（生物物理学专业论文）心电图t波交替的研究.pdf

硕士研究生毕业( 学位) 论文 心电图t 波交替的研究 a s t u d yo n tw a v ea l t e m a n so ft h ee c g 姓名： 韭查墓 年 级：三雯雯五级 专业： 生堑塑堡堂 研究方向：生物匡堂值曼丝堡 完成日期： 导师： 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：放老象 2 咄年5 月z 2 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 下，进行 学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作 w a v ea l t e m a n s ， t 、眦) ，t 波交替分析已成为近几年体表心电图分析的热点之一。作为一项新的 无创心电检测方法，t w a 已成为预测室性心律失常、心源性猝死风险的指标。 研究表明，t 波交替发生时，流经心室的离子流发生异常，从而表现在心电图上， 使心电图成为非稳定信号。这导致t 波交替发生时心电图与发生前产生微小的 差异，如时程、频率成分等。检测这些差异对研究t 波交替有重要意义。 本文从p h y s i o n e t 网站e u r o p e a ns t - t 数据库下载的含t 波交替的心电信号 中提取时域特征量( r 波时程、t 波时程、r r 间期等) ：作出t 波交替数据的恢 复曲线图，并计算恢复曲线的最大斜率；对心电信号进行时频分析( 平滑伪 w i g n e r - v i l l e 变换) 。分析从t w a 发生前到发生时，心电图时域、恢复曲线最大 斜率的变化情况，以及频率成分随时间的变化情况。得出以下结论： 1 从t 波交替发生前到发生时，心室除极的时间变化不明显，但心室除极 的幅度变小。t 波时程的变化有的较明显，有的不明显，说明心肌c a 离子的变 化是否会导致动作电位2 相的时程改变并不确定。 2 从t 波交替发生前到发生时，恢复曲线的最大斜率变大，且t 波交替发 生前恢复曲线最大斜率小于1 ，t 波交替发生时大于1 ，这基本与恢复曲线模型 一致。最大斜率的变化与心率无关，表明对于体表心电图，较快的心率不是导 致t 波交替发生的主要因素。 3 各频率成分的功率在t 波交替发生时多呈现交替变化，而在t 波交替发 生前无此现象。这表明t 波交替可引起多种频率成分的幅度随时间交替变化， 由于r 波时程的变化不明显，可得出此时的心电图r 波也有可能存在交替现象。 研究t 波交替现象有助于检测其它心脏电交替现象。 关键词：心电图t 波交替恢复曲线时频分析 f l o w st h r o u g ht h ev e i l t 矗d eb e c o m ea b n o r m a l w h i c hm a n i f e s t si nt h ee c ga n dm a k e s i tu n s t a b l e m s1 e a d sas m a l ld i f f e r e n c eo fe c gs u c ha st i m ed u r a t i o n , 丘e q u e n c y c o m p o n e n t , b e t w e e n 硎o c c u r sa n db e f o r e 翮o c c u r s 。 i nt h i st h e s i s ，c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fe c g , s u c ha srw a v ed u r a t i o n ，tw a v e d u r a t i o n , i 汛i n t e r v a l a r ed i s t i l l e d ：t h er e s t i t u t i o nc u r v ei sm a d ea n dt h em a x i m u m s l o p ei sc a l c u l a t e d ；t i m ef r e q u e n c ya n a l y s i s ( s m o o t h e dp s e u d ow i g n e r - v i l l ed i s l r i b u t i - o n ) i sc a r d e dt h r o u g h a n a l y i st h ec h a n g e si nc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，t h em a x i m u m s l o p e ，a n dt h ec h a n g e si nf r e q u e n c yc o m p o n e n to v e r t i m e ，b e t w e e n 孙凇o c c u r sa n d b e f o r e 丁拜力o c c u r s 。