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1、第一章 绪论1.1心电信号自动分析的意义近年来,随着生活节奏的加快,生活和工作压力的增大,心血管疾病的发病率和死亡率越来越高,心脏病成为威胁人类健康的重要疾病之一.用于心脏病诊断的主要技术之一就是心电图Electrocardiogram简称ECG,心电图是对实现心脏的生理功能过程中所产生的体表电位差记录下来并加以解释的科学,是一种无创检查技术,由于诊断可靠,方法简单,对病人无损害等优点,在心脏病的诊断中有着与其重要的作用. 传统的ECG分析是由心电图诊断医师完成的,医师根据病人的心电图波形与其他辅助资料做出诊断.虽然这种传统的诊断方法可以提高诊断的正确率,但是最后的结论很大程度上依赖于医师的主
2、观因素,再加上某些心脏病的不确定性,可能导致不同医生对同一病人得出不同的诊断结果；或是对于需要长时间监测动态ECG的病人,24小时获得的信息长达2.16km,包括十万次的心搏和十万余次的心动周期,通过诊断医师分析费时费力,诊断医师由于疲劳等因素,可能会忽略掉某些异常心电波形,造成误诊漏诊,准确率也必然下降；此外,对于正在进行手术的病人,医护人员也不可能记录下病人的每一个心动周期的数据.因此,对心电图进行高效准确的自动分析就显得尤为重要.1.2心电图基础心电图应用至今已经有100多年的历史了.19世纪末,就有人首先在动物身上发现在心脏搏动时伴有的微弱电活动,后来逐渐认识到人体的也有类似的变化.1
3、903年,荷兰的Wilhelm Einthoven以弦电流计记录了第一份心电图,当时简称EKG,来自德语Elektrokardiogramm心电图.1905年正式将心电图技术应用于临床.1942年,美国一组以Wilson为首的学者们在美国心脏病学杂志上发表名为心前导联的论文,提出了六个心前导联.同年,Goldberger改进并完善了心电图的12个导联体系,即标准的导联I、II、III,加压单极肢体导联aVR、aVL、aVF和胸壁导联V1、V2、V3、V4、V5、V6,共12个导联,一直沿用至今3.1.2.1心电图产生机理在正常人体内,窦房结发出兴奋,按照一定的途径,传向心房和心室,从而引起整个
4、心脏的兴奋.具体来说,窦房结发出的兴奋首先传到右心房,使右心房开始收缩,同时兴奋经过房间束传到左心房,引起左心房的收缩.兴奋随后沿着结间束传到房室结,再由房室结通过房室束与其左右分支肯氏纤维传导到心室.因此,在每一个心动周期中,心脏各个部分兴奋过程中出现的电信号变化的方向、途径、次序和时间都有一定的规律.这种生物电变化通过心脏周围组织和体液传导到身体表面,使身体各部位在每一次心动周期中也都繁盛有规律的电变化.把测量电极放置在人体表面适当部位记录出来的心脏电变化曲线即为临床常规心电图,反应了心脏兴奋的产生、传导和恢复过程的电变化.1.2.2心电图典型波形心电图典型波形如图1-1所示图1-11P波
5、：是心电图波形组开始的一个低小呈半圆形的波,反映左右心房除极过程的电激动情况,前一半主要由右心房产生,后一半主要由左心房产生.正常P波的宽度不超过0.11s,最高幅度一般不超过0.25mv.2QRS波群：P波以后的呈尖锐狭窄、波幅高大的波,常由几个波组成的波群成为QRS波群.反映左右心室除极过程的电激动情况.在基线上P波后第一个向下负向的波成为Q波,第一个向上正向的波为R波,R波后向下的波为S波.依患者、导联的不同,QRS波群可呈多重形态,常以大写的英文字母表示主波,小写的表示较小的波.QRS波群的宽度为QRS时限,代表全部心室肌激动过程所需要的时间,正常人最高不超过0.11s.3T波：在QR
