Ch4:心電信號的處理心電圖的產(chǎn)生,心電圖處理的基本思路,時間上:動態(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,2023/4/32021/10/101Biomedicalsignalprocessing心電信號的形成（1）心肌細胞的動作電位心肌細胞除極和復極的電生理現(xiàn)象,極化狀態(tài)(polarised):靜息電位(restingpotential),動作電位(actionpotential,AP):除極(depolarisation)和復極(repolarisation),mV-90-600+200心室肌細胞動作電位示意圖1234300msNankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/102Biomedicalsignalprocessing心電信號的形成（2）電興奮的傳導(conductionorspreadofelectricalexcitation)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AP,心房的傳導:心房傳導束-->右心房-->左心房傳導系統(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)使心室肌細胞興奮，NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/103BiomedicalsignalprocessingEnglishterms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:Pukinjefibres,心臟表面(心外膜):epicardium,心內(nèi)膜：endocardium體表：bodysurfaceNankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/105Biomedicalsignalprocessing心電信號的形成（3）心電圖(electrocardiogram,ECG)的產(chǎn)生電流源：每個心肌細胞的除極和復極過程等效于一個偶極子層（dipolelayer）容積導體(volumeconductor):人體組織是導電的，看作是一個容積導體，心電向量:所有心肌細胞的偶極子場的向量和,心電圖：所有心肌細胞的偶極子場在容積導體內(nèi)產(chǎn)生電場，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,2023/4/32021/10/106Biomedicalsignalprocessing典型心電信號波形P,QRS,ST,TS-T段QRSTPQTNankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/107Biomedicalsignalprocessing心電圖的記錄

(RecordingofECG)標準導聯(lián),肢體導聯(lián),胸導聯(lián),體表多部位標測(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測(epicardialmapping),多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電極套(electrodesock)心臟內(nèi)膜的多部位標測(endocardialmapping),多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)導管(catheter)和傘電極NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/108BiomedicalsignalprocessingEpicardialelectrodesockNankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1010Biomedicalsignalprocessing標準導聯(lián)(1)12標準導聯(lián)(standardleads)標準I，II，III肢體導聯(lián)(bipolarlimbleads),IIIIIIRFLR:rightarmL:leftarmF:leftfootI=EL-ER,II=EF-ER,III=EF-ELNankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1011Biomedicalsignalprocessing標準導聯(lián)(3)單極胸導聯(lián)V1-V6(unipolarprecordialleads),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,2023/4/32021/10/1013Biomedicalsignalprocessing心電信號的畸變心臟的病變：傳導阻滯，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：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,2023/4/32021/10/1014Biomedicalsignalprocessing心電信號的預處理抑制工頻干擾，基線糾漂，NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1015Biomedicalsignalprocessing移動平滑濾波器(低通濾波)NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1017BiomedicalsignalprocessingH(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,但在進入阻帶后有突變,有可能造成心電信號的高頻相位失真;H(z)*H(z):旁瓣有較大的衰減,26.7dB,有真正的線性相位;NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1018Biomedicalsignalprocessing移動平滑濾波器(N=8)Fs=1000HzN=8,H(z),-3dB,55Hz,thefirstsidepeak:-13dB,nonlinearphaseangleH(z)*H(z),-3dB,55Hz,thefirstsidepeak:-26.7dB,linearphaseangleNankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1019Biomedicalsignalprocessing移動平滑濾波器的效果NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1021BiomedicalsignalprocessingMA的H(z)和H(z)*H(z)隨N的變化NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1022Biomedicalsignalprocessing自適應濾波根據(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，適用于對信號和噪聲無先驗知識(頻譜)的或非平穩(wěn)信號,基本結(jié)構:濾波器、優(yōu)化指標算法、濾波器參數(shù)修改算法，濾波器：FIR,IIR，優(yōu)化準則：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,2023/4/32021/10/1023Biomedicalsignalprocessing基線糾漂抵消法：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,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)NