心电信号的处理

Ch4:心电信号的处理心电图的产生,心电图处理的基本思路,时间上:动态和静态,空间上:心肌电特性的空间离散度,心电图处理和分析的发展,NankaiUniversity,CYLI,2024/1/111Biomedicalsignalprocessing心电信号的形成（1）心肌细胞的动作电位心肌细胞除极和复极的电生理现象,极化状态(polarised):静息电位(restingpotential),动作电位(actionpotential,AP):除极(depolarisation)和复极(repolarisation),mV-90-600+200心室肌细胞动作电位示意图1234300msNankaiUniversity,CYLI,2024/1/112Biomedicalsignalprocessing心电信号的形成（2）电兴奋的传导(conductionorspreadofelectricalexcitation)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,心房的传导:心房传导束-->右心房-->左心房传导系统的传播:房室束-->希氏束-->左、右分支-->普金野（Purkinje）纤维网->心室肌,电兴奋通过Purkinje网使心室肌细胞兴奋，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/113Biomedicalsignalprocessing心脏传导系统NankaiUniversity,CYLI,2024/1/114BiomedicalsignalprocessingEnglishterms窦房结:sinusnode,心房:atrium,心室:ventricle,房室结:atrioventricularnode(junction),希氏束:bundleofHis,普金野纤维:Pukinje

fibres,心脏表面(心外膜):epicardium,心内膜：endocardium体表：bodysurfaceNankaiUniversity,CYLI,2024/1/115Biomedicalsignalprocessing心电信号的形成（3）心电图(electrocardiogram,ECG)的产生电流源：每个心肌细胞的除极和复极过程等效于一个偶极子层（dipolelayer）容积导体(volumeconductor):人体组织是导电的，看作是一个容积导体，心电向量:所有心肌细胞的偶极子场的向量和,心电图：所有心肌细胞的偶极子场在容积导体内产生电场，从而有电位差产生，即心电图。体表心电图,心外膜、心内膜电图,希氏束电图，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/116Biomedicalsignalprocessing典型心电信号波形P,QRS,ST,TS-T段QRSTPQTNankaiUniversity,CYLI,2024/1/117Biomedicalsignalprocessing心电图的记录

(RecordingofECG)标准导联,肢体导联,胸导联,体表多部位标测(bodysurfacemapping),32-512通道的数据采集系统(multi-channeldataacquisitionsystem),,电极背心,(electrodevest)心脏表面的多部位标测(epicardialmapping),多通道的数据采集系统电极套(electrodesock)心脏内膜的多部位标测(endocardialmapping),多通道的数据采集系统导管(catheter)和伞电极NankaiUniversity,CYLI,2024/1/118BiomedicalsignalprocessingBodysurfacemappingNankaiUniversity,CYLI,2024/1/119BiomedicalsignalprocessingEpicardialelectrodesockNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1110Biomedicalsignalprocessing标准导联(1)12标准导联(standardleads)标准I，II，III肢体导联(bipolarlimbleads),IIIIIIRFLR:rightarmL:leftarmF:leftfootI=EL-ER,II=EF-ER,III=EF-ELNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1111Biomedicalsignalprocessing标准导联(2)加压肢体导联标准aVR,aVL,aVF(augmentedunipolarlimbleads),LWilsonterminal:C点的电位,aVL和aVF的连接相似R/2RRRFCaVR+-NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1112Biomedicalsignalprocessing标准导联(3)单极胸导联V1-V6(unipolar

