计算机与心电信息管理和开发

Computer with data management and development of ECG information

作者：刘海祥

    心电信息的数字化是计算机与心电信息之间产生联系的基础。计算机与心电信息之间的联系体现在数字化心电信息的采集、传输、储存、分析等方面。心电机顶盒是一种把心电信息与随处可得的PC机联系起来的设备，它利用PC机的强大功能对心电信息进行开发和管理。大容量存储器的普及使得保存全部原始心电数据成为可能。另外，心电信息的传输是至关重要的，通过制订一系列的国际标准，国际互联网正在成为心电信息传输的有效途径。

第一节 溯源与发展（Origin and Progress）

    人类自20世纪50年代就开始把心电信息与计算机联系起来，1957年，Pipberger首次实现了心电信息的模数转换（A/D），1962年， Saesar Caceres研究计算机是否能够降低用于心电图分析的医疗保险费用，他收集了大约10000份心电图资料，并由此开发了12导心电图计算机自动识别和诊断程序，从此之后的20多年的时间里，心电医疗设备发展的重心一直是对其功能的计算机化，比如自动控制、信号分析、模式识别和分类。起初，应用计算机微处理器对设备进行一些简单的控制，比如开始和停止记录，然后对心电信息加以数字化，用于显示和打印、设定并检测报警域值等。随着功能越来越强大的计算机微处理器的问世，计算机自动诊断的水平不断提高，目前已经达到了比较成熟的程度。

    进入20世纪90年代之后，计算机网络技术迅猛发展，信息化浪潮席卷全球，人类昂首踏进了信息社会的大门。在电子医疗领域，陆续出现了电子医疗信息库、网上医院、远程会诊等概念，人们从单一的追求单机功能发展到了对心电信息的互联性（Interconnectivity）和互用性（Interoperability）的急切追求。

    信息化的前提就是数字化，心电信息是人类最早实现数字化的生物信息之一。可以说，心电信息学就是研究与心脏电活动有关的信息的数字化采集、分析、储存和传输的方法及其发展规律的一门学科。

第二节PC机心电机顶盒（PC-ECG/Web-ECG Set-Top Box）

    最早的可进入商业运行的心电信息计算机分析设备产生于20世纪70年代。比如由Telemed公司制造的分析设备，该设备要求把需要分析的心电信息传送到一个集中的中央计算机室，由中央主机分时逐个进行处理，大约10分钟后，分析结果经由电话传达到申请此项服务的医疗单位。20世纪80年代起，随着计算机微处理器的发展，产生了便携式的电脑化心电图机，比如Marquette和HP公司制造的设备（见图37-1）。一台设备可以独立完成心电信号采集、描记、自动分析等功能，该设备在临床上得到了广泛的应用。20世纪90年代末，个人计算机（PC机）和国际互联网（WWW， World Wide Web）迅速普及，PC-ECG及Web-ECG的概念应运而生。

    PC-ECG系统利用PC机进行心电信息的分析、储存、打印和传输。信号放大采集系统是一个采集盒，称为心电机顶盒，心电信号的放大和数字化采集完全在机顶盒内完成。心电机顶盒的一端有导联线插口，另一端接到PC机（一般为RS232串口），如果PC机通过国际互联网传输心电信息，则这样的系统也被称作Web-ECG系统。图37-2所示为美高仪公司的心电工作站-ECGLAB的机顶盒。

    相对于便携式电脑化心电图机，PC-ECG具有以下特点：

    1．分析更加准确。由于心电信息本身的复杂性，任何自动诊断都有其局限性，PC-ECG具有人机对话功能，允许医生参与关键点的定位修正，医生可以操作软件，使其按医生的要求工作，这大大的提高了诊断结果的可靠性。

