心電信號(hào)的處理

Ch4:心電信號(hào)的處理心電圖的產(chǎn)生,心電圖處理的基本思路,時(shí)間上:動(dòng)態(tài)和靜態(tài),空間上:心肌電特性的空間離散度,心電圖處理和分析的發(fā)展,NankaiUniversity,CYLI,2024/1/111Biomedicalsignalprocessing心電信號(hào)的形成（1）心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位心肌細(xì)胞除極和復(fù)極的電生理現(xiàn)象,極化狀態(tài)(polarised):靜息電位(restingpotential),動(dòng)作電位(actionpotential,AP):除極(depolarisation)和復(fù)極(repolarisation),mV-90-600+200心室肌細(xì)胞動(dòng)作電位示意圖1234300msNankaiUniversity,CYLI,2024/1/112Biomedicalsignalprocessing心電信號(hào)的形成（2）電興奮的傳導(dǎo)(conductionorspreadofelectricalexcitation)竇房結(jié):心臟的起搏興奮點(diǎn),其細(xì)胞自發(fā)產(chǎn)生50-100次/分的可傳導(dǎo)AP,心房的傳導(dǎo):心房傳導(dǎo)束-->右心房-->左心房傳導(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,電興奮通過Purkinje網(wǎng)使心室肌細(xì)胞興奮，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/113Biomedicalsignalprocessing心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)NankaiUniversity,CYLI,2024/1/114BiomedicalsignalprocessingEnglishterms竇房結(jié):sinusnode,心房:atrium,心室:ventricle,房室結(jié):atrioventricularnode(junction),希氏束:bundleofHis,普金野纖維:Pukinje

fibres,心臟表面(心外膜):epicardium,心內(nèi)膜：endocardium體表：bodysurfaceNankaiUniversity,CYLI,2024/1/115Biomedicalsignalprocessing心電信號(hào)的形成（3）心電圖(electrocardiogram,ECG)的產(chǎn)生電流源：每個(gè)心肌細(xì)胞的除極和復(fù)極過程等效于一個(gè)偶極子層（dipolelayer）容積導(dǎo)體(volumeconductor):人體組織是導(dǎo)電的，看作是一個(gè)容積導(dǎo)體，心電向量:所有心肌細(xì)胞的偶極子場(chǎng)的向量和,心電圖：所有心肌細(xì)胞的偶極子場(chǎng)在容積導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，從而有電位差產(chǎn)生，即心電圖。體表心電圖,心外膜、心內(nèi)膜電圖,希氏束電圖，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/116Biomedicalsignalprocessing典型心電信號(hào)波形P,QRS,ST,TS-T段QRSTPQTNankaiUniversity,CYLI,2024/1/117Biomedicalsignalprocessing心電圖的記錄

(RecordingofECG)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián),肢體導(dǎo)聯(lián),胸導(dǎo)聯(lián),體表多部位標(biāo)測(cè)(bodysurfacemapping),32-512通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(multi-channeldataacquisitionsystem),,電極背心,(electrodevest)心臟表面的多部位標(biāo)測(cè)(epicardialmapping),多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電極套(electrodesock)心臟內(nèi)膜的多部位標(biāo)測(cè)(endocardialmapping),多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)導(dǎo)管(catheter)和傘電極NankaiUniversity,CYLI,2024/1/118BiomedicalsignalprocessingBodysurfacemappingNankaiUniversity,CYLI,2024/1/119BiomedicalsignalprocessingEpicardialelectrodesockNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1110Biomedicalsignalprocessing標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)(1)12標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)(standardleads)標(biāo)準(zhǔn)I，II，III肢體導(dǎo)聯(lián)(bipolarlimbleads),IIIIIIRFLR:rightarmL:leftarmF:leftfootI=EL-ER,II=EF-ER,III=EF-ELNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1111Biomedicalsignalprocessing標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)(2)加壓肢體導(dǎo)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)aVR,aVL,aVF(augmentedunipolarlimbleads),LWilsonterminal:C點(diǎn)的電位,aVL和aVF的連接相似R/2RRRFCaVR+-NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1112Biomedicalsignalprocessing標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)(3)單極胸導(dǎo)聯(lián)V1-V6(unipolar

