基于圖像的ECG波形檢測分析系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

李志強 林永武 李曉東

（1.佛山市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測中心 廣東省佛山市 528200 2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 廣東省佛山市 528225）

1 引言

數(shù)字心電圖機是醫(yī)學(xué)上常用來記錄和顯示心臟活動時產(chǎn)生的生理電信號的重要設(shè)備。隨著人們生活水平的提高，心血管方面的疾病逐漸增多，心電圖作為一種心血管疾病診斷的最有效手段在臨床醫(yī)療中日益廣泛應(yīng)用。數(shù)字心電圖機利用ECG 電極從人體表記錄心電活動變化形成心電圖形，醫(yī)生通過分析心電波形的變化作為心血管疾病的輔助診療手段。為了保證心電圖機的準確可靠工作，國家規(guī)定需要定期對心電圖機進行檢測。根據(jù)國家檢定規(guī)程（JJG 1041-2008）[1]的要求，檢測時通過對心電圖機各電極饋入標(biāo)準心電信號，并將心電圖機輸出的各導(dǎo)聯(lián)的信號打印在心電圖記錄紙上，檢測人員對打印的心電圖進行測量和分析，然后給出檢測結(jié)果。

但是，人工對打印的心電圖進行檢測是一項非常繁重和復(fù)雜的工作。需要測量數(shù)據(jù)涉及I，II，III，aVR,aVF,aVL,V1 ～V6 等12個導(dǎo)聯(lián)[1]，需要測量的數(shù)據(jù)項包括數(shù)百項之多。例如，其中一個導(dǎo)聯(lián)的幅度-時間參數(shù)測量結(jié)果就包括幅度測量誤差A(yù)1 ～A10，時間間隔測量誤差T1 ～T11 等二十多項數(shù)據(jù)。由于測量和計算量都很大，給檢測工作人員帶來了繁重的工作壓力，工作效率很低。雖然在實際中，人們經(jīng)常只測量部分導(dǎo)聯(lián)的數(shù)據(jù)來減少工作量，但工作量仍然巨大，并且人為因素也可能帶來測量結(jié)果的不可靠。

隨著計算機圖像處理和圖像測量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，利用計算機技術(shù)對打印的心電圖圖像進行自動測量分析是可以實現(xiàn)的。本文以下將討論基于圖像的ECG 波形檢測分析系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 基于圖像的ECG波形檢測分析系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

基于圖像的ECG 波形檢測分析系統(tǒng)的核心工作流程如圖1 所示。利用計算機圖像處理技術(shù)實現(xiàn)對打印的心電圖像進行分析測量，首先需要將打印的心電圖掃描轉(zhuǎn)換為數(shù)字ECG 圖像，然后通過圖像處理和分析技術(shù)對心電圖像進行處理、分析及測量[10-12]，再根據(jù)檢定規(guī)程要求測量出相關(guān)數(shù)據(jù)項并給出檢測結(jié)果和檢測報告。

通過工作流程分析，基于圖像的ECG 波形檢測分析系統(tǒng)的總體模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中系統(tǒng)核心功能模塊包括：圖像處理模塊，圖像標(biāo)定模塊，ECG特征波定位和檢測模塊，數(shù)據(jù)處理分析模塊，報告生成等核心模塊。所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：ECG 圖像處理和標(biāo)定技術(shù)，ECG 特征波形提取、定位和測量技術(shù)等。

圖1：ECG 波形檢測分析系統(tǒng)的主要工作流程

圖2：ECG 波形檢測分析系統(tǒng)的主要模塊

圖3：ECG 波形分割結(jié)果

在基于圖像的ECG 波形檢測分析系統(tǒng)，其核心任務(wù)就是實現(xiàn)從ECG 圖像中提取ECG 波形，并對波形進行分析測量。圖像處理模塊實現(xiàn)ECG 波形提取，圖像參數(shù)標(biāo)定模塊解決圖像基礎(chǔ)參數(shù)測量問題，特征波定位模塊實現(xiàn)各類特征波形的快速準確定位，數(shù)據(jù)測量模塊主要解決波形特征點的幅度、時間等數(shù)據(jù)的測量。數(shù)據(jù)處理和分析模塊主要根據(jù)檢定規(guī)程完成相關(guān)數(shù)據(jù)的計算，報告生成模塊主要實現(xiàn)檢測報告的生成和打印功能。其他功能主要包括：檢測數(shù)據(jù)查詢功能，系統(tǒng)數(shù)據(jù)配置功能，用戶管理功能和報告審核功能等。因此，在本系統(tǒng)中，需要解決的最核心技術(shù)就是ECG 波形提取和特征波形的準確定位等技術(shù)。

