胸前誘導

胸前誘導是由六顆電極所構成，每一個電極為一導程，排列方式 由胸骨右側至胸骨左側依序排列。排列方式(如圖 2.5 所示[10])如下：

(1) 第一顆電極(V₁)：擺放於胸骨左側第四肋骨位置。

(2) 第二顆電極(V₂)：擺放於胸骨右側第四肋骨位置。

(3) 第三顆電極(V₃)：擺放於第二顆電極與第四顆電極之間：

(4) 第四顆電極(V₄)：擺放於胸骨右側第五肋骨位置。

(5) 第五顆電極(V₅)：擺放於左腋前線。

(6) 第六顆電極(V₆)：擺放於左腋中線。

V1 V²

V3

V4

V5

V6

圖2.5 胸前誘導電極擺放位置[10]

2.3 單一心臟細胞(Cardiac Cells)電訊號傳導過程與其電生理學特 性(Electrophysiologic Properties)

2.3.1 單一心臟細胞電訊號傳導過程

單一心臟細胞電訊號傳導過程可分為去極化(Depolarization)與再 極化(Repolarization)兩個過程。去極化是指心臟細胞在休息穩定狀態 收到電訊號刺激時，細胞膜內外經由離子移動所產生的電位改變，此 時稱為開始去極化(Start Depolarization)，而當電訊號由細胞的某一端 傳至另一端時，也就是細胞膜內外電位完全改變時稱為完全去極化 (Completely Depolarization)。再極化則為心臟細胞由去極化狀態回歸 至原本休息穩定狀態的過程，即為電訊號傳遞過後細胞膜內外電位再

圖2.6 心臟細胞去極化與再極化作用[8]

次改變，離子恢復至原來所在位置，此時稱為開始再極化(Start Repolarization)，當電位恢復至原始休息穩定的狀態時，稱為完全再 極化(Completely Repolarization)。上述即為單一心臟細胞在接收電訊 號與傳遞電訊號時，細胞內外部生理化學反應與其過程(如圖 2.6 所 示[8])。

2.3.2 心臟細胞之電生理學特性

心臟細胞電生理學特性主要分為以下三大特性：

(1) 自發性(Automaticity)

心臟細胞不受神經系統控制，即可自律性的跳動。這也就是為何 心臟自生物體內摘除後，亦可跳動一段時間的原因。

(2) 可激性(Excitability)

心臟細胞在接收到電訊號時，細胞膜內外之離子會產生反應而移 動並造成電位之改變。

(3) 傳導性(Conductivity)

心臟細胞在收到電訊號時，可以快速的將電訊號傳遞至鄰近細 胞，使得整顆心臟幾乎同時完成去極化與再極化的電訊號傳導過程。

2.4 心臟內部電訊號傳導過程

上一小節提到心臟細胞擁有全身細胞唯一的自發性，促使心臟肌肉活 動的電訊號即可自行產生，此電訊號之觸發點即為竇房節，亦為心臟內 部電訊號傳導過程的起點位置。正常電訊號經由竇房節觸發後，會經由 節間路徑(Internodal Pathways)到達房室節(AV Node)，再由希斯氏束 (Bundle of His)傳遞至左右束支(Right and Left Bundle Branches)，最後經由 左前分支(Anterior fascicle)與左後分支(Posterior fascicle)到達浦金氏纖維 (Purkinje Fibers)。上述電訊號傳遞路徑，即為心臟內部電訊號傳送過程，

並經由此傳導過程而產生了一個完整的心電圖波形(如圖 2.7 所示[8])。

(a)竇房節 (b)節間路徑 (c)房室節 (d)希斯氏束

(e)左右束支 (f)左前分支 (g)左後分支 (h)浦金氏纖維 圖2.7 心臟內部電訊號傳導路徑[8]

2.5 標準心電圖波形

一個正常的心電圖波形主要是由P、Q、R、S、T 與 U(不一定會出現 且出現原因不明)波所構成(如圖 2.8 所示[2])，其中每一個波形、波與波 之間期(Interval)、波與波之間段(Segment)等波形特徵皆含有心血管疾病 資訊存在，此即為何要量測心電圖的原因所在。一般醫療人與臨床工作 者即可利用由心電圖波形特徵所擷取之心血管疾病資訊，判斷受測者是 否患有相關心血管疾病。

圖2.8 心電圖標準波形(第二導程)[2]

2.6 各類心血管疾病與其心電圖訊號波形[2]

這小節將介紹幾種常見心血管疾病及其病徵。

(1) 竇性心律不整(Sinus Arrhythmia)

病徵為RR 間距忽大忽小，如圖 2.9 所示[2]。

圖2.9 心律不整[2]

(2) 左心室肥大(Left Ventricular Hypertrophy) 病徵為R 波特別高，如圖 2.10 所示[2]。

圖2.10 左心室肥大[2]

(3) 第一級心房室傳導阻滯(First Degree A-V Heart Block) 病徵為PR 間距延長，如圖 2.11 所示[2]。

圖2.11 第一級心房室傳導阻滯[2]

