表一個(gè)典型的人類(lèi)心電的信號(hào)，有助于比較不同信號(hào)處理的方法。一個(gè)合成心電信號(hào)能在不同的采樣頻率和不同的噪聲水平下產(chǎn)生來(lái)確定一個(gè)給定的方法的性能。這個(gè)性能可以被表現(xiàn)出來(lái)，例如，有許多真陽(yáng)性，假陽(yáng)性，真陰性，假陰性在每次試驗(yàn)中。這個(gè)性能的評(píng)估可以看作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并且可以幫助臨床醫(yī)生確定哪個(gè)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理方法用于給定的實(shí)際應(yīng)用中是最好的。</p><p>　　這篇論文安排如下。第二部

10、分概述心動(dòng)周期的生理機(jī)制和回顧心電信號(hào)反映的形態(tài)變異。第三部分簡(jiǎn)要回顧心率變異性。該動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)將在第四部分介紹，第五部分研究該系統(tǒng)。第六部分總結(jié)和討論可能用于模擬特殊障礙的擴(kuò)展模型。</p><p><b>　　2. 心電信號(hào)形態(tài)</b></p><p>　　心臟的每一次跳動(dòng)都可以看成是一系列在心電信號(hào)基線上的偏差。這一偏差反映了啟動(dòng)肌肉收縮的心臟電活動(dòng)的時(shí)間演化。心

11、電信號(hào)的一個(gè)竇（正常）周期與一個(gè)心跳相一致，它習(xí)慣上用字母P，Q，R，S和T在它的每一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)上標(biāo)記。（如圖１）。心電信號(hào)可以分解成下面幾個(gè)部分。</p><p>　　P-wave:小低壓偏移基線由去極化引起的心房收縮前心房的激活(去極化)波前傳播從SA節(jié)點(diǎn)通過(guò)心房。</p><p>　　PQ-interval:心房去極化的開(kāi)始到心室去極化的開(kāi)始的時(shí)間。</p><p&

12、gt;　　QRS波群: 心電信號(hào)的最大振幅部分,由前心室去極化收縮時(shí)產(chǎn)生的電流造成。 雖然心房復(fù)極化發(fā)生在心室去極化前,后者的波形(即QRS波群)是更大的振幅和心房復(fù)極化因此在心電圖中不可見(jiàn)。</p><p>　　QT-interval:心室去極化開(kāi)始到心室復(fù)極化的結(jié)束之間的時(shí)間。 臨床研究已經(jīng)證明,QT-interval隨著RR-interval的增加線性增長(zhǎng)( 4 ]。 延長(zhǎng)QT-interval可能與延遲有

13、關(guān)心室復(fù)極化從而引起室性快速性心律失常導(dǎo)致心臟猝死有關(guān)。</p><p>　　ST-interval:S-wave的結(jié)束到 T-wave的開(kāi)始之間的時(shí)間。 顯著升高或壓低振幅通常與心臟疾病有關(guān)。</p><p>　　T-wave:心室復(fù)極化,即心肌為下一個(gè)周期的心電圖做準(zhǔn)備。</p><p>　　3. 心率變異性（HRV）</p><p>　

14、　使用beat-to-beat RR-intervals(RR血流速度圖) 分析瞬時(shí)心率變化的時(shí)間序列被稱為心率變異性分析。心率變異性分析可以提供一個(gè)對(duì)心血管疾病的評(píng)估。 心率加速可能是減緩交感神經(jīng)活動(dòng)或減少快速副交感神經(jīng)(迷走神經(jīng)的)活動(dòng)引起的。交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)之間的平衡系統(tǒng),自主神經(jīng)系統(tǒng)的兩個(gè)相反的行動(dòng)分支,被稱為交感迷走平衡和被認(rèn)為是反映beat-to-beat心動(dòng)周期的變化。心率是RR-interval的倒數(shù)單位是次每分鐘。

15、RR血流速度圖的頻譜分析通常用于估計(jì)交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)RR-intervals的調(diào)制的影響。 兩個(gè)主要感興趣的頻段被稱為低頻帶(0.04 - -0.15Hz)和高頻頻帶(0.15 - -0.4Hz)。交感神經(jīng)音調(diào)被認(rèn)為影響低頻分量,而交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)活動(dòng)影響高頻分量。 功率之比包含低頻和高頻分量已被用來(lái)衡量交感迷走平衡。</p><p>　　呼吸性竇性心律不齊(RSA)是由于副交感神經(jīng)活動(dòng)與呼吸周期同步產(chǎn)生

