心率变异性及其相关算法的实现

1、关于心率变异性及其相关算法的实现第1页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三概念介绍第2页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三概念介绍心率变异性（heart rate variability, HRV）是指连续心跳间R-R间期的微小涨落。HRV反映了心脏交感神经和迷走神经活动的紧张性和均衡性，是一种检测自主神经性活动的非侵入性指标。近十年来的大量研究已充分肯定了自主神经活动与多种疾病有关系，特别是与某些心血管疾病的死亡率，尤其是猝死率有关。通过心电图（ECG）对心率的微小涨落的变换和处理来获得心血管系统、自主神经系统等有关信息的信号分析过程即HRV分析，是

2、近年来的研究热点之一。针对HRV的研究对心血管疾病的早期诊断、病中监护以及预后评估等都有重要的意义。第3页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三HRV的分析方法非线性分析时域分析频域分析概念介绍理论成熟、算法简单、各项指标意义明确，因此较广泛的应用于临床和医学实验中仍然处于研究探索阶段，还没有实现临床应用第4页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三时域分析时域分析是通过计算一系列有关R-R间期的数理统计指标来评价心率变异性的临床价值。常用的统计参数指标有均值（MEAN）、总体标准差（SDNN）、均值标准差（SDANN）和差值均方的平方根（r-MSSD）等。基

3、于时域的分析方法，计算简单意义直观，易于为临床医生所接受，但是它的灵敏度、特异性低，不能进一步区分心脏交感、迷走神经的张力及其均衡性的变化，因此在实际中还要结合频域的分析方法。第5页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三频域分析频域分析是将连续正常的R-R间期进行基于FFT的经典谱估计或基于自回归AR模型的现代谱估计获得的功率谱密度，可以作为定量的指标来描述HRV信号的能量分布情况，它将各种生理因素作适当分离后进行分析，因而有较大的临床应用价值。常用的谱参数有VLF极低频段（0.00330.04Hz）的功率、LF低频段（0.040.15Hz）的功率、HF高频段（0.150.4

4、Hz）的功率、TP信号总功率（VLF、LF和HF的总和）。第6页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三基本原理具体算法第7页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三QRS波群提取的微分阈值法低通滤波高通滤波微分平方加窗平均阈值设定以及判断第8页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三低通滤波低通滤波旨在去除高频（肌电、高频电刀等）干扰，其传递函数为对应的差分方程为低通滤波虽然滤除了高频干扰，但它带来了极大的基漂，所以仅仅进行低通滤波是不够的，还必须利用高通滤波来消除这些基漂第9页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三高通滤波高

5、通滤波旨在去除低频（基漂）干扰，其传递函数为对应的差分方程为高通滤波有效的去除了基漂，但是噪声部分的干扰依然较大，为了更有效的提取QRS 波群，必须对信号进行微分计算第10页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三微分微分算法的传递函数为对应的差分方程为微分使得正负半轴的信号幅值近乎相等第11页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三平方及加窗平均平方旨在将幅值为负的信号变为幅值为正的信号，32 点加窗平均旨在对平方后的信号进行平滑处理，其传递函数为对应的差分方程为第12页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三阈值设定及判断阈值设定采用自适应迭

6、代法利用MATLAB的findpeaks函数对信号中的峰值进行检测，得到一组数据，设为PEAK(i)当前检测到的峰值PEAK(i)为信号峰值时，更新SPK(i)：当前检测到的峰值PEAK(i)为噪声峰值时，更新NPK(i)：初值设定：SPK(0)为前8个连续的1s内各自最大值的平均；NPK(0)为0第13页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三阈值设定及判断更新当前的阈值第14页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三时域参数的计算方法均值（MEAN）旨在反映R-R间期的平均水平，其计算公式为总体标准差（SDNN）可以用来评估24h长程HRV的总体变化，其计算

7、公式为第15页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三时域参数的计算方法均值标准差（SDANN）反映HRV中的慢变化成分，其计算公式为差值均方的平方根（r-MSSD）反映HRV中的快变化成分，其计算公式为第16页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三时域参数SDNNSDANNr-MSSD1829岁169.9241.01151.0741.3172.3947.103049岁148.3132.80130.2333.7548.4020.905069岁121.1929.27108.8728.4640.4018.29第17页，共33页，2022年，5月20日，15点23分

8、，星期三频域参数的计算方法本报告是基于FFT的经典谱估计的方法计算频域参数的各频域参数及其生理意义如下表所示：频域参数参数意义VLF极低频段（0.00330.04Hz）的功率机制不明。可能是与体温调节、肾素血管紧张素系统及体液因子等因素有关的长期的调节机制有关LF低频段（0.040.15Hz）的功率解释仍然有争议，但是大多数学者认为它是交感神经活动的标志HF高频段（0.150.4Hz）的功率由迷走神经介导，代表呼吸变异TP信号总功率（VLF、LF和HF的总和）信号总的变异性第18页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三计算结果结果分析第19页，共33页，2022年，5月20日

