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东北大学硕士学位论文 人体生理信号的多参数监测与分析 摘要 由于人们的健康观念在不断变化，人们的健康意识也不断加强，对与健康相 关的产品需求也越来越大，有效监控人体健康状态的设备与手段也在不断的得到 发展。因此，本文就针对多种人体生理信息如何进行有效的监测与分析进行了研 究，完成采集人体的心电、脉搏、脂肪含量及体表温度值等多种生理参数的硬件 系统的开发，预处理及数据采集与分析系统软件设计，论文利用隐马尔可夫模型 进行聚类分析的研究包括对人的心电信号进行分类与识别，以实现利用心电信号 进行监测与诊断的目的。主要内容包括： 针对人体生理信息的特点，选取了心电信号、脉搏信号、脂肪含量及体表温 度等四个生理参数用于监测与分析。本文首先介绍了各种生理信号的特点，根据 每种生理信号选择相应的传感器或电极，再通过相应的放大滤波电路，将生理信 号处理成可供分析的信号，a f d 转换后传送到计算机中以备分析使用。在以上的 生理信号中，根据心电信号的具体特点，合理的设计采集电路在本文中是最主要 的内容，本文在电极的选择、导联线的布置以及在模拟电路的结构设计上采用人 体右下肢驱动电路、导联线屏蔽驱动电路及滤波器的设置等多种方式。保证了所 采集的心电信号的准确性和可用性。 由于心电信号过于微弱，在采集的过程中引入的多种干扰难以在硬件上滤除 干净，因此，为了获得可供肉眼观测的较为纯净的心电信号，本文采用了两种数 字滤波方法对心电信号进行消噪处理。首先，工频干扰在心电信号中影响最大， 使信号的可分析性大大降低，本文采用了一种简单有效的滤波方法即平滑滤波法， 有效的滤除了工频干扰，同时，由于其算法比较简单，可以在采集的同时进行滤 波处理，满足了其实时性：其次，在心电信号中存在不同频率的干扰成分，本文 采用了小波变换算法，将心电信号利用小波变化进行多层次分解，设定不同的阂 值，将每层信号中高频干扰消除，然后重构，即可获得干净的心电信号。本文也 设计了生理信息的数据采集分析软件，可以实时采集与显示信号的采集过程及实 时的进行工频滤波处理。 本文还利用隐马尔可夫模型对采集得到的心电信号进行分类及识别分析。首 1 i 东北大学硕士学位论文 摘要 先将心电信号进行相应的分类，选择一部分数据并提取其特征向量用于模型的训 练，建立数学模型，再利用另一部分数据进行识别试验。在试验中，自测心电数 据与美国m i t - b i h 中的部分数据进行了比较分析。在自测数据中进行不同的人物 识别，识别率达到了9 4 以上；而m i t - b i h 数据库中的心电数据进行的是正常和 非正常的多种健康状态识别，识别率在9 2 以上。 关键词：人体生理信息多参数监测心电信号脉搏信号脂肪含量数字滤 波小波变换隐马尔可夫模型 ，1 1 1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em u l t i p a r a m e t e r s m o n i t o r i n g a n d a n a l y s e s o fb o d y s p h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ec h a n g i n go fh u m a nc o n c e p to nh e a l t h ，t h ep e o p l eh a v ep a i dm o r ea t t e n t i o n o nh e a l t h ，a n de a g e rt oh a v em o r ed e v i c e st oi n s u r et h e i rb o d yh e a l t h y , t h ee q u i p m e n t a n dm e a s u r e st om o n i t o rb o d y sh e a l t h yc o n d i t i o ne f f i c i e n t l yh a v e g o tag o o d d e v e l o p m e n t s oi nt h i sp a p e r , ar e s e a r c hw a sd o n et om o n i t o ra n da n a l y s i st h eb o d y s n m l f i - p a r a r n e t e rp h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o n ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fm u l t i p a r a m e t e r h a r d w a r es y s t e mt om e a s u r et h ep h y s i o l o g i c a ls i g n a l ss u c ha st h ee c g s i g n a l ，p u l s e s i g n a l ，f a tr a t i oa