(4) 第二級心房室傳導阻滯(Second Degree A-V Heart Block)

病徵為P 波與 T 波間無 QRS 綜合波出現，如圖 2.12 所示[2]。

圖2.12 第二級心房室傳導阻滯[2]

(5) 第三級心房室傳導阻滯(Third Degree A-V Block)

病徵為P 波與 QRS 綜合波在心電圖上完全沒有關聯，如圖 2.13 所示[2]。

圖2.13 第三級心房室傳導阻滯[2]

2.7 雜訊種類與來源[11]

(1) 市電干擾(Power line Interference)

此雜訊源來自於市電的干擾，頻段約為60Hz，相對於心電圖波形頻 率屬於高頻之雜訊。

ecgl2data

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

time ( sec ) -0.2

0.4

圖2.14 含有市電干擾雜訊之心電圖

(2) 基準線漂移(Baseline Wander)

此雜訊源來自於受測者量測心電圖時，呼吸與移動等所造成的干擾，

頻段約為0.3Hz，相對於心電圖波形頻率屬於低頻之雜訊。

baseline_ecg

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

time ( sec ) 0

1

圖2.15 含有基準線漂移雜訊心電圖

(3) 肌肉波(Eletromyographic, EMG)

此雜訊來源為受測者量測心電圖時，肌肉可能產生顫抖現象所造成的 干擾。

(4) 電極接觸不良(Electrode contact noise)

此雜訊源來自於電極放置於皮膚與其接觸時，皮膚表面產生的油脂造 成電極的鬆脫與滑動，可能使得心電圖訊號會有中斷的現象發生。

(5) 人為干擾(Artifacts)

此雜訊源可能來自於量測心電圖硬體，或是其他人為因素所產生的干 擾。

如電化科學(Electrosurgical)與儀器(Instrumentation)等干擾。

2.8 心電訊號診斷流程[12]

一般經由儀器所量測之心電圖訊號皆會受到不同干擾而含有雜訊號 成分，此會對於波形特徵的判斷與疾病資訊的擷取造成困擾，因此在診 斷心電圖上必須先將雜訊濾除的前處理後才能正確獲得所需的資訊。心 電訊號診斷正確流程步驟(如圖 2.17 所示)如下所述：

(1) 雜訊濾除

一般使用儀器所量測到的原始心電圖皆含有雜訊的成分，然而雜訊對 於波形特徵的判斷和疾病資訊的擷取都會造成困擾，因此濾除雜訊是相 當重要的步驟。

(2) QRS 綜合波之辨認

可藉由波形觀察心室跳動速率(Ventricular Rate)、波的形狀、寬度與 周期等是否正常來判斷相關心血管疾病的有無。

(3) P 波之辨認

可藉由波形觀察心房跳動速率(Atrial Rate)、PR 間距(PR Interval)、波 的形狀、寬度與周期等是否正常來判斷相關心血管疾病的有無。

(4) 檢查單一導程之 QRS 綜合波

檢查單一導程QRS 綜合波之形狀、振幅大小、寬度與周期是否正常。

(5) 檢查 ST-T 波間段

觀察 ST-T 波間段是否有高昇(Elevation)或低降(Depression)的情況發 生，可判斷是否有局部出血(Ischemia)或者梗塞(Infarction)，甚至低體溫症 (Hypothermia)的發生，如圖 2.16 所示[8]。

(a) ST 高昇 (b) ST 低降 圖2.16 ST 高昇 ST 低降[8]

(6) 檢查 T 波

可藉由觀察波形及單一導程內波形振幅與 QRS 綜合波振幅是否同 向，來判斷是否有局部出血與心房異常等症狀發生。

(7) 檢查 QT 間期

觀察此間期是否大於RR 間距，以判斷相關疾病發生。

心血管疾病的觀察與判斷可藉由病患先前正常的心電圖與發病後異 常的心電圖來相對照，即可得到此症狀的產生可從何波形或波段來判斷 的資訊。

ECG original

data

Identify the QRS complexes

Identify the T waves

Examine the QRS complex

in each lead

Examine the ST-T segments

Examine the T waves

Examine QT interval

End Denoising

圖2.17 心電圖訊號診斷流程步驟

第三章 傳統濾波方法與研究理論

為數位濾波器。而數位濾波器常見由Z 轉換(Z-transform)求得系統之轉移 函數(Transform Function)，再利用 Z 反轉換(Inverse Z-transform)求得系統 之差分方程式(Difference Equation)。在此，Z 轉換可視為數位濾波系統內 分析與設計的一項工具。

一般數位濾波器主要分為有限脈衝響應(Finite Impulse Response, FIR) 濾波器與無限脈衝響應(Infinite Impulse Response, IIR)濾波器兩大類型。

雖然IIR 濾波器較易設計與實現，但由於 IIR 濾波器與 FIR 濾波器最大差 異在於存在回授電路，當輸入數位訊號為有限長時，輸出訊號則會變成 無限長。而相較於 IIR 濾波器，FIR 濾波器不易最佳化(Optimize)。此兩 種濾波器類型，數學表示式如下：

