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1、Ch4: 心电信号的处理o心电图的产生,o心电图处理的基本思路,n时间上: 动态和静态,n空间上: 心肌电特性的空间离散度,o心电图处理和分析的发展,Nankai University, CY LI, 2024/7/271Biomedical signal processing心电信号的形成（1）o心肌细胞的动作电位n心肌细胞除极和复极的电生理现象,n极化状态(polarised): 静息电位(resting potential),n动作电位(action potential, AP): 除极(depolarisation)和复极(repolarisation),mV-90-600+200心室
2、肌细胞动作电位示意图1234300msNankai University, CY LI, 2024/7/272Biomedical signal processing心电信号的形成（2）o电兴奋的传导(conduction or spread of electrical excitation)n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,n心房的传导: 心房传导束-右心房-左心房n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,n电兴奋通过Purkinje网使心室肌细胞兴奋，Nankai University, CY LI
3、, 2024/7/273Biomedical signal processing心脏传导系统Nankai University, CY LI, 2024/7/274Biomedical signal processingEnglish termso窦房结: sinus node,o心房: atrium, 心室: ventricle, o房室结: atrioventricular node (junction),o希氏束: bundle of His,o普金野纤维: Pukinje fibres,o心脏表面(心外膜): epicardium,o心内膜：endocardiumo体表：body su
4、rface Nankai University, CY LI, 2024/7/275Biomedical signal processing心电信号的形成（3）o心电图(electrocardiogram, ECG)的产生n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（dipole layer）n容积导体(volume conductor):人体组织是导电的，看作是一个容积导体，n心电向量: 所有心肌细胞的偶极子场的向量和,n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。p体表心电图,p心外膜、心内膜电图,p希氏束电图，Nankai Universi
5、ty, CY LI, 2024/7/276Biomedical signal processing典型心电信号波形oP, QRS, ST, TS-T段QRSTPQTNankai University, CY LI, 2024/7/277Biomedical signal processing心电图的记录(Recording of ECG)o标准导联,n肢体导联, 胸导联,o体表多部位标测(body surface mapping),n32-512通道的数据采集系统(multi-channel data acquisition system),n电极背心, (electrode vest)o心脏
6、表面的多部位标测(epicardial mapping),n多通道的数据采集系统n电极套(electrode sock)o心脏内膜的多部位标测(endocardial mapping),n多通道的数据采集系统n导管(catheter)和伞电极Nankai University, CY LI, 2024/7/278Biomedical signal processingBody surface mappingNankai University, CY LI, 2024/7/279Biomedical signal processingEpicardial electrode sockNankai
7、 University, CY LI, 2024/7/2710Biomedical signal processing标准导联(1)o12标准导联(standard leads)n标准I， II，III肢体导联(bipolar limb leads),I III IIIIIIIIR RF FL LR: right armR: right armL: left armL: left armF: left footF: left footI=EI=EL L-E-ER R, ,II=EII=EF F-E-ER R, ,III=EIII=EF F-E-EL LNankai University, CY
8、 LI, 2024/7/2711Biomedical signal processing标准导联(2)加压肢体导联标准aVR, aVL, aVF (augmented unipolar limb leads),L LWilson terminal:Wilson terminal:C C点的电位点的电位, ,aVLaVL和和aVFaVF的连的连接相似接相似R/2R/2R RR RR RF FC CaVaVR R+ +- -Nankai University, CY LI, 2024/7/2712Biomedical signal processing标准导联(3)o单极胸导联V1-V6 (uni
9、polar precordial leads), precordial: chest wall,o中心电端(Wilson terminal)oV1-V6, 胸前电极分别与中心电端的电位差,Nankai University, CY LI, 2024/7/2713Biomedical signal processing心电信号的畸变o心脏的病变：n传导阻滞，早搏，室颤、房颤, 心肌缺血、梗塞等,nQRS变宽, ST段位移出现, 心率变化等,o来自心脏外的干扰信号：n50Hz工频干扰n肌电干扰， 10-300Hz,n呼吸的干扰，使基线漂移加剧，Nankai University, CY LI, 2