n db o d yt e m p e r a t u r ew a sf i n i s h e d ，a l s ot h ed a t aw a sp r e d i s p o s e d ，a n d t h es y s t e ms o f t w a r et om e a s u r ea n da n a l y s i st h ep h y s i o l o g i c a ld a t aw a sd e s i g n e d ，t h i s p a p e ru s et h ec l u s t e r i n ga n a l y s i sc h a r a c t e r i s t i co f h i d d e nm a r k o vm o d e l st oc l a s s i f ya n d r e c o g n i z et h ee c gs i g n a l t h em a i np a r t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea st h ef o l l o w i n g ： i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fb o d yp s y c h o l o g i c a li n f o r m a t i o n , t h es i g n a l ss u c ha s e c gp u l s e ，f a tr a t i oa n db o d yt e m p e r a t u r ea r ec h o o s et ob ed e t e c t e da n da n a l y z e d i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f e a c hk i n do fs i g n a l sw a si n t r o d u c e df i r s t ，a n dt h e n ， t h ee l e c t r o d e so rt h es e n s o r sa r es e l e c t e d ，w h i c hm a k et h ep s y c h o l o g i c a ls i g n a l sb e d e t e c t e d i no r d e rt oa n a l y z et h es i g n a l se f f i c i e n t l y , t h es i g n a l ss h o u l dn o tb ed i s t u r b e d ， a n ds h o u l db et r a n s p o r t e dt oe x p e r te f f i c i e n t l ya n di nr e a lt i m e ，s ot h es y s t e mh a st o a m p l i f ya n df i l t e rt h es i g n a l s ，a l s ot r a n s f o r m st h es i g n a l sf o r ma n a l o gs i g n a l st od i g i t a l s i g n a l s t h ed i g i t a ls i g n a l sa r ew h a tw en e e d e d ，i nt h i sp a r t ，t h ew a yt od e t e c te c g i s t h em o s tc o m p l i c a t e df o ri t sf a i n tc h a r a c t e r i s t i c ，s om a n yw a y si n c l u d e ds e l e c t i n gt h e s u i t a b l ec h i p s ，s e t t i n gt h ec o n d u c t o r sa n dd e s i g n i n ge f f i c i e n tc i r c u i td i a g r a me t ca r e a d o p t e d ，w h i c hm a k et h em o n i t o r i n gs y s t e mh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i i g h e r s e n s i t i v i t y , p r e f e r a b l ea n t i i n t e r f e r e n c e ，g o o de l e c t r i cs a f e t ya n d l o w p o w e rd i s s i p a t i o n t h ee c gs i g n a li ss of e e b l et h a ts t i l lh a v em a n yi n t e r f e