precordialleads),precordial:chestwall,中心电端(Wilsonterminal)V1-V6,胸前电极分别与中心电端的电位差,NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1113Biomedicalsignalprocessing心电信号的畸变心脏的病变：传导阻滞，早搏，室颤、房颤,心肌缺血、梗塞等,QRS变宽,ST段位移出现,心率变化等,来自心脏外的干扰信号：50Hz工频干扰肌电干扰，10-300Hz,呼吸的干扰，使基线漂移加剧，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1114Biomedicalsignalprocessing心电信号的预处理抑制工频干扰，基线纠漂，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1115Biomedicalsignalprocessing噪声抑制和基线漂(detrending)低通滤波器可以滤掉心电信号中的肌电信号的高频干扰，抑制工频干扰自适应滤波抑制工频干扰，基线漂移的纠正抵消法纠漂，基线纠漂滤波器，0.7Hz的高通截止频率，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1116Biomedicalsignalprocessing移动平滑滤波器(低通滤波)NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1117BiomedicalsignalprocessingH(z)和H(z)*H(z)的比较H(z):旁瓣太大,13dB;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;H(z)*H(z):旁瓣有较大的衰减,26.7dB,有真正的线性相位;NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1118Biomedicalsignalprocessing移动平滑滤波器(N=8)Fs=1000HzN=8,H(z),-3dB,55Hz,thefirstsidepeak:-13dB,nonlinearphaseangleH(z)*H(z),-3dB,55Hz,thefirstsidepeak:-26.7dB,linearphaseangleNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1119Biomedicalsignalprocessing移动平滑滤波器(N=33)H(z):-3dB:0.08Hz,thefirstsidepeak:-13dBH(z)*H(z):-3dB:0.08Hz,thefirstsidepeak:-26.7dBNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1120Biomedicalsignalprocessing移动平滑滤波器的效果NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1121BiomedicalsignalprocessingMA的H(z)和H(z)*H(z)随N的变化NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1122Biomedicalsignalprocessing自适应滤波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，适用于对信号和噪声无先验知识(频谱)的或非平稳信号,基本结构:滤波器、优化指标算法、滤波器参数修改算法，滤波器：FIR,IIR，优化准则：信噪比最高、输出误差均方差最小，参数修改：递归、非递归，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1123Biomedicalsignalprocessingy(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)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，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1124Biomedicalsignalprocessing基线纠漂抵消法：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,x(n)=s(n)+w(n),用w’(n)来逼近w(n),并从s(n)中减去,s(n)=x(n)-w’(n),PQ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)NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1125Biomedicalsignalprocessing基线纠漂滤波器基线纠漂滤波器(HP)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，基线纠漂及50Hz陷波滤波器,理想的心电信号预处理滤波器基线纠漂+50Hz限波,可用频率抽样法设计这种滤波器,fH(f)50100150fkNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1126Biomedicalsignalprocessing纠漂和50Hz陷波的效果NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1127Biomedicalsignalprocessing整系数基线纠漂滤波器梳状滤波器的数学表示;NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1128Biomedicalsignalprocessing整系数基线纠漂滤波器(2)梳状滤波器的数学表示;NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1129Biomedicalsignalprocessing整系数Filter的效果NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1130Biomedicalsignalprocessing心电信号的分析特征波形的检测QRS波的检测，T波的检测，ST段位移，心电图的频谱分析FFT,ARmodel,时频分析,wavelettransformation心电信号的非线性分析相关维数，HRV(heartratevariability)，T波交替（TWA），心电信号的空间信息，QT离散度，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1131BiomedicalsignalprocessingQRS波的检测QRS的特点:其能量在心电信号中占很大的比例,其频谱分布在中高频区,峰值落在10-20Hz之间,二阶导数算法心电信号的一阶和二阶导数的平方和作为QRS波标记的脉冲信号,移动平均算法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,正交滤波算法NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1132BiomedicalsignalprocessingQRS波的频谱QRS的特点:其能量在心电信号中占很大的比例,其频谱分布在中高频区,峰值落在10-20Hz之间,NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1133BiomedicalsignalprocessingR波峰点的检测斜率变号双边阈值检测法取一个固定的阈值Ra,t1,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)/2固定宽度检测法选一个固定宽度,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。NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1134BiomedicalsignalprocessingR波峰点的检测dx/dt>0dx/dt<0Rat2t1t=(t1+t2)/2t1t2RRRNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1135BiomedicalsignalprocessingT波的检测T波的检出幅度和形状，小波变换,T波的终点零点，最负的斜率切线和基线的交点，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,NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1136Biomedicalsignalprocessing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NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1137BiomedicalsignalprocessingT波的检出四种方法技术阈值法(TH):T波与阈值水平的交点,微分阈值(DTH):T波的微分与阈值水平的交点,技术斜率交点(SI):T波最大斜率与等位线交点,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,Threshold:5-15%ofthepeak,NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1138BiomedicalsignalprocessingQT间隔的确定QTduration:t(Q)-t(T)ECGwaveformsNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1139Biomedicalsignalprocessing心电频谱分析FFTARmodelNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1140Biomedicalsignalprocessing频率心电图FCG(frequency-domaincorrelativecardiograph)设为一个系统,输入:V5,输出:II,几个参数:自功率谱,Px,Py,自相关函数,Vxx,Vyy,同一信号在时间上前后的相关性,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,传递函数相移,V5与II信号间的相频对应关系,NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1141Biomedicalsignalprocessing心电信号的时间特性HRV是指心率的波动，或者心动周期之间的差异性。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。HRV的分析方法：时域分析，RR间期的标准差，一般为100-140ms,<50ms

异常,频域分析，LF(0.04-0.15Hz)和HF(0.15-0.4Hz)的功率谱的比较，非线性分析：散点图，相关维数，复杂度等。NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1142Biomedicalsignalprocessing心室晚电位(VLP)定义:心室肌损伤后使局部心肌延迟除极引起的破裂电位,位置：出现在QRS波末端和ST段上的高频、低幅的微小电活动。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。NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1143Biomedicalsignalprocessing心室晚电位(VLP)三个指标：QRS终末40ms的电压:RMS40<20

V,QRS终末电压持续低于40μV的时限:QRS末端<40

V,低幅、高频波持续时间>=40ms,QRS时限:QRS总时限>110-119ms,VLP的检测,微伏级(2-20

V),信号平均技术,叠加100-200次,采用正交心电图X,Y,Z双极导联,RMS:NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1144BiomedicalsignalprocessingTWA(Twavealternans)T波交替T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、形状甚至极性的逐拍交替变化。临床研究表明,μV量级的TWA现象与室性心动过速和室颤易发性有关。检测体表心电图中是否存在微伏量级的TWA现象,也成为临床上预测心脏性猝死的一个可靠而无创的指标。目前TWA的检测方法有了一定的发展,主要有T波面积法、平均功率谱法及复