    2．可以存储大规模的心电数据。按照美国医疗仪器发展协会（AAMI）的规定，以及我国中华医学会心电生理和起搏分会的心电图标准化的规定，心电信息数字化的精度应不低于12bit,即信号输入范围为±5mV的情况下，心电信号的最小分辨率应为2.44μV. 同时规定心电信息数字化的采样率应不低于500Hz, 这样，原始心电数据需要占用很大的内存空间。举例来说，10秒钟的心电数据需要占用60KB的内存空间（即每秒500Hz，共10秒，记录I,II,V1-V6共8个导联，12位。500×10×8×12/8 ≈ 60K）。目前大容量的硬盘和光盘都很容易满足需要，但很多便携式电脑化心电图机只有1M的内存容量，最多可以存储16个人的10秒心电数据。

    3．可以建立开方式的数据库（Open Architecture），通过局域网(LAN)或国际互联网进行标准化数据通讯，也可以方便地进入医院信息管理系统（HIS, Hospital Information Systems）。如果需要，可以实现诊断报告无纸化。

    4．可以方便的进行心电信息的深层次分析，比如心室晚电位、心率变异性、QT离散度等，也可在同一设备上进行其他电子文档的管理等多项工作。

    5．设备的升级十分容易，只需安装升级软件即可。同时由于PC机制造业规模庞大，PC机零配件价格便宜，购买方便，使得设备的制造和维护成本较低。

    目前国际范围内，几乎所有的动态心电系统（HOLTER）都已经放弃了复杂昂贵的专用分析主机，代之以快速可靠的PC机。运动平板和踏车心电系统也越来越多地采用PC机进行采样和控制，这样医生可以设定任意多个运动方案，并100%的保存全程运动心电信息。

    需要指出的是，便携式电脑化心电图机在设计上也将不断的引进PC机的各种标准功能，比如大容量存储和联网功能等，使其不断完善，在一些场合，比如监护、急救等情况下，便携式电脑化心电图机仍然具有不可替代的使用价值，将来，便携式电脑化心电图机和PC-ECG心电机顶盒之间的区别将不断减小。

    可以预见，PC-ECG心电机顶盒将继续得到发展和普及，成为PC机的外围设备之一。作者认为，PC-ECG的心电机顶盒在未来将在以下几个方面发展：

    1．增加离线作业功能。即机顶盒在不与PC机连接的情况下，可以实时显示和存储心电信息，随后再将数据回放到PC机，分析和打印报告，建立数据库并传送到数据网络。

    2．心电机顶盒将不仅限于与传统意义上的个人计算机即PC机结合，还将扩展到与个人数字助理（PDAs，Personal Digital Assistants）和移动电话（Mobil Phone）实现通讯。

    3．心电机顶盒与PC类设备之间的无线数据传输将是PC-ECG产品的必然发展。其中很有潜力的一项技术是蓝牙（Bluetooth）技术，只需给心电机顶盒内置蓝牙信号收发器，机顶盒便可以与任何装有蓝牙信号收发器的设备实现实时无线通讯。蓝牙技术采用的是2.4GHz IMS(工业，医学和科学，Industrial, Medical and Scientific)频谱的短程无线技术，传输速度可达1M-2Mbps,可以实现快速传送多人心电信息的任务。传输距离可达10米，且不受与对方器材的角度或障碍物的限制，打破了现时红外线或电线连接的局限性。同时，由于所用频谱勿须授权，这种无线电技术可以通行世界。

第三节 计算机心电信息的标准化通讯协议

（SCP-ECG, Standard Communication Protocol for Computer Assisted ECG）

    在1979年之前，心电图机记录的是模拟信号，不同厂牌的设备之间进行信号传送是可以的，虽然必要性不大。目前，人类每年要记录上千万份心电图，其中大约40%是用计算机数字化处理的，但是，心电数据的保存和追溯都是在产品制造商的专用系统中进行的，在不同的医疗单位之间交换心电信息数据几乎是不可能的，除非他们使用同一个厂牌的产品。另外，计算机和网络的高度发展，使得心电信息在网络上的传送成为非常紧迫的课题，因此十分有必要制订心电信息的标准化通讯协议。

