心电信号的处理.

1、Biomedical signal processing1Nankai University, CY LI, 2022-4-28Ch4: 心电信号的处理o心电图的产生,o心电图处理的基本思路,n时间上: 动态和静态,n空间上: 心肌电特性的空间离散度,o心电图处理和分析的发展,Biomedical signal processing2Nankai University, CY LI, 2022-4-28心电信号的形成（1）o心肌细胞的动作电位n心肌细胞除极和复极的电生理现象,n极化状态(polarised): 静息电位(resting potential),n动作电位(action poten

2、tial, AP): 除极(depolarisation)和复极(repolarisation),mV-90-600+200心室肌细胞动作电位示意图1234300msBiomedical signal processing3Nankai University, CY LI, 2022-4-28心电信号的形成（2）o电兴奋的传导(conduction or spread of electrical excitation)n窦房结: 心脏的起搏兴奋点, 其细胞自发产生50-100次/分的可传导AP,n心房的传导: 心房传导束-右心房-左心房n传导系统的传播: 房室束-希氏束-左、右分支-普金野（P

3、urkinje）纤维网-心室肌,n电兴奋通过Purkinje网使心室肌细胞兴奋，Biomedical signal processing4Nankai University, CY LI, 2022-4-28心脏传导系统Biomedical signal processing5Nankai University, CY LI, 2022-4-28English termso窦房结: sinus node,o心房: atrium, 心室: ventricle, o房室结: atrioventricular node (junction),o希氏束: bundle of His,o普金野纤维: P

4、ukinje fibres,o心脏表面(心外膜): epicardium,o心内膜：endocardiumo体表：body surface Biomedical signal processing6Nankai University, CY LI, 2022-4-28心电信号的形成（3）o心电图(electrocardiogram, ECG)的产生n电流源：每个心肌细胞的除极和复极过程等效于一个偶极子层（dipole layer）n容积导体(volume conductor):人体组织是导电的，看作是一个容积导体，n心电向量: 所有心肌细胞的偶极子场的向量和,n心电图：所有心肌细胞的偶极子场在

5、容积导体内产生电场，从而有电位差产生，即心电图。p体表心电图,p心外膜、心内膜电图,p希氏束电图，Biomedical signal processing7Nankai University, CY LI, 2022-4-28典型心电信号波形oP, QRS, ST, TS-T段QRSTPQTBiomedical signal processing8Nankai University, CY LI, 2022-4-28心电图的记录(Recording of ECG)o标准导联,n肢体导联, 胸导联,o体表多部位标测(body surface mapping),n32-512通道的数据采集系统(m

6、ulti-channel data acquisition system),n电极背心, (electrode vest)o心脏表面的多部位标测(epicardial mapping),n多通道的数据采集系统n电极套(electrode sock)o心脏内膜的多部位标测(endocardial mapping),n多通道的数据采集系统n导管(catheter)和伞电极Biomedical signal processing9Nankai University, CY LI, 2022-4-28Body surface mappingBiomedical signal processing10N

7、ankai University, CY LI, 2022-4-28Epicardial electrode sockBiomedical signal processing11Nankai University, CY LI, 2022-4-28标准导联(1)o12标准导联(standard leads)n标准I， II，III肢体导联(bipolar limb leads),IIIIIIRFLR: right armL: left armF: left footI=EL-ER,II=EF-ER,III=EF-ELBiomedical signal processing12Nankai Un

8、iversity, CY LI, 2022-4-28标准导联(2)加压肢体导联标准aVR, aVL, aVF (augmented unipolar limb leads),LWilson terminal:C点的电位,aVL和aVF的连接相似R/2RRRFCaVR+-Biomedical signal processing13Nankai University, CY LI, 2022-4-28标准导联(3)o单极胸导联V1-V6 (unipolar precordial leads), precordial: chest wall,o中心电端(Wilson terminal)oV1-V6,

9、 胸前电极分别与中心电端的电位差,Biomedical signal processing14Nankai University, CY LI, 2022-4-28心电信号的畸变o心脏的病变：n传导阻滞，早搏，室颤、房颤, 心肌缺血、梗塞等,nQRS变宽, ST段位移出现, 心率变化等,o来自心脏外的干扰信号：n50Hz工频干扰n肌电干扰， 10-300Hz,n呼吸的干扰，使基线漂移加剧，Biomedical signal processing15Nankai University, CY LI, 2022-4-28心电信号的预处理o抑制工频干扰，o基线纠漂，Biomedical signal

10、 processing16Nankai University, CY LI, 2022-4-28噪声抑制和基线漂(detrending)o低通滤波器n可以滤掉心电信号中的肌电信号的高频干扰，o抑制工频干扰n自适应滤波抑制工频干扰，o基线漂移的纠正n抵消法纠漂，n基线纠漂滤波器， 0.7Hz的高通截止频率，Biomedical signal processing17Nankai University, CY LI, 2022-4-28移动平滑滤波器(低通滤波)Biomedical signal processing18Nankai University, CY LI, 2022-4-28H(z)