t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d ： 目录 目录 摘要：i a b s t r a c t i i 目录i i i 前言j 。1日【j舌 第一章综述：2 第一节单细胞电生理特性与体表心电图的相互关系2 1 1 1 单细胞电生理特性2 1 1 2 体表心电图与单细胞电生理特性关系。3 第二节t 波交替及其研究进展4 1 2 1 心电图t 波交替现象4 1 2 2t 波交替产生机制5 第三节t 波交替的恢复曲线模型7 1 3 1 恢复曲线模型8 1 3 2 恢复曲线研究现状。9 第四节心电信号的时频分析”1 0 1 4 1 时频分析简介1 0 1 4 2 时频分析分类1 0 1 4 3 心电信号时频分析研究进展1 1 第二章实验研究方法13 第一节数据来源1 3 第二节心电信号的预处理”1 4 2 2 1 利用小波变换的方法对心电信号进行预处理1 4 i i i 目录 2 2 2 信号特征点和特征量的识别1 4 第三节心电信号的时域分析1 4 第四节心电信号的恢复曲线分析1 5 第五节心电信号的时频分析1 5 第三章实验结果16 第一节心电信号的时域分析结果1 6 3 1 1r 波时程及其标准差分析1 6 3 1 2t 波时程及其标准差分析1 7 3 1 3r 波下降段最大斜率及其标准差分析1 7 3 1 4r 波下降段最大斜率处心电幅值及其标准差分析1 8 3 1 5t 波下降段最大斜率及其标准差分析1 8 3 1 6t 波下降段最大斜率处心电幅值及其标准差分析1 8 3 1 7r r 间期分析1 9 第二节心电信号的恢复曲线分析结果”1 9 3 2 1t 波交替信号的恢复曲线分析1 9 3 2 2 正常心电信号的恢复曲线分析2 4 第三节心电信号的时频分析结果一2 8 3 3 1 t 波交替信号的时频分析2 8 3 3 2 健康人心电信号的时频分析31 第四章结论3 4 第一节结论一3 4 4 1 1 心电信号的时域分析3 4 4 1 2 心电信号的恢复曲线分析3 5 4 1 3 心电信号的时频分析3 5 4 1 1 小结3 6 第二节本实验有待解决的问题3 6 参考文献3 7 i v v 前言 前言 心脏疾病是威胁人类健康的重要因素，室性心律失常、心源性猝死等心脏 疾病更是因为其发病突然、难于救治而成为医学界的难题。t 波交替现象，是心 肌电活动不稳定的标志，是预测冠心病、高血压、恶性心律失常与心源性猝死 的独立性指标，已成为临床医师发现高危患者最简捷方法之一。 t 波交替发生时，流经心室的离子流将发生异常，从而表现在心电图上，使 心电图成为非稳定信号。这提示我们，在t 波交替发生前和发生时，心电图上 的某些参量如时程、频率成分等将发生改变。 因此，本文从p h y s i o n e t 网站下载的健康人、含t 波交替病人的心电信号中 提取时域、恢复曲线、时频信息，分析了从t 波交替发生前到发生时的变化情 况，并与正常心电信号进行比较。所做工作主要有以下几部分： 1 心电信号时域分析：分别计算t w a 发生前与发生时r r 间期、r 波时程、 r 波时程标准差、t 波时程、t 波时程标准差、r 波下降段斜率最大值、t 波下 降段斜率最大值、r 波下降段斜率最大处心电幅值、t 波下降段斜率最大处心电 幅值，及这些参数的标准差，以分析心电信号时域变化情况。 2 心电信号恢复曲线分析：对上述t w a 数据，分别对t w a 段和t w a 前 段数据做a r i 恢复曲线，分析恢复曲线的最大斜率变化情况，并与正常心电图 的恢复曲线进行比较。 3 心电信号时频分析：分别对t w a 发生前与发生时的心电图做平滑伪 w i g n e r - v i l l e 变换，从得到是时频图中分析t 波交替发生前与发生时的频率成分 变化情况。将得到信号时频图的频率分为0 5 h z 、5 1 0 h z 、1 0 1 5 h z 、1 5 2 0 h z 四部分，分布累加每部分的频谱强度。分别做健康人和含t 波交替病人信号各 频率成分随时间变化图，分析从t 波交替发生前到发生时各频率成分的变化情 况，并与正常心电图比较。 图的相互关系 心脏有兴奋性、自律性、传导性、收缩性等生理特性，这些特性以心肌细 胞电生理特性为基础。体表心电图波形是心脏这一复杂系统的输出，充分反映 了组成心脏的心肌细胞电位综合变化规律。在了解单细胞电生理特性与体表心 电图关系的基础上，可通过体表心电图间接表征心脏活动。 