] 轉換訊號拆解的機制。而小波級數(wavelet series)表示如下：

 

^ 由此得知，小波分解法可將原訊號拆解成尺度函數(Scaling Function)與小 波函數(Wavelet Function)，並透過閥值(Threshold Value)的選擇將加以去除 不需要的分量，以達到雜訊濾除之目的。

圖3.1 小波轉換拆解訊號示意圖(w 分量為高頻成分，v 分量為低頻成分)

3.1.3 其他方法

1978 年，Kleber 等人[14]應用拉普拉斯運算於猪心外膜訊號上，用以 判斷局部急性心臟病，因此出現了拉普拉斯心電圖。而2000 年時，Ruben Coronel 等人[15]則是將其應用於心室顫動訊號，可藉此判斷病因。

3.2 經驗模態分解法 3.2.1 經驗模態分解法簡介

1998 年，黃鍔(Norden E. Huang)博士等人[16],[17]提出了以經驗模態 分解法為基礎的希爾伯-黃轉換法(Hilbert-Huang Transform)，此法是將訊 號由高頻至低頻分解成有限個振盪波形函數，最後一個波形函數除外的 每個波形函數皆稱為本質模態函數，最後的波形函數為一個均值趨勢 (Mean Trend)分量函數，然後再透過希爾伯-黃轉換法求得訊號的瞬時振幅 與瞬時頻率，進而獲得訊號完整的時間、頻率與能量的分布資訊。經驗 模 態 分 解 法 之 分 解 過 程 是 經 由 訊 號 的 局 部 特 徵 時 間 尺 度(Local

與非穩態之訊號可獲得較佳的解析度。

Channel 1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

time ( sec ) -100

200

EMD

0 1 2 3 4 5 6 7 8

time ( sec ) -100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

圖3.2 經驗模態分解法分解示意圖

3.2.2 本質模態函數定義與篩選程序

訊號經由經驗模態分解法拆解的過程目的是為尋找本質模態函數，所 被分解出來的本質模態函數可視為原始訊號的基底函數。而要獲得本質 模態函數，其必須滿足下列定義[16],[17]：

(1) 整筆資料中，局部極大值(Local Maxima)與局部極小值(Local Minima) 的數目之和與跨零點(Zero-crossing)的數目要相等或是最多相差一 個。

(2) 在任一時間點上，由局部極大值與局部極小值分別定義的上包絡線

(Upper Envelope)與下包絡線(Low Envelope) 平均值為零。 滿足基本定義的本質模態函數，有一系統流程稱之為篩選程序(Sifting Process)，此流程如下[16],[17]：

(1) 搜尋區域極大值，再利用立方雲線(Cubic Spline)將各個區域極大值連 接起來即為上包絡線；同理，找出區域極小值並利用立方雲線連接

再以同樣的方式重複篩選 k 次，直到 hk(t)符合本質模態函數的定義



 序控制[26]、影像處理[27]、海洋量測訊號[28]等雜訊濾除[29]的問題。

3.2.3 停止準則(Stop Criterion)

(5) 頻率相近之分量無法被解析[39]。

(a)本質模態函數數目為 8 個

(b)本質模態函數數目為 9 個

圖3.5 不同停止準則所得到之不同本質模態函數

Mixer

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

time ( sec ) -2

0 2

EMD

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

time ( sec ) -0.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

Mixer





 濾波器分別由帶通濾波器(Bandpass Filter)、微分器與積分器(Integrator)所 構成。

ECG original

data

Bandpass filter

Differentiator

Squaring process

Moving window integration

End

圖3.7 QRS 綜合波檢測流程

(1) 帶通濾波器

QRS 檢測方法第一個步驟即是使用帶通濾波器，目的主要是能減低 肌肉波、60Hz市電干擾、基準線漂移及T 波所造成的影響與誤判。而理 想中，帶通濾波器參數設定上下為5~15Hz。

(2) 微分器

利用微分器的目的主要是希望能得到QRS 綜合波的斜率資訊。

(3) 平方處理

經過此程序，使得所有資料點皆變為正且非線性的放大，目的主要突 顯訊號中頻率較高的成分。

)]2

( [ )

(nT x nT

y  (3.22) (4) 移動的窗型積分

可獲取R 波斜率之外的波形特徵。

經由上述數位濾波器的一系列結合與處理方法，再配合閥值的選定，

最終會輸出R 波脈衝波形，也就是可得到 QRS 波的所在位置資訊。

圖3.8 移動窗型積分器與 QRS 綜合波的關係

第四章 研究步驟與結果

4.1 MIT/BIH 心律不整資料庫簡介[43]

心律不整的發生主要是由於心電訊號觸發點及電訊號傳導路徑的異

心律不整的發生主要是由於心電訊號觸發點及電訊號傳導路徑的異

在文檔中 利用經驗模態分解法與最小平方法消除心電訊號雜訊 (頁 18-0)