心電信號的處理

1、biomedical signal processing 1nankai university, cy li, 2021-5-9 ch4: 心電信號的處理 o心電圖的產(chǎn)生, o心電圖處理的基本思路, n時間上: 動態(tài)和靜態(tài), n空間上: 心肌電特性的空間離散度, o心電圖處理和分析的發(fā)展, biomedical signal processing 2nankai university, cy li, 2021-5-9 心電信號的形成（1） o心肌細胞的動作電位 n心肌細胞除極和復(fù)極的電生理現(xiàn)象, n極化狀態(tài)(polarised): 靜息電位(resting potential), n動作電位(

2、action potential, ap): 除極(depolarisation)和復(fù) 極(repolarisation),m v -90 -60 0 +20 0 心室肌細胞動作電 位示意圖 1 2 3 4 300 ms biomedical signal processing 3nankai university, cy li, 2021-5-9 心電信號的形成（2） o電興奮的傳導(dǎo)(conduction or spread of electrical excitation) n竇房結(jié): 心臟的起搏興奮點, 其細胞自發(fā)產(chǎn)生 50-100次/分的可傳導(dǎo)ap, n心房的傳導(dǎo): 心房傳導(dǎo)束-右心房

3、-左心房 n傳導(dǎo)系統(tǒng)的傳播: 房室束-希氏束-左、右 分支-普金野（purkinje）纖維網(wǎng)-心室肌, n電興奮通過purkinje網(wǎng)使心室肌細胞興奮， biomedical signal processing 4nankai university, cy li, 2021-5-9 心臟傳導(dǎo)系統(tǒng) biomedical signal processing 5nankai university, cy li, 2021-5-9 english terms o竇房結(jié): sinus node, o心房: atrium, 心室: ventricle, o房室結(jié): atrioventricular nod

4、e (junction), o希氏束: bundle of his, o普金野纖維: pukinje fibres, o心臟表面(心外膜): epicardium, o心內(nèi)膜：endocardium o體表：body surface biomedical signal processing 6nankai university, cy li, 2021-5-9 心電信號的形成（3） o心電圖(electrocardiogram, ecg)的產(chǎn)生 n電流源：每個心肌細胞的除極和復(fù)極過程等效于一個偶極 子層（dipole layer） n容積導(dǎo)體(volume conductor):人體組織是導(dǎo)電

5、的，看作是 一個容積導(dǎo)體， n心電向量: 所有心肌細胞的偶極子場的向量和, n心電圖：所有心肌細胞的偶極子場在容積導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電場， 從而有電位差產(chǎn)生，即心電圖。 p體表心電圖, p心外膜、心內(nèi)膜電圖, p希氏束電圖， biomedical signal processing 7nankai university, cy li, 2021-5-9 典型心電信號波形 op, qrs, st, t s-t段 qrs t p qt biomedical signal processing 8nankai university, cy li, 2021-5-9 心電圖的記錄 (recording of

6、ecg) o標準導(dǎo)聯(lián), n肢體導(dǎo)聯(lián), 胸導(dǎo)聯(lián), o體表多部位標測(body surface mapping), n32-512通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(multi-channel data acquisition system), n電極背心, (electrode vest) o心臟表面的多部位標測(epicardial mapping), n多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) n電極套(electrode sock) o心臟內(nèi)膜的多部位標測(endocardial mapping), n多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) n導(dǎo)管(catheter)和傘電極 biomedical signal processing 9nan

7、kai university, cy li, 2021-5-9 body surface mapping biomedical signal processing 10nankai university, cy li, 2021-5-9 epicardial electrode sock biomedical signal processing 11nankai university, cy li, 2021-5-9 標準導(dǎo)聯(lián)(1) o12標準導(dǎo)聯(lián)(standard leads) n標準i， ii，iii肢體導(dǎo)聯(lián)(bipolar limb leads), i ii iii r f l r: r

8、ight arm l: left arm f: left foot i=el-er, ii=ef-er, iii=ef-el biomedical signal processing 12nankai university, cy li, 2021-5-9 標準導(dǎo)聯(lián)(2) 加壓肢體導(dǎo)聯(lián)標準avr, avl, avf (augmented unipolar limb leads), l wilson terminal: c點的電位, avl和avf的連 接相似 r/2 r r r f c avr + - biomedical signal processing 13nankai universi

