心电信号R波检测分析与处理(共8页)

1、实验报告实验(shyn)目的1.读取心电信号 2.进行(jnxng)R波检测(jin c) 3.进行异变分析实验工具1.PC机2.Matlab软件实验原理及结果1.读取心电信号（1）心电数据文件存储方式心电数据文件在存储时为了节省存储空间，使用了自定义的格式，因此无法通过直观方式去读取心电数据。一个心电数据记录由三个部分组成：(1)头文件(拓展名是hea)；(2)数据文件(拓展名是dat)；(3)注释文件(拓展名是art)”】。hea文件由ASCII码字符组成。以234hea为例：234 2 360 650000234dat 2l2 200 11 l024 l008 18427 0 M LII

2、234dat 2l2 200 11 1024 1051 21057 0 Vl# 56 F 1971 3655 x2# None# The PVCs are uniform第一行从左到右分别代表文件名序号，导联数目，采样频率，采样点数；第二行从左到右记录导联1的数据，包括文件名，存储格式，增益，AD分辨率，ADC零值，第一个采样点值，校验数，注解(如果是0，可以从中间读取任意一段输出)，导联类型；第三行从左到右记录导联2的数据，内容同第二行一致；最后几行以#开始的为注释行，一般说明患者的情况以及用药情况等。dat文件采用212格式进行存储。“2l2”格式是针对两路导联的数据库记录，这两路导联的数

3、据交替存储，每三个字节存储两个数据。这两个数据分别采样自导联l和导联2，第一个字节作为导联1数据的低8位，第二个字节的高四位作为导联l数据的高四位；第二个字节的低四位作为导联2数据的高四位，第三个字节作为导联2数据的低8位，以234dat为例。按照“2l2”的格式，前三个字节为“F0 34 1B”，两路导联值分别为0 x3F0和0 x41B，转换成十进制分别为1008和l051，这两个值分别是两路导联的第一采样点值，后面依此类推。art采用二进制存储，格式定义比较复杂。记录了心电专家对相应的心电信号的诊断信息，主要包括心跳、节律和信号质量等。主要有两种格式：MIT格式和AH A格式 1。（2）

4、心电数据(shj)的读取与波形显示使用(shyng)Matlab软件(run jin)对MITBIH心电数据的读取与波形显示，主要包括主程序，读取hea文件子程序，读取dat文件子程序和显示子程序。主程序由开始，到系统初始化，再到依次调用读取hea】文件子程序，读取【dat文件子程序和显示子程序，最后到结束。系统初始化主要是释放之前变量的存储空间，避免之前的变量对当前仿真的影响，设置读取文件的路径，选择读取一个心电数据记录，以及选择需要观察的采样点数。本文选取234号数据，3600个采样点作为仿真数据。读取heal文件子程序包括打开hea文件，依次读取采样频率，采样点数，增益，ADC零值，第一

5、个采样点值，导联类型，患者的年龄和性别。读取dat文件子程序包括打开【dat文件，每次读取三个字节赋值给一个变量，运用位操作(与，或，非)依次获得两路导联值序列。显示子程序包括判断头文件的第一个采样点数和计算得到的第一个采样点数是否一致，系统初始化设置的采样点数是否大于头文件记录的最大采样点数，如果不一致或者大于，将会报错。利用采样频率，实现采样点数目和时间的转换，把时间作为波形显示的横坐标值。读取的心电数据要进行幅值转换，将计算得到的采样值减去ADC零值，再除以增益，才能得到毫伏级电压，并以此作为波形显示的纵坐标值。头文件读取的导联类型，患者的年龄和性别在Matlab的工作框中显示。波形图如

6、图l所示， 图1 读取心电信号2.进行(jnxng)R波检测(jin c)首先(shuxin)对原有信号进行滤波处理:低通滤波器主要用来滤除心电信号中频率在100Hz以上干扰信号。本文采用FIR滤波器的最优化设计方法，最优化即让滤波器的频率响应在衰减带的起伏等量平均的变化，其中根据切比雪夫等波纹逼近准则设计的滤波器性能较为优越。根据心电信号频谱分布特点，低通滤波器选择的指标为：通带截止频率为35Hz，阻带截止频率为100Hz，采样频率360Hz，阻带的最小衰减为40kB。高通滤波器主要用来滤除由呼吸引起的在0.5Hz左右的基线漂移频率。高通滤波器是由传统的消除直流和信号基线漂流的方法。采用基于

