（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp技术的心电信号自动检测、分析和诊断系统.pdf

上海交通大学硕士学位论文 摘要 基于d s p 技术的心电信号自动检测、分析和诊断系统 摘要 i l h 0 电( e c g ) 信号是指心脏在机械性收缩之前，心肌发生的电激动 信号。心电信号的参数提取在心律失常自动分析与诊断上有着极为重要 的意义。随着计算机技术和信号处理方法的发展，如何从心电信号中有 效地提取信息并实现对心律失常的自动分析和诊断，成为临床心电监护 中的重要课题。近年来广泛使用的h o l t e r 系统就是一种可以连续2 4 小时记录患者动态心电图，并具有快速回放和自动分析功能的系统。但 由于它是回顾性分析系统，无法在患者心血管疾病急性发作前和发作期 间及时报警，因而当发生恶性心律失常时会由于不能及时作出反应以致 延误抢救。因此，本课题尝试完成一个能自动检测心电信号、并对其进 r 行实时分析和诊断的便携式心电信号自动分析系统。l 本文介绍了一些心电信号的基本知识，包括心电图、心脏电传导系 统、e c g 导联系统以及心律失常等，并结合本系统所使用的d s p 芯 片1 m s 3 2 0 f 2 0 6 对数字信号处理器的特点和应用作了简要介绍。在 此基础上，本文对心电信号自动检测、分析与诊断技术进行了理论和实 践的探讨。飞斤做的主要工作如下： 1 由于5 0 h z 工频干扰在心电信号检测过程中影响非常大，因此采 取有效手段抑制工频干扰是非常必要的。在硬件方面可以采用右腿驱动 的方式对其进行滤除，但仅仅依靠硬件上的措施并不能完全解决干扰问 题，因此本系统尝试采用软件来实现滤波。本文讨论了去除5 0 h z 工频 上海交通大学硕士学住论丈摘要 干扰的几种数字滤波器设计方法，并且从实用性角度对其滤波性能和实 现方法进行了分析和比较。实验结果表明，较之平滑滤波、f i r 带阻滤 波、简单整系数滤波而言，自适应滤波器对于心电信号中工频干扰的滤 除具有较好的综合性能。 2 ，本文采用微分法并辅以幅值法以及局域变换法分别对心电信号 的q r s 波群和s t 段进行特征点定位。实验结果表明，两者的定位准确 率分别达到9 7 2 和9 5 以上。 3 利用得到的心电信号特征参数l 氓间期、q r s 波群宽度等 对心电信号进行心律失常的自动分析和诊断。通过测试，本系统能比较 准确地判断出包括窦性心动过速、窦性心动过缓、窦性停搏、漏搏、室 性早搏、房性早搏、二联律、三联律、ro r lt 、问位性早搏等在内的十 几种心律失常情况并进行报警。 4 本系统从一个较新的领域数字信号处理技术来尝试完成心 电信号自动检测、分析与诊断的系统实现，并利用d s p 芯片一一 t m s 3 2 0 f 2 0 6 来完成整个心电信号数据处理与允析的算法。该研究为心 电信号自动分析系统的实现提供了新的方法。1 关键词：心电图，工频干扰，信号调理，数字信号处理，自适应滤 波，自动分析 l l a u t o m a t i ce c gm e a s u r e ，a n a l y s i sa n d d i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nd s pt e c h n i q u e a b s t r a c t t h ee l e c t r o c a r d i o g r a m ( e c g ) s i g n a li st h ee l e c t r i cs i g n a lt h a to c c u r s b e f o r eh e a r t sm e c h a n i c a lc o n t r a c t i o n a c c u r a t ee c gf e a t u r ep a r a m e t e r s e x t r a c t i o ni s v e r yi m p o r t a n t f o ra u t o m a t i c a n a l y s i s a n d d i a g n o s i s o f a r r h y t h m i a s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n ds i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，e f f e c t i v es i g n a l f e a t u r ee x t r a c t i o nf r o me c ga n da u t o m a t i c a n a l y s i s o fa r r h y t h m i a sb e c o m ec r u c i a l p r o b l e m si n v o l v e d i nc l i n i ce c g m o n i t o r i n g h o l t e rs y s t e m ，w h i c h c a r l c o n t i n u o u s l y m o n i t o r p a t i e n t s d y n a m i ce c gs i g n a la n dh a st h ec a p a b i l i t yo fr a p i dr o l l b a c ka n da u t o m a t i c a n a l y s i s ，h a sb e e nw i d e l y u s e di nr e c e n ty e a r s h o w e v e r , s i n c eh o l t e ri sa r e t r o s p e c t i v ea n a l y s i ss y s t e mt h a t i su n a b l et o r e p o r ta l a r mi n t i m ee i t h e r b e f o r eo rd u r i n gt h es u d d e no c c u r r e n c eo fh e a r td i s e a s e ，i tw i l ld e l a yt h e t i m e l ys a l v a g ed u et oi t sl a t er e s p o n s e t h e r e f o r e ，t h ep r o j e c td i s c u s s e di nt h i s p a p e rm a n a g e st or e a l i z eap o r t a b l ea u t o m a t i ce c ga n a l y s i ss y s t e mw h i c h c a nb o t h a u t o m a t i c a l l ym e a s u r ee c gs i g n a l s a n df u l f i