9、ty, cy li, 2021-5-9 標準導(dǎo)聯(lián)(3) o單極胸導(dǎo)聯(lián)v1-v6 (unipolar precordial leads), precordial: chest wall, o中心電端(wilson terminal) ov1-v6, 胸前電極分別 與中心電端的電位差, biomedical signal processing 14nankai university, cy li, 2021-5-9 心電信號的畸變 o心臟的病變： n傳導(dǎo)阻滯，早搏，室顫、房顫, 心肌缺血、梗塞等, nqrs變寬, st段位移出現(xiàn), 心率變化等, o來自心臟外的干擾信號： n50hz工頻干擾 n肌電

10、干擾， 10-300hz, n呼吸的干擾，使基線漂移加劇， biomedical signal processing 15nankai university, cy li, 2021-5-9 心電信號的預(yù)處理 o抑制工頻干擾， o基線糾漂， biomedical signal processing 16nankai university, cy li, 2021-5-9 噪聲抑制和基線漂(detrending) o低通濾波器 n可以濾掉心電信號中的肌電信號的高頻干擾， o抑制工頻干擾 n自適應(yīng)濾波抑制工頻干擾， o基線漂移的糾正 n抵消法糾漂， n基線糾漂濾波器， 0.7hz的高通截止頻率，

11、biomedical signal processing 17nankai university, cy li, 2021-5-9 移動平滑濾波器(低通濾波) biomedical signal processing 18nankai university, cy li, 2021-5-9 h(z)和h(z)*h(z)的比較 oh(z): n旁瓣太大, 13db; n相頻特性雖在通帶內(nèi)保持線性, 但在進入阻帶后有 突變, 有可能造成心電信號的高頻相位失真; oh(z)*h(z): n旁瓣有較大的衰減, 26.7db, n有真正的線性相位; biomedical signal processin

12、g 19nankai university, cy li, 2021-5-9 移動平滑濾波器(n=8) ofs=1000hz on=8,h(z), n-3db, 55hz, nthe first side peak: -13db, nnonlinear phase angle o h(z)*h(z), n-3db, 55hz, nthe first side peak: -26.7db, nlinear phase angle biomedical signal processing 20nankai university, cy li, 2021-5-9 移動平滑濾波器(n=33) oh(z

13、): n-3db: 0.08hz, nthe first side peak: -13db oh(z)*h(z): n-3db: 0.08hz, nthe first side peak: - 26.7db biomedical signal processing 21nankai university, cy li, 2021-5-9 移動平滑濾波器的效果 biomedical signal processing 22nankai university, cy li, 2021-5-9 ma的h(z)和h(z)*h(z)隨n的變化 00.20.40.60.81 -60 -50 -40 -30

14、 -20 -10 0 ma h(z) pi 00.20.40.60.81 -4 -3 -2 -1 0 1 2 h(z) angle 00.20.40.60.81 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 h(z)*h(z) pi 00.20.40.60.81 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 h*h angle n=8 n=13 n=8 n=13 biomedical signal processing 23nankai university, cy li, 2021-5-9 自適應(yīng)濾波 o根據(jù)輸入信號自動調(diào)節(jié)濾波器的參數(shù), 使其性 能指標最優(yōu)化， o適用于對信

15、號和噪聲無先驗知識(頻譜)的或非 平穩(wěn)信號, o基本結(jié)構(gòu): 濾波器、優(yōu)化指標算法、濾波器參 數(shù)修改算法， n濾波器： fir, iir， n優(yōu)化準則：信噪比最高、輸出誤差均方差最小， n參數(shù)修改：遞歸、非遞歸， biomedical signal processing 24nankai university, cy li, 2021-5-9 y(t) 自適應(yīng)消噪聲 + 濾波器 修改參數(shù) 信號源 噪聲源 x(t)=s(t)+n0(t) x(t)+ - n1(t) n0(t): 噪聲源（如50hz工頻信號），n1(t)：通過某一未知網(wǎng)絡(luò)的 同一噪聲源，n0(t)：濾波器輸出的估值， x(t)=s(