16、的振蕩的RR血流速度圖。呼吸性竇性心律不齊振蕩表現(xiàn)為高頻波段的頻譜峰值。 例如,每分鐘15次呼吸對(duì)應(yīng)一個(gè)功率譜的峰值為0.25Hz的4 s振蕩。 第二個(gè)峰值經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在低頻帶的頻譜大約0.1Hz的地方。 而引起這10-s節(jié)奏的原因爭(zhēng)論強(qiáng)烈,一個(gè)可能的解釋是,這可能是由于在血壓信號(hào)中創(chuàng)造所謂的 Mayer波的壓力調(diào)節(jié)規(guī)則。</p><p><b>　　4.動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)</b></p>

17、<p>　　該模型生成一個(gè)軌跡與坐標(biāo)(三維(3 d)狀態(tài)x,y,z)。 心電圖的準(zhǔn)周期反映在運(yùn)動(dòng)軌跡在一個(gè)吸引極限環(huán)的單位半徑(x,y)平面上。在這個(gè)圓中的每個(gè)循環(huán)對(duì)應(yīng)于一個(gè)RR-interval或心跳。心電圖的心跳變化的復(fù)制是使用在z方向的運(yùn)動(dòng)軌跡。心電圖中的特殊點(diǎn)P,Q,R,S和T所描述的事件相應(yīng)的消極和積極的吸引子/排斥子在z方向。 這些事件被放置在固定角度的單位圓 (見(jiàn) 圖2 )。 當(dāng)這些軌跡處理一個(gè)事件時(shí),它是推動(dòng)

18、向上或者向下極限環(huán),然后隨著它移動(dòng)遠(yuǎn)它被拉回極限環(huán)。</p><p>　　圖2。 生成的動(dòng)力學(xué)模型的典型的軌跡(1) 在三維空間中給出的(x，y，z)。 虛線反映了極限環(huán)的單位半徑而實(shí)線的小圓圈顯示P，Q，R，S和T事件的位置,。</p><p>　　給出了動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程的一組三個(gè)常微分方程</p><p>　　其中 ,,(第四象限反正切的部分元素x和y)，-，為軌

19、跡的角速度，它繞著極限環(huán)運(yùn)動(dòng)?；€漂移被介紹用耦合基線值在（1）用呼吸頻率使用</p><p>　　(2)　其中A=0.15mV.</p><p>　　這些由（1）給出的運(yùn)動(dòng)方程 綜合使用四階龍格-庫(kù)塔數(shù)值方法與一個(gè)固定的時(shí)間間隔 其中是采樣頻率。</p><p>　　來(lái)自正常的主題的部分典型的心電圖的視覺(jué)分析是用來(lái)顯示合適的時(shí)間(,因此,角度)和值和在PQRST點(diǎn)

20、。 指定的時(shí)間和角度相對(duì)于R-peak如圖所示的位置 （表1） 。</p><p>　　由(1)生成的軌跡在三維空間中對(duì)應(yīng)于(x,y,z)所示(圖2)。這演示了事件的位置P,Q,R,S,T在z方向的軌跡隨著它繞著單位圓( x,y)平面運(yùn)動(dòng)。來(lái)自3 d系統(tǒng) (1)的z變量產(chǎn)生一個(gè)擁有逼真的PQRST形態(tài)的合成心電圖 ( 圖3 )。合成心電圖和真正的心電圖之間的相似性可以通過(guò)比較 圖3 與 圖1來(lái)得到。注意噪音沒(méi)有被

21、添加到模型中。</p><p>　　圖3。 一個(gè)P,Q,R,S,T周期的心電形態(tài)</p><p>　　給定的公式（1）中P,Q,R,S,T相關(guān)參數(shù)的值，其中為各個(gè)波的振幅，為各個(gè)波的寬度，為各個(gè)波的角度。</p><p>　　圖4。在RR-interval周期中當(dāng)?shù)皖l、高頻的比例時(shí)的功率譜</p><p>　　通過(guò)對(duì)比動(dòng)態(tài)模型 (1) 與心動(dòng)

22、周期的機(jī)制,很明顯,完成一圈限制環(huán)所需的時(shí)間等于合成ECG信號(hào)的RR-interval周期。 RR-intervals的長(zhǎng)度變化可以合并到不同的角速度。</p><p>　　呼吸性竇性心律不齊和Mayer波在RR-intervals的功率譜 合并了生成的RR-intervals，該生成的RR-intervals有兩個(gè)高斯分布的總和組成的雙向功率譜。</p><p><b>　　(