    1989年，欧州标准化委员会（CEN，Comite Europeen de Normalisation）对心电信息的标准化通讯协议（SCP-ECG）进行立项研究，在Leuwen大学J.L.Williems的领导下，欧盟的其他五个研究中心参加了本项目，在此之前，这五个研究中心从事的是“心电图定量的通用标准（CSE, Common Standards for Quantitative Electrocardiography）”项目的研究。来自美国和日本的主要几个心电图记录设备的生产厂商的代表也应邀参加了SCP-ECG项目。SCP-ECG于1993年成为欧盟、美国和日本的预备标准。该标准包括8章正文和7个附件，主要涉及了以下4点内容：

    1．常规ECG数据的压缩和解压方法。常规ECG指的是标准12导联心电图和向量图。过于简单的压缩会使数据失真，过于复杂的压缩程式则会使很多制造商难以采用，本标准对心电数据的压缩作了全面的规定，强调使用典型波或平均波数据的重要意义。

    2．数据交换的格式，即数据如何分块打包，传向系统，并具有纠错和数据恢复功能。

    3．单机到主机（Cart to Host）以及单机到单机（Cart to Cart）之间通讯的基本信息，单机（Cart）指的是数字化心电图机，主机（Host）指的是单机之外的计算机系统，通讯的信息包括病人身份资料、诊断结论、基本测量数据（如QRS间期）等，而且，还进一步定义了心电数据的格式，否则，接收方也会无法使用数据，比如接收方必须知道每一导联的数据长度是几秒，是否包含心率计算导联或者平均波信息等。

    4．定义了增强的X-Modem调制解调器协议（Enhanced X-Modem Protocol），单机凡是使用RS-232通讯接口的，就能使用X-Modem协议，在单机和主机之间进行数据交换，不过这种数据交换目前尚是低水平的。

    SCP-ECG标准的创立为心电信息的交流奠定了基础，由于心电信息十分繁杂庞大，SCP-ECG标准到目前为止并不完善，SCP-ECG标准目前只支持静态心电信息，不支持信号平均心电即晚电位信息，不支持动态心电信息（HOLTER）和运动心电信息（Exercise ECG）等，但是，SCP-ECG是目前为止可选的最好的心电信息标准化通讯协议，已经得到了国际上的广泛认同和采用。

    另外，SCP-ECG标准只涉及了数据的采集、传输和储存方面，其他诸如心电信息分析方法的标准化和诊断分类的标准化问题是由CSE项目-心电图定量的通用标准所包含。

    在美国，医疗仪器发展协会（AAMI）心电学委员会成立了一个计算机辅助心电信息的标准化通讯协议工作组，即SCP-ECG工作小组，以期对SCP-ECG标准进行修改和完善。以下对AAMI心电学委员会的组成作一介绍：

医疗仪器发展协会

Association for the Advancement of Medical Instrumentation (AAMI)

心电学委员会

ECG Committee

    1．动态心电图工作组（相当于IEC 62D第1工作组的美国分部） Ambulatory Electrocardiograph WG (serves as US sub-TAG for IEC 62D, WG 1)

    2．心律失常监护工作组（相当于IEC 62D第2工作组的美国分部） Arrhythmia Monitoring WG (serves as US sub-TAG for IEC-62D, WG 02)

    3．导联线和导联工作组（相当于IEC 62D第3工作组的美国分部） Cables and Leads WG (serves as US sub-TAG for IEC-62D, WG 03)

    4．诊断用ECG和心脏监护工作组（相当于IEC 62D第4和第5工作组的美国分部） Diagnostic ECG and Cardiac Monitor WG (serves as US sub-TAG for IEC-62D, WG 04/05)

    5．电极工作组（相当于IEC 62D第6工作组的美国分部） Electrodes WG (serves as US sub-TAG for IEC-62D, WG 06)

    6．信号平均工作组（相当于IEC 62D第7工作组的美国分部） Signal Averaging WG (serves as US sub-TAG for IEC-62D, WG 07)

