心電圖與心電訊號量測

設計 ECG 量測開發板之前，必須先了解心電圖的定義。一般常 見的心電圖是 ECG 記錄器以非侵入式的體表量測的，記錄心臟內的 竇房節放電去極化與再極化產生的電位差所得到的波形。

心臟的生理功能異常與否，均可從心電圖的波形上反應出來，兩 者之間存在著密切的相對應關係，醫生即可透過目視方式判讀及觀 察，即可以快速診斷出心臟的生理功能的變化趨勢，在醫學研究和臨 床診斷都具有極大的意義。對於心電圖的診斷與分析，可用來評估心 臟的疾病種類，如先天性心臟缺陷、心房收縮異常、心肌梗塞、心肌 肥大、心律不整及其他各種心臟綜合疾病。但是，並非所有心臟疾病 都能透過心電圖明顯診斷出來，必須配合超音波檢查才能加以判定。

現今科技發達，在醫療院所或醫療中心內，標準十二導程心電圖 量測在心臟內科與急診是不可或缺的重要醫療器材，僅需將電極貼片 黏貼受測者表皮上即可立即量測到心電訊號，由於是非侵入式的方 式，受測者並不會感受到任何疼痛及不舒適感。心電圖的產生會因電 極片擺放的位置及數量而有不同的變化，俗稱為導程。本節中將針對 十二導程作介紹[4][6]：

一、 標準肢導(Standard Limb Leads)，參考圖 2.4。

(1) 第一肢導(Lead I )：左手為正極，右手為負極所構成。

(2) 第二肢導(Lead II)：左腳為正極，右手為負極所構成。

(3) 第三肢導(Lead III)：左腳為正極，左手為負極所構成。

圖 2.4. 標準肢導圖 二、 加壓肢導(Augmented Limb Leads)

(1) aVL 肢導(Lead aVL)：如圖 2.5，左手為正極，而其他電極為負極 所構成，它的方位角是-30 度。

(2) aVR 肢導(Lead aVR)：如圖 2.6，右手為正極，而其他電極為負極 所構成，它的方位角是-150 度。

(3) aVF 肢導(Lead aVF)：如圖 2.7，左腳為正極，而其他電極負極所 構成，它的方位角是90 度。

圖 2.5. aVL 肢導量測位置圖

圖 2.6. aVR 肢導量測位置圖

圖 2.7. aVR 肢導量測位置圖

三、 胸導程(Precordial Leads)

胸導程是為了多點取樣而產生出來的量測方式，可以多方面量測 心電訊號，加上都附著在心臟周遭，因此獲得的心電圖波形都有較大 的振幅，以利於病情的診斷，而每個電極都是設定成正極，如圖 2.8 所示，在實際量測時須黏貼至相對應的位置。

V1：右側第四根肋骨。

V2：左側第四根肋骨。

V3：介於 V2 與 V4 之間。

V4：介於左側第五根肋骨間與左鎖骨中線處。

V5：介於 V4 與 V6 中間。

V6：介於左側第五根肋骨間與腋中線處。

圖 2.8. 胸前導程

2.2.1. RR Interval 與 HRV

人體的心臟並非以固定的速率跳動，就算人體處於穩定狀態下也 有些許的不同，也就是每次心跳間隔不一定，而此變異稱為心率變異 [5][7]，心電圖中所蘊含的心臟機能資訊相當豐富，可惜一般醫學臨 床應用上僅止於輔助工具，並未成為一主要診斷工具[6]。本文提出 演算法，針對心電圖的RR Interval 進行分析，開始研究 RR Interval 的變異性，也就是心律變異性(HRV，Heart Rate Variability)。

圖 2.9. RR Interval

圖片來源：http://zone.ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6275

如圖2.9 所示，RR Interval 是指心電圖中的相鄰兩個 R 波的間隔 時間，一般正常人的RR Interval 的變異性時間是小於 0.12 秒，當時 間大於 0.12 秒時，代表受測者的心律是有問題的，必須要進行更一 步的量測分析[6]，在分析上又可分為時域分析(time domain)及頻域分 析(frequency domain)兩種方式[7]。而本文主要是以時域分析為主。

本文在研究上，參考了文獻中的第 19 篇《特徵點選取：區間交 集法》是以頻域分析進行RR Interval，過程是將量測到的心電圖做快 速傅立葉轉換(Fast Fourier Transfer)，再依照其頻譜所代表的臨床意義 (請參考圖 2.11)，而 R 波的取得，如圖 2.10 所示，是計算總心電圖電 壓的平均值乘上 1.5，並將其數值作為篩選的參考值，其目的是要過 濾 P、Q、S、T 波， P、Q、S、T 波的特徵振幅並沒有像 R 波這麼 明顯，所以可以透過這個方法尋找出R 波，即可完成 RR Interval 的 分析。

圖 2.10. 演算法示意圖

依據亞東醫院急診室的陳榮輝醫生表示，一般在臨床實驗上，大 多是討論 RR Interval 的平均值、標準差和變異性為主要，因此本文 以時域分析來進行 RR Interval 分析與研究，本文提出的演算法可省 略快速傅立葉轉換所需的運算複雜度，以及能找出 P、Q、S、T 波的 位置，其演算法介紹請參考本文4.2. ECG 雛型系統之軟體設計。

參考值

平均值

(一) 時域分析

時域分析是將所有測得的心電圖波形，直接計算分析相連的心跳 間期再以統計學來分析，以求得各種指標及數值。如下[8]：

1. SDNN：為 RR interval 的標準差(standard deviation)，此為最簡易 的分析方式，為變異的均方根，在數學上此變異為頻譜分 析上的功率。

2. SDANN：連續正常五分鐘的心跳間期之標準差。

3. SDNNIDX： 連續正常 5 分鐘的心跳間期標準差之平均數。

4. rMSSD：相鄰兩心跳間期差異的均方根。

5. NN50：個別 R-R Interval 的差值，有超過 50ms 的個數。

6. PNN50：計算 NN50 在所有 R-R Intervals 佔的比例。

(二) 頻域分析

頻域分析是將 R-R 波間期頻域的定義範圍是在 0~0.15Hz 之 間，大致上可分為極低頻、低頻與高頻，圖2.11 為各頻譜的意義。

圖 2.11. 心率變異度各頻帶之標準