16、t)+ n0(t)- y(t)=s(t)+ n0(t)- n0(t) 要使得x(t)在最小均方差意義上與信號s(t)最佳匹配， 的最佳估值是最小時當s(t) x(t),)()( )()()()( 2 00 2 00 22 tntne tntnetsetxe biomedical signal processing 25nankai university, cy li, 2021-5-9 基線糾漂 o抵消法：從信號中減去基線的估計值, 心電基線漂移可 看成某種超低頻干擾信號, nx(n)=s(n)+w(n), 用w(n)來逼近w(n), 并從s(n)中減去, s(n)=x(n)-w(n), np

17、q段為基線，常以pq段的中點作為基準點，用多項式擬 合基線的估計函數(shù)， 如最簡單的線性擬合、三次樣條函數(shù) 擬合等， x(n)=s(n)+w(n) 基線估計 + - s(n) w(n) biomedical signal processing 26nankai university, cy li, 2021-5-9 基線糾漂濾波器 o基線糾漂濾波器(hp) n高通濾波器，高通截止頻率：0.7hz， 即以40次/分為心臟 搏動過緩的下限， n基線糾漂及50hz陷波濾波器, o理想的心電信號預(yù)處理濾波器 n 基線糾漂+50hz限波, n可用頻率抽樣法設(shè)計這種濾波器, f h(f) 50100150

18、fk biomedical signal processing 27nankai university, cy li, 2021-5-9 糾漂和50hz陷波的效果 biomedical signal processing 28nankai university, cy li, 2021-5-9 整系數(shù)基線糾漂濾波器 o梳狀濾波器的數(shù)學(xué)表示; 84 512256 2 4 256 21 21 64*64 1 )( 1 1 64 1 )( )4()256()( 64 1 )( zz zz zh z z zh nynxnxny biomedical signal processing 29nankai

19、 university, cy li, 2021-5-9 整系數(shù)基線糾漂濾波器(2) o梳狀濾波器的數(shù)學(xué)表示; 020406080100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 h(z) 020406080100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 h(z)*h(z) 020406080100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1-h(z)*h(z) 020406080100 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 1-h(z)*h(z) in db biomedical signal processing 30nankai university, cy li,

20、 2021-5-9 整系數(shù)filter的效果 020406080100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 comb filter h(z) 020406080100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 h(z)*h(z) 050100150200250 -2000 -1000 0 1000 2000 ecg signal at fs=200hz 050100150200250 -2000 -1000 0 1000 2000 filtered ecg 0246810 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1-h*h 050100150200250 0 20 40 60 80 filt

21、ered trend biomedical signal processing 31nankai university, cy li, 2021-5-9 心電信號的分析 o特征波形的檢測 nqrs波的檢測，t波的檢測，st段位移， o心電圖的頻譜分析 nfft, ar model, 時頻分析, wavelet transformation o心電信號的非線性分析 n相關(guān)維數(shù)， nhrv (heart rate variability)， nt波交替（twa）， o心電信號的空間信息， nqt離散度， biomedical signal processing 32nankai universit

22、y, cy li, 2021-5-9 qrs波的檢測 oqrs的特點: n其能量在心電信號中占很大的比例, n其頻譜分布在中高頻區(qū), 峰值落在10-20hz之間, o二階導(dǎo)數(shù)算法 n心電信號的一階和二階導(dǎo)數(shù)的平方和作為qrs波標記的脈沖 信號, o移動平均算法 n其求導(dǎo)平方運算和上相同, 并對求導(dǎo)平方數(shù)據(jù)進行移動平均, 從而突出qrs波的特征信息, o正交濾波算法 biomedical signal processing 33nankai university, cy li, 2021-5-9 qrs波的頻譜 oqrs的特點: n其能量在心電信號中占很大的比例, n其頻譜分布在中高頻區(qū), 峰值

23、落在10-20hz之間, biomedical signal processing 34nankai university, cy li, 2021-5-9 r波峰點的檢測 o斜率變號 o雙邊閾值檢測法 n取一個固定的閾值ra, t1,t2分別為r波上升和下降通過這個 閾值的時刻，則r基準點的位置t=(t1+t2)/2 o固定寬度檢測法 n選一個固定寬度, 尋找為一個r波的t1, t2, t=(t1+t2)/2, 此 法不受波形幅度變動和基線漂移的影響。 的轉(zhuǎn)折點到點，變號的點即為00 r dt dx dt dx dt dx biomedical signal processing 35nan