11、和H(z)*H(z)的比较oH(z):n旁瓣太大, 13dB; n相频特性虽在通带内保持线性, 但在进入阻带后有突变, 有可能造成心电信号的高频相位失真;oH(z)*H(z):n旁瓣有较大的衰减, 26.7dB,n有真正的线性相位;Biomedical signal processing19Nankai University, CY LI, 2022-4-28移动平滑滤波器(N=8)oFs=1000HzoN=8,H(z), n-3dB, 55Hz, nthe first side peak: -13dB, nnonlinear phase angleo H(z)*H(z), n-3dB, 55

12、Hz, nthe first side peak: -26.7dB, nlinear phase angleBiomedical signal processing20Nankai University, CY LI, 2022-4-28移动平滑滤波器(N=33)oH(z): n-3dB: 0.08Hz, nthe first side peak: -13dBoH(z)*H(z): n-3dB: 0.08Hz, nthe first side peak: -26.7dBBiomedical signal processing21Nankai University, CY LI, 2022-4-

13、28移动平滑滤波器的效果Biomedical signal processing22Nankai University, CY LI, 2022-4-28MA的H(z)和H(z)*H(z)随N的变化00.20.40.60.81-60-50-40-30-20-100MA H(z)pi00.20.40.60.81-4-3-2-1012H(z) Angle00.20.40.60.81-60-50-40-30-20-100 H(z)*H(z)pi00.20.40.60.81-120-100-80-60-40-200 H*H AngleN=8N=13N=8N=13Biomedical signal pr

14、ocessing23Nankai University, CY LI, 2022-4-28自适应滤波o根据输入信号自动调节滤波器的参数, 使其性能指标最优化，o适用于对信号和噪声无先验知识(频谱)的或非平稳信号,o基本结构: 滤波器、优化指标算法、滤波器参数修改算法，n滤波器： FIR, IIR，n优化准则：信噪比最高、输出误差均方差最小，n参数修改：递归、非递归， Biomedical signal processing24Nankai University, CY LI, 2022-4-28y(t)自适应消噪声+滤波器修改参数信号源噪声源x(t)=s(t)+n0(t)x(t)+-n1(t)

15、n0(t): 噪声源（如50Hz工频信号），n1(t)：通过某一未知网络的同一噪声源，n0(t)：滤波器输出的估值，x(t)=s(t)+ n0(t)- y(t)=s(t)+ n0(t)- n0(t)要使得x(t)在最小均方差意义上与信号s(t)最佳匹配，的最佳估值是最小时当s(t) x(t),)()()()()()(20020022tntnEtntnEtsEtxEBiomedical signal processing25Nankai University, CY LI, 2022-4-28基线纠漂o抵消法：从信号中减去基线的估计值, 心电基线漂移可看成某种超低频干扰信号,nx(n)=s(n)

16、+w(n), 用w(n)来逼近w(n), 并从s(n)中减去, s(n)=x(n)-w(n),nPQ段为基线，常以PQ段的中点作为基准点，用多项式拟合基线的估计函数， 如最简单的线性拟合、三次样条函数拟合等，x(n)=s(n)+w(n)基线估计+-s(n)w(n)Biomedical signal processing26Nankai University, CY LI, 2022-4-28基线纠漂滤波器o基线纠漂滤波器(HP)n高通滤波器，高通截止频率：0.7Hz， 即以40次/分为心脏搏动过缓的下限，n基线纠漂及50Hz陷波滤波器,o理想的心电信号预处理滤波器n 基线纠漂+50Hz限波,n

17、可用频率抽样法设计这种滤波器,fH(f)50100150fkBiomedical signal processing27Nankai University, CY LI, 2022-4-28纠漂和50Hz陷波的效果Biomedical signal processing28Nankai University, CY LI, 2022-4-28整系数基线纠漂滤波器o梳状滤波器的数学表示;8451225624256212164*641)(11641)()4()256()(641)(zzzzzHzzzHnynxnxnyBiomedical signal processing29Nankai Univ

18、ersity, CY LI, 2022-4-28整系数基线纠漂滤波器(2)o梳状滤波器的数学表示;02040608010000.20.40.60.81H(z)02040608010000.20.40.60.81H(z)*H(z)02040608010000.20.40.60.811-H(z)*H(z)020406080100-300-250-200-150-100-5001-H(z)*H(z) in dBBiomedical signal processing30Nankai University, CY LI, 2022-4-28整系数Filter的效果02040608010000.20.4

19、0.60.81comb filter H(z)02040608010000.20.40.60.81H(z)*H(z)050100150200250-2000-1000010002000ECG signal at Fs=200Hz050100150200250-2000-1000010002000filtered ECG024681000.20.40.60.811-H*H050100150200250020406080filtered trendBiomedical signal processing31Nankai University, CY LI, 2022-4-28心电信号的分析o特征波