1 1 1 单细胞电生理特性 心肌细胞在静息情况下存在跨膜电位，即膜的静息电位，约为9 0 m v 。当 外界刺激作用到心肌细胞膜，使跨膜电位升高至阈电位，可导致心肌细胞产生 动作电位。图1 1 显示在整个除极和复极过程中，动作电位可分成0 、1 、2 、3 、 4 五个时相。 0 相，又称快速除极化相。膜电位迅速上升，直至+ 2 啦3 0 m v ；这一除极过 程形成原因是肌膜对n 矿通透性的增高而出现的n a + 的快速内流。 1 相，快速复极早期。当0 时相除极达到顶峰以后，复极开始，膜电位由+ 3 0 m v 迅速下降至o m v 左右。此时快钠通道已经失活，同时有一种主要离子成分为k + 的外向离子流的激活。 2 相，又称缓慢复极化期，这时膜电位的下降趋于平稳。膜电位的这种特征 由于平台期同时有内向离子流和外向离子流而存在，外向离子流由k + 携带，内 向离子流主要由c a 2 + ( 以及n a + ) 负载。 3 相，又称快速复极化末期。此时细胞膜对钾离子的通透性明显增高，钾离 子迅速外流，膜内电位迅速变负，直到膜内恢复到原先的静息电位值，复极化 过程便告终。 4 相，又称极化期或静息期。对于心肌工作细胞来说，这是细胞不工作的时 相。在此期内，细胞静息电位保持稳定状态，一直延续到激起细胞的除极化为 l e 。 2 第一章综述 1 1 2 体表心电图与单细胞电生理特性关系 正常心脏由窦房结发出冲动，经心房，房室交界区，房室束，左右束支到 达浦肯野氏纤维激动心室肌。心室激动是冲动经左柬支首先激动室间隔的左侧 中部，穿过室间隔到达其右侧面，经右束支传来的激动使心尖部右侧间隔及小 梁肌除极，继而激动通过遍布于两侧心内膜下的浦氏纤维到达左右心室内膜面， 从内膜面向外膜面除极激动两侧心室壁。整个心室除极约经6 0 m s ，心室复极过 程与除极过程不同，是较之除极相对缓慢的过程，并且复极由外膜面向内膜面 进行，心室除极和复极产生的综合心电向量在不同导联轴投影，形成体表心电 图的q r s t 波。图1 1 显示了心肌动作电位和体表心电图波形的对应关系。 第一章综述 的q r s 波群。1 相3 相是心室复极过程，对应到e c g ，一般指q r s 波的l 塔 段变化最快点与t 波终点间的区域。4 相对应于t q 间期。对体表心电标测技 术的深入研究表明：p 波、q r s 波大小及形态、s t 段位移、t 波顶点偏移以及 t 波振幅涨落是心室除极和复极特征的反映 1 1 。 第二节t 波交替及其研究进展 心脏疾病是威胁人类健康的重要因素，室性心律失常、心源性猝死等心脏 疾病更是因为其发病突然、难于救治而成为医学界的难题。因此，如何有效地 预测这些疾病的发生，成为目前的当务之急。心脏电交替现象，是指来自同一 起搏点的心搏的心电图形态和或电压甚至极性呈交替性变化，是心肌电活动不 稳定的标志。心房、心室除极和复极的各波段如p 波、q r s 波群、s t 段、t 波 等均可能发生电交替。其中研究最多的是t 波交替。 1 2 1心电图t 波交替现象 心脏电交替( e l e c t r i c a la l t e m a n s ) 现象，最早于1 9 0 8 年被h e r i n g 在动物实 验中发现，两年后，l e w i s 在人身上证实了t w a 现象，并确定其为严重心脏疾 病发生的前兆【2 】。心电图t 波交替是指体表心电图t 波幅度、形态的逐搏交替变 化。图1 2 显示了一例t 波交替现象( 数据为e u r o p e a ns t - t 数据库中e 0 1 0 5 ， 取m l i i i 导联数据，时间为4 3 0 - 4 4 0 秒) 。 然而，由于肉眼可分辨的t w a 现象比较罕见，而大量的交替幅度仅为微伏 级的t w a 现象却很难被发现，这使得t w a 的临床研究长期以来一直难以发展。 近些年来，随着数字信号处理技术和计算机技术的迅速发展，微伏级的t w a 已 经可以被准确地检出，并且精度越来越高，这为t w a 的临床研究提供了很好的 条件。虽然t w a 的产生机制及其与室性心律失常的关系尚无定论，但大量的研 究表明，t w a 与室性心律失常、室速( v e n t r i c u l a rt a c h y c a r d i a , v t ) 、室颤 ( v e n t r i c u l a rf i b r i l l a t i o n , v f ) 、心源性猝死等有直接的密切联系，目前t w a 在 临床上已经作为预测室性心律失常事故的指标【3 4 0 】。 4 4 3 04 3 14 3 24 3 3 4 , 3 44 3 54 3 64 3 74 3 84 3 9 4 4 0 t ( s ) 图1 2 一例t 波交替现象 方法。 