心電信號(hào)的特點(diǎn)及噪聲分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u31183心電信號(hào)的特點(diǎn)及噪聲分析綜述 1302431.1標(biāo)準(zhǔn)心電圖及其意義 1148621.2心電信號(hào)特點(diǎn) 334001.3心電信號(hào)噪聲分析 4心電信號(hào)是心臟神經(jīng)，肌肉組織電化學(xué)活動(dòng)的表現(xiàn)形式。這些電化學(xué)活動(dòng)使心臟內(nèi)部產(chǎn)生一系列非常協(xié)調(diào)的電刺激脈沖，分別使心房，心室的肌肉細(xì)胞興奮，從而有節(jié)律的舒張和收縮。這些生物電活動(dòng)在體表的不同部位形成不同的電位差變化，就是心電信號(hào)。其他生理電活動(dòng)，如腦電（Electroencephalogram，EEG），肌電（Electromyography，EMG）等都是如此。心臟主要由心肌組成四腔室結(jié)構(gòu)，上部分為兩心房，下部分為兩心室。心臟收縮時(shí)的心電活動(dòng)稱為除極，心臟舒張時(shí)的心電活動(dòng)稱為復(fù)極。一個(gè)心動(dòng)周期開始于竇房結(jié)，它是心臟的最高起搏點(diǎn)（也叫一級(jí)起搏點(diǎn)）。它出發(fā)的激勵(lì)指令經(jīng)結(jié)間束首先傳給房室結(jié)（也稱第二級(jí)起搏點(diǎn)）。房室結(jié)向下發(fā)出一通傳導(dǎo)路，稱為房室束，它位于室間隔內(nèi)。房室束往下又不斷發(fā)左右兩個(gè)束支，越分越細(xì)，最后分別形成互相交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，稱為普肯耶纖維，最后終止于心肌內(nèi)。心電傳導(dǎo)變化復(fù)雜，呈混沌狀，但其有序結(jié)果通過周身組織傳遍全身，使身體各部位出現(xiàn)有規(guī)律的，各向異性的電位變化[3,4]。一個(gè)周期的心電信號(hào)如下圖所示：圖1-1心電信號(hào)產(chǎn)生Fig1-1ECGsignalgeneration1.1標(biāo)準(zhǔn)心電圖及其意義將測量電極按照一定規(guī)則放置在人體表面的特定位置，會(huì)監(jiān)測到心電信號(hào)的變化曲線，不同的導(dǎo)聯(lián)方式得到的心電信號(hào)波形會(huì)有所不同，將這些變化曲線記錄下來，就是臨床診斷中用到的心電圖。在一般情況下，心電圖由一系列波群組成，各個(gè)波段反映不同階段心電變化，它們是P波，QRS波群，T波和可能出現(xiàn)的一小段U波。標(biāo)準(zhǔn)心電圖如下所示：圖1-2標(biāo)準(zhǔn)心電圖Fig1-2StandardECGP波：反映左、右心房去極化電位變化。波形小而圓鈍。P波時(shí)限（或?qū)挾龋┮话銥?.06~0.11s，不超過0.11s；心房肌較薄，所以P波波幅不超過0.25mV。右心房肥大導(dǎo)致P波高聳呈“高尖P波”；左心房肥大，P波增寬，伴切跡呈“雙峰P波”。Ta波：心房復(fù)極化波。始于P波后，且與P波方向相反。通常ECG圖上觀察不到。QRS波 ：左右心室去極化的電位變化。心室體積大，興奮傳播方向變化較大，QRS波群波幅高且波形復(fù)雜。第一個(gè)向下的波稱為Q波，然后為向上高聳R波，向下S波。不同導(dǎo)聯(lián)的三個(gè)波不一定同時(shí)出現(xiàn)，QRS波群不完全相同。正常QRS波群時(shí)限（或?qū)挾龋┮话銥?.06~0.10s，是去極化在左、右心室擴(kuò)布時(shí)間。QRS波群增寬，興奮在心室內(nèi)傳播時(shí)間延長，患者可能存在室內(nèi)傳導(dǎo)阻滯或心室肌肥厚；QRS波群振幅增大，心室高電壓，可能存在心室肌肥厚；胸導(dǎo)聯(lián)出現(xiàn)局部QRS振幅降低，可能出現(xiàn)局灶性心肌壞死。T波：兩心室肌復(fù)極化電位變化。波幅一般為0.1~0.25mV，時(shí)限為0.05~0.25s，QRS波群以R波為主的導(dǎo)聯(lián)中，T波振幅不低于R波振幅1/10。T波動(dòng)態(tài)演變在疾病鑒別診斷中有重要價(jià)值。U波：意義和成因尚不十分清楚。一般推測與浦肯野纖維網(wǎng)復(fù)極化有關(guān)。在T波后0.02~0.04s出現(xiàn)，與T波同向，時(shí)限0.1~0.3s，波幅一般小于0.05mV。