心电信号的处理.ppt

Biomedical signal processing,1,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,Ch4: 心电信号的处理,心电图的产生, 心电图处理的基本思路, 时间上: 动态和静态, 空间上: 心肌电特性的空间离散度, 心电图处理和分析的发展,Biomedical signal processing,2,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,心电信号的形成（1）,心肌细胞的动作电位 心肌细胞除极和复极的电生理现象, 极化状态(polarised): 静息电位(resting potential), 动作电位(action potential, AP): 除极(depolarisation)和复极(repolarisation),Biomedical signal processing,3,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,心电信号的形成（2）,电兴奋的传导(conduction or spread of electrical excitation) 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, 心房的传导: 心房传导束右心房左心房 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, 电兴奋通过Purkinje网使心室肌细胞兴奋，,Biomedical signal processing,4,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,心脏传导系统,Biomedical signal processing,5,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,English terms,窦房结: sinus node, 心房: atrium, 心室: ventricle, 房室结: atrioventricular node (junction), 希氏束: bundle of His, 普金野纤维: Pukinje fibres, 心脏表面(心外膜): epicardium, 心内膜：endocardium 体表：body surface,Biomedical signal processing,6,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,心电信号的形成（3）,心电图(electrocardiogram, ECG)的产生 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） 容积导体(volume conductor):人体组织是导电的，看作是一个容积导体， 心电向量: 所有心肌细胞的偶极子场的向量和, 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。 体表心电图, 心外膜、心内膜电图, 希氏束电图，,Biomedical signal processing,7,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,典型心电信号波形,P, QRS, ST, T,S-T,段,QRS,T,P,QT,Biomedical signal processing,8,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,心电图的记录 (Recording of ECG),标准导联, 肢体导联, 胸导联, 体表多部位标测(body surface mapping), 32-512通道的数据采集系统(multi-channel data acquisition system), 电极背心, (electrode vest) 心脏表面的多部位标测(epicardial mapping), 多通道的数据采集系统 电极套(electrode sock) 心脏内膜的多部位标测(endocardial mapping), 多通道的数据采集系统 导管(catheter)和伞电极,Biomedical signal processing,9,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,Body surface mapping,Biomedical signal processing,10,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,Epicardial electrode sock,Biomedical signal processing,11,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,标准导联(1),12标准导联(standard leads) 标准I， II，III肢体导联(bipolar limb leads),R: right arm L: left arm F: left foot I=EL-ER, II=EF-ER, III=EF-EL,Biomedical signal processing,12,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,标准导联(2),加压肢体导联标准aVR, aVL, aVF (augmented unipolar limb leads),L,Wilson terminal: C点的电位, aVL和aVF的连接相似,Biomedical signal processing,13,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,标准导联(3),单极胸导联V1-V6 (unipolar precordial leads), precordial: chest wall, 中心电端(Wilson terminal) V1-V6, 胸前电极分别与中心电端的电位差,Biomedical signal processing,14,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,心电信号的畸变,心脏的病变： 传导阻滞，早搏，室颤、房颤, 心肌缺血、梗塞等, QRS变宽, ST段位移出现, 心率变化等, 来自心脏外的干扰信号： 50Hz工频干扰 肌电干扰， 10-300Hz, 呼吸的干扰，使基线漂移加剧，,Biomedical signal processing,15,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,心电信号的预处理,抑制工频干扰， 基线纠漂，,Biomedical signal processing,16,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,噪声抑制和基线漂(detrending),低通滤波器 可以滤掉心电信号中的肌电信号的高频干扰， 抑制工频干扰 自适应滤波抑制工频干扰， 基线漂移的纠正 抵消法纠漂， 基线纠漂滤波器， 0.7Hz的高通截止频率，,Biomedical signal processing,17,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,移动平滑滤波器(低通滤波),Biomedical signal processing,18,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,H(z)和H(z)*H(z)的比较,H(z): 旁瓣太大, 13dB; 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; H(z)*H(z): 旁瓣有较大的衰减, 26.7dB, 有真正的线性相位;,Biomedical signal processing,19,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,移动平滑滤波器(N=8),Fs=1000Hz N=8,H(z), -3dB, 55Hz, the first side peak: -13dB, nonlinear phase angle H(z)*H(z), -3dB, 55Hz, the first side peak: -26.7dB, linear phase angle,Biomedical signal processing,20,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,移动平滑滤波器(N=33),H(z): -3dB: 0.08Hz, the first side peak: -13dB H(z)*H(z): -3dB: 0.08Hz, the first side peak: -26.7dB,Biomedical signal processing,21,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,移动平滑滤波器的效果,Biomedical signal processing,22,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,MA的H(z)和H(z)*H(z)随N的变化,Biomedical signal processing,23,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,自适应滤波,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， 