24、kai university, cy li, 2021-5-9 r波峰點的檢測 dx/dt0 dx/dt0 ra t2t1 t=(t1+t2)/2 t1t2 r rr biomedical signal processing 36nankai university, cy li, 2021-5-9 t波的檢測 ot波的檢出 n幅度和形狀， n小波變換, ot波的終點 n零點， n最負的斜率切線和基線的交點， n最小二乘法擬合波, 用最小二乘法在t波后半支寫率最 大點附近的區(qū)域擬合一直線, 它于等電位的交點, biomedical signal processing 37nankai unive

25、rsity, cy li, 2021-5-9 心電圖的小波變換 (a) 原始心電信號 (b) 21尺度 (c) 25尺度 ms ms ms uv 圖1：心電圖的二次樣條小波變換結(jié)果。 （a）：原始信號， （b）：21尺度， （c）：25尺度 biomedical signal processing 38nankai university, cy li, 2021-5-9 t波的檢出四種方法 o技術(shù)閾值法(th): t波與閾值水平的交點, o微分閾值(dth): t波的微分與閾值水平的交點, o技術(shù)斜率交點(si): t波最大斜率與等位線交點, o技術(shù)峰斜率交點(psi): t波高峰和t波最大斜

26、率 的臉限于等位線的交點, othreshold: 5-15% of the peak, biomedical signal processing 39nankai university, cy li, 2021-5-9 qt間隔的確定 oqt duration: t(q)-t(t) oecg waveforms biomedical signal processing 40nankai university, cy li, 2021-5-9 心電頻譜分析 offt oar model 020040060080010001200 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 ec

27、g 050100150200250300350400450500 0 20 40 60 80 fft, psd, ar(14) of ecg fft welch ar biomedical signal processing 41nankai university, cy li, 2021-5-9 頻率心電圖 fcg (frequency- domain correlative cardiograph) o設(shè)為一個系統(tǒng), 輸入: v5, 輸出: ii, o幾個參數(shù): n自功率譜, px, py, n自相關(guān)函數(shù), vxx, vyy, 同一信號在時間上前后 的相關(guān)性, n互相關(guān)函數(shù), vxy, 反

28、映兩個導(dǎo)聯(lián)的信號在不同 時刻的相互關(guān)系, n傳遞函數(shù)相移, v5與ii信號間的相頻對應(yīng)關(guān)系, biomedical signal processing 42nankai university, cy li, 2021-5-9 心電信號的時間特性 ohrv是指心率的波動，或者心動周期之間 的差異性。 o正常人的心率有相當于平均值10%的波動， 這種波動程度的降低是心臟異常的表現(xiàn)。 ohrv的分析方法： n時域分析，rr間期的標準差，一般為100- 140ms, 50ms異常, n頻域分析，lf(0.04-0.15hz)和hf(0.15-0.4hz) 的功率譜的比較， n非線性分析：散點圖，相關(guān)維

29、數(shù)，復(fù)雜度等。 biomedical signal processing 43nankai university, cy li, 2021-5-9 心室晚電位(vlp) o定義: 心室肌損傷后使局部心肌延遲除極引起 的破裂電位, o位置：出現(xiàn)在qrs波末端和st段上的高頻、 低幅的微小電活動。 o疾?。簐lp常見于心肌缺血所致的室性心動過 速，尤其是心肌更死后的室速，被認為是預(yù)測 室性心律失常的信號。 biomedical signal processing 44nankai university, cy li, 2021-5-9 心室晚電位(vlp) o三個指標： nqrs終末40ms 的電壓: rms4020v, nqrs 終末電壓持續(xù)低于40v 的時限: qrs末端=40ms, nqrs 時限: qrs總時限110-119ms, ovlp的檢測, n微伏級(2-20 v), n信號平均技術(shù), 疊加100-200次, n采用正交心電圖x, y, z雙極導(dǎo)聯(lián), rms: 222 zyx biomedical signal processing 45nankai university, cy li, 2021-5-9 twa (t wave alternans) ot波交替 ot 波交替現(xiàn)象是一種心電變異性現(xiàn)象, 指心