本文關(guān)鍵詞：心肺復(fù)蘇過(guò)程中胸外按壓造成的心電信號(hào)干擾抑制算法研究　出處：《第三軍醫(yī)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：心臟驟停(Cardiac Arrest,CA)是指在未能預(yù)計(jì)的情況和時(shí)間內(nèi)心臟突然停止搏動(dòng),從而導(dǎo)致有效的心臟泵血功能突然中止,引起全身組織細(xì)胞嚴(yán)重的缺血、缺氧和代謝障礙,如不及時(shí)搶救將危及生命。心臟驟停是引起患者死亡的主要原因之一,每年美國(guó)和加拿大因此喪生的人數(shù)超過(guò)30萬(wàn)。而在我國(guó),統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示每年死于CA的總?cè)藬?shù)達(dá)55.4萬(wàn)之多。為了提高心臟驟�；颊叩拇婊盥士茖W(xué)家和醫(yī)務(wù)人員做出了極大的努力,但是結(jié)果仍然令人失望。據(jù)有關(guān)報(bào)道,歐洲心臟驟�；颊叽婊盥始s為10%~20%,美國(guó)約為3~5%,而我國(guó)僅為2%。針對(duì)心臟驟停的患者,目前主要是通過(guò)心肺復(fù)蘇(Cardiopulmonary Resuscitation,CPR)進(jìn)行救治。CPR是針對(duì)心臟驟停而采取的一系列救治措施,以建立有效的血液循環(huán),提高心輸出量,保護(hù)心腦等重要器官。對(duì)院外心臟驟停(Out-of-Hospital Cardiac Arrest,OHCA)患者進(jìn)行救治,盡早的CPR和除顫是復(fù)蘇中非常關(guān)鍵的兩個(gè)步驟,對(duì)患者的自主循環(huán)恢復(fù)(Restoration of Spontaneous Circulation,ROSC)和存活率起著至關(guān)重要的作用。有研究報(bào)道,如果進(jìn)行了胸外按壓的干預(yù),從患者發(fā)生心室顫動(dòng)(Ventricular Fibrillation,VF)開(kāi)始,除顫時(shí)間每延遲一分鐘,存活率會(huì)降低3-4%;而在沒(méi)有進(jìn)行胸外按壓的情況下,除顫時(shí)間每延遲一分鐘,存活率就會(huì)降低7-10%。自動(dòng)體外除顫器(Automatic External Defibrillator,AED)的出現(xiàn)使目擊者對(duì)患者進(jìn)行除顫成為可能,從而大大縮短患者等待治療而延誤的時(shí)間。AED能夠利用采集的心電(Electrocardiograph,ECG)信號(hào)對(duì)心電節(jié)律進(jìn)行自動(dòng)分析,識(shí)別患者是否處于可除顫節(jié)律,并在確認(rèn)為“需要除顫”時(shí)自動(dòng)或手動(dòng)的對(duì)患者進(jìn)行除顫。然而目前所使用的AED在進(jìn)行節(jié)律檢測(cè)時(shí),需要施救者中斷正在進(jìn)行的胸外按壓,以避免因胸外按壓引入的干擾對(duì)心電節(jié)律自動(dòng)檢測(cè)的結(jié)果造成影響。因此,心肺復(fù)蘇指南中強(qiáng)調(diào),為了提高急救的成功率,應(yīng)該進(jìn)行高質(zhì)量的心肺復(fù)蘇,盡量減少胸外按壓的中斷時(shí)間。為了減少按壓中斷時(shí)間,目前最佳處理方法是通過(guò)數(shù)字濾波來(lái)消除按壓造成的干擾,從而實(shí)現(xiàn)在不中斷胸外按壓的情況下直接進(jìn)行心電節(jié)律檢測(cè)。傳統(tǒng)的固定系數(shù)濾波器是最早被應(yīng)用于抑制CPR干擾的信號(hào)處理方法。但是由于VF的頻帶分布與按壓干擾的頻帶相互重疊,導(dǎo)致濾波效果并不理想。隨著濾波算法的發(fā)展,研究者提出了許多抑制cpr干擾的方法,包括獨(dú)立成分分析(independentcomponentanalysis,ica),線性相關(guān)消除(coherentlineremoval),gabor乘子算法,卡爾曼濾波(kalmanfilter),自適應(yīng)濾波(adaptivefilter,af)以及基于多通道的自適應(yīng)回歸匹配法(multichannelrecursiveadaptivematchingpursuit,mc-ramp)等。