20、形的检测nQRS波的检测，T波的检测，ST段位移，o心电图的频谱分析nFFT, AR model, 时频分析, wavelet transformationo心电信号的非线性分析n相关维数，nHRV (heart rate variability)，nT波交替（TWA），o心电信号的空间信息，nQT离散度，Biomedical signal processing32Nankai University, CY LI, 2022-4-28QRS波的检测oQRS的特点:n其能量在心电信号中占很大的比例, n其频谱分布在中高频区, 峰值落在10-20Hz之间,o二阶导数算法n心电信号的一阶和二阶导数的

21、平方和作为QRS波标记的脉冲信号,o移动平均算法n其求导平方运算和上相同, 并对求导平方数据进行移动平均, 从而突出QRS波的特征信息,o正交滤波算法Biomedical signal processing33Nankai University, CY LI, 2022-4-28QRS波的频谱oQRS的特点:n其能量在心电信号中占很大的比例, n其频谱分布在中高频区, 峰值落在10-20Hz之间,Biomedical signal processing34Nankai University, CY LI, 2022-4-28R波峰点的检测o斜率变号o双边阈值检测法n取一个固定的阈值Ra, t1

22、,t2分别为R波上升和下降通过这个阈值的时刻，则R基准点的位置t=(t1+t2)/2o固定宽度检测法n选一个固定宽度, 寻找为一个R波的t1, t2, t=(t1+t2)/2, 此法不受波形幅度变动和基线漂移的影响。的转折点到点，变号的点即为00 RdtdxdtdxdtdxBiomedical signal processing35Nankai University, CY LI, 2022-4-28R波峰点的检测dx/dt0dx/dt0Rat2t1t=(t1+t2)/2t1t2RRRBiomedical signal processing36Nankai University, CY LI,

23、 2022-4-28T波的检测oT波的检出n幅度和形状，n小波变换,oT波的终点n零点，n最负的斜率切线和基线的交点，n最小二乘法拟合波, 用最小二乘法在T波后半支写率最大点附近的区域拟合一直线, 它于等电位的交点,Biomedical signal processing37Nankai University, CY LI, 2022-4-28心电图的小波变换(a) 原始心电信号(b) 21尺度 (c) 25尺度msmsmsuV图1：心电图的二次样条小波变换结果。（a）：原始信号， （b）：21尺度， （c）：25尺度Biomedical signal processing38Nankai U

24、niversity, CY LI, 2022-4-28T波的检出四种方法o技术阈值法(TH): T波与阈值水平的交点,o微分阈值(DTH): T波的微分与阈值水平的交点,o技术斜率交点(SI): T波最大斜率与等位线交点,o技术峰斜率交点(PSI): T波高峰和T波最大斜率的脸限于等位线的交点,oThreshold: 5-15% of the peak,Biomedical signal processing39Nankai University, CY LI, 2022-4-28QT间隔的确定oQT duration: t(Q)-t(T)oECG waveformsBiomedical si

25、gnal processing40Nankai University, CY LI, 2022-4-28心电频谱分析oFFToAR model020040060080010001200-6000-4000-2000020004000ECG050100150200250300350400450500020406080FFT, PSD, AR(14) of ECGFFTWelchARBiomedical signal processing41Nankai University, CY LI, 2022-4-28频率心电图 FCG (frequency-domain correlative card

26、iograph)o设为一个系统, 输入: V5, 输出: II,o几个参数:n自功率谱, Px, Py,n自相关函数, Vxx, Vyy, 同一信号在时间上前后的相关性,n互相关函数, Vxy, 反映两个导联的信号在不同时刻的相互关系,n传递函数相移, V5与II信号间的相频对应关系,Biomedical signal processing42Nankai University, CY LI, 2022-4-28心电信号的时间特性oHRV是指心率的波动，或者心动周期之间的差异性。o正常人的心率有相当于平均值10%的波动，这种波动程度的降低是心脏异常的表现。oHRV的分析方法：n时域分析，RR间

27、期的标准差，一般为100-140ms, 50ms异常,n频域分析，LF(0.04-0.15Hz)和HF(0.15-0.4Hz)的功率谱的比较，n非线性分析：散点图，相关维数，复杂度等。Biomedical signal processing43Nankai University, CY LI, 2022-4-28心室晚电位(VLP)o定义: 心室肌损伤后使局部心肌延迟除极引起的破裂电位, o位置：出现在QRS波末端和ST段上的高频、低幅的微小电活动。o疾病：VLP常见于心肌缺血所致的室性心动过速，尤其是心肌更死后的室速，被认为是预测室性心律失常的信号。Biomedical signal pro

28、cessing44Nankai University, CY LI, 2022-4-28心室晚电位(VLP)o三个指标：nQRS终末40ms 的电压: RMS4020V,nQRS 终末电压持续低于40V 的时限: QRS末端=40ms,nQRS 时限: QRS总时限110-119ms,oVLP的检测,n微伏级(2-20 V), n信号平均技术, 叠加100-200次,n采用正交心电图X, Y, Z双极导联, RMS: 222ZYXBiomedical signal processing45Nankai University, CY LI, 2022-4-28TWA (T wave alternans)oT波交替oT 波交替现象是一种心电变异性现象, 指心电信号T 波段出现幅度、形状甚至极性的逐