有关t 波交替的产生机制，以及t 波交替与心律失常的关系，在近二十年，涌 现出基于不同研究成果的各种理论。然而，对t 波交替的产生机制，并没有形 成统一的认识。 研究表明，t 波交替与个体心脏细胞特定的复极异常有直接关系，特别是在 发生心肌缺血时【l 。在一些心肌缺血段，缺血区域细胞动作电位的复极相每心 拍都发生改变，但每隔一拍发生重复【l2 1 。缺血细胞的除极异常也具有致心律失 常作用。这种细胞级别的交替，与一种或多种离子电流，如n a 电流、c a 电流 密切相关。f o x 等【1 3 】利用模型证明，增加内向n a 电流，改变n a c a 交换电流， 都可以减小t w a 的幅度。v i s w a n a t h a n 等【1 4 j 也利用模型证明，快k 通道电流和 慢k 通道电流对a p d 有较大的影响。最近公认的研究结果表明，l 型c a 电流 的改变，是影响t w a 的关键。然而，到目前为止，我们并不清楚到底是哪些离 5 第一章综述 子电流主导影响了交替，并且离子电流的影响是否是交替发生的主要机制还有 待进行深入研究。 心肌缺血细胞n a 离子电导率降低，从而显示出过复极不应性，即心肌细胞 需要一个异常长的时间才能激发一个新的动作电位。减小的n a 电流使缺血组织 波传播变慢，在细胞间连接时，这种变慢会扩大，从而导致心律失常。尽管是 复极异常，还是除极异常，还是二者共同导致心律失常并不明确，但这些异常 为解释t 波交替的产生机制提供了依据【1 5 1 。 b c 1 - 嘲啊t c l i 瑚m c l l 3 脯 c l - 1 1 1 1 0 嘲t 百；广一币i 一 图1 3 兔子心肌细胞实验：动作电位和c a 震荡在不同刺激频率下的变化 缺血导致细胞动作电位逐搏交替的确切机制还不明确，但研究表明，异常集 钙作用以及螯合作用释放钙起主要作用。m o h a b i r 等1 6 1 认为细胞内钙短暂交替与 严重缺血导致的酸性条件有关。p h 值的降低使细胞膜n a + 通道口附近吸收h + ， 6 m m枞枞黼忡 第一章综述 从而引起通道局部除极化。由于控制通道门控机制的实际电位抵消了部分跨膜 电位，通道的局部除极化n a + 门控动力学对于跨膜动作电位的依赖。胞外p h 值 减小的主要效果相当于导致细胞膜除极化，n a + 通道活性降低【1 1 7 1 。这导致从静息 电位激活n a + 通道变慢，从而激活下一次动作电位变得困难。这种现象每隔一个 动作电位重复，引起复极交替，表现在心电图上为t 波交替。 c h u d i n g 等通过实验证明了c a 2 + 振荡交替与复极化交替的直接关系，如图 1 3 所示【1 8 1 。他们分离出两组兔子的心肌细胞，对其中一组予以电压钳制，这样 做可以使其复极化交替不会发生。分别对两组心肌细胞进行刺激，且频率逐步 升高。初始时，c a 2 + 震荡和动作电位均无交替现象，在升高到一定的频率时，发 现正常组心肌细胞中c a 2 + 震荡的交替和动作电位复极交替同时发生，而电压钳 制组的c a 2 + 震荡交替发生，动作电位复极交替由于电压钳制没有发生。这就表 明c a 2 + 震荡是引发动作电位复极交替的关键因素。有证据表明，c a 2 + 震荡的空间 不均一性，也和t w a 时a p d 的空间电传导不均一性相关，更为c a z + 震荡作为 交替的根本性机制提供了依据【2 】。 机体为了保证胞内c a 2 + 离子的动态平衡，随着每一次心脏搏动所放出的c a 2 + 离子，必须完全从细胞质中回收。因此，当c a 2 + 振荡的某一环节受到损伤时， 就可以出现这种情况，即细胞只有在一种交替搏动的状态下才能保证胞内c a 2 + 离子的动态平衡。这种交替的搏动就是发生t w a 的根本机制【1 9 1 。 第三节t 波交替的恢复曲线模型 研究表明，”a 与心律有关，提高心律，则1 、融就有可能发生【4 】。心率的 变化，使心肌细胞的动作电位时程( a p d ) 发生变化进而引起复极交替 ( r e p o l a r i z a t i o na l t e r n a n s ) ，表现在心电图上则形成了t 、张现纠2 她j 。于是提 出一种假设：当心率超过某种特定的离子通道的时间阈值( 离子通道从失活到 活化的最小反应时间) 时，交替就有可能发生 2 1 。例如，心率变化的第一拍发生 时，通道还没有从上一拍的失活状态中完全恢复，因此对下一拍不能作出完全 贡献，就产生一个短的动作电位时程( a p d ) ，导致一个长的心脏舒张间期( d i ) ， 这样又使通道在下一拍到来之前完全恢复，得到一个长的a p d ，长的a p d 就会 导致短的d i ，以次循环，形成交替，即短a p d 一长d 卜长a p d 一短d i 7 图1 4 所示。