precordialleads),precordial:chestwall,中心電端(Wilsonterminal)V1-V6,胸前電極分別與中心電端的電位差,NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1113Biomedicalsignalprocessing心電信號(hào)的畸變心臟的病變：傳導(dǎo)阻滯，早搏，室顫、房顫,心肌缺血、梗塞等,QRS變寬,ST段位移出現(xiàn),心率變化等,來自心臟外的干擾信號(hào)：50Hz工頻干擾肌電干擾，10-300Hz,呼吸的干擾，使基線漂移加劇，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1114Biomedicalsignalprocessing心電信號(hào)的預(yù)處理抑制工頻干擾，基線糾漂，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1115Biomedicalsignalprocessing噪聲抑制和基線漂(detrending)低通濾波器可以濾掉心電信號(hào)中的肌電信號(hào)的高頻干擾，抑制工頻干擾自適應(yīng)濾波抑制工頻干擾，基線漂移的糾正抵消法糾漂，基線糾漂濾波器，0.7Hz的高通截止頻率，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1116Biomedicalsignalprocessing移動(dòng)平滑濾波器(低通濾波)NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1117BiomedicalsignalprocessingH(z)和H(z)*H(z)的比較H(z):旁瓣太大,13dB;相頻特性雖在通帶內(nèi)保持線性,但在進(jìn)入阻帶后有突變,有可能造成心電信號(hào)的高頻相位失真;H(z)*H(z):旁瓣有較大的衰減,26.7dB,有真正的線性相位;NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1118Biomedicalsignalprocessing移動(dòng)平滑濾波器(N=8)Fs=1000HzN=8,H(z),-3dB,55Hz,thefirstsidepeak:-13dB,nonlinearphaseangleH(z)*H(z),-3dB,55Hz,thefirstsidepeak:-26.7dB,linearphaseangleNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1119Biomedicalsignalprocessing移動(dòng)平滑濾波器(N=33)H(z):-3dB:0.08Hz,thefirstsidepeak:-13dBH(z)*H(z):-3dB:0.08Hz,thefirstsidepeak:-26.7dBNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1120Biomedicalsignalprocessing移動(dòng)平滑濾波器的效果NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1121BiomedicalsignalprocessingMA的H(z)和H(z)*H(z)隨N的變化NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1122Biomedicalsignalprocessing自適應(yīng)濾波根據(jù)輸入信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)濾波器的參數(shù),使其性能指標(biāo)最優(yōu)化，適用于對(duì)信號(hào)和噪聲無先驗(yàn)知識(shí)(頻譜)的或非平穩(wěn)信號(hào),基本結(jié)構(gòu):濾波器、優(yōu)化指標(biāo)算法、濾波器參數(shù)修改算法，濾波器：FIR,IIR，優(yōu)化準(zhǔn)則：信噪比最高、輸出誤差均方差最小，參數(shù)修改：遞歸、非遞歸，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1123Biomedicalsignalprocessingy(t)自適應(yīng)消噪聲+濾波器修改參數(shù)信號(hào)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(hào)），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(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(hào)s(t)最佳匹配，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1124Biomedicalsignalprocessing基線糾漂抵消法：從信號(hào)中減去基線的估計(jì)值,心電基線漂移可看成某種超低頻干擾信號(hào),x(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),PQ段為基線，常以PQ段的中點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，用多項(xiàng)式擬合基線的估計(jì)函數(shù)，如最簡(jiǎn)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(jì)+-s(n)w’(n)NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1125Biomedicalsignalprocessing基線糾漂濾波器基線糾漂濾波器(HP)高通濾波器，高通截止頻率：0.7Hz，即以40次/分為心臟搏動(dòng)過緩的下限，基線糾漂及50Hz陷波濾波器,理想的心電信號(hào)預(yù)處理濾波器基線糾漂+50Hz限波,可用頻率抽樣法設(shè)計(jì)這種濾波器,fH(f)50100150fkNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1126Biomedicalsignalprocessing糾漂和50Hz陷波的效果NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1127Biomedicalsignalprocessing整系數(shù)基線糾漂濾波器梳狀濾波器的數(shù)學(xué)表示;NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1128Biomedicalsignalprocessing整系數(shù)基線糾漂濾波器(2)梳狀濾波器的數(shù)學(xué)表示;NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1129Biomedicalsignalprocessing整系數(shù)Filter的效果NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1130Biomedicalsignalprocessing心電信號(hào)的分析特征波形的檢測(cè)QRS波的檢測(cè)，T波的檢測(cè)，ST段位移，心電圖的頻譜分析FFT,ARmodel,時(shí)頻分析,wavelettransformation心電信號(hào)的非線性分析相關(guān)維數(shù)，HRV(heartratevariability)，T波交替（TWA），心電信號(hào)的空間信息，QT離散度，NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1131BiomedicalsignalprocessingQRS波的檢測(cè)QRS的特點(diǎn):其能量在心電信號(hào)中占很大的比例,其頻譜分布在中高頻區(qū),峰值落在10-20Hz之間,二階導(dǎo)數(shù)算法心電信號(hào)的一階和二階導(dǎo)數(shù)的平方和作為QRS波標(biāo)記的脈沖信號(hào),移動(dòng)平均算法其求導(dǎo)平方運(yùn)算和上相同,并對(duì)求導(dǎo)平方數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)平均,從而突出QRS波的特征信息,正交濾波算法NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1132BiomedicalsignalprocessingQRS波的頻譜QRS的特點(diǎn):其能量在心電信號(hào)中占很大的比例,其頻譜分布在中高頻區(qū),峰值落在10-20Hz之間,NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1133BiomedicalsignalprocessingR波峰點(diǎn)的檢測(cè)斜率變號(hào)雙邊閾值檢測(cè)法取一個(gè)固定的閾值Ra,t1,t2分別為R波上升和下降通過這個(gè)閾值的時(shí)刻，則R基準(zhǔn)點(diǎn)的位置t=(t1+t2)/2固定寬度檢測(cè)法選一個(gè)固定寬度,尋找為一個(gè)R波的t1,t2,t=(t1+t2)/2,此法不受波形幅度變動(dòng)和基線漂移的影響。NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1134BiomedicalsignalprocessingR波峰點(diǎn)的檢測(cè)dx/dt>0dx/dt<0Rat2t1t=(t1+t2)/2t1t2RRRNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1135BiomedicalsignalprocessingT波的檢測(cè)T波的檢出幅度和形狀，小波變換,T波的終點(diǎn)零點(diǎn)，最負(fù)的斜率切線和基線的交點(diǎn)，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(diǎn)附近的區(qū)域擬合一直線,它于等電位的交點(diǎn),NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1136Biomedicalsignalprocessing心電圖的小波變換(a)原始心電信號(hào)(b)21尺度(c)25尺度msmsmsuV圖1：心電圖的二次樣條小波變換結(jié)果。（a）：原始信號(hào)，（b）：21尺度，（c）：25尺度NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1137BiomedicalsignalprocessingT波的檢出四種方法技術(shù)閾值法(TH):T波與閾值水平的交點(diǎn),微分閾值(DTH):T波的微分與閾值水平的交點(diǎn),技術(shù)斜率交點(diǎn)(SI):T波最大斜率與等位線交點(diǎn),技術(shù)峰斜率交點(diǎn)(PSI):T波高峰和T波最大斜率的臉限于等位線的交點(diǎn),Threshold:5-15%ofthepeak,NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1138BiomedicalsignalprocessingQT間隔的確定QTduration:t(Q)-t(T)ECGwaveformsNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1139Biomedicalsignalprocessing心電頻譜分析FFTARmodelNankaiUniversity,CYLI,2024/1/1140Biomedicalsignalprocessing頻率心電圖FCG(frequency-domaincorrelativecardiograph)設(shè)為一個(gè)系統(tǒng),輸入:V5,輸出:II,幾個(gè)參數(shù):自功率譜,Px,Py,自相關(guān)函數(shù),Vxx,Vyy,同一信號(hào)在時(shí)間上前后的相關(guān)性,互相關(guān)函數(shù),Vxy,反映兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)在不同時(shí)刻的相互關(guān)系,傳遞函數(shù)相移,V5與II信號(hào)間的相頻對(duì)應(yīng)關(guān)系,NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1141Biomedicalsignalprocessing心電信號(hào)的時(shí)間特性HRV是指心率的波動(dòng)，或者心動(dòng)周期之間的差異性。正常人的心率有相當(dāng)于平均值10%的波動(dòng)，這種波動(dòng)程度的降低是心臟異常的表現(xiàn)。HRV的分析方法：時(shí)域分析，RR間期的標(biāo)準(zhǔn)差，一般為100-140ms,<50ms