10、024/7/2714Biomedical signal processing心电信号的预处理o抑制工频干扰，o基线纠漂，Nankai University, CY LI, 2024/7/2715Biomedical signal processing噪声抑制和基线漂(detrending)o低通滤波器n可以滤掉心电信号中的肌电信号的高频干扰，o抑制工频干扰n自适应滤波抑制工频干扰，o基线漂移的纠正n抵消法纠漂，n基线纠漂滤波器， 0.7Hz的高通截止频率，Nankai University, CY LI, 2024/7/2716Biomedical signal processing移动平滑滤
11、波器(低通滤波)Nankai University, CY LI, 2024/7/2717Biomedical signal processingH(z)和H(z)*H(z)的比较oH(z):n旁瓣太大, 13dB; n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;oH(z)*H(z):n旁瓣有较大的衰减, 26.7dB,n有真正的线性相位;Nankai University, CY LI, 2024/7/2718Biomedical signal processing移动平滑滤波器(N=8)oFs=1000HzoN=8,H(z), n-3dB, 55
12、Hz, nthe first side peak: -13dB, nnonlinear phase angleo H(z)*H(z), n-3dB, 55Hz, nthe first side peak: -26.7dB, nlinear phase angleNankai University, CY LI, 2024/7/2719Biomedical signal processing移动平滑滤波器(N=33)oH(z): n-3dB: 0.08Hz, nthe first side peak: -13dBoH(z)*H(z): n-3dB: 0.08Hz, nthe first side
13、 peak: -26.7dBNankai University, CY LI, 2024/7/2720Biomedical signal processing移动平滑滤波器的效果Nankai University, CY LI, 2024/7/2721Biomedical signal processingMA的H(z)和H(z)*H(z)随N的变化Nankai University, CY LI, 2024/7/2722Biomedical signal processing自适应滤波o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，o适用于对信号和噪声无先验知识(频谱)的或非平稳信
14、号,o基本结构: 滤波器、优化指标算法、滤波器参数修改算法，n滤波器： FIR, IIR，n优化准则：信噪比最高、输出误差均方差最小，n参数修改：递归、非递归， Nankai University, CY LI, 2024/7/2723Biomedical signal processingy(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(
15、t)在最小均方差意义上与信号s(t)最佳匹配，Nankai University, CY LI, 2024/7/2724Biomedical signal processing基线纠漂o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,nx(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),nPQ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)x(n)=s(n)+w(n)基线估计基线估计+ +- -s(n)s(n)w(n)w(
16、n)Nankai University, CY LI, 2024/7/2725Biomedical signal processing基线纠漂滤波器o基线纠漂滤波器(HP)n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，n基线纠漂及50Hz陷波滤波器,o理想的心电信号预处理滤波器n 基线纠漂+50Hz限波,n可用频率抽样法设计这种滤波器,f fH(f)H(f)5050100100150150fkfkNankai University, CY LI, 2024/7/2726Biomedical signal processing纠漂和50Hz陷波的效果Nankai
17、University, CY LI, 2024/7/2727Biomedical signal processing整系数基线纠漂滤波器o梳状滤波器的数学表示;Nankai University, CY LI, 2024/7/2728Biomedical signal processing整系数基线纠漂滤波器(2)o梳状滤波器的数学表示;Nankai University, CY LI, 2024/7/2729Biomedical signal processing整系数Filter的效果Nankai University, CY LI, 2024/7/2730Biomedical signa
18、l processing心电信号的分析o特征波形的检测nQRS波的检测，T波的检测，ST段位移，o心电图的频谱分析nFFT, AR model, 时频分析, wavelet transformationo心电信号的非线性分析n相关维数，nHRV (heart rate variability)，nT波交替（TWA），o心电信号的空间信息，nQT离散度，Nankai University, CY LI, 2024/7/2731Biomedical signal processingQRS波的检测oQRS的特点:n其能量在心电信号中占很大的比例, n其频谱分布在中高频区, 峰值落在10-20Hz之
19、间,o二阶导数算法n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,o移动平均算法n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,o正交滤波算法Nankai University, CY LI, 2024/7/2732Biomedical signal processingQRS波的频谱oQRS的特点:n其能量在心电信号中占很大的比例, n其频谱分布在中高频区, 峰值落在10-20Hz之间,Nankai University, CY LI, 2024/7/2733Biomedical signal processingR波峰点的检测o斜率变号