根 和d i 的点对应 2 4 】。在这种情况 。当曲线的斜率 不会稳定，恢复 曲线上呈现阻尼震荡”，此时交替就不会发生【2 5 也8 1 。实验研究表明，多种离子 电流的变化可以使曲线的斜率变小，这就提供了阻碍交替发生的手段，例如可 以研制基于离子通道阻滞剂的药品，以阻止t w a 的发生【2 7 刎。恢复曲线模型可 以很好地解释稳定状态的t w a 的动力学特征。 扫翻嚏1b 翻瞳2b r a t 3 扫嘲4 t i 囊瞳2o 翻睫3m 4 椭l 佩； 璜t 知翻 旧磷溉喃丽西嘲1 ：秆 图i 4 心电图a f d 恢复曲线模型 瑾 瑗2 知 然而，探索恢复曲线与t 波交替关系的研究必须被慎重地解释。尽管使恢复 曲线的斜率变小是药物开发的有价值的策略，但还缺乏对基本的细胞和亚细胞 控制恢复曲线的解释，这在不同的物种和细胞类型中有所区别 3 3 1 。换句话说， 8 第一章综述 恢复曲线是一种现象学过程，代表许多细胞机制和生理过程，没有确切信息很 厂_ r e p o l a r i z a t i o n 一 八 一一竺一 i qt i i r y 。 图1 5a r i 与a p d 对应示意图 ：基于对心脏进行人为刺激从而模拟出的t 波交替现象， 到的t 波交替的研究。这些人为刺激固定周期长度( c y c l e 亨心率变异性，得到的t 波交替也多为稳定状态。而临床 有一定程度的心率变异性，且存在暂态交替现象。因此， 9 第一章综述 对临床心电图t 波交替恢复曲线的研究对理解t 波交替与心脏疾病的关系有重 要意义。 第四节心电信号的时频分析 基于傅立叶变换的信号频域表示揭示了信号在频域的特征，它们在传统的 信号分析与处理的发展史上发挥了极其重要的作用。但是，傅立叶变换对信号 的表征要么在时域，要么在频域，作为频域表示的功率谱并不能告诉我们其中 某种频率分量出现在什么时候及其变化情况。当e c g 信号存在异常情况时，属 于非平稳信号，时间或频率域分析方法不足够表示这些波的非平稳变化，特别 是瞬时现象。针对于这种情况，需要用更加精确、综合的方法来研究这一问题。 一种选择性的方法是时频分析法，这种方法可以同时在时间和频率两个方面来 表示e c g 信号【4 ”引。 1 4 1 时频分析简介 一 时频分析方法的早期研究者有w i g n e r 和g a b o r 等人，w i g n e l l 4 3 】提出了 w i g n e r 分布，在该时频能量分布的时频平面上能够发现很多有趣的特性。时频 平面的概念同样被g a b o l s 删用于相应的g a u s s i a n 函数。常使用的短时傅立叶变 换即是g a b o r s 信号表达的一个广义情形。对于很多研究，一个信号的s t f t 较 易实现，因为它依赖于被分析信号的线性特性，已成为信号处理领域中一个广 泛使用的工具。小波变换是另外一种重要的线性时频表示，它在时频平面上具 有可变的时间和频率分辨率，即在高频区域具有好的时间分辨率，在低频区域 具有好的频率分辨率。小波变换这种独特的能力使得它成为一种分析非平稳信 号的有力工具。c 0 h e i l 【4 5 】针对所需的一类时频分布给出了一个广义的定义，通过 选择不同的核函数可以得到不同的时频分布。 1 4 2 时频分析分类 时频表示可以分成两类：线性和二次时频表示。线性时频表示有短时傅立叶 变换分析( s h o r tt i m eo f f o u r i e rt r a n s f o r m ，s t f t ) 和小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m , w t ) 。二次时频表示包括c o h e n 类时频分布、a f f i n e 类时频分布等。对于研究 1 0 第一章综述 心电信号，较常用的是c o h e n 类时频分布9 】。其表达式如式( 1 1 ) 所示： c ( f ，嵋k ) = 去肛( y ，f ) 心，r ) e x p u 似一刑一) 如d 诃f ，( 乙f ) z ( ”+ 乏) z + ( “一三) 其中k ( v ，f ) 是核函数，表示共轭， ( 1 2 ) ： z ( f ) 是真实信号s ( f ) 的解析信号，表示为式 z ( f ) = s ( f ) + j h s ( t ) 】 ( 1 2 ) 其中，h i 表示希尔伯特变换。使用解析信号能克服混淆现象和过取样问题( 大 于尼奎斯特取样率) 。它消除了负频谱产生的现象。c o h e n 类时频分布都会引起 交叉项，如何有效抑制交叉项是时频分布的重点。 