    7．计算机辅助心电信息的标准化通讯协议工作组（SCP-ECG） Standard Communication Protocol, Computer Assisted Electrocardiography WG (SCP-ECG)

    SCP-ECG标准草案已于1999年10月22日在心电学委员会内部正式发表，该标准草案的编号为AAMI/CDV-1 EC71,待投票表决通过之后，可望成为正式的美国标准。

第四节 医用信息管理（MIM, Medical Information Management）

    心电信息管理主要指的是对心电信息的储存和传输，它是医用信息管理系统的一部分。

   医用信息管理系统应该是一个开放的系统， 它支持标准的数据交换， 数据库应该可以使用结构化查询语言（SQL，Structured Query Language）和开放式数据库连接（ODBC，Open Database Connectivity）等标准语言进行操作。

    除了上节所述的SCP-ECG心电信息的标准化通讯协议外，国际上已经相继建立了医用信息储存和共享的标准。以下对其作一简介：

    1．HL7 2.3(健康水平7, Health Level 7)信息标准

    把不同来源的医疗信息集成在一起的标准，支持病人管理、财务、检查和观察结果、心电信息、预约和其他参考资料。

    2．IEEE 1073 MIB(医疗信息总线，Medical Information Bus)

    确定了床边与病人连接的医疗仪器与医学信息系统的标准化通讯接口。该标准已经由美国国家标准化协会（ANSI, American National Standard Institute）批准。

    3．DICOM 3.0(医用数字影像和通讯， Digital Imaging and Communications in Medicine)

    确定了与生产厂商无关的数字化医学图象的数据格式和数据传输标准。

    一般意义上的医院信息管理系统（HIS, Hospital Information System）包括以下一些内容：

    1．数据库

    2．诊断

    3．病人管理

    4．医护管理

    5．病房管理

    6．财政管理

    7．药品管理

    8．实验室和物品管理

    医院信息管理系统可以涉及医院的任何一个部门或科室，很多不同的医院信息管理系统对以下所列的部门都有专门设计的计算机管理系统：

    1．金融财务

    2．影像

    3．肺及呼吸

    4．心血管

    5．妇产及儿科

    6．牙科及五官科

    7．营养

    8．法律咨询

    9．食品服务

    其中心电信息管理被包括在心血管管理系统中，在设计心电信息管理系统的时候，除了要遵守SCP-ECG心电信息的标准化通讯协议外，还应该注意以下几个问题：

    1．与医院信息管理系统的其他信息的兼容性和一致性。

    2．与工业标准网络的兼容性。

    3．对同一病人在不同时期使用不同设备所作的心电检查结果，进行系列对照分析和显示的可行性。

    4．对特定病种和人群的心电检查结果进行自动分类统计的可行性。

    以上所述的医院信息管理系统在管理方法上是以医疗单位为主体，进行分门别类的数据分档管理。与医院信息管理系统相对应的另外一个系统叫作虚拟数据箱（VDR, Virtual Data Repository），它实际上表示个人医用数据库，VDR同样也存储大规模的数据，但在使用上以个人为主体，把一个病人的个人身份信息、化验、病理、放射、门诊、财务等数据存放在一个数据结构中，以期提供一套完整的纵向的个人病史资料，可以实现实时决策支援。该数据可以由医院、家庭医生或个人保健医保存，也可以由病人自己保留，存放的方式可以是单独的磁盘、磁卡、闪光卡、光盘，也可以存放在个人网站上，以便随时上传新数据或调用老数据。

    图37-3所示为作者描绘的医用信息管理系统的示意图。

第五节 网络心电信息（Web ECG Information）

    在浏览器的地址栏中输入http://www.yahoo.com/, 然后在Search栏中输入检索词ECG，您就会进入网上的心电信息世界, 如图37-4所示。其他相关的检索词有EKG、Electrocardiography、Cardiology、Heart、Electrophysiology、心电图、心脏病等。当然，您也可以利用其他门户网站搜索到更多的与心电信息有关的网站。