23、3)</b></p><p>　　為平均值，為標(biāo)準(zhǔn)偏差。功率在低頻帶和高頻帶分別為和,而方差等于總面積,產(chǎn)生一個(gè)低頻/高頻的比率。 圖4 給出了功率譜,它由,。 和。 高斯頻率分布是出于真正的RR血流速度圖的典型功率譜。</p><p>　　一個(gè)RR-interval時(shí)間序列與功率譜通過(guò)逆傅里葉變換生成的序列和振幅和隨機(jī)分布在0和的相位。通過(guò)一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤?shù)乘這時(shí)間序列再添加

24、一個(gè)補(bǔ)償值,由此產(chǎn)生的時(shí)間序列可以賦予任何需要的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。 假設(shè)表示時(shí)間序列,該序列由有功率譜的RR-process產(chǎn)生。 含時(shí)間變量的繞極限環(huán)運(yùn)動(dòng)的角速度由下式給出</p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　通過(guò)這種方式,由一系列RR-intervals的結(jié)果合成的心電圖也將有一個(gè)功率譜等于,這將在第五節(jié)證明。</p>&

25、lt;p><b>　　5.結(jié)果</b></p><p>　　合成心電圖( 圖5 )說(shuō)明了調(diào)制的QRS波群由呼吸性竇性心律不齊和邁耶波產(chǎn)生。 觀測(cè)不確定性包含通常添加平均值為零和標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.025 mV的分布式測(cè)量誤差( 圖(6a) )與從一個(gè)正常的人類(lèi)身上產(chǎn)生類(lèi)似的一段真實(shí)的心電信號(hào)( 圖 (6b) )。</p><p>　　為了說(shuō)明從這個(gè)合成的心電圖中獲得的

26、RR-intervals的動(dòng)力學(xué),峰值檢測(cè)是用來(lái)識(shí)別R-peaks的時(shí)刻。 在無(wú)噪聲的情況下,一個(gè)能在一個(gè)小窗口中尋找局部極大值的簡(jiǎn)單的算法就足夠了。要得到一個(gè)人造的有噪聲的心電圖可能需要使用更復(fù)雜的方法。比較由給出的功率譜的持續(xù)的過(guò)程和分段常數(shù)重建的由R-peak檢測(cè)獲得的 RR-process ( 圖7 )說(shuō)明了測(cè)量誤差出現(xiàn)在用RR-intervals計(jì)算HRV的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)。</p><p>　　RR-int

27、ervals[ 圖(8a) )和相應(yīng)的瞬時(shí)心率( 圖(8 b) 在單位為次每分鐘時(shí)為平均60次每分鐘和標(biāo)準(zhǔn)偏差5 次每分鐘顯示變化來(lái)自于呼吸性竇性心律不齊和Mayer波。不均勻采樣時(shí)間序列的頻譜估計(jì)技術(shù),即Lomb周期圖,是用來(lái)計(jì)算功率譜( 圖(8 c) 從RR血流速度圖,推薦的數(shù)據(jù)來(lái)源于5分鐘。 盡管從連續(xù)過(guò)程到分段常數(shù)重建有信息的損失,對(duì)比 圖4 和 圖(8 c) 說(shuō)明仍有可能獲得一個(gè)合理的功率譜的估計(jì)。</p>&l

28、t;p>　　增加RR-interval意味著軌跡有更多時(shí)間去進(jìn)入波峰和波谷在R和S事件。這反映RR-intervals和RS-amplitude之間的強(qiáng)相關(guān)性如 圖9所示 。一項(xiàng)用來(lái)從心電圖中獲得呼吸速率技術(shù)提出了。這個(gè)ECG-derived呼吸信號(hào)(EDR)在臨床中使用當(dāng)心電圖被記錄而呼吸沒(méi)被記錄時(shí)。合成的心電圖提供了一種方法測(cè)試這種技術(shù)對(duì)噪聲的穩(wěn)定性和不同的采樣頻率的影響。</p><p>　　因此構(gòu)建

29、有變量角頻率的模型,從Q事件到T事件花費(fèi)的時(shí)間,被稱為QT-interval,隨在beat-to-beat基礎(chǔ)上的RR-interval變化。 QT-interval和RR-interval之間的關(guān)系是線性的如圖10所示 。這種線性關(guān)系已經(jīng)報(bào)道了在真正的心電圖上和被用來(lái)計(jì)算糾正QT-interval[ 4 ]。 有趣的是,這種關(guān)系是這個(gè)模型的直接結(jié)果。 此外,可以使用模型來(lái)評(píng)估QT-interval的變化是由于RR-interval的可

30、變性引起的,因此這種影響可以被分離出來(lái)。</p><p>　　圖5 .該圖為動(dòng)力學(xué)模型生成的心電圖，（a）為10s的合成心電圖，（b）為50s的合成心電圖。</p><p>　　圖6. 該圖為添加通常分布式測(cè)量誤差的合成心電圖（a）與和(b)真正的一</p><p>　　個(gè)正常的人類(lèi)的心電信號(hào)。</p><p>　　圖7. 該圖為重建的RR-