平滑伪w i 印昏l l e 分布是c o h e l l 类时频分布的一种，由m a r t i n 和f l a n d r i n 5 0 】 提出，其定义如式( 1 3 ) ： s p w v d ( t , 厂) = j 1 五( 引p ( “一力z ( 甜+ 三) z ( “一三) d u 已一j 2 斫d r e 1 3 ) 式中h ( r 2 ) 为频率平滑窗，g ( u t ) 为时间平滑窗。平滑伪w i g n e r - v i l l e 分布是 目前抑制交叉项的较好的方法。 1 4 3 心电信号时频分析研究进展 时频表示方法用于e c g 的分析已经被广泛地采用。q r s 波群由一系列迅速 变化不同形状的波组成。n o v a k 等【5 l j 用改进的w d 方法计算了健康人和心肌梗 塞患者的q r s 波群的时频分布，并对不同频率成份的分布特点进行了分析。各 种时频分析方法的性能不同，d i c k h a u s 等【5 2 】人通过对仿真数据和真实e c g 信号 的研究，比较了谱图、w d 和w t 方法。w t 方法在时频平面上能够获得e c g 信号好的时频表示。通过比较分析结果可知，wt 方法的频率分辨率优于普通的 谱图方法。 对于不同病症的e c g ，研究者也提出了c o h e n 类分布新的核函数。t a g l u k 等【5 3 j 针对正常人和患有右束支传到阻滞病人的心电图，提出了一种基于模糊函 数图像处理的核函数。时频分布结果显示，心电图r t 段出现了附加的频率成分， 这是因为传导异常导致束支阻滞。由此说明，e c g 的时频分析对于捕获频率成 第一章综述 分随时间变化是必要的。 h s i a o l u n gc h a n 等口】使用平滑为w i g n e r - v i l l e 时频分析方法，研究了1 8 位 健康男性实验者在仰卧、坐姿、站立、走动四种状态下，其心电图心率变异性 低频、高频成分随时间的变化。结果显示，在仰卧、坐姿状态下，高频成分波 动大于站立状态，这与仰卧、坐姿时副交感神经支配，而站立时交感神经支配 神经系统有关。另外，在走动状态下，高频成分波动明显低于仰卧状态，这是 由于走动时，迷走神经支配神经系统。 目前，对于t 波交替的时频分析的研究较少，而含有t w a 的心电图又属于 明显的非平稳信号，因此使用时频分析方法研究t w a 是很有必要的。 综上所述，t 波交替发生时，流经心室的离子流发生异常，从而表现在心电 图上，使心电图成为非稳定信号。这提示我们，在从t 波交替发生前到发生时， 心电图的某些参量如时程、频率成分等将发生改变。因此，本文从p h y s i o n e t 网 站e u r o p e a ns t - t 数据库中下载的含有t 波交替的心电信号，利用时域、恢复曲 线和时频分析方法，研究了t 波交替从发生前到发生时各个参量的变化情况。 1 2 域分析、恢复 个分析的变化 情况。 实验研究方法主要涉及：( 1 ) 数据来源；( 2 ) 心电信号的预处理及其特征 点和特征量的识别；( 3 ) 心电信号时域分析；( 4 ) 心电信号的恢复曲线分析；( 5 ) 心电信号的时频分析。 第一节数据来源 本实验所用全部数据来源于p h y s i o n e t 网站( 网址：w w w p h y s i o n e t o r g ) 。其 中健康人心电信号来自e c g 数据库中的m i t - b i hn o r m a ls i n u sr h y t h m 数据库， 该数据库每个信号包含两道信号，采样频率均是1 2 8 h z ，数据长度为2 5 分钟； 含t 波交替心电信号来自e c g 数据库中的e u r o p e a ns t t 数据库，t 波交替出 现位置见附表1 ，采样频率均是2 5 0 h z ，数据长度为2 5 分钟。本实验取1 4 人共 4 0 段心电信号数据，包括：健康组8 人共2 4 段数据，含t 波交替组6 人共1 6 段数据，见表2 1 。 表2 i 数据来源分布图 数据类型数据库数据 m i t - b mn o r m a l1 6 2 7 21 6 4 8 31 6 5 3 9 1 6 7 7 3 1 6 7 8 6 健康 1 9 0 8 81 9 0 9 0 1 9 0 9 3 s i n u sr h y t h m e 0 1 0 5e 0 1 5 9 e 0 1 6 3 e 0 6 0 5e 0 6 0 9 含t 波交替 e u r o p e a ns t t e 0 1 1 5 本实验所用p c 机c p u 为i n t e lp e n t i u m4 ，2 8 0 g h z ；内存为5 1 2 m bd d r s d r a m4 0 0 m h z ；编程所用语言为m a t l a br 2 0 0 7 a 。 