一．网页分类

    网上心电信息可以分为以下几类：

1．心电学的历史

    例如：

    http://homepages.enterprise.net/djenkins/ecghist.html

--- 百年心电图简史（A brief history of electrocardiography）

    http://www.heartweb.org/heartweb/HISTORY1.HTM

--- 心脏电生理与电刺激简史（History of Electrical Cardiac Stimulation）

2．心电学基本原理

    例如：

    http://db.lzet.com.cn/life/page/cd2-7.htm

--- 心电图检查

    http://www.mmip.mcgill.ca/heart/egcyhome.html

--- 心电图百科全书（EKG World Encyclopedia）

    http://www.heartinfo.org/physician/ecg/index.htm

--- 心电图库（The ECG library）

    http://www.med-edu.com/patient/arrhythmia/rhythms.html

--- 网络医学教学公司（Internet Medical Education Inc）

    http://www.noah.cuny.edu:8080/illness/mentalhealth/cornell/tests/ekg.html

--- 心电图简答（EKG Factsheet）

    http://endeavor.med.nyu.edu/courses/physiology/courseware/ekg_pt1/ekgmenu.html 

--- 纽约大学心电学教学提纲（New York university, EKG Tutorial-Menu）

    http://www.neosoft.com/~rlpierce/ecg.htm

--- 儿童心电图谱（Pediatric ECGs）

3．心电学教学单位和学术团体

    例如：

    http://www.acc.org/

--- 美国心脏病学院（American College of Cardiology）

    http://www.americanheart.org/

--- 美国心脏学会（American Heart Association）

    http://www.tmc.edu/thi/cardiova.html

--- 德克萨斯心脏研究所（Texas Heart Institute）

    http://www.ansi.org/

--- 美国国家标准化协会（American National Standards Institute）

    http://www.worldheart.org/heartbeat/April97/eurhnet.html

--- 欧洲心脏网络（European Heart Network）

    http://www.escardio.org/

--- 欧洲心脏病学会（European Society of Cardiology）

    http://www.globalcardiology.org/

--- 全球心脏病网络（Global Cardiology Network）

    http://www.med.stanford.edu/

--- 斯坦福大学医学教学网

    http://www.aami.org/

--- 医疗仪器发展协会（Association for the Advancement of Medical Instrumentation (AAMI)）

4．心电学论文

例如：

    http://circ.ahajournals.org/

--- 网上CIRCULATION杂志

    http://www.mmi.mcgill.ca/heart/index.html

--- 网上心脏病杂志（Online Journal of Cardiology）（见图37-5）

    http://www.ksl.stanford.edu/projects/mis204/ECG-abstracts.html

--- 心电分析论文摘要（Abstract of ECG Analysis Papers）

5．心电图图谱及个案分析

    例如：

    http://www.kumc.edu/instruction/medicine/cont-ed/infotech/car-ekg.htm

--- 心电图图谱（Atlas of Electrocardiograms）

    http://www.mdchoice.com/ekg/

--- 网上心电图图谱

    http://www.mmip.mcgill.ca/heart/ecghome.html

--- 心电图个案研究（EKG Case Studies）

    http://www.voicenet.com/~kosmas/ekg.htm

--- 心电图测验（ECG Quiz）

    http://www.netmedicine.com/ekg/ekg.htm

--- 每月心电图（Electrocardiogram of Month）

    http://www.mei.com/resource/arrhythm/list.cgi

--- 心律失常辨识（Arrhythmia Recognition）

6．心电分析记录设备及制造商

    例如：

    http://www.medizin.li/ekg/ekg_pc.htm

--- 心电图机市场调查（Market Overview (Surveys) of ECG machines - Medizin Verlag）

    http://www1.medmarket.com/product_guide.cfm?param=/mymedmarket.cfm>

--- 网上医疗产品指南

    心电信息网站数目繁多，在此不可能一一列举。由于网络发展速度极快，每一天会有新的心电信息网站面世，网站的信息也会随时更新，因此，了解网上心电信息最新动态的最好办法就是：现在就上网。