異常,頻域分析，LF(0.04-0.15Hz)和HF(0.15-0.4Hz)的功率譜的比較，非線性分析：散點(diǎn)圖，相關(guān)維數(shù)，復(fù)雜度等。NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1142Biomedicalsignalprocessing心室晚電位(VLP)定義:心室肌損傷后使局部心肌延遲除極引起的破裂電位,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(dòng)。疾?。篤LP常見于心肌缺血所致的室性心動(dòng)過速，尤其是心肌更死后的室速，被認(rèn)為是預(yù)測(cè)室性心律失常的信號(hào)。NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1143Biomedicalsignalprocessing心室晚電位(VLP)三個(gè)指標(biāo)：QRS終末40ms的電壓:RMS40<20

V,QRS終末電壓持續(xù)低于40μV的時(shí)限:QRS末端<40

V,低幅、高頻波持續(xù)時(shí)間>=40ms,QRS時(shí)限:QRS總時(shí)限>110-119ms,VLP的檢測(cè),微伏級(jí)(2-20

V),信號(hào)平均技術(shù),疊加100-200次,采用正交心電圖X,Y,Z雙極導(dǎo)聯(lián),RMS:NankaiUniversity,CYLI,2024/1/1144BiomedicalsignalprocessingTWA(Twavealternans)T波交替T波交替現(xiàn)象是一種心電變異性現(xiàn)象,指心電信號(hào)T波段出現(xiàn)幅度、形狀甚至極性的逐拍交替變化。臨床研究表明,μV量級(jí)的TWA現(xiàn)象與室性心動(dòng)過速和室顫易發(fā)性有關(guān)。檢測(cè)體表心電圖中是否存在微伏量級(jí)的TWA現(xiàn)象,也成為臨床上預(yù)測(cè)心臟性猝死的一個(gè)可靠而無創(chuàng)的指標(biāo)。目前TWA的檢測(cè)方法有了一定的發(fā)展,主要有T波面積法、平均功率譜法及復(fù)