l lr e a lt i m es i g n a t a n a l y s i sa n da r r h y t h m i a sd i a g n o s i s s o m ef u n d a m e n t a l c o n c e p t sc o n c e r n i n ge c gl i k ee l e c t r o c a r d i o g r a m ， e l e c t r i cc o n d u c t i v es y s t e m ，e c gl e a d s y s t e ma n da r r h y t h m i a sa r ei n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r c o m b i n e dw i t ht h ei n t r o d u c t i o no f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t m s 3 2 0 f 2 0 6 ，d s p sc h a r a c t e r i s t i c sa n di t sf e a s i b i l i t yo fa p p l i c a t i o ni n t oo u r p o r t a b l ea u t o m a t i ce c ga n a l y s i ss y s t e ma r et h e nd i s c u s s e d t h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a le x p l o r a t i o no na u t o m a t i ce c gm e a s u r e ，a n a l y s i sa n dd i a g n o s i s i t e c h n i q u e sh a v eb e e nm a d ei nt h i sp a p e ra n dm o s to f t h ew o r kc o n c e n t r a t e s o nt h ef o l l o w i n gf i e l d s ： 1 s i n c e5 0 h z p o w e r - l i n ei n t e r f e r e n c es e v e r e l yi n f l u e n c e st h ea c c u r a c y o fe c g s i g n a lm e a s u r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt oe x p l o r ee f f e c t i v em e a n st o e l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c e s i n c et h ei n t e r f e r e n c ec a n tb et o t a l l ye l i m i n a t e d j u s to n l yb y h a r d w a r em e a s u r el i k er i g h t - l e gd r i v e ，s o f t w a r es c h e m eb a s e do n d i g i t a l f i l t e ri s a d o p t e di no u rs y s t e mt o r e a l i z et h ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l i n g s e v e r a l d i g i t a l f i l t e r i n gt e c h n i q u e s f o re l i m i n a t i n g p o w e r - l i n e i n t e r f e r e n c e f r o me c gs i g n a l sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h e i rf a l t e r i n ga b i l i t i e sa n d r e a l i z a t i o nm e t h o d sa r ec o m p a r e df r o mp r a c t i c a lv i e w e x p e r i m e n t a lr e s u l t s h o w st h a ta d a p t i v ef i l t e rh a st h eb e s t c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e 2 d i f f e r e n t i a l a l g o r i t h mc o m b i n e dw i t ha m p l i t u d em e t h o di s u s e df o r q r sc o m p l e xp o s i t i o n i n g l o c a l t r a n s f o r m a l g o r i t h m i s a p p l i e d f o rs t s e g m e n tp o s i t i o n i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w s t h a tt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y o ft h e s et w o a l g o r i t h m sc a n r e a c ht oa b o v e9 7 2 a n d 9 5 r e s p e c t i v e l y 3 e c gs i g n a lf e a t u r e sl i k er r i n t e r v a l ，q r sc o m p l e xw i d t h ，e t c ，a r e a p p l i e di na r r h y t h m i a s a u t o m a t i ca n a l y s i s a n dd i a g n o s i s t h es y s t e mc a n a c c u r a t e l yd i a g n o s em o r et h a n t e nk i n d so fa r r h y t h m i a s i n c l u d i n g s i n u s t a c h y c a r d i a ，s i n u sb r a d y c a r d i a ，v e n t r i c u l a rp r e