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基于信号源的心电自动诊断智能评估方案

作者:

关键词:

摘要：

1 引言

在临床上，心电信号的自动分析和自动诊断对于帮助医生快速分析病情并给出治疗方案具有重要的应用价值。自上世纪50年代末开始就有关于心电信号自动分析的文献报道[1，2]。心电自动诊断的主要任务是对测量程序传递过来的各种测量参数按照特定的心电图诊断标准和条件进行逻辑判断，并对心电图做出解释，诊断分类程序的主要模块有：节律异常分类、异常波形分类、编码分类和系列心电图比较等。随着计算机和数字信号处理技术的发展，用于这些程序模块的算法也越来越多，比如神经网络[3]、径向基函数网络[4]、隐马尔可夫模型[5]、高斯台面函数建模[6]、小波变换[7]等等。算法的优劣不同会导致这些心电设备在临床使用过程中给出的诊断结果也不同，同时算法的改进和新算法的应用也需要相应的标准进行验证。为此，美国和欧洲相继提出了一系列用来评估心电设备自动分析诊断性能的标准，具有代表性的如欧洲的IEC-2-51[8]、美国的EC57[9]等。

IEC-2-51是一个综合性的测试标准，包括电器机械性能测试和算法测试。其中的算法测试通过简单的正常和异常(波形或标识)比对，得出的测试和参考配对统计结果计算得出该被测设备的准确度，假阳性(误检率)，假阴性(漏检率)等性能指标。相比之下，EC57的测试方法更为精细，准确性也更高。这个测试方法将各种类型的心搏分别打标，如：N、S、V、A等，这样的标识不仅仅可以用来检测心电设备整体的准确度、误诊率，还可以精细到设备对某一特殊病理性心搏事件(如室早、房扑)的性能检测，其核心也是进行标识文件的配对。

EC57的标准制定于1998年，IEC的标准制定于2003年。虽然这些标准早就制定，MIT官方数据库也提供了一系列脚本程序(如“rxr”、“bxb”)支持和简化EC57方案的测试，但是到目前为止，大多数方法还是停留在用计算机程序对自动诊断算法进行模拟测试的阶段，如Matlab仿真[10]，还没有一种信号源能自动播放这些标准，并输出到心电设备上，实现真正意义上的自动诊断功能测试。这主要是因为每个标识的时间是不确定的，并且与被标识的心电波形时间上同步，同时输出难度大，再加上带有可视化操作界面的信号源并不多见，直接导致这一做法缺乏有效的工作平台。

在这些标准中，有成千上万个被标识的心电记录用于测试心电设备的自动诊断性能，如MIT-mit100号记录。很显然，对于这成千上万个随机标识的心电(ECG)记录来说，用人工的方法来进行模拟测试，不仅工作量大，容易出错，最关键的是测试的结果并不具有说服力。

该文提出一种在信号源上播放波形并且同步显示标识文件的测试方案，该方案经过在交互式生物医学信号源(interactive biomedical signal source，iBUSS)(Dimetek，China)上的测试，可以实现心电波形与标识文件的同步观测，不仅可以发现被测心电设备的算法误差，而且可以进行参考标识和测试标识的实时比对，实现了一种智能化的心电设备自动诊断性能的评估方法。

2 方法

该文选用MIT官方数据库提供的脚本程序作为EC57的测试方案。算法设计的核心是实现信号源播放的波形与标识的同步配对。播放的数据由2个序列组成，一列是心电样本集合，一列是标识字符集合。假如一个心电周期的集合为：

那么对于在j时刻开始被标识的心电波形假设为第n个，其集合为：

两列数据被同步播放，然后进行心电设备自动诊断结果与被标识集合的对比。这个比对包括Beat by beat、Run by run等多个步骤。

Beat by beat通过连续单个标识进行比对，测试QRS及异常QRS检测性能指标。主要的配对原则是从测试起始时刻开始进行测试标识和参考标识的比对，如果各自在前后150 ms内有相应的配对出现，那么就算做一个注释配对，否则就算做误检(TN)或漏检(FP)。比对完成后形成一个配对注释表。

Run by run通过对一段连续的心律失常波形的注释进行对比，测试该被测设备在运行时对连续心律失常检测的性能。Run by run的注释文件配对是对一段心律失常中出现的异常心博次数的计数，通过测试注释(test annotation)和参考注释(reference annotation)的计数对比形成配对注释表。

最后通过统计配对注释表中不同性质的配对占总配对数的百分比得出被检心电设备某一项测试的性能指标，如准确度，假阳性(误检率)，假阴性(漏检率)等等。

标识字符集合采用txt文本文件格式，和心电样本集合是2个独立的文件，并不合二为一。这样的做法灵活性高，在对注释文件进行改动的时候可以不涉及到波形信号文件，避免不必要的改动，减小了差错率。

文章来源：《临床心电学杂志》网址: http://www.lcxdxzz.cn/qikandaodu/2021/0312/531.html