雖然這些方法能夠有效的改善信號(hào)的信噪比(signaltonoiseratio,snr),但節(jié)律檢測(cè)的準(zhǔn)確率仍然不足以滿足實(shí)際臨床應(yīng)用的要求。因此,目前的濾波方法還存在以下問(wèn)題。1、當(dāng)干擾能量過(guò)大時(shí),不可除顫節(jié)律的ecg信號(hào)往往被嚴(yán)重的cpr干擾所淹沒(méi)。此時(shí),通過(guò)濾波方法處理過(guò)后的信號(hào)仍然會(huì)殘留一部分干擾成分。這些殘余的干擾信號(hào)往往在濾波后呈現(xiàn)出雜亂無(wú)章的狀態(tài),很容易被節(jié)律檢測(cè)算法誤判為可除顫節(jié)律。2、現(xiàn)有算法無(wú)法消除按壓過(guò)程中由于除顫電極拖拽和位移引入的尖刺干擾。這種干擾呈現(xiàn)出與qrs復(fù)合波相似的形態(tài),其瞬時(shí)頻率往往很高,并且無(wú)法在胸阻抗或者按壓深度等參考信號(hào)中體現(xiàn)出來(lái),因此現(xiàn)有濾波器算法無(wú)法有效的抑制此類干擾。當(dāng)基礎(chǔ)節(jié)律為vf時(shí),濾波后信號(hào)中殘留的尖刺干擾,會(huì)使節(jié)律檢測(cè)算法錯(cuò)誤的將其判斷為不可除顫節(jié)律。針對(duì)這些問(wèn)題,本研究對(duì)抑制cpr干擾的方法進(jìn)行了進(jìn)一步的探索,提出了一種增強(qiáng)型自適應(yīng)濾波算法以實(shí)現(xiàn)對(duì)胸外按壓干擾的有效抑制,提高心電節(jié)律分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究的主要的工作包括:1.提出了一種抑制ecg信號(hào)中cpr干擾的算法。本研究提出了一種增強(qiáng)型自適應(yīng)濾波算法,算法中包括三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。第一、通過(guò)采集到的參考信號(hào)構(gòu)建多通道參考矩陣,并對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行了最優(yōu)化選取。第二,本研究提出了干擾能量比例pro用于評(píng)估ecg信號(hào)所受干擾的程度,并利用這一參數(shù)對(duì)自適應(yīng)濾波的步長(zhǎng)因子及濾波器的迭代進(jìn)行調(diào)控。第三、提出了尖刺干擾的抑制算法。利用參考信號(hào)對(duì)自適應(yīng)濾波過(guò)后的信號(hào)進(jìn)行干擾匹配以識(shí)別尖刺干擾,并利用三次樣條插值將干擾移除。2.對(duì)真實(shí)ecg信號(hào)的snr估計(jì)方法進(jìn)行了可行性評(píng)估。真實(shí)記錄的ecg信號(hào)由于干擾能量無(wú)法從信號(hào)中計(jì)算得到,因此無(wú)法直接計(jì)算出信號(hào)的snr。對(duì)于這種情況可通過(guò)受干擾的ecg信號(hào)與相鄰的未受干擾的ecg信號(hào)進(jìn)行snr的估計(jì)。本研究通過(guò)人工合成的信號(hào)對(duì)snr估計(jì)方法的可行性進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估數(shù)據(jù)采用10例cpr過(guò)程中的心室靜止(asystole,asy)信號(hào)作為干擾信號(hào),與21例vf和無(wú)脈性電活動(dòng)(pulselesselectricalactivity,pea)信號(hào)在-20db到15db的snr下進(jìn)行人工合成。估算合成信號(hào)的snr并與預(yù)設(shè)snr進(jìn)行比較來(lái)評(píng)估snr計(jì)算方法的可行性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)估計(jì)的snr與預(yù)設(shè)snr之間不存在顯著差異,能夠有效的反映信號(hào)所受CPR干擾的程度。3.研究了干擾能量比例pro與ECG信號(hào)SNR之間的關(guān)系。