P-R間期（P-Q間期）：P波起點(diǎn)至QRS波群起點(diǎn)時(shí)間間隔。表示興奮經(jīng)由心房、房室交界區(qū)、房室束、浦肯野纖維至心室，引起心室興奮所需時(shí)間，也稱為房室傳導(dǎo)時(shí)間。心率正常成年人，P-R間期一般為0.12~0.20s。若P波正常而P-R間期超過0.20s，有房室傳導(dǎo)阻滯。ST段：QRS波群終點(diǎn)至T波起點(diǎn)間時(shí)程。反映心室肌各部分心肌細(xì)胞均處于動(dòng)作電位平臺(tái)期，無電位差，曲線與基線齊平。ST段正常值為0.05~0.15s，ST段抬高或下降一定程度均有臨床價(jià)值。Q-T間期：是QRS波群終點(diǎn)至T波終點(diǎn)的時(shí)間長度的信號(hào)。表示心室開始去極化到復(fù)極化結(jié)束至靜息時(shí)間。Q-T間期正常值<0.4s，Q-T間期與心率密切相關(guān)，心率快Q-T間期縮短；反之則延長。常見的心臟疾病與ECG的一些波形指標(biāo)密切相關(guān)，如：P-R間期>0.12s，同時(shí)下傳的QRS波形產(chǎn)生寬大的畸變，則有可能存在房性早搏；若QRS波群比標(biāo)準(zhǔn)更早出現(xiàn)，同時(shí)QRS波群展寬，就可能存在著室性早搏的風(fēng)險(xiǎn)；若R波波峰寬大有頓挫且時(shí)限>0.11s，就可能存在著左束支阻滯；若QRS波形發(fā)生改變，增寬、粗鈍、時(shí)限延長等，提示為右束支阻滯的可能問題[29]。1.2心電信號(hào)特點(diǎn)心電信號(hào)是心臟物理規(guī)律的微弱電反映，它有如下特點(diǎn)：（1）信號(hào)微弱，容易被噪聲淹沒。心電信號(hào)幅度為毫伏級(jí)，約為0.5~5mV，典型值為1mV。（2）具有低頻和能量集中的特性。心電信號(hào)是一種低頻信號(hào)，頻率范圍在0.05Hz~100Hz。其能量主要集中在0.25Hz~40Hz。（3）隨機(jī)性強(qiáng)，不同人的心電信號(hào)都不一樣，甚至有通過心音進(jìn)行人員身份識(shí)別的技術(shù)手段，但是標(biāo)準(zhǔn)心電可以通過函數(shù)模擬產(chǎn)生。（4）準(zhǔn)周期性。心電信號(hào)是一種典型的準(zhǔn)周期信號(hào)，各個(gè)周期的信號(hào)雖然不完全相同但它們的特征相同。1.3心電信號(hào)噪聲分析目前，常用的心電采集裝置一般通過接觸人體特定部位的方式采集人體體表生物電的方式獲得心電信號(hào)[29]。一直以來，從心電采集裝置中獲取真實(shí)的心電信號(hào)是十分具有挑戰(zhàn)性的。首先，人體心電信號(hào)微弱，一般為毫伏（mV）級(jí)別，頻帶范圍一般在0.05Hz~100Hz，是一種典型的低能量，低頻率的生理電信號(hào)[30,31]，很容易被噪聲污染或者覆蓋掉。在心電采集過程中，最常見的噪聲來源為以下幾種[32,33]：（1）工頻噪聲。來源于心電采集設(shè)備電路的影響，根據(jù)不同國家用電標(biāo)準(zhǔn)的不同，可能是50Hz或60Hz正弦振蕩波及其諧波，幅值最高可以達(dá)到心電信號(hào)峰值的50%。工頻噪聲特征明顯，但頻率處于心電信號(hào)頻率范圍內(nèi)。圖1-3含工頻噪聲的心電信號(hào)Fig1-3ECGsignalwithpowerfrequencynoise圖1-4特征明顯的60Hz工頻信號(hào)Fig1-460Hzpowerfrequencysignalwithobviouscharacteristics（2）肌電噪聲。是人體肌肉活動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，它波形不規(guī)則且變化較快，頻率范圍較寬，在5Hz~2000Hz范圍，覆蓋了大部分心電信號(hào)所在頻段。含肌電噪聲的心電信號(hào)如下所示：圖1-5含肌電噪聲的心電信號(hào)Fig1-5ECGsignalwithEMGnoise（3）基線漂移噪聲?；€漂移噪聲來源于人生理體活動(dòng)，呼吸以及人體與接觸式采集裝置的不良接觸，是低頻的趨勢信號(hào)，頻率一般小于1Hz，能量占比不高，大約占比15%，但其頻率范圍有時(shí)可能會(huì)與心電信號(hào)頻率有所重疊[34]。含基線漂移噪聲的心電信號(hào)如下所示：圖1-6含基線漂移的心電信號(hào)Fig1-6ECGsignalwithbaselinedrift心電信號(hào)中三類噪聲的頻率分布和幅