心电实验报告

心血管系统生理信号采集与分析6084班吴敏3116037018一.实验目的了解心电信号、脉搏波等心血管生理信号产生的原理和信号特征；熟悉和掌握心电图、脉搏波、血氧饱和度、呼吸等生理信号的检测方法和技术；学习利用MP150型多导电生理记录仪采集心电、脉搏、血氧、呼吸等生理信号，并利用MATLAB软件对采集到的信号进行处理分析和特征提取；二.实验原理1.心电图心电图（Electrocardiogram,ECG）是利用心电图机从体表记录心脏在每一心动周期所产生的电活动变化的图形的技术。心电波形如下图所示：心脏的电激动从窦房结开始，首先传导至右左心房，P波代表了心房的去极化过程，当心房传导受阻时，可表现为高尖波；PR间期为心房到心室的传导，出现阻滞时表现为间期的延长或P波之后心室波消失；QRS波表示心室的除极化；ST段代表心室除极完成，复极尚未开始的一段时间；T波表示心室的复极化过程。2.血氧饱和度血氧饱和度（SpO2）是血液中氧合血红蛋白（HbO2）的容量占全部可结合的血红蛋白（Hb）容量的百分比，反应了机体的供氧饱和程度，是重要的心血管特征指标。目前测SpO2的有效方法是光电容积波描记法，使用波长660nm的红光和940nm的近红外光作为入射光源，测定通过组织的光传导强度，来计算血红蛋白浓度及血氧饱和度。3.心率变异性心率变异性指逐次心跳RR间期之间存在的微小差异或微小涨落现象。其产生与脑高级神经活动、中枢神经自发性节律活动、呼吸以及压力化学传感器传入的心血管反向活动有关。HRV蕴含了大量信息，对这些信息的提取和分析可预定量评估心脏交感和迷走神经活动的紧张性、均衡性及其对心血管系统活动的影响。HRV分析基于对ECG信号的处理和特征提取，一定时间内（长时程24H，短时程5min）提取RR间期，进而可计算出时域、频域及非线性等不同HRV指标。三.实验方法在对心血管生理信号检测方法和MP150采集系统学习和了解后，本组设计的实验是探讨呼吸频率及运动对心血管调节功能的影响。对被试进行自主呼吸态和控制呼吸、跑步后三种状态下的心电、脉搏血氧信号的采集，测试时保证被试安静坐位，具体测试分为以下三种状态：①自主呼吸态：被试安静、睁眼。保持坐姿，测试间正常光线，无声。保持平静的自主呼吸。②控制呼吸态：吸4秒呼4秒，呼吸时尽量保持坐姿，呼吸速率由主试控制并提示被试“呼”“吸”。③跑步后：被试在跑步机上以9Km/h的速度匀速跑5分钟后，立即记录。三种状态各采集5分钟时间长度的数据，其中状态②和③之间间隔至少5分钟，测试过程尽量保持安静，注意测试数据保存。此后分别对心电和脉搏分别进行峰值检测，提取RR间期和脉搏波峰峰值间期序列、传输时间PPT序列，对RR间期进行HRV分析，结合分析结果给出最终结论。四.实验过程及结果1.实验前准备①被试基本资料采集，包括个人基本信息，病史信息等；②擦拭、清洁被试贴电极的皮肤，贴好电极、血氧探头及其他传感器；③清理测试现场，搭建MP150测试平台，做好测试所用软硬件准备工作。表1被试资料性别男年龄22身高/cm168体重/kg55测试前睡眠情况：否测试前24h是否饮用刺激性饮品：良好2.生理数据采集①打开AcqKnowledge软件，设置好各项参数的采集通道和采集参数后，点击start按钮开始采集，点击Autoscale按钮自动调整波形幅度；②首先采集静息态下5min的信号；③利用秒表计时，控制被试呼吸的频率，采集8s/次呼吸时的信号5min；④被试在跑步机上以9Km/h的速度匀速跑5分钟后，立即回到被试间，连接好记录电极后开始记录5min信号。3.生理数据分析1）数据读入(程序见inData.m）①自主呼吸态首先利用MATLAB导入心电，脉搏波信号。