31、process R-peak檢測(cè)。 底層RR-process生成的使用 (3) (黑線)和RR-interval獲得使用R-peak檢測(cè)時(shí)間序列合成心電圖(灰色線)。</p><p>　　圖8. 分析RR-intervals 的R-peak檢測(cè)的心電信號(hào)生成的動(dòng)力學(xué)模型 (1) 與平均心率60 次每分鐘和標(biāo)準(zhǔn)偏差5次每分鐘。 (a)RR-intervals。 (b)瞬時(shí)心率。 (c)RR-intervals的功率

32、譜。 注意兩個(gè)活動(dòng)頻率屬于呼吸性竇性心律不齊(0.25赫茲)和Mayer波(0.1赫茲)。</p><p>　　圖9 .合成心電圖中RS-amplitudes與RR-intervals的線性關(guān)系。</p><p>　　圖10. 合成心電圖中QT-intervals與RR-intervals的線性關(guān)系。</p><p><b>　　6.結(jié)論</b>

33、;</p><p>　　引入了一個(gè)新的動(dòng)力學(xué)模型，該模型能夠復(fù)制人類(lèi)心電圖的許多重要功能。 此外,在人類(lèi)的心電圖中觀察到的許多形態(tài)變化表現(xiàn)為模型中的幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)果。模型參數(shù)可以選擇來(lái)生成不同的PQRST-complex形態(tài)。RR-intervals的功率譜可以選擇先驗(yàn)的和用于驅(qū)動(dòng)心電圖發(fā)生器。 這允許操作者規(guī)定特定的心率動(dòng)態(tài)特征如心率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差和頻譜特性,如低頻/高頻比率。此外,平均形態(tài)可以通過(guò)指定的位置

34、控制P,Q,R，S和T事件和對(duì)心電圖的影響的大小。</p><p>　　獲得一個(gè)逼真的心電圖為測(cè)試眾多生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理技術(shù)提供了一個(gè)基準(zhǔn)。為了建立這些技術(shù)在臨床的操作屬性設(shè)置,知道他們?cè)诓煌脑胍羲胶筒蓸宇l率下表現(xiàn)如何很重要。</p><p>　　許多應(yīng)用程序和簡(jiǎn)單的模型的擴(kuò)展是有可能的。</p><p>　　1.匹配該模型到形態(tài)學(xué)特定主題的心電圖和RR-inte

35、rvals的功率譜,可以創(chuàng)建一個(gè)逼真的心電信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可以用于統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)。 此外,它可能就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立于心率的糾正QT-interval。</p><p>　　2.合成心電圖可以用來(lái)評(píng)估不同的噪音和人工制品去除技術(shù)的有效性。 這些可以通過(guò)添加噪聲評(píng)估和/或產(chǎn)物在合成信號(hào)來(lái)評(píng)估,然后比較原始和處理過(guò)的信號(hào)。</p><p>　　3.異常形態(tài)隨時(shí)間變化可以通過(guò)引入一個(gè)參數(shù)來(lái)控制位

36、置的P,Q,R、S、T事件。 這個(gè)擴(kuò)展將非常有用,特別是測(cè)試技術(shù)旨在檢測(cè)ST低谷或高地通過(guò)減少或增加隨著時(shí)間的推移T波的z方向位置。 同樣,QT延長(zhǎng)可以復(fù)制通過(guò)移動(dòng)的T點(diǎn)遠(yuǎn)離Q點(diǎn)在( x，y)平面(增加)。</p><p>　　4.該模型可以用來(lái)生產(chǎn)多引入線的心電圖信號(hào)通過(guò)引入測(cè)量函數(shù)從(x,y,z)模型空間到心電圖信號(hào)：的映射。不同配置和調(diào)制由呼吸和心臟的軸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生可以使用時(shí)變函數(shù)建模h。</p>

37、<p>　　5.異常跳動(dòng),如異位,可以通過(guò)修改一個(gè)周期的動(dòng)態(tài)的R-peak的位置為來(lái)模擬。</p><p>　　這里提出的新模型反映了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法來(lái)建模心臟的電活動(dòng)。關(guān)鍵的生理特性已經(jīng)包含使用的在一個(gè)三維狀態(tài)方程上的運(yùn)動(dòng)軌跡。 心動(dòng)周期的準(zhǔn)周期由吸引向極限環(huán)表現(xiàn)。 模型產(chǎn)生QT-intervals 和R-peak高度變化(RSA)，它與RR-intervals的不同線性被發(fā)現(xiàn)在真實(shí)心電圖上。希望