r e n c et h o u g ha m p l i f i e da n d f i l t e r e db yt h eh a r d w a r ec i r c u i t s ，s oi nt h i sp a r t ，t w om e t h o d so f d i g i t a lf i l t e ra r ea d o p t e d t od i s p o s et h ee c g d a t a f i r s t l y ，t h ei n t e r f e r e n c eo f5 0h zi st h em o s ts e r i o u si ne c g s i g n a l ，w h i c he v e nm a k et h ed a t au n a v a i l a b l e t oe l i m i n a t et h en o i s e ，as i m p l eb u t u s e f u la l g o r i t h mi sa d o p t e d ，w h i c hn o to n l ye l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c eo f5 0 h zb u ta l s o m a k et h ef i l t e rd o e si nr e a lt i m e s e c o n d l y , t h e r ea r es t i l lm a n yk i n d so fi n t e r f e r e n c eo f d i f f e r e n tf r e q u e n c ya r e ai ne c gs i g n a l ，s ot h ew a v e l e ta n a l y s i si ss u i t a b l e ，w h i c h i v 东北大学硕士学住论文a b s t r a c t d e c o m p o s e so r i g i n a le c gs i g n a l si n d e t a i ls i g n a l so nd i f f e r e n tf r e q u e n c yb a n d sb y u s i n gw a v e l e tt r a n s f o r m ( w t ) a c c o r d i n gt oe c gs i g n a lf e a t u r e ，s o m ed e t a i ls i g n a l s a r ep r o c e s s e db yt h r e s h o l df i l t e r i n ga l g o r i t h m ，m a dt h e nt h es i g n a li sr e c o n s t r u c t e db y i n v e r s ew 工t h e r e f o r e ，s e v e r a lm a i ni n t e r f e r e n c ei ne c g s i g n a lc a nb er e m o v e d t h i s d i s s e r t a t i o n a l s o d e s i g n e d a s y s t e m s o f t w a r et om o n i t o ra n d a n a l y s i sb o d y s p h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o n ，w h i c hc a nc o l l e c ta n dd i s p l a yt h es i g n a l s w a v ei nr e a lt i m e ， a n da l s oe l i m i n a t et h ei n t e r f e r e a c eo f5 0 h z t h i sd i s s e r t a t i o nc l a s s i f i e da n da n a l y z e dt h ee c gs i g n a lm e a s u r e dw i t ht h eu s eo f c o n t i n u o u sp r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o nh i d d e nm a r k o vm o d e l s i nt h i s m e t h o d ， e l e c t r o c a r d i o g r a md a t aw e r ef i r s t l yu s e df o rt r a i n i n gt h em o d e l s ，a n dt h e nt h eh i d d e n m a r k o vm o d e l sc o u l dc o r r e c t l yc l a s s i f yb o t ht h ed a t au