二．制作带心电图谱的网页（ECG Web Page）的方法

    要想建立一个与心电信息有关的网站，就免不了要引用一些心电图谱，而且，在SCP-ECG协议尚未普及的情况下，在国际互联网上传送心电信息的最直接的方法就是传送心电图谱，下面介绍一种制作带心电图谱的网页的方法，使用的工具是扫描仪。

    本方法的原理是：首先用扫描仪扫描印在心电坐标纸上的心电图图谱，用分色的方法去除心电坐标网格和网点，然后把扫描的图象缩小4倍，并压缩成GIF格式就可以使用了，把GIF文件输出到所需的网页上，然后把该网页的背景定义成心电坐标即可。

    把扫描仪的分辨率设定在300点/英寸（DPI, Dot Per Inch）,用双色扫描，如果原始心电图谱是由黑色波形和品红色网格组成，则很容易区分网格。如果原始心电图谱颜色较深，应把扫描的图象分成红绿蓝三层，只使用红色的这层，将其转化为黑白二色，则背景网格由于偏向红色，经过处理之后变成白色，黑色由于远离红色而仍然保持黑色。

    如果原始心电图谱的波形和背景网格均为黑色，则需设计一个专用的滤波软件，对图象加以处理，使用快速傅立叶变换（FFT，Fast Fourier Transforms）能够有效的去除背景“噪声”。

    把不含网格的扫描文件的分辨率缩小到76.5dpi,然后使用GIF 89a格式压缩，图象的背景色设为透明，使得网页的背景可以穿透图象。把该网页的背景定义成心电坐标，每一个小方格的宽高都为3个象素。之前要把心电图象缩小的原因，就是为了与屏幕上的网格配合。原始心电图谱上，每一个小方格的宽高都为1mm, 在300dpi分辨率时大约是12个象素，所以需要缩小4倍（理论上扫描文件的分辨率应该缩小到76.2dpi，但是实际上不好操作）。

    如果要把网页上的心电图谱打印下来，应注意在打印时放大4倍才能恢复真实大小。

    按照以上方法制作的心电图网页，显示速度快、清晰（见图37-6）

第六节 评价与展望（Evaluation and Prospects）

    近20年来，计算机技术已经溶入心电信息的各个领域，计算机技术的引入，提高了心电图的描记质量，也提高了心电图的分析诊断以及管理效率。不难预料，心电信息学的发展将对计算机技术提出更高的要求，计算机技术的发展也必将进一步促进心电信息学的发展。下面，作者分别就未来计算机技术在心电信息的采集、传输、分析和储存四个方面的应用作一大胆的预测：

    1．家庭化心电信息的采集设备将受青睐，通过使用特殊方便的导联装置，可以由患者或家人在办公室或家中进行数据采集（见图37-7）。

    2．心电信息的传输方式将网络化，无线传输将逐渐流行（见图37-8）。

    3．将出现一种特殊的行业-心电诊断服务业，诊断服务机构需要经过政府部门的资格认证，从业人员为心电图专家。工作方式主要是标准化远程诊断，服务对象为个人、医疗单位、保险机构等。

    4．心电信息将主要被储存在电子数据库中，医院信息管理系统和个人虚拟数据箱将由专业电子数据公司代理建立和维护。

    为了实现心电信息的采集、传输、分析和储存技术的革命性飞跃，还有以下问题亟待解决：

    1．数字化心电信息的标准化工作任重而道远，仍然需要国际范围内专家学者的大力协作，医用信息管理系统的国际标准化工作也才刚刚起步而已。

    2．国际互联网的传输速度、安全性及稳定性等有待进一步提高。

    3．国际社会应加快网络立法，就网络技术的标准化和保护网上知识产权等问题建立法律保障。