适用于对信号和噪声无先验知识(频谱)的或非平稳信号, 基本结构: 滤波器、优化指标算法、滤波器参数修改算法， 滤波器： FIR, IIR， 优化准则：信噪比最高、输出误差均方差最小， 参数修改：递归、非递归，,Biomedical signal processing,24,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,y(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(t)在最小均方差意义上与信号s(t)最佳匹配，,Biomedical signal processing,25,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,基线纠漂,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, x(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), PQ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，,Biomedical signal processing,26,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,基线纠漂滤波器,基线纠漂滤波器(HP) 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， 基线纠漂及50Hz陷波滤波器, 理想的心电信号预处理滤波器 基线纠漂+50Hz限波, 可用频率抽样法设计这种滤波器,f,H(f),50,100,150,fk,Biomedical signal processing,27,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,纠漂和50Hz陷波的效果,Biomedical signal processing,28,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,整系数基线纠漂滤波器,梳状滤波器的数学表示;,Biomedical signal processing,29,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,整系数基线纠漂滤波器(2),梳状滤波器的数学表示;,Biomedical signal processing,30,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,整系数Filter的效果,Biomedical signal processing,31,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,心电信号的分析,特征波形的检测 QRS波的检测，T波的检测，ST段位移， 心电图的频谱分析 FFT, AR model, 时频分析, wavelet transformation 心电信号的非线性分析 相关维数， HRV (heart rate variability)， T波交替（TWA）， 心电信号的空间信息， QT离散度，,Biomedical signal processing,32,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,QRS波的检测,QRS的特点: 其能量在心电信号中占很大的比例, 其频谱分布在中高频区, 峰值落在10-20Hz之间, 二阶导数算法 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, 移动平均算法 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, 正交滤波算法,Biomedical signal processing,33,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,QRS波的频谱,QRS的特点: 其能量在心电信号中占很大的比例, 其频谱分布在中高频区, 峰值落在10-20Hz之间,Biomedical signal processing,34,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,R波峰点的检测,斜率变号 双边阈值检测法 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)/2 固定宽度检测法 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。,Biomedical signal processing,35,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,R波峰点的检测,dx/dt0,dx/dt0,Ra,t2,t1,t=(t1+t2)/2,t1,t2,R,R,R,Biomedical signal processing,36,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,T波的检测,T波的检出 幅度和形状， 小波变换, T波的终点 零点， 最负的斜率切线和基线的交点， 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,Biomedical signal processing,37,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,心电图的小波变换,Biomedical signal processing,38,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,T波的检出四种方法,技术阈值法(TH): T波与阈值水平的交点, 微分阈值(DTH): T波的微分与阈值水平的交点, 技术斜率交点(SI): T波最大斜率与等位线交点, 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, Threshold: 5-15% of the peak,Biomedical signal processing,39,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,QT间隔的确定,QT duration: t(Q)-t(T) ECG waveforms,Biomedical signal processing,40,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,心电频谱分析,FFT AR model,Biomedical signal processing,41,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,频率心电图 FCG (frequency-domain correlative cardiograph),设为一个系统, 输入: V5, 输出: II, 几个参数: 自功率谱, Px, Py, 自相关函数, Vxx, Vyy, 同一信号在时间上前后的相关性, 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, 传递函数相移, V5与II信号间的相频对应关系,Biomedical signal processing,42,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,心电信号的时间特性,HRV是指心率的波动，或者心动周期之间的差异性。 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。 HRV的分析方法： 时域分析，RR间期的标准差，一般为100-140ms, 50ms异常, 频域分析，LF(0.04-0.15Hz)和HF(0.15-0.4Hz)的功率谱的比较， 非线性分析：散点图，相关维数，复杂度等。,Biomedical signal processing,43,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,心室晚电位(VLP),定义: 心室肌损伤后使局部心肌延迟除极引起的破裂电位, 位置：出现在QRS波末端和ST段上的高频、低幅的微小电活动。 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。,Biomedical signal processing,44,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,心室晚电位(VLP),三个指标： QRS终末40ms 的电压: RMS40=40ms, QRS 时限: QRS总时限110-119ms, VLP的检测, 微伏级(2-20 V), 信号平均技术, 叠加100-200次, 采用正交心电图X, Y, Z双极导联, RMS:,Biomedical signal processing,45,Nankai University, CY LI, 2019/11/2,TWA (T wave alternans),T波交替 T 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。 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个可靠而无创的指标。 目前TW