s e da n dn o tu s e di ne c g t r a i n i n g i nt h ee x p e r i m e n t ，w ec h o o s et h ed a t ap a r t l yf o r mt h ed a t am e a s u r e di nt h el a b ，a n da l s o p a r t l yf o r mm i t - b i hd a t a b a s eo fu sa sc o m p a r i s o n w i t l lt h ee c gd a t ad e t e c t e di nl a b t h ee x p e r i m e n tw a st h er e c o g n i t i o no fd i f f e r e n tp e r s o n ，a n dt h er e c o g n i t i o nr a t i ow a s o v e r9 4 ；w i t ht h ed a t ao fm i t - b i h ，t h ee x p e r i m e n tw a st h er e c o g n r i o no fb o d y s d i f f e r e n th e a l t hc o n d i t i o n ，a n dt h er e s u hw a so v e r9 2 ，t h e r e f o r e t h eh i d d e nm a r k o v m o d e l sh o l dab r i 曲tf u t u r ei ne c g p r o c e s s i n ga n de c ga n a l y z i n g t h ee m p h a s e sa n dd i f f i c u l t yi st h ed e t e c t i o no f p s y c h o l o g i c a ls i g n a l s n o w a d a y s m o s tr e s e a r c hp a ya t t e n t i o n st ol a r g em e d i c a lm o n i t o r i n gs y s t e m ，s ot h i sr e s e a r c hw i l l h a v eag o o df u t u r ei nf i e l do ff a m i l yh e a l t hm o n i t o r i n g k e yw o r d s ：p h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o n ，m u l t i - p a r a m e t e rm o n i t o r i n g , e c gs i g n a l ， p u l s es i g n a l ，f a tr a t i o ，d i g i t a lf i l t e r , w a v e l e tt r a n s f o r m ，h i d d e nm a r k o v m o d e l s v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：尹；懈 日 期：妒。r 、2 ，z 8 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 健康是人类永久关注的话题，随着社会的进步和科技的发展，人类的健康观念、 健康方式和途经都发生着深刻的变化，科学技术的革命必将推动医疗领域的变革。 在医疗康复和保健方面，从某种程度上可以认为其发展分为两个阶段：即以医 院为轴心的医疗保健体系阶段和以家庭为基础的社区卫生服务体系阶段。在第一 个阶段，临床医疗是人们应付疾病的唯一途径，多数患者平时对自己的健康状况 一无所知，更无从预防与治疗；对于明确诊断的患者，常因不能随时掌握自己的 病情变化而不能及时到医院复诊，而许多偶然性和突发性疾病发作时，典型的病 信号转瞬即逝，待就诊时较难捕捉到典型病理信息，这在一定程度上给渗疗带来 了困难。特别是老人、儿童、孕妇，往往因不能及时地进行健康判断而带来诊断 和治疗的延误，不仅仅带来病人的痛苦和医疗费用的增加，甚至会因为治疗不及 时而导致生命危险。当前，世界范围内的卫生革命已发展到以解决非传染性疾病 为主的阶段，把过去的以医院为轴心的医疗保健体系过渡到以家庭为基础的社区 卫生服务体系已成为必然趋势。传统的以医院内部临床医疗为主的医学模式正在 逐步向以家庭为基本单元的院前预防急救、院内诊断治疗、院外监测康复，以及 与日常家庭保健相结合的多元化、多层次的现代医疗卫生保障体系变革。过去单 纯的生物医学观点和单纯的“治病”观念必定会过渡到更加重视社会、心理与精 神影响，同时注重“治未病”的做法。因此为之服务的各种医学电子仪器的纷纷 涌现，在医疗、康复与保健等方面均开始了一场新的革命。 近十几年来，各种生理信号的监护仪器已成为各级各类医院中的常用设备，得 到了广泛应用。