实验中所用数据均包含两道信号，本实验健康人信号选取q r s 波较明显的 那道( 第1 道) ；含t 波交替信号选取m l i i i 导联信号( 每段长度为2 5 分钟) ， 作为实验所用数据。 1 3 第二章实验研究方法 第二节心电信号的预处理 2 2 1 利用小波变换的方法对心电信号进行预处理 由于心电信号十分微弱，经放大采样后的信号被淹没在较强的背景噪声中， 其中主要的干扰及噪声有工频干扰、肌电干扰、呼吸波干扰及人体动作引起的 基线漂移等。此外，受人体状态的影响，心电信号还具有非平稳特点。基于上 述原因，心电信号的处理往往十分复杂。 本实验利用小波变换的方法对心电信号进行预处理。首先对心电信号作足 够层数的小波分解。本实验的处理中选用的小波是d a u b e c h i e s 小波( 4 阶) ，离 散小波分解的层数为1 0 层。这样，原始心电信号就按照频带由高到低，被分解 到细节d 1 d 1 0 。分析这1 0 层信号后发现，由于基线漂移的频率一般小于5 h z 5 5 】， 所以基线漂移的成分主要集中在细节d 1 0 ，而高频干扰信号的成分主要集中在细 节d l 。去掉这d 1 和d 1 0 这两层的成分，将其它d 2 一 d 9 各层序列还原，进行 小波重构。而后，再利用小波变换进行阈值除噪，这样得到的心电信号就相当 于去掉了基线漂移和高频干扰，可进行下一步分析。 2 2 2 信号特征点和特征量的识别 本实验所采用的数据中包含一个注释文件，其中标记了q r s 波起点顶点终 点、t 波起点终点等信号的特征点位置信息。本研究使用c y g w i n 平台中的r d a n n 、 e c g p u w a v e 、r d s a m p 等命令提取出信号特征点信息，包括r r 间期( r r ) 、q r s 波时程( r d u r a ) 、t 波时程( t d u r a ) 三个特征量。 第三节心电信号的时域分析 发生t 波交替时，体表心电图的形态会有所改变，本节研究t 波交替发生 前与发生时心电信号在时域上的变化情况。主要包括r r 间期、r 波时程、t 波 时程、r 波下降段最大斜率( r m a x ) 、t 波下降段最大斜率( t m a x ) 、r 波下降 段最大斜率处心电幅值( r m a xf z ) 、t 波下降段最大斜率处心电幅值( r m a xf z ) 及这些特征量的标准差。 1 4 第二章实验研究方法 在本实验中，为提取上述参数，根据表a l 中的t 波交替出现位置，取出每 个数据段t 波交替发生时数据及发生前1 0 拍数据。分别计算t 波交替发生时与 发生前的上述参数。分析上述参数的变化情况。 第四节心电信号的恢复曲线分析 首先提取t 波交替信号，根据表a 1 中的t 波交替出现位置，取出每个数据 段t 波交替发生时数据及发生前7 拍数据。对于t 波交替发生时与发生前数据， 分别计算心电信号每个心拍t 波上升段斜率最大处和r 波下降段斜率最小处时 间之差，作为激动恢复间期( a r i ) ；计算心电信号每个r 波下降段斜率最小处 与前一个心拍t 波上升段斜率最大处时间之差，作为舒张间期( d i ) 。 以d i 为横坐标，a r i 为纵坐标作散点图。将图中对应点数据用最d x - - 乘法 拟合成二次曲线，作为心电图恢复曲线，并计算出曲线的最大斜率。 为与正常心电图对照，同时计算健康人心电信号的恢复曲线。正常心电信 号的选取具有随意性，本研究中选取每个健康人数据第l o 分钟、2 0 分钟、3 0 分钟、4 0 分钟、5 0 分钟处，每个数据段时长2 5 分钟。取每个数据段第2 0 2 6 、 2 7 3 3 个心拍分别做a r i 和d i ，并做出恢复曲线，计算曲线的最大斜率。 第五节心电信号的时频分析 首先根据表a 1 中的t 波交替出现位置，取出每个数据段t 波交替发生时数 据及发生前7 拍共1 4 拍数据。对于t 波交替发生时与发生前数据，做信号的平 滑伪w i g n e r - v i l l e 分布。本文中频域平滑窗h ：( ，) ，病人信号取l = 3 3 的矩形窗， 健康人信号取l = 1 7 的矩形窗；时域平滑窗g 材( m ) ，病人信号取m = 3 3 的三角窗， 健康人信号取m - - 1 7 的三角窗。 分别做健康人和含t 波交替病人信号的平滑伪w i g n e r - v i l l e 分布，从得到是 时频图中分析t 波交替发生前与发生时的频率成分变化情况。 将得到信号时频图的频率分为0 5 h z 、5 1 0 h z 、1 0 1 5 h z 、1 5 2 0 h z 四部分， 分布累加每部分的频谱强度。分别做健康人和含t 波交替病人信号各频率成分 随时间变化图，分析t 波交替发生前到发生时各频率成分的变化情况。 