9、，15点23分，星期三时域参数结果分析本报告采用了10段ECG数据，每段1min，采样率200Hz，幅度单位mV组号心率（次/min）MEAN(ms)SDNN(ms)r-MSSD(ms)174812.328849.835980.0976271849.785750.031726.7842370855.579733.007930.1528474811.438435.447051.5658567881.666797.938348.50856581.0340e+00394.7038133.6006765911.4063268.0230497.3370886691.2941211.7645387.654

10、3993641.413041.665960.317410103579.951098.6092172.1738第20页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三时域参数结果分析不正常组的数据提供者自身的心率变异性存在问题；由于SDNN是一个受个体差异、时空差异干扰很大的参数，所以如果数据的样本容量太小，则样本对总体缺乏足够的代表性，从而难以保证SDNN推算结果的精确度和可靠性。对于时域参数来说，本报告中数据长度只有1min是远远不够的，一般计算SDNN的数据长度都必须是24h以上。第21页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三频域参数结果分析第22页，共33页，2

11、022年，5月20日，15点23分，星期三频域参数结果分析由于样本容量和心率采集分辨率的限制，导致数据的功率谱在0.0033Hz0.4Hz频段中没有采样点，所以我们无法计算频域参数VLF、LF、HF和TP。对于频域参数来说，本报告中数据长度只有1min也是远远不够的，一般计算频域参数的数据长度都必须是24h以上。第23页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三算法总结第24页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三算法总结1在计算心率变异性之前，必须对待处理的心电信号进行QRS波群的提取。2计算心率变异性对数据长度有一定的要求。3计算心率变异性对采样频率也有一定

12、的要求。微分阈值法是较为有效的提取方法之一，该算法可以进行实时检测，且准确度较高，心率误判发生的概率低。数据长度过短，时域参数的计算结果误差大、准确度低；频域参数的计算结果灵敏度差。计算心率变异性的数据长度往往要在24h以上。采样频率太低，容易导致所需要频段（0.0033Hz0.4Hz）的数据没有被采集到，影响最终分析结果。第25页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三疾病诊查研究意义第26页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三疾病诊查与研究意义检测冠心病病人猝死的发生。凡副交感神经张力降低的冠心病人，其心室颤动的阈值低，容易发生心脏性猝死，而且心肌梗塞后

13、的死亡率也增高。了解副交感神经的受损情况。充血性心力衰竭患者植物神经机能普遍受损害而降低，但副交感神经受损更显著，可运用频域分析法进行监测。探讨高血压的始动机制。现已查明，原发性高血压患者的交感神经张力增高，而副交感神经的张力降低，且与高血压的严重程度呈明显的正相关。但是，老年高血压患者的上述变化不甚明显。通过植物神经功能测定，可以了解高血压的始动机制。第27页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三疾病诊查与研究意义监测和评价糖尿病患者的植物神经机能状况。糖尿病患者的植物神经和周围神经均受损害，且两者呈平行关系。通过心率变异性检查，可以了解植物神经机能的受损害程度。通过评价交

14、感神经张力亢进情况，用于诊断年轻患者的血管迷走性晕厥。监测心肌病患者病情。无心力衰竭的扩张型心肌病患者，植物神经功能普遍受损。通过心率功率谱分析，可以了解心肌病患者的病情。第28页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三疾病诊查与研究意义监测心脏移植术后的排斥反应。心脏移植术后，患者心脏心率变异性显著降低甚至消失，一旦发生排斥反应，心率变异性则明显增高，因此，心脏移植术后应定期检查心率变异性，以了解和预防心脏排斥反应的发生，及时采取相应措施。对胎儿发育及产程进行监测。判断吸烟者植物神经功能受损害的程度。长期吸烟者，其植物神经功能均可受到损害，受损的严重程度与烟量及烟龄呈显著正相关。一般表现为交感神经张力增加和副交感神经张力降低。对嗜烟者监测心率变异性，可以对多种相关疾病进行预测。第29页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三附加功能参考文献第30页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三附加功能该算法除了可以计算心率变异性之外，还有以下2种附加功能：对心率的正常与否进行判断，输出有心率正常、心动过速、心动过缓3种情况；对心脏的早搏情况进行判断，输出有无早搏、室性早搏、房性早搏3种情况，并且能给出1分钟内的早搏次数。第31页，共33页，2022年，5月20日，15点23分，星期三参考文献1 腾轶超老师课件