特别是由于经济发展、生活水平的提高、入口老龄化和心血管并 发生率上升等因素，对病人的监护需求量将大大增加。 一般来说，这类监护仪器都是由包含各种传感器的物理模块和内置计算机系统 构成。各种生理信号由传感器转换成电信号，经前置放大、滤波、模数转换等处 理后送入计算机进行结果显示、存储和管理。监护仪可以实时、连续、长时间地 监测病人的重要生命特征参数，具有重要的临床使用价值。目前，这类监护设备 的监护参数不断增多，由过去的单参数逐步方展为多参数，包括心电、呼吸、血 东北失学硕士学位论文 第一章绪论 压、体温、血氧饱和度、有创血压、呼吸二氧化碳、心输出量等。功能也在不断 加强，由过去的简单监护发展到对异常波形的自动记录与分析。但是，这些仪器 大多价格昂贵，而且体积很大、不便携带，使用起来也需要很多专业知识，且这 些设备也仅能在医院里使用。 实际上，由于心里或生理上的压力，有相当一部分人在医院测量的数据与在他 熟悉的环境中测量的数据有本质上的差别。研究表明。2 0 被认为患有高血压并 认为有可能导致心脏病的人在真f 放松下来时没有高血压。最近的研究证明临床 上被诊断为患有高血压并有可能诱发心脏病的孕妇在家中做2 4 小时血压监护时发 现仅有三分之一孕妇的监护结果与i 瞄床诊断一致i l 】。因此，开发面向家庭的健康监 护设备就显得尤为重要了。 1 。2 本文研究目的、内容和关键技术 随着医学监护的发展和成熟，特别是传感技术、计算机技术的高速发展，使得 监护设备不断更新换代，同时针对我国所面临的社会老龄化、医疗费用高，以及 人口众多、医院和交通容量有限等一系列严重的社会问题，本文旨在设计针对家 庭或方便使用的可以采集多种参数的人体生理监测系统，使被监测者可以便捷的 获知自身的生理状态。 本文所设计的这套监测系统，可以同步采集人体的心电信号和脉搏信号，同时 也可以检测人体的脂肪含量、体表温度等生理参数，并通过计算机对上述信号进 行分析处理，可以达到识别诊断的目的。本文进行了以下部分内容的研究： 1 ) 人体生理信息监测系统的硬件体系构成 2 ) 人体生理信号的预处理及数据采集分析软件的设计 3 ) 应用隐马尔可夫模型对心电信号进行分类识别的研究 其中，第一部分内容是本文中最关键的部分，因为在人体生理信息中，心电、 脉搏等信号是低频微弱信号，尤其是心电信号，随检测状态和时间的变化均会表 现出明显的非平稳特性，且在信号采集的过程中极易引入大量的噪声干扰，必须 在硬件上采取有效的方法合理的获取生理信号，同时也耍尽可能的抑制工频干扰 及其它原因所产生的各种噪音信号。为此，本文在电极的选取、导联线路的配置、 电路器件的选择及电路结构的设计等多方面采取了有效的措旌，并取得了较好的 效果。 此外，利用隐马尔可夫模型对心电信号进行聚类与识别研究也是本文的一个 东北大学硕士学位论文第一章绪论 研究重点，通过提取心电信号的有效特征向量，作为观测向量，利用已分类的心 电数据进行识别训练，建立模型，然后进行识别试验，按待识别信号的最大似然 概率对应所属的类进行识别。 1 3 本文主要工作 本文主要研究工作如下： 1 ) 根据相应的生理信号配置不同的传感器或电极，设计不同的放大滤波电 路，并与a d 数据采集器、计算机相连，在硬件上组成一套完整的生理信 号采集系统。 2 ) 设定不同的采样参数；对晟为微弱的心电信号进行预处理，包括数字工频 滤波、利用小波算法多分辨率分析的特性对心电信号进行消噪处理等；设 计相应的数据采集与分析软件。并采集一定量的试验数据以做后续的试验 分析， 3 ) 利用连续概率分布函数隐马尔可夫模型( h m m s ) 对所采集的人体心电信 号进行聚类识别，以达到一定的诊断效果。 号进行聚类识别，以达到一定的渗断效果。 东北大学硕士学位论文第二章人体生理信息的多参数监测系统的硬件构成 第二章人体生理信息的多参数监测 系统的硬件构成 人体作为一个统一的整体，各器官、系统的功能相互联系和协调。同时，人 体的内外环境都在不断地变化，体内各功能也要进行相应的调整。因此，通过对 足够详细的人体生理信号的监测完全可能推知整个人体大致的健康及精神状况。 人体生理信号( 脉搏、心电、脂肪含量、体表温度等) 采集分祈系统将各种 生理信号传感器或电极、放大滤波电路、 对多参数生理信号进行监测及分析处理， a d 转换等与计算机相连，在计算机中 并可得出一定的分析诊断结果，其系统 结构图如图2 1 所示。该监测系统的硬件部分主要由心电、脉搏、脂肪、体温等四 个模块组成，每个模块均由相应的前置放大电路、滤波电路、后级放大电路等组 成。由于每个模块所输出的信号是模拟信号，还需经过模拟一数字的转换，本文 采用了北京优采公司的u a 3 0 1 型a d 采集器，它具有2 位的转换精度，1 6 通道的 数据同步采集的能力。经过a d 转换后的数字量即被传送到计算机当中，以供进 一步的分析及处理。 图2 1 生理信号监测结构框图 f i g2 1d i a g r a mo fm o n i t o r i n go i lp s y c h o l o g i c a ls i g n a l s 2 1 心电监测模块 2 1 1 心电图基本原理 山脏在机械性的收缩之前，首先产生电激动，产生生物电流，并经组织和体 东北大学硕士学位论文第二章人体生理信息的多参数监测系统的硬件构成 液传导至体表，于身体不同部位产生不同的电位变化，形成体表电位差，即变化 着的心电信号1 2 j 。 