6、S波群结束后有一个低钝而宽的波,称为T波,T波反映心室的复极化过程的电位变化.在R波为主的心电图上,T波幅度不应低于R波的1/10.4U波：有的导联在T波结束后有一个与T波方向相同的小波,称为U波,一般振幅不超过0.3mv,可能是反映激动后电位的变化,对它的认识,仍在讨论之中.5P-R间期：是从P波的起点到QRS波群的起点的间隔时间,代表从心房开始兴奋到心室开始兴奋的时间,是衡量心房和心室之间关系的一项重要指标,一般在0.120.20s之间.这一时间随着年龄的增长而有加长的趋势,这一段常被用以衡量ST段偏移的基线.6S-T段：自QRS波群的终点至T波起点的一段,代表心室复极化缓慢进行的阶段.正
7、常人的S-T段是接近基线的,V3、V4导联S-T段抬高不超过0.3mv,其余导联不超过0.10mv,S-T段下降不超过0.10mv.7Q-T间期：Q波开始到T波结束的时间,代表心室去极化和复极化总共经历的时间,一般在0.300.47s之间,受心率的影响较大,也是心电图测量分析的一项内容.1.2.3心电图导联在人体体表记录心电图时,必须解决两个问题：一是电极的安放位置,二是电极与放大器的形式.在心电图专业术语中,将记录心电图时电极在人体体表的放置位置与与放大器的连接方式称为心电图的导联.目前广泛应用的是国际标准十二导联体系,分别为标准肢体导联I、II、III,单极加压肢体导联aVR、aVL、aV
8、F和单极胸导联V1、V2、V3、V4、V5、V6.在此导联体系中,需要给人体安放10个电极,分别位于左臂LA、右臂RA、左腿LL、右腿RL和胸部6个电极V1、V2、V3、V4、V5、V6,一般把右腿电极作为参考电极,其余作为心电电极.1标准导联：三种标准导联的连接如图1-2所示,其中A为放大器,B为右腿驱动电路LLLLLLLALALARLRARLRLRAABRAAABB导联I导联II导联III图1-2导联I：左上肢接放大器的正输入端,右上肢接放大器的负输入端；导联II：左下肢接放大器的正输入端,右上肢接放大器的负输入端；导联III：左下肢接放大器的正输入端,左上肢接放大器的负输入端；以VL、V
9、R、VF分别表示左上肢、右上肢、左下肢的电位值,则：,每一瞬间都有标准导联的特点是能比较广泛的反映出心脏的大概情况,比如后壁心肌梗塞、心律失常等,在导联II或导联III中科记录到清晰的波形改变,但是,标准导联只能说明两肢间的电位差,不能记录到单个电极处的电位变化.2加压单极肢体导联：三种加压单极肢体导联的连接如图1-3所示,其中A为放大器,B为右腿驱动电路,R为电阻.R/2RRRLRRLARLLLRAABR/2LLRARLLAABRRR/2LLLARABaVRAaVLaVF加压导联获得的电压分别记为aVR、aVL、aVF,设Wilson中心电端电位实际为Vc,则aVR、aVL、aVF与、之间的
10、关系为：,由于向量和为零,即所以同理,由计算结果可知,加压导联所获得的心电,波形形状不变,仅仅波形幅度增加50%.3单极胸导联为了检测到心脏某一局部区域的电位变化,将电极安放在靠近心脏的胸壁上,参考电极为威尔逊中心电端,安放的电极所在部位电位的变化即为心脏局部电位的变化,这种导联为单极导联.6个电极分别安放的位置：V1在右胸骨边缘第四肋间、V2在左胸骨边缘第四肋间、V3在V2和V4中间、V4在锁骨中线与第五肋间的交点、V5为腋下线前与V4同水平、V6在腋下线上与V4同水平.1.3心电信号自动分析的发展早起的ECG分析是由心电图诊断医师来完成的,计算机辅助的ECG分析系统始于上个世纪50年代末,
