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1、上海交通大学硕士学位论文心电信号的自动检测与分析姓名：唐雅青申请学位级别：硕士专业：生物医学工程指导教师：王志中200701181心电信号的自动检测与分析 摘 要 心电图(electrocardiogram,ECG)检查是临床上诊断心血管疾病的重要依据。各种ECG自动检测与分析系统被推广应用的同时都面临如何检测这些系统的效果和精度， 本文针对该问题提出了可以图形化显示自动检测方法， 建立了与来自MIT-BIH标准注释结果的对比系统。经过取自MIT-BIH标准数据库的心电数据，经过WFDB Software Package来处理数据库中的数据，引入到程序中来评估算法。该系统不仅能很好完成心电自动
2、检测与分析功能， 而且系统检测结果与标准检测结果误差甚小。本文的另一特点在于运用了较易实现的线性滤波、移动窗积分等组合分析得到了ECG信号预处理较好的效果，这一在传统算法上的总结并创新综合运用得到了专业学术杂志的认可。 本文通过一系列操作简单易实现的算法对ECG特征波形、波段、几个重要间期进行提取和研究形成一个非常实用的心电检测分析暨检测误差分析系统，同时可以根据误差值不断调整和完善系统功能。在此基础上可以进行更深入的实时心电检测研究、动态心电分析等，具备很重要的临床开发意义。 关键词: ECG信号，预处理，QRS检测，MIT-BIH数据库，自动分析，误差评估 2THE DETECTING A
3、ND ANLYSIS OF ECG SIGNAL ABSTRACT ECG is an important method for the diagnosis for cardiac disease in clinic. As more and more ECG analysis systems come out, the problem how to evaluate the veracity and precision of these systems appears. My thesis will solve the above-mentioned problem. First, we u
4、sed a series of linear filters to process the original ECG data, and locate those of P wave, QRS complex, T wave and some key intervals. We established a simple analysis system of ECG to compare the functions of the standard system whose sound code comes from MIH-BIH database. According to automated
5、 error analysis, we can evaluate and adjust the veracity of our system. In this thesis, the complete of MIT-BIH arrhythmia database was used to evaluate algorithm, as a result, the gross error fell into the allowable rang. KEY WORDS: ECG, pretreatment, QRS complex detecting, MIT-BIH database, automa
6、ted analysis, error evaluation 1 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：唐雅青 日期：2007 年 01 月 18 日 2 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文
7、的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密 。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：唐雅青 指导教师签名：王志中 日期： 2007 年 01 月 18 日 日期： 2007 年 01 月 18日 1第一章第一章 绪绪 论论 1.1 1.1 常规心电图 心脏不断进行有节奏的收缩和舒张活动，血液才能在循环系统中不断地流动。心脏同生物体地其他组织
8、一样在兴奋过程中产生电位变化。心肌细胞的生物电现象与神经肌肉的生物电现象一样分为静息电位和兴奋时的动作电位。 人与哺乳动物的心室肌细胞的静息电位为-90mv。当心肌细胞由静止状态进入兴奋时，即产生动作电位。心肌的动作电位起初迅速上升，跟着是一相当长的周期，在此期间电势最初下降很慢，然后较快，最后恢复到静息电位水平，如图 1-1 所示1。 图 1-1 心脏电生理期 Fig. 1-1 Cardiac cycle 心脏传导系统主要由窦房结、结间束、房室结、房室束、左右束支以及浦肯野氏纤维构成。心肌动作电位开始于右心房的窦房结，然后沿结间束传至房室结，再传至房室束，沿房室束的左右束支，几乎同时传至两侧