英国学者哈维( w h a r v e y ) 的“心脏运动论”开创了现代生理学的篇章，他计算 出心脏昼夜所搏出的血量超出体重的几十倍。1 9 0 1 年，e i n t h o v e n 发明采用石英丝 的心电电流计，从体表真实记录出心脏的电流活动。1 9 0 5 年正式用于临床，记录 出室上性阵发性心动过速。1 9 2 4 年由于此项发明，e i n t h o v e n 获得诺贝尔奖。 心电图的i 临床应用己有百年历史，由于和临床紧密结合，受到广大医务工作 者的重视。因为是无创检查，众多学者都不断进行理论和实践的探索，使其不断 完善和提高，给百年的老检查方法赋予了新的生命。 心电监护是指通过连续监测病人的心电图( e c g ) 信号，及时了解病人的心脏状 况，并在发现严重的心脏异常情况时，及时采取有效的治疗和急救措施。由于早 期心电图描记观察的间断性( 一天一次或两次) ，相当高比例的心律失常病症未被注 意到，而有4 0 以上的急性心肌梗塞病人是由于心律失常并发症而死亡。直到2 0 世纪6 0 年代，人们才认识到心律失常是急性心肌梗塞病人的特殊常见并发症，这 归因于直到那时人们才发展了实用的可进行心电连续监测的技术设备，其最先用 于冠心病监护( c c u ) 中。冠心病可以导致心脏骤停和早期泵衰竭等各种心律失常。 冠心病人若能在疾病发作的1 分钟内得到及时治疗，有9 0 的生存机会；而在3 分钟后才得到治疗，生存机会就大为下降。据美国华盛顿医院中心心脏科研究报 道，建立了c c u 监护病房后，冠心病人的死亡率从原来的4 0 下降到1 2 5 。心 电监测仪使用人们可以一直连续观察心脏的电活动，并即时提示重要的心律失常， 从而为与心律失常相关的心脏疾病的研究、急救和治疗提供了重要的手段。心电 监护成为c c u 的一个里程碑。 由于常规心电图记录的是病人在静卧情况下的心电活动，对心律失常等病的 发现率很低。环境( 如过热、过冷、噪声等) 和人的精神状态( 如悲哀、兴奋、惊恐、 疲劳、烦躁等) 都能影响心脏工作，诱发潜在心脏病的发作。 1 9 5 7 年，美国物理学家h o l t e r 首创了一种用磁带记录器对正常活动状态下的 病人作长时问连续心电图记录的方法，开辟了时间全信息和环境全信息心电汜录 和诊断的新领域p j ，从而在某种程度上弥补了常规心电图的不足之处。这种长时间 连续记录的心电图称为动态心电图( d y n a m i ce l e c t r o c a r d i o g r a m 简称d c g ) 。它提供 的长时间动态心电图记录对心率失常的检出、早期心血管病诊断、抗心率失常治 疗的评价以及心率失常和生理关系的研究具有重要意义。1 9 6 1 年，美国最先将d c g 技术应用到临床，以后很快在发达国家得到普及。自1 9 7 8 年我国开始引进此项技 5 东北大学硕士学位论文第二章人体生理信息的多参数监测系统的硬件构成 术以来，临床应用逐步深入己从大医院逐步向中小医院普及，成为心血管疾病诊 断领域中的实用、高效、无创、安全、准确、可重复性强的重要检查方法i 2 j 。 动态心电图监护系统的出现，打破了传统的监护概念，使其从医院走入了家 庭，但在实际应用中也显示了它的局限性即实时性差的缺点。随后发展起来的电 话心电监护仪可以显示病人的全部心电信号，但是只将病人感觉异常时的心电信 号发送到心脏监护中心，由中心记录，并交由医学专家分析诊断。这套系统价格 适中，诊断的正确性高，但由于其丢失了大量原始数据，不利于对一些病症的早 期防治。 ( 1 ) 心电信号的产生机理及检测方式 心脏不断地进行着有节奏的收缩和舒张活动，心脏在机械收缩之前，心肌首 先产生电激动，心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表 不同部位产生不同的电位，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电 变化活动。在体表放置两个电极，分别用导线联接到心电图机的两端，它就会按 照心脏激动的时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线， 这就是心电图。 将两个电极景于人体表面任何两点，用导线与心电圈机中的正负两极相连，就 可将这两点间的电位差导入心电图机，从而描出一系列心电波，这种连接方法和 装置称为心电图的导联【4 j 。临床上广泛应用的心电图导联有三种，即标准导联、单 极肢体导联和胸前导联。各种导联并无实质上的差别，只是以不同的角度反映心 脏的功能。各导联配合使用，使诊断心脏疾病更为准确f 4 】a 在本文中所采用的是肢体导联方式，通过标准肢体电极夹，分红、黄、黑三色 相应分别夹人体的右手腕、左手腕及右脚踝处，依靠标准心电三导联线将信号传 导至心电放大器输入端。 ( 2 ) 典型心电波形特征 心电检测有多种导联方式，不同导联所得到的心电图形态各异，人与人之间 的个体差异也很大，但所有的心电波形都可划分为一些共通的部分。