3 ECG波形提取及圖像參數(shù)標(biāo)定

圖4：ECG 波形細化后的結(jié)果

圖5：提取的網(wǎng)格圖像及投影直方圖

圖6：ECG 波形定位及檢測結(jié)果

3.1 ECG波形提取技術(shù)

在ECG 圖像中ECG 波形是以圖像的形式存在，ECG 波形的提取就是要將ECG 波形圖像從圖像中定位并分割出來。為準確地定位分割ECG 圖形，首先需要對圖像進行預(yù)處理，通過圖像預(yù)處理實現(xiàn)對ECG 圖像進行無失真的去噪增強處理（一般的濾波可能會損失圖像的部分邊沿信息），然后實現(xiàn)ECG 圖像分割提取?？紤]到坐標(biāo)紙的底色及打印波形的顏色，為了能準確可靠地從CEG圖形從圖像中分割出來，需要將圖像從RGB 模型空間轉(zhuǎn)換到HSV空間，在HSV 空間進行ECG 波形分割。RGB 顏色空間到HSV 顏色空間的轉(zhuǎn)換方法如下：

由于HSV 模型能很好地反映彩色圖像的色彩、飽和度及亮度關(guān)系，對彩色圖像的分割效果較好。此外，為提高圖像邊緣的二值化精度，必要時需要根據(jù)相關(guān)模型確定圖像的亞像素邊緣[7,8]。本系統(tǒng)為了簡化，根據(jù)原圖像的分辨率大小，將原圖像放大2-5 倍，增加的像素采用雙線性插值方式計算，通過分析實際效果可滿足測量需要。為避免亞像素邊緣不平滑，避免波形出現(xiàn)斷裂，在此過程中增加了形態(tài)學(xué)閉運算。ECG 分割效果如圖3 所示。

在ECG 波形圖像分割提取后，實際上不是單像素寬度。因此為定位的準確，需要對ECG 波形圖像進行中心骨架提取即圖像細化，為了確保細化時不影響波形的定位精度采用對稱的細化模板。從而保證特征波形位置不改變（限于篇幅細化算法不在此討論）。細化后結(jié)果如圖4 所示。

3.2 圖像參數(shù)標(biāo)定

對ECG 圖像的參數(shù)標(biāo)定通常需要標(biāo)定板來實現(xiàn)，但本系統(tǒng)的ECG 圖像是打印在坐標(biāo)紙上，坐標(biāo)紙上的坐標(biāo)線成為可用的標(biāo)定依據(jù)。為了準確標(biāo)定圖像參數(shù)，我們需要提取ECG 圖像中的坐標(biāo)網(wǎng)格并進行細化處理。在實際中，ECG 圖像通過掃描得到，圖像一般不必進行幾何矯正（在必要時進行傾斜矯正）。圖像中坐標(biāo)線構(gòu)成的每一個小格為1mm，通過連續(xù)測量N 個小格的圖像寬度，就可以計算每mm的像素個數(shù)，這將成為后續(xù)ECG波形測量的基礎(chǔ)。圖5 中(a)為提取的ECG 網(wǎng)格圖像；(b)為細化后的網(wǎng)格圖像；(c)為其網(wǎng)格投影直方圖。設(shè)連續(xù)記錄的直方圖峰值個數(shù)為m，其對應(yīng)的像素個數(shù)為k。則圖像中像素密度為：