20、o双边阈值检测法n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)/2o固定宽度检测法n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。Nankai University, CY LI, 2024/7/2734Biomedical signal processingR波峰点的检测dx/dt0dx/dt0Rat2t1t=(t1+t2)/2t1t2RRRNankai University, CY LI, 2024/7/2735Biomedical signal proces
21、singT波的检测oT波的检出n幅度和形状，n小波变换,oT波的终点n零点，n最负的斜率切线和基线的交点，n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,Nankai University, CY LI, 2024/7/2736Biomedical signal processing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Nankai University, CY LI, 2024/7/2737Biomedi
22、cal signal processingT波的检出四种方法o技术阈值法(TH): T波与阈值水平的交点,o微分阈值(DTH): T波的微分与阈值水平的交点,o技术斜率交点(SI): T波最大斜率与等位线交点,o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,oThreshold: 5-15% of the peak,Nankai University, CY LI, 2024/7/2738Biomedical signal processingQT间隔的确定oQT duration: t(Q)-t(T)oECG waveformsNankai University,
23、CY LI, 2024/7/2739Biomedical signal processing心电频谱分析oFFToAR modelNankai University, CY LI, 2024/7/2740Biomedical signal processing频率心电图 FCG (frequency-domain correlative cardiograph)o设为一个系统, 输入: V5, 输出: II,o几个参数:n自功率谱, Px, Py,n自相关函数, Vxx, Vyy, 同一信号在时间上前后的相关性,n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,n传递函数相移,
24、 V5与II信号间的相频对应关系,Nankai University, CY LI, 2024/7/2741Biomedical signal processing心电信号的时间特性oHRV是指心率的波动，或者心动周期之间的差异性。o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。oHRV的分析方法：n时域分析，RR间期的标准差，一般为100-140ms, 50ms异常,n频域分析，LF(0.04-0.15Hz)和HF(0.15-0.4Hz)的功率谱的比较，n非线性分析：散点图，相关维数，复杂度等。Nankai University, CY LI, 2024/7/2
25、742Biomedical signal processing心室晚电位(VLP)o定义: 心室肌损伤后使局部心肌延迟除极引起的破裂电位, o位置：出现在QRS波末端和ST段上的高频、低幅的微小电活动。o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。Nankai University, CY LI, 2024/7/2743Biomedical signal processing心室晚电位(VLP)o三个指标：nQRS终末40ms 的电压: RMS4020V,nQRS 终末电压持续低于40V 的时限: QRS末端=40ms,nQRS 时限:
26、 QRS总时限110-119ms,oVLP的检测,n微伏级(2-20 V), n信号平均技术, 叠加100-200次,n采用正交心电图X, Y, Z双极导联, RMS: Nankai University, CY LI, 2024/7/2744Biomedical signal processingTWA (T wave alternans)oT波交替oT 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。o临床研究表明, V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
27、个可靠而无创的指标。o目前TWA 的检测方法有了一定的发展, 主要有T 波面积法、平均功率谱法及复数检波法等。Nankai University, CY LI, 2024/7/2745Biomedical signal processingTWA指标o方法：通过信号频谱处理技术来测量。o分析128 个连续心电图, T 波交替以0.5 周的频率测量峰值振幅,以功率谱的方式表示,将单数T 波振幅或双数T 波振幅减去平均T 波振幅再减去平均噪音振幅,所得结果的平方根为交替值(Valt) 。o交替率K等于交替值除以噪音的标准差。o若Valt 休息时1.0 微伏,运动后1.9 微伏,交替率K于任何情况下
28、3.0 为T 波交替测试阳性。Nankai University, CY LI, 2024/7/2746Biomedical signal processingDispersion in ventricular repolarisation (心室复极空间离散)o研究表明：室性心律失常是由心室复极不一致导致的。这种不一致性如何表示？nMAP (monophasic action potential)离散度，QT离散度，ARI离散度o通过分析ST段位移的空间分布确定心肌缺血部位等；o分析体表、心脏表面的兴奋时间图，判断异常心肌的部位等；Nankai University, CY LI, 2024
29、/7/2747Biomedical signal processingFuture developmentoLow-cost, easy-to-use recording systemnElectronic engineernComputer scientistnPhysicistoComputer simulation on ECGnPhysicistnMathematician oEffective diagnosis softwarenMedical doctornProgrammernEngineer Nankai University, CY LI, 2024/7/2748Biomedical signal processing