7、Z平面简单零极点法设计高通滤波器。图2 滤波(lb)心电信号动态阈值(y zh)的确定如图3 所示。设原始(yunsh)心电信号为y（n），采样频率为1000Hz。取前4000 个采样点来确定初始阈值。首先取第n1000（n=0，1，2，3）个采样点，向后各扫描1000 个采样点，找到极大值maxn（n=0，1，2，3），然后根据心电学原理知识，取初始阈值：th=（max0+max1+max2+max3）7/64 （1）图3 阈值(y zh)确定确定初始(ch sh)阈值后，继续检测R 波，在下一个采样(ci yn)周期内扫描采样点，当y（n）th，然后在y（n）中取最大值y（max）为检测到

8、的R 波波峰。在第一个R 波波峰检测到之后，利用已知的数据来动态更新阈值。动态更新阈值的规则为：thnew=0.8th+0.2y（max）15/10 （2）此刻，阈值就根据此段采样数据实时更新了，提高的R 波的检出率。由于此时的检测中可能含有噪声，为了提高检测的准确率以及减轻后面的计算工作量，对检测程序进行了如下的简化。（1）根据不应期判别条件，两次心率的时间间隔不应小于200ms，因此，如果两个R 波的间隔小于0.2s，则两个极小点中必定存在噪声，利用复检消除此噪声。（2）在平均RR 峰间隔的166%的时间间隔内，如果没有发现QRS 波群，则应取原阈值的1/2 进行复检，以免漏检。这里的16

9、6%是根据生理的特性选取的经验参数。（3）计算找出的R 波的幅度，如果R 波不在前一个R 波幅度的40%160%之内，则说明这个波峰是个强干扰，应该删除4。（4）根据采样频率，每隔一定的时间间隔，重新利用最新检测的R 波对阈值进行实时更新，以此消除基线漂移对检测精度的影响。图4 R波检测结果3.进行异变(y bin)分析心率(xn l)变异性(Heart Rate Variability，简记(jin j)HRV)是指连续心跳间瞬时心率的微小涨落，或逐拍心跳RR间期的微小涨落。它是神经体液因素对心血管系统精细调节的结果，反映神经体液因素与窦房结相互作用的平衡关系。心率受体内诸多因素的影响，且最

10、终通过交感神经(Sympathetic Nervous System，SNS)和副交感神经(Parasympathetic Nervous Syste，PNS)的调节作用表现出来。研究表明，当交感神经活动阻断时，HRV谱中低频谱峰显著降低；而当迷走神经活动阻断时，HRV谱中高频谱峰显著降低。肾素一血管紧张素及其他体液因素按新陈代谢的需要调节心血管功能，使心率的变化呈现更长周期的规律性。窦房结按照一定的节律搏动，而自主神经系统按日常生理活动调节心血管功能，使心率昼夜不断变化。交感神经系统使心率快速变化，副交感神经系统使心率缓慢变化。在这些机理的共同调节下，健康人静息时的RR间期呈周期性变化即窦性

11、心率不齐，此时呼吸是心率波动的一个主要因素。窦性心率不齐是一种正常现象，当患某些疾病时，体液和神经系统的这种内在平衡调节机理会被打破，导致HRV降低。在此实验中，我们运用的是HRV AR模型功率谱估计，其基本原理与具体方法如下： AR模型是一个系数按最小均方误差原贝U估计出的模型。它是一个全极点模型。其传递函数为:随机序列x(n)的AR模型式中输入的随机序列u(n)是一个均值为零，方差为2的白噪声序列。模型输出序列x(n)的功率谱则为即要求(yoqi)出谱估计，须知道模型的阶P和P个AR系数(xsh)及即参数ai以及模型(mxng)的激励源u(n)的方差2。 在实际应用中，常需要根据信号的有限

12、个取样值来求AR参数，先预先选定阶数P，再应用预测误差的平均功率最小原则确定ai和2 。应用较多的有以下四种方法：Yule-Walker法也称自相关法，协方差法，改进的协方差法和伯格法。其中Yule-Walker法在阶数P选定后令预测误差： 使预测误差的平均功率最小Re2(n)=min来确定ai，该最小平均功率值即为2。 HRV信号AR模型阶数p的选取可根据经验确定。Anita Board用Akaike最终预测误差、Akaike信息准则、Parzen传输传递函数准则和Rissanen最小描述长度方法等四种方法认证了对短时HRV信号用4Hz重采样后阶数p取值应该不少于16。 本文用p-30及p=16对同一个30min的记录文件的HRV信号进行了AR模型谱估计YuleWalker法处理，所得的谱估计为图五。在阶数p为16时，可见AR谱的波形较大，谱峰比较好，在设定阶p为30的时候，在小峰的跟随性上比阶数16时要好，但在某些情况下会产生虚假谱峰细节。故本文采用AR模型估计HRV功率谱的结果均在p取16的情况下得出。图5 同一(tngy)HRV信号采用(ciyng)不同阶数的AR模型(mxng)功率谱估计实验小结实验通过使用matlab对心电信号进行提取、R波检测、