11、由计算机代替了单调重复的人工识别工作,大大降低了漏检情况.随着计算机技术的不断发展,ECG自动分析系统的功能也大大增强,不仅能进行心率分析,还能提取出P波,QRS波群,T波和S-T段的主要参数,对于某些心脏病的预防和诊断,有着重要的临床应用.分析心电信号的前提是对原始的心电信号进行去噪和提取特征值.1.3.1心电信号去噪的发展对于心电信号的去噪处理,在早期是通过硬件设计来实现的,心电的噪声去除主要是由设计硬件电路和特殊的硬件滤波器来解决的,后来,随着计算机的不断发展,软件编程去噪渐渐成为主流,通过数字滤波器去除掉心电中不必要的噪声,现在通过软硬件结合的方式去除心电噪声,即先通过硬件电路,去除掉
12、原始信号中的部分噪声,然后输入计算机,通过软件编程的方式,去除掉大部分噪声,得到便于分析的心电信号.张帷等提出的FFT滤波是对输入的信号进行离散傅里叶变换,分析频谱,然后根据所希望的频率特性进行滤波,再进行傅里叶反变换恢复出时域信号,能够很大程度上抑制0.5hz以下的低频干扰和工频干扰.Lynn提出了一种递归型数字滤波器,可以实现低通、高通、带通和带阻滤波,可完成整型数运算.Keselbrener等采用非线性的中值滤波来消除基线漂移.Li Gang等提出了一种自适应相干模版法抑制贡品干扰.Xue等提出的基于神经网络的非线性自适应滤波器,可以较好的消除基线漂移和伪迹的影响,缺点是计算量太大,速度
13、较慢.Senhadji等提出了基于小波分析的ECG滤波技术,可以很好的抑制各种类型的噪声,并能对QRS波群的检测有着较高的准确率,小波变化的方法成为了处理心电信号的研究热点.1.3.2心电信号特征值检测的发展心电信号的特征值检测首先是检测出QRS波群,然后在此基础上检测出P波、T波和S-T段等.Pan和Tompkins提出的一种成为PT的算法,通过这种算法可以检测出QRS波群的位置和大小,并且用一个特殊的数字带通滤波器去除掉ECG波形中的误检波形.Yun-Chi Yeh等提出的差分运算Difference Operation Method的方法来检测出QRS波群,这种方法简单、迅速.还有学者提
14、出了基于神经网络的算法对ECG进行QRS波的检测,这种方法计算量太大,计算时间较长,不适合实时的信号处理.对于P波和T波的检测,最初采用过斜率阈值法,但是由于P波和T波的斜率一般较小,所以此方法的漏检率较大.后来还有人提出自适应滤波器法,这种方法要求QRS波群形态一致,心室节律稳定,因而也不能满足要求.Saurabh Pal等提出的基于可选系数的多尺度小波变化方法来检测ECG中的特征值,不仅能够检测到QRS波群,还能检测出P波和T波.通常采用数学形态学的方法来确定J点,即S_T段的起始位置,S-T段的终点即为T波的起点.1.4论文的主要研究内容本文的主要内容是基于小波变换的心电去噪、检测和自动
15、分析诊断系统的设计研究,主要完成了心电信号的去噪处理,检测特征值,并根据特征值给出相应的诊断结果.本文的研究内容和章节安排如下：第一章主要介绍了心电图的基础知识以与当前心电自动诊断技术的发展.第二章介绍了小波变换的主要知识,并介绍了小波变换在ECG信号中的应用,为后文的小波变换去噪和提取特征值做基础.第三章介绍了小波变换去噪的原理和7大小波系,通过选择合适的小波,对ECG信号中的不同噪声进行去除,并给出了仿真结果.第四章主要介绍了ECG提取特征值的主要知识,检测极值点法,差分阈值法,和小波变换法都能检测出ECG信号中的QRS波群,本文最终选取了小波变换法来提取出QRS波群,P波,T波等特征值,实验结果表明,效果较为理想.第五章介绍了利用小波变换对ECG信号特征值检测和自动分析程序的设计和实现,在labview编程环境下实现了程序的编写和运行.第六章总结了本文的创新点和存在的问题.第二章 小波变换在1822年以来,傅里叶提出的傅里叶变换Fourier Transform,FT是信号处理领域中应用广泛,效果较好的一中分析方法.但是,傅里叶变换只是一种纯频域的分析手段,它在频域的定位是完全准确的,即频域分辨率最