如图2 2 所示， 典型的心电波形是由p 、q 、r 、s 、t 、u 波及p 一矗阀期、s r 段、q r 间期 等组成。 6 东北大学硕士学位论文第二章人体生理信息的多参数监测系统的硬件构成 r q t i 曰期 图2 2 典型心电波形 f i g2 2t y p i c a le c g p 波( pw a v e ) ：p 波反映左右两心房的电激动过程，是左右心房除极时的 电位变化。心脏的激动发源于窦房结，最先传导至心房，使之发生激动，所以在 一组波形中首先出现的便是尸波。j d 波振幅在肢体导联不超过0 2 5 m v ，在胸导联 不超过0 2 m v 。 p r 段( p rs e g m e n t ) ：p 波出现后，心脏的激动沿心房肌( 结间束) 传至 贯通心房与心室的传导系统( 目前称该部位为房室交界区或交接区) ，下传至心室。 激动通过这段传导组织时所产生的电位影响极为微弱，因此心电图描记器在p 波 以后，心室激动以前的一段时间内，身体表面的心电图( 简称为体表心电图) 看不出 电位变化，这一段称为p 只段。般尸一r 段的范围为0 1 2 0 2 s 。 鲫s 波群( q r sc o m p l e x ) ：这个波群反映左右心室的电激动过程。典型的 q r s 波群包括三个紧密相连的波。确定q r s 波成分时，应以q r s 波群的起始处作 为参考水平线，第一个向下的波名为“q ”波；继q 波后的一个狭窄而高耸向上 的波名为“月”波：与r 波相衔接的又是一个向下的波，名为“s ”波。因这三个 波紧紧相连，总共时间一般不超过0 ，1 0 s ，而且都是反映心室激动的波形，所以合 并称之为q r s 波群。不同的导联会使q 幔s 波群的形态不同，但一般肢体导联的每 个q r s 波正向与负向振幅相加的绝对值不应低于0 5 m v 。 s ，段( s ts e g m e n t ) ：是自心室激动产生q r s 波群以后至心室复原，再度在 体表产生明显的电位差( t 波) 以前的一段短暂时间。g 嬲波结束与田1 段起始的 交点称为，点，通常随s t 段的偏移而发生移位。，”段一般对应于心室肌细胞动作 电位的平台期，此时所有心室肌细胞动作电位均处于稳定状态，心室内没有电位 一7 东北大学硕士学位论文第二章人体生理信息的多参数监测系统的硬件构成 差存在。在任一导联下，田段下移不应超过0 0 5 m v 。 丁波( tw a v e ) ：t 波是继s r 段后一个比较低而占时较长的波，它代表心室 肌激动以后复原时产生的电位改变。在正常情况下，r 波的方向大多与q r s 波群 的主波方向一致。 q 一，间期( q tp e r i o d ) ：从q 船波群的起点至丁波结束，代表心室肌除极 和复极全过程所需的时间。q 一，间期的长短与心率的快慢密切相关，心率越快， q 一丁越短，反之则越长。当心率在6 0 i 0 0 次分时，q 一，的正常范围应浚在 0 3 2 s o 4 4 s 之间。由于q r 间期受心率的影响很大，常用校正的q 一丁间期表示， 即：q i = q t r r ，其中q 1 表示尺一r 间期为l s ( 心率6 0 次分) 时的 q 一7 间期。 u 波f uw a v e ) ：在丁波后面有时一可以看到一个很小的波动，它代表心肌激 动的“激后电位”( a f t e rp o t e n t i a b ，其方向大体与r 波相一致，正常入的u 波是很 小的。 卸心电信号的特性【5 ) ： 曲微弱性 从人体体表拾取的心电信号很微弱，一般只有o 0 5 5 m y 。在测量中，对于 如此微弱的信号，很难进行直接观察或记录，必须通过放大器进行适当的放大后， 再输给显示与记录装霞。 b ) 不稳定性 人体心电信号处于动态变化之中。由于人体是一个与外界有密切关系的开放 系统，加之内部存在着器官间的相互影响，所以，无论来自外部或内部酶刺激， 都会使人体因适应这一变化，而从种状态变化到另一种状态，从而使人体信号 发生相应的变化。因此，在对心电信号进行测量、分析和处理时，应该注意到它 是随时间变化的信号，应按其频谱特性，选择适当的放大系数和显示记录装置。 c ) 低频特性 人体心电信号的最高有效频率在1 0 0 h z 左右，故心电信号为低频信号。 d ) 随机性与规律性 人体，t 3 电信号是反映人体机能的信号，它是整个人体系统信息的一部分。由 于人体的不均匀性以及可按收多通道输入，信息易随外界干扰而变化，从而使心 电信号表现出随极性。不过，如果对心脏自发放电的时问空闯构型进行统计分辑。 就可以发现放电的内在规律。因此，这种随机现象服从统计规律。在心电信号的 东北大学硕士学位论文 第二章人体生理信息的多参数监测系统的硬件构成 测量中，既要注意到它的随机性，又不可忽视其内在的规律性。 2 1 2 心电监测前置放大电路 ( 1 ) 心电放大器的设计要求 由于人体的心电信号有微弱、低频、易受干扰、不稳定、随机等特点，这使 得对心电放大器的设计有很苛刻的要求。 a ) 增益 由于心电信号非常微弱，只有o 0 5 5 m v 。而心电放大器增益的常规设计要 求心电在正常输入时，即输入为1m v 时，输出电平达到1v 以上( a d 转换器的参 考电压为5 v ) ，所以心电放大器的放大倍数很高，为1 0 0 0 左右。 