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1025Biomedicalsignalprocessing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/分為心臟搏動過緩的下限，基線糾漂及50Hz陷波濾波器,理想的心電信號預處理濾波器基線糾漂+50Hz限波,可用頻率抽樣法設計這種濾波器,fH(f)50100150fkNankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1026Biomedicalsignalprocessing整系數(shù)基線糾漂濾波器(2)梳狀濾波器的數(shù)學表示;NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1029Biomedicalsignalprocessing整系數(shù)Filter的效果NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1030Biomedicalsignalprocessing心電信號的分析特征波形的檢測QRS波的檢測，T波的檢測，ST段位移，心電圖的頻譜分析FFT,ARmodel,時頻分析,wavelettransformation心電信號的非線性分析相關維數(shù)，HRV(heartratevariability)，T波交替（TWA），心電信號的空間信息，QT離散度，NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1031BiomedicalsignalprocessingQRS波的檢測QRS的特點:其能量在心電信號中占很大的比例,其頻譜分布在中高頻區(qū),峰值落在10-20Hz之間,二階導數(shù)算法心電信號的一階和二階導數(shù)的平方和作為QRS波標記的脈沖信號,移動平均算法其求導平方運算和上相同,并對求導平方數(shù)據(jù)進行移動平均,從而突出QRS波的特征信息,正交濾波算法NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1032BiomedicalsignalprocessingQRS波的頻譜QRS的特點:其能量在心電信號中占很大的比例,其頻譜分布在中高頻區(qū),峰值落在10-20Hz之間,NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1033BiomedicalsignalprocessingR波峰點的檢測斜率變號雙邊閾值檢測法取一個固定的閾值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固定寬度檢測法選一個固定寬度,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。NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1034BiomedicalsignalprocessingR波峰點的檢測dx/dt>0dx/dt<0Rat2t1t=(t1+t2)/2t1t2RRRNankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1035BiomedicalsignalprocessingT波的檢測T波的檢出幅度和形狀，小波變換,T波的終點零點，最負的斜率切線和基線的交點，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,NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1036Biomedicalsignalprocessing心電圖的小波變換(a)原始心電信號(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，（b）：21尺度，（c）：25尺度NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1037BiomedicalsignalprocessingT波的檢出四種方法技術閾值法(TH):T波與閾值水平的交點,微分閾值(DTH):T波的微分與閾值水平的交點,技術斜率交點(SI):T波最大斜率與等位線交點,技術峰斜率交點(PSI):T波高峰和T波最大斜率的臉限于等位線的交點,Threshold:5-15%ofthepeak,NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1038BiomedicalsignalprocessingQT間隔的確定QTduration:t(Q)-t(T)ECGwaveformsNankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1039Biomedicalsignalprocessing心電頻譜分析FFTARmodelNankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1040Biomedicalsignalprocessing頻率心電圖FCG(frequency-domaincorrelativecardiograph)設為一個系統(tǒng),輸入:V5,輸出:II,幾個參數(shù):自功率譜,Px,Py,自相關函數(shù),Vxx,Vyy,同一信號在時間上前后的相關性,互相關函數(shù),Vxy,反映兩個導聯(lián)的信號在不同時刻的相互關系,傳遞函數(shù)相移,V5與II信號間的相頻對應關系,NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1041Biomedicalsignalprocessing心電信號的時間特性HRV是指心率的波動，或者心動周期之間的差異性。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)。HRV的分析方法：時域分析，RR間期的標準差，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：散點圖，相關維數(shù)，復雜度等。NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1042Biomedicalsignalprocessing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。疾?。篤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，被認為是預測室性心律失常的信號。NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1043Biomedicalsignalprocessing心室晚電位(VLP)三個指標：QRS終末40ms的電壓:RMS40<20V,QRS終末電壓持續(xù)低于40μV的時限:QRS末端<40V,低幅、高頻波持續(xù)時間>=40ms,QRS時限:QRS總時限>110-119ms,VLP的檢測,微伏級(2-20V),信號平均技術,疊加100-200次,采用正交心電圖X,Y,Z雙極導聯(lián),RMS:NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1044BiomedicalsignalprocessingTWA(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量級的TWA現(xiàn)象與室性心動過速和室顫易發(fā)性有關。檢測體表心電圖中是否存在微伏量級的TWA現(xiàn)象,也成為臨床上預測心臟性猝死的一個可靠而無創(chuàng)的指標。目前TWA的檢測方法有了一定的發(fā)展,主要有T波面積法、平均功率譜法及復數(shù)檢波法等。NankaiUniversity,CYLI,2023/4/32021/10/1045Biomedicalsignalprocessin