1 5 第三章实验结果 第三章实验结果 本实验对从p h y s i o n e t 网站中的e u r o p e a ns t - t 数据库下载的5 人的心电信号 数据中提取t 波交替发生时与发生前数据，分别进行时域分析、恢复曲线分析 和时频分析。将结果与中提取出的m i t - b i hn o r m a ls i n u sr h y t h m 数据库中提取 的8 个健康人数据的时域分析、恢复曲线分析和时频分析结果进行比较。得到t 波交替发生时与发生前的变化情况。 第一节心电信号的时域分析结果 3 1 1r 波时程及其标准差分析 本节列出t 波交替发生时与发生前r 波时程平均值及其标准差，见表3 1 ， 以分析从t 波交替发生前到发生时r 波时程及其标准差的变化情况。结果显示： r 波时程变化不明显，r 波时程标准差的变化与r 波时程平均值的变化同步；t 波交替个数较多时，r 波时程正向变化，且标准差变化较大；t 波交替个数较少 时，r 波时程负向变化，且标准差变化较小。 表3 1t 波交替发生时与发生前r 波时程平均值及其标准差 r d u r a ( s ) 数据段厂f 朔平均值标准差 个数t w a 前t w a 时变化( )n 眦前t w a 时变化( ) e 0 1 5 9 0 0 1 2 3 080 1 2 5 70 1 2 2 32 70 0 4 4 40 0 3 9 9 1 0 1 e 0 1 0 5 0 0 0 5 4 54 30 1 6 6 3 0 1 8 1 79 3o 0 1 5 10 2 2 4 11 3 8 4 e o l 0 5 0 0 2 7 3 070 1 2 1 10 1 0 4 61 3 60 0 2 6 5 0 0 2 3 41 1 7 e 0 1 0 5 0 1 2 2 3 02 20 1 0 5 10 1 3 1 4 2 5 00 0 2 2 20 0 5 2 01 3 4 2 e 0 1 6 3 0 1 4 2 3 070 1 1 3 l0 1 0 1 11 0 6o 0 1 4 9 0 0 0 3 8 7 4 5 e 0 6 0 5 0 0 0 7 3 070 1 0 5 70 1 0 9 73 8o 0 1 1 30 0 0 6 83 9 8 e 0 6 0 9 0 0 4 7 3 080 1 0 9 10 1 0 6 9- 2 o0 0 0 3 00 0 0 2 0 3 3 3 1 6 一 表3 2t 波交替发生时与发生前t 波时程平均值及其标准差 ，见表3 2 ， 。结果显示： t 波间期平 t 波交替个 t d u r a ( s ) 数据段硎平均值标准差 个数t w a 前t w a 时 变化( )t w a 前 t w a 时变化( ) e o l 5 9 0 0 1 2 3 0 80 1 8 9 10 2 5 7 73 6 30 1 3 8 30 1 7 8 22 2 4 e 010 5 0 0 0 5 4 54 30 2 7 1 40 2 5 1 47 4。0 0 3 0 50 0 1 6 9抖6 e 0 1 0 5 0 0 2 7 3 070 2 9 7 70 2 9 7 7 0 o0 0 1 2 40 0 1 2 03 2 e o l 0 5 0 1 2 2 3 02 20 2 7 8 30 3 2 5 11 6 80 0 2 2 90 1 4 7 55 4 4 1 e 0 1 6 3 0 1 4 2 3 070 4 1 3 10 2 9 1 4 2 9 50 0 9 7 10 0 5 7 44 0 9 e 0 6 0 5 0 0 0 7 3 0 70 1 0 8 60 1 42 8 9 0 0 2 7 90 0 3 5 82 8 3 e 0 6 0 9 0 0 4 7 3 080 1 5 2 60 1 5 3 7 0 70 0 1 7 50 0 0 9 2_ 4 7 4 3 1 3r 波下降段最大斜率及其标准差分析 本节列出t 波交替发生时与发生前r 波下降段最大斜率平均值及其标准差， 见表3 3 ，以分析从t 波交替发生前到发生时r 波下降段最大斜率的变化情况。 结果显示：r 波下降段最大斜率平均值的绝对值下降，其标准差均减小。对于 e 0 1 0 5 病人，随着时间推移，变化的程度变小。 表3 3t 波交替发生时与发生前r 波下降段最大斜率及其标准差 r m a x 数据段 丁纬= ；唾 平均值 标准差 个数t w a 前 t w a 时变化( )t w a 前 t w a 时变化( ) e 010 5 0 0 0 5 4 5 4 3- 2 6 7 0 37 8 1 37 0 71 7 4 20 7 2 65 8 3 e o l 0 5 0 0 3 0 0 02 12 6 0 9