如下图所示：调整波形后，心电如下图所示：调整波形后，脉搏波如下图所示：②控制呼吸态：利用MATLAB导入心电，脉搏波信号。如下图所示：调整波形后，如下图所示：脉搏波波形：调整波形后，如下图所示：③跑步后：利用MATLAB导入心电，脉搏波信号。如下图所示：调整波形后如图：脉搏波波形如下图：调整波形后如下：峰值检测（心电峰值检测程序见ECGpeak.m，脉搏波峰值检测程序见PWpeak.m）①自主呼吸态心电峰值检测：采用幅度阈值峰值检测方法和峰值点幅度大于其左右一段数据这一特性，检测心电信号的峰值出现时间，提取检测的一段数据作图如下：脉搏波峰值检测：由于脉搏波波形基线漂移及噪声较多，在峰值检测前先对信号使用巴特沃斯滤波器滤波，滤波器参数设计详见程序。截取20000个点的数据后波形如下：②控制呼吸态：方法及程序同上，以下只给出结果。心电峰值检测：

脉搏波峰值检测：③跑步后：跑步后心电波形峰值检测：跑步后可能由于被试呼吸时动作较大，信号中伪迹较大，故采用了0.2-2Hz带通滤波。滤波前：滤波后：脉搏波峰值检测：提取RR间期序列和脉搏波峰峰值间期序列及PTT波形（程序见RRtime.m、PWtime.m、PTTnew.m)①自主呼吸态②控制呼吸态：③跑步后呼吸态跑步后PPT在持续上升，如图所示，这是因为被试刚运动后，氧气需求量大，心率高，所以PPT较小。随着测试的进行，被试逐渐恢复了静息状态，氧气需求量变小，PTT逐渐增加。4)对提取的RR间期进行HRV分析，计算RR间期平均值及标准差、心率平均值及标准差、RMSSD（相邻RR间期差值的标准差）、pNN50（相邻NN之差>50ms的个数占总窦性心搏个数的百分比）。（程序见HRVindex.m）平静呼吸状态下HRV相关指标参数名称取值参数名称取值RR间期均值916.14msRR间期标准差65.46msHeartRate均值65.84bmpHeartRate标准差5.04bmpRMSSD50.37mspNN5031%控制呼吸状态下HRV相关指标参数名称取值参数名称取值RR间期均值777.40msRR间期标准差107.19msHeartRate均值78.48bmpHeartRate标准差9.98bmpRMSSD93.75mspNN5023.4%跑步后呼吸态下HRV相关指标参数名称取值参数名称取值RR间期均值640.56msRR间期标准差43.53msHeartRate均值94.46bmpHeartRate标准差13.47bmpRMSSD28.93mspNN500.83%三种状态下HRV指标的比较与讨论：RR间期均值：平静呼吸态>控制呼吸态>跑步后呼吸态RR间期时间在静息状态时最长，控制呼吸和跑步后有所下降。RR间期时间和供氧量成反比。控制呼吸时，氧输入量减小，减小RR间期时间来增加心泵次数而增加供氧量。当跑步时，被试耗能增加，耗氧量增大，需求更多的氧气维持运动状态，所以RR间期最小。心率均值：平静呼吸态<控制呼吸态<跑步后呼吸态心率变化和RR间期相反，心率和供氧量呈正比。RR间期标准差：控制呼吸态>平静呼吸态>跑步后呼吸态心率标准差：跑步后呼吸态>控制呼吸态>平静呼吸态跑步后心率标准差变大，可能出现了心率不齐。RMSSD：控制呼吸态>平静呼吸态>跑步后呼吸态RMSSD指标与心率快变化成分有关，其值变大，一定程度上反映出在控制呼吸状态下迷走神经的张力水平有所变大。pNN50：平静呼吸态>控制呼吸态>跑步后呼吸态控制呼吸和跑步后pNN50均减小，心率增加，RR间期时间减小，相邻RR之差绝对值也减小，所以阈值50ms偏大，变化量不超过50ms，超出阈值的百分比减小。五.实验感想1.通