9、心室的全部心内膜后，经浦肯野氏纤维传至心室外膜。由于人体体液是良导体，心脏的每个心动周期所伴随的生物电变化可以传达到身体表面的各个部位。 各部分心肌细胞产生的动作电位综合而成的电信号由引导电极从体表或胸腔测得， 经放大后显示或描记下来的波形， 就是心电图 （Electrocardiogram， ECG） ， 它反映了心脏兴奋的产生、2传导和恢复过程中的生物电变化。一般正常人心率为 60-100 次/分，心电图的频率范围在 0.05Hz100Hz，幅值为10 V5mV。 心电波形简介： 伴随着心脏收缩与舒张，心电波形依次会出现P波、PR间隔、QRS复合波、ST段、T波、U波的周期变化。为了更准确
10、地诊断心血管疾病，最常采用的是标准12导联系统测量。 典型的心电图1由下列各波组成，如图1-2所示。 图 1-2 心电波形传导系统 Fig. 1-2 Cardiac wave conducting system P波：由心房的激动所产生，前一半主要由右心房所产生，后一般主要由左心房所产生；反映左右心房的除极过程。正常P波的宽度不超过0.11s，最高幅值不超过2.5mm。 PR间隔： 从P波起点到QRS波群起点的时间间隔。 表示从心房去极化到心室开始去极化的电活动过程。正常范围是0.12-0.2s，随着年龄增长而有加长的趋势。 QRS波群：从Q波开始至S波终了的时间间期。代表左右心室除极电位变化
11、。正常人最高时限不超过0.1s。 ST段： 从QRS波群的终点到T波起点的一段。 正常人ST段是接近基线的，与基线间的距离不超过0.05mm。 T波：代表心室除极后复极时所产生的电位影响。T波在ST段之后发生，所占时间较长； 波形比较低， 在R波为主的心电图上，T波不应低于R波的1/10。 U波：位于T波之后的一个很小的波动，间期约为100200ms。可能是由3于浦肯野氏纤维的延迟复极或心肌的“后电位”引起，反映心肌激动后电位与时间的变化。目前人们对它的认识仍在探讨之中。 1.2 心电图的导联体系 临床上为了统一和便于比较所获得的心电图波形，对描记的心电图的电极位置和引线与放大器的联接方式有严
12、格的统一规定， 这种电极组和其联接到放大器的方式称为心电图导联（lead） 。心电图上所记录的是正、负极电位差的变化，而不是绝对值。 临床上，常规采用十二导联，即标准导联三个（、） ，加压单极肢体导联三个（aVR、aVL、aVF）,胸导联六个（V1V6） 。现简单介绍十二导联的接法。 标准导联 即双极肢体导联，反映两个肢体之间电位差。 导联：左上肢接正极，右上肢接负极。 导联：左下肢接正极，右上肢接负极。 导联：左下肢接正极，左上肢接负极。 加压单极肢体导联 反映体表某两点之间的电位差，不能探测某一点的电位变化。 加压右上肢导联（aVR） ：右上肢接正极，左上肢和左下肢共同联接负极。 加压左上
13、肢导联（aVL） ：左上肢接正极，右上肢和左下肢共同接负极。 加压左下肢导联（aVF） ：左下肢联接正极，左上肢和右上肢共同联接负极。 胸导联亦是一种单极导联，把探查电极放置在胸前一定位置。 V1：在胸骨右缘第四肋间。 V2：在胸骨左缘第四肋间。 V3：在 V2V4 连线的中点。 V4：左锁骨中间与第五肋间相交处。 V5：左腋前线与 V4 同一水平高度。 4V6：左腋中线与 V4、V5 同一水平高度。 1.3 心电图自动分析研究历史和现状 心电图检查是临床器械检查方法之一，它对某些疾病特别是心血管疾病的诊断有着重要的意义。由于诊断可靠，方法简便，对病人无损害，故已在临床上广泛应用。 心脏的活动
14、状态除了反映在心律上，更主要是通过 ECG 中 P、QRS、和 T 形波以及它们的各种 ST 段的参数、RR 间期、PP 间期、PR 间期、QT 间期（幅度、宽度、斜率等）反映。ECG 信号分析，重要的是进行 ECG 信号的特征点参数提取和特征波形段的识别和定位，这是 ECG 分析诊断系统的关键，其准确性、可靠性的好坏决定着诊断与治疗心脏病患者的效果，乃至挽救病人生命的成败。利用计算机辅助医生进行 ECG 分析，能够帮助医生准确高效诊断，提高诊断的可靠性。 自动检测为心电自动诊断系统提供准确的各项参数数据，心电检测主要集中在 QRS 波检测，P 波检测，T 波检测。QRS 波检测是 ECG 检
15、测中的首要问题，QRS波检测不仅是心律失常的重要依据， 而且只有在QRS波确定以后才能分析ECG的其它细节信息。 精确定位 R 波再进一步用算法判定 QRS 复合波群的起始点和终点。 常用的 R峰检测方法有幅度法、斜率法、面积法、阈值法、小波变换法。两种或多种的方法结合的QRS检测方法是当今的趋势。 有大量的文献可以作为检测QRS波的参考，心电自动检测与分析的研究，也已经有了一些相对比较成熟的方法。可以考虑先试用一些相对简单的算法，得到一定的检测结果，在此基础之上，再实现比较复杂效果更好的算法。 目前，心电检测在进一步提高信号的检测率、准确率以及使得分析诊断系统小型化更加智能化方面仍有大量的研
16、究空间。 总的来说 QRS 波检测的途径可以分为硬件检测和软件检测， 本文主要从 MIT-BIH 数据库中直接提取数据进行软件检测分析。下面介绍下 ECG 软件检测方面的发展现状。 ECG软件自动检测分析的最终目的是对各个QRS波群进行自动分类，并根据5其它一些临床特征自动做出诊断。根据诊断途径的不同可以分为两大类。一类是根据ECG分析得出某些特征参数，如RR间期等，再利用功率谱分析等信号分析技术对病人某一类疾病做出诊断。另一类是根据每个心拍的波形和特征，鉴别心拍的正常或异常以及异常的种类，进一步分析其心律的种类(如室性早搏等)。这种分析方法可以诊断病人多种病变，因而应用较为广泛，尤其在长时间动态心电信号的分析上用的较多。 早期简单的ECG自动分析采用一些基于经验的判断规则，随着计算机功能的增强， 更复杂精确的分析方法被应用起来， 这些方法有模板匹配和特征提取两类。模板匹配方法是比较ECG心拍与原存贮(或学习过的)心拍模板的近似程度，据此判断该心拍属于何种类型。模板匹配