在心电放大器输入回路内，由于电极和皮肤分泌液之间存在着复杂的离子交 换过程，在其接触面形成极化电动势印1 和点2 。其大小与电极材料、形状、皮肤 的分泌状况的有关。如果点1 p l = 印2 ，极化电动势作为直流共模输入到心电放大器， 并由放大器本身的c m r r 予以抑制，保持了静态工作点的稳定。如果d 1 助2 ， 则其差值部分与心电信号一起，由心电放大器放大。由于其差值可能达到数百毫 伏的程度，这比心电信号大得多，势必造成前置放大器静态工作点的偏离，甚至 进入截止或饱和，引起心电放大器的阻塞，所以前置放大器的增益不能太大。 b ) 频率响应 频率响应表明仪器工作的频率范围，它是衡量系统增益随频率变化的一个尺 度。为了减少不需要的频带外噪声，心电信号用高通和低通滤波器来压缩通频带。 通频带内覆盖心电信号的一切频率，通频带的上下范围以3 d b 的频率表示。 由于人体心电信号的频谱范围为0 0 5 1 0 0 h z ，所以，要求心电放大器的频率 响应为0 0 5 1 0 0 h z ，而且要求在此频率范围内线性地放大各种频率成分以及保持 各成分的相角不变。只有这样，经过心电放大器的信号才具有可靠的诊断价值。 c ) 高输入阻抗 心电放大器输入阻抗的设计取决于被测对象，即人体的阻抗特性，所使用的 电极类型以及与人体的接触界面。心电放大器通过电极连接到人体身上。由放大 器的输入端向人体方向看去，从电极、导电膏、皮肤( 角质层、粒层、汗腺) 、组织 液到心脏外壁形成了信号源阻抗，这个源阻抗可看作由一组串并联的电阻及电容 组成。在低频的情况下，这个源阻抗为纯电阻。显然它包括人体电阻( r ) 、皮肤电 阻及电极与皮肤的接触电阻( r 0 ) ，那么电阻r x = r + r 0 陋o ) ) r ) 。人体内组织液 9 东北大学硕士学位论文第二章人体生理信息的多参数监测系统的硬件构成 是一种电解质，所以r 与组织液离子浓度有关。舯不仅与皮肤和电极接触松紧有 关，还与皮肤的干湿、清洁度及每个人角质层的厚薄有关【7 l 。 由于心电信号源阻抗具有高阻抗的特性，而心电信号是微弱的，若心电放大 器的输入阻抗不高，那么经过分压后，心电放大器输入端的信号就非常微弱了。 心电信号损失严重，而且信号源过负荷使心电信号产生畸变。 信号源阻抗不仅因人而异，因生理状态而异，而且在测量时，与电极的安放 位置，电极本身的物理状态都有密切的关系。源阻抗的不稳定，将使放大器电压 增益不稳定，从而造成难以修正的测量误差。所以只有较高的输入阻抗，才能确 保增益的稳定性。设两介电极与皮肤的接触电阻为r s l 、r s 2 ，如果r s l 不等于 r s 2 ，不可避免的就会把共模干扰信号转化为电路无法克服的差模信号。只有增 大心电放大器的输入阻抗，才能减少其影响。 此外，由于心电放大器的测量对象是人体，易受工频、射频等于扰，只有提 商输入阻抗，才能有效地抑制这些干扰。信号源阻抗般在数k g 至数十k n 之间， 心电放大器的输入阻抗应该比源阻抗高两个数量级，故一般取5 1 m q 或1 0 m n ，才 能不失真地引出心电信号。 d ) 高共模抑制比 正如上段所说，电极与皮肤接触引起的极化电动势作为直流共模干扰输入到 心电放大器，其值可能达到数百毫伏的程度，远比心电信号大得多。而且心电信 号的探测要受到现场很多电气设备运行时的干扰，尤其是市电的共模干扰，还有 其他共模干扰常把微弱的心电信号淹没。共模抑n 比( c m r r ) 是衡量心电放大器对 共模干扰抑制能力的一个重要指标，也是克服温度漂移的重要因素。常被定义为 放大器差模增益和共模增益之比。为了防止心电信号的输出被淹没在5 0h z 、电极 极化电压或其他共模干扰电压之下，一般要求c m r r 应达到8 0 d b 以上。 e ) 低噪声、低漂移 在心电放大器中，由于增益较高，噪声和漂移是两个较重要的参数。心电放 大器运行过程中的噪声主要表现为电子线路的固有热噪声和散粒噪声，这都属于 自噪声，其幅值成正态分布。为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪 声性能有严格的要求。所以在设计心电放大器时应尽量选用低噪声元件，以降低 噪声并进一步提高输入阻抗。 另外，温度变化会造成零点漂移，心电放大器基线漂移本质上是由于，i i , 电放 大器的输入端引入了直流电压增益的缘故，电极和皮肤间接触电阻、电极本身电 阻的变化和电极电位的改变都会增大基线漂移。漂移现象限制了放大器的输入范 1 n 东北大学硕士学位论文第二章人体生理信息的多参数监测系统的硬件构成 围，使得微弱的缓变信号无法被放大。而心电信号具有很低的频率成分，为了能 正常的测量，必须采取措施来限制放大器的漂移。所以放大器应选用低漂移、高 输入阻抗并具有高共模抑制比的集成运放电路。 综上所述，心电信号放大器的设计有如下五点要求： 1 ) 增益为8 0 0 1 0 0 0 ； 2 ) 频率响应为o ，0 5 1 0 0 h z ： 3 ) 输入阻抗为5 1 1 0 m q ； 4 ) 共模抑制比大于8 0 d b ； 5 ) 低噪声、低漂移。 另外，考虑到本监护仪的便携特性，所以在选择放大器时，同