本研究采用合成信號(hào)對(duì)干擾能量比例pro與ECG信號(hào)SNR之間的關(guān)系進(jìn)行了探索。我們首先對(duì)合成信號(hào)的pro值進(jìn)行了計(jì)算,并與預(yù)設(shè)SNR進(jìn)行比較分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)pro與SNR具有很好的相關(guān)性和一致性,說(shuō)明干擾能量比例pro能夠間接的反映ECG信號(hào)的SNR狀態(tài)。4.研究了不同參考信號(hào)對(duì)于濾波算法的影響。本研究通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)所獲取的數(shù)據(jù)對(duì)濾波算法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證,并探索了不同參考信號(hào)對(duì)算法濾波效果的影響。通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn),本研究記錄了22例家豬在心臟驟停后進(jìn)行心肺復(fù)蘇時(shí)采集的數(shù)據(jù),并從中提取出283段包含CPR干擾的可除顫心電節(jié)律數(shù)據(jù)以及280段不可除顫心電節(jié)律數(shù)據(jù),用于對(duì)算法進(jìn)行評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,使用按壓深度作為參考信號(hào)進(jìn)行濾波后,節(jié)律檢測(cè)的靈敏度從濾波前的99.3%略微降低到93.3%,特異性從未濾波的46.8%顯著的提高到了96.0%,其結(jié)果與使用胸阻抗作為參考信號(hào)濾波后的檢測(cè)結(jié)果(靈敏度93.6%,特異性94.3%)沒(méi)有顯著性差異。結(jié)果表明不同參考信號(hào)不會(huì)對(duì)算法的濾波效果造成影響。5.利用臨床數(shù)據(jù)對(duì)濾波算法效果進(jìn)行了評(píng)估。本研究搜集了233例OHCA患者的ECG信號(hào)進(jìn)行了回顧性的分析。從記錄的數(shù)據(jù)中,一共截取了183例可除顫節(jié)律ECG信號(hào)和453例不可除顫節(jié)律ECG信號(hào)。其中85例可除顫節(jié)律ECG信號(hào)與211例不可除顫ECG信號(hào)作為訓(xùn)練集數(shù)據(jù)對(duì)濾波算法進(jìn)行了參數(shù)的優(yōu)化;而余下的98段可除顫節(jié)律ECG信號(hào)和242段不可除顫節(jié)律ECG信號(hào)作為測(cè)試集數(shù)據(jù)對(duì)濾波算法效果進(jìn)行評(píng)估。最終,信號(hào)的SNR從未濾波時(shí)的-9.8±12.5d B提高到了6.2±13.3dB;而節(jié)律檢測(cè)的靈敏度從未濾波時(shí)的88.7%提高到了濾波后的93.8%,特異性由69.4%顯著提高到了91.7%,其總體準(zhǔn)確率也由74.1%顯著提高到了92.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本研究提出的CPR干擾抑制算法,能夠通過(guò)干擾能量比例pro間接的反映ECG信號(hào)受到CPR干擾的程度,并在參考信號(hào)優(yōu)化選擇以及尖刺干擾消除的共同作用下有效的抑制ECG信號(hào)中的CPR干擾,從而使得節(jié)律檢測(cè)算法能夠?qū)V波后的ECG信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的節(jié)律識(shí)別,顯著提高胸外按壓過(guò)程中節(jié)律檢測(cè)的靈敏度和特異性。此算法在參考信號(hào)的使用上具有較好的魯棒性,選擇不同的參考信號(hào)不會(huì)對(duì)算法的濾波效果造成影響。
【學(xué)位授予單位】：第三軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：R459.7;TN911.6

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本文編號(hào)：1320724