4 ECG特征波形定位技術(shù)

4.1 ECG特征波形定位

在ECG 波形中，ECG 特征波包括QRS 波，T 波，P 波等。盡管實際ECG 波形比較復(fù)雜，但各特征波形比較特征明顯，特別是幅度最大的R 波。此外，ECG 中各種特征波形在時間上存在固定的順延關(guān)系，因此波形定位時，只需先定位某些特征波（如R 波或QRS 波群），就可以快速定位其他特征波形。

目前，關(guān)于QRS 波和R 波的定位有很多比較成熟的算法[4-6]，但這些算法主要是針對心電圖機輸出的ECG 波形信號而言的，不能直接運用于ECG 波形圖像。盡管可以將提取和細化后的ECG 波形圖像轉(zhuǎn)化為一維的波形，但轉(zhuǎn)化時波形的幅度值會出現(xiàn)非單值的情形，需要做特殊的處理。由于本系統(tǒng)是在心電圖檢測環(huán)境下，實際波形受環(huán)境干擾比較小，且R 波具有幅度最大的特點，因此，以此可快速定位R 波或QRS 波群。在定位R 波或QRS 波群后，就可以進行分段快速模板匹配算法，定位其他特征波形。

模板匹配定位算法[9]的最大特點在于匹配定位準確，適合于ECG 特征波形的準確定位。分段模板匹配算法是將心電圖不同特征波圖像作為模板進行分段匹配搜索。由于模板比較大，搜索過程中計算量很大，匹配速度較慢，因此，預(yù)先快速定位R 波峰值位置后，可以限定匹配的范圍，從而大大節(jié)省模板的匹配計算量。

表1：測試結(jié)果與人工檢測結(jié)果對比

在圖像模板匹配算法中，設(shè)選定的特征圖模板可表示為一個二維矩陣：匹配時以此模版為基礎(chǔ)，通過對模板進行伸縮變換，得到一系列模版圖像然后用這些模版分別于被檢測圖像區(qū)域進行匹配計算。匹配時，將模板在ECG 圖像上平移滑動，分別計算其誤差值或相關(guān)度。最后找到誤差值最小的位置即為匹配的特征波形位置。誤差的計算采用下列公式：

4.2 改進的快速定位算法

考慮到ECG 圖形的特點，在計算模板與子圖對象的匹配度時，實際只需要匹配心電圖曲線上的點，因此，二維圖像匹配問題可轉(zhuǎn)化為一維圖形的匹配度的計算問題。設(shè)一維模板為：

此時，伸縮模板可表示為：

其中，a 為幅度伸縮因子，b 為尺度伸縮因子。此時匹配誤差的計算如下：

當(dāng)E(i)取得最小值時，i 的值即為特征波形匹配的位置。

5 測試結(jié)果及分析

采用本文技術(shù)和算法我們開發(fā)了基于圖像的ECG 波形檢測分析系統(tǒng)，圖6 為幅度-時間參數(shù)測量模塊的檢測結(jié)果。實驗表明本系統(tǒng)能成功地檢測出ECG 各導(dǎo)聯(lián)的相關(guān)參數(shù)。為了驗證算法結(jié)果的準確性和可行性，本系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)委托ECG 專業(yè)分析機構(gòu)進行了檢測數(shù)據(jù)和結(jié)果的對比分析（如表1 所示）。比對結(jié)果表明：本系統(tǒng)定位測量的數(shù)據(jù)結(jié)果與人工測量數(shù)據(jù)結(jié)果一致。

6 結(jié)束語

從檢測結(jié)果來看，采用本文所討論的技術(shù)或算法得到的檢測數(shù)據(jù)與專業(yè)人員測試的結(jié)果一致?？梢姡捎靡陨涎芯考夹g(shù)開發(fā)的基于圖像的ECG 波形檢測分析系統(tǒng)可以實現(xiàn)了對ECG 各波形的準確定位，測量精度也達到了國家檢定規(guī)程的要求。因此采用本系統(tǒng)可以在很大程度上代替相關(guān)檢測人員完成相關(guān)的檢測工作，使相關(guān)人員從繁重復(fù)雜的工作中解脫出來，并避免了人為因素導(dǎo)致的檢測不準確的風(fēng)險。