m a t u r eb e a t , a u r i c u l a r p r e m a t u r eb e a r ，r o n t ，i n t e r p o l a t e de x t r a s y s t o l e ，a n dr e p o r t a l a r m 4 t e x a si n s t r u m e n t s d s pp r o d u c t t m s 3 2 0 f 2 0 6i s a p p l i e di nt h i s s y s t e mt oa c c o m p l i s ht h ea d a p t i v ef i l t e r i n ga n da u t o m a t i ce c ga n a l y s i sf o r t h en e e do fr e a lt i m es i g n a lp r o c e s s i n g t h er e s e a r c hw o r ki n t r o d u c e di nt h i s p a p e rp r o v i d e s an e wm e t h o df o rt h e i m p l e m e n t a t i o no fa u t o m a t i ce c g a n a l y s i ss y s t e m k e yw o r d s ： e c g ，p o w e r - l i n ei n t e r f e r e n c e ，s i g n a lc o n d i t i o n i n g ，d s p ， a d a p t i v ef i l t e r i n g ，a u t o m a t i ca n a l y s i s 上海交通文学硕士学位论文 第一幸绪论 第一章绪论 1 1 心电信号分析技术的发展现状 在1 8 世纪。人们已经认识到人体由于肌肉收缩会产生电现象，而最早能够记 录下心电信号是在1 8 8 7 年，w a l l e r 用l i p p m a n 所制作的毛细管静电计记录到了体表 心电图。1 9 0 3 年，e i n t h o v e n 开创了心电信号记录的新纪元，他将弦线电流计用于心 电的采集，真实地记录下心电波形，获得了很好的效果。之后w i l s o n 在心电波形异 常方面的分析为现代心电信号和心律失常的研究打下了扎实的基础。 随着信号处理学科的发展，对心电信号的研究也逐步深入，从时域的分析到 频域的分析，从对信号进行线性处理，统计处理，到神经网络，专家系统和小波变 换等f l - l 引。这些方法使得人们对心电的研究达到了很深的境界。随着时间的推移， 这些方法又会成为过去，新的方法也将不断地涌现出来。 从1 9 0 3 年e i n f l a o v e n 采用弦线式电流计开创心电图的临床应用至今已有近百 年的历史。由于世界上心脏疾病的发病率和死亡率逐年上升，人们对心电监护的重 视程度也日益提高。 早期的心电监护系统需要护理人员长时间的观察，往往会因为视力疲劳或注 意力分散造成漏检。五十年代末以来，随着计算机技术的发展，人们开始了对心电 信号自动分析技术的研究。1 9 5 9 年，p i p b e r g e r 等人完成了一个可区分正常和异常心 电图的程序，并于1 9 6 1 年首先研究出导联心电图分析程序。六十年代初，c a s e r e s 验证了用计算机进行常规1 2 导联e c g 分析的可行性，开发了利用测得的平均e c g 参数进行波形模式识别的程序。1 9 6 6 年，s t a p l e s 等人提出采用分枝树逻辑作为心电 图诊断方法。经过许多人的努力，到了七十年代中期，一些心电自动分析程序开始 从实验室投入临床应用。 近年来广泛使用的动态e c g 监护技术( h o l l 限r ) 已成为诊断心律失常和缺 血性心脏病、评价心律失常药物疗效、监测起搏器功能等临床情况的一种重要手 段。h o l t e r 系统是一种可以连续2 4 小时记录患者动态心电图，并有快速回放和自 动分析功能的系统。但h o l t e r 技术也有其局限性，由于它是回顾性分析系统，无 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 法在患者心血管疾病急性发作前和发作期间及时报警，因而当发生恶性心律失常时 会由于不能及时作出反应以致延误抢救。 随着微处理机技术、微电子技术和信号处理技术的快速发展，研制一种既能 自动检测心电信号，又能对其进行实时分析并诊断出心律失常，集记录分析和显示 于一体的便携式心电信号自动分析系统已经成为可能。 1 2 课题研究的内容及意义 心血管疾病是威胁人类生命的最主要疾病之一。长期以来，对心脏疾病的产 生机理以及对它的监护、诊断、防治等方面的研究工作从未停止过。心电信号是 诊断心血管疾病的主要依据，所以对心电信号进行精确可靠的测量，进而对心律失 常进行及时和准确的分析与诊断，并迅速作出反应在对病人的监护方面是必需的。 因此目前迫切需要能实时监测病人心电活动、自动分析心律失常情况的心电信号自 动分析系统。 但是，心电信号是由人体心脏发出的极其精密、有规律并且相当复杂的微弱 信号，幅度一般在1 0uv 5 m v 之间，频率为0 0 5 l o o h z ，外界干扰以及其它因素 的存在都会使其变得更为复杂。例如，工频干扰信号对心电图的影响情况如图1 - 1 所示，这种影响会使心电信号的特征点定位变得非常困难。心电信号自动分析系统 必须在有效抑制干扰的基础上，运用先进的信号处理方法进行心律失常的分析与诊 断。 。“。2 ”“。 ：? ? ”。”。” 图1 1 ( a ) 正常心电波形( b ) 含工频干扰的心电波形 f i g i - l ( a ) n o r m a le l e c t r o c a r d i o g r a m ( b ) e l e c t r o c a r d i o g r a mw i t hp o w e r - l i n ei n t e r f e r e n c e 对心电信号和心律失常分析方面的研究具有巨大的临床实用价值，但是要准 确地对其进行自动检测和分析却是一项极为艰巨的任务。本文主要从心电信号的采 2 上海交通大学硕士学值论文第一幸绪论 集、放大、滤波、特征点定位到最后的心律失常的诊断等几方面进行分析研究。高 速数字信号处理器d s p 芯片具有运算速度快、精度高等优点，对自动分析和诊 断中大量的数据运算有很大的优势，因此本文采用d s p 芯片来完成系统的实现，使 其在运算速度上满足信号实时处理的要求。 1 3 论文内容编排 本论文的主要内容编排如下： 第一章绪论。主要讲述了心电信号自动分析系统的发展现状，以及课题 所要研究的内容和意义。 第二章心电信号和心律失常分析。主要介绍了研究中所用到的心电信号 的一些基本概念和知识，包括心电图、心脏电传导系统、e c g 导联系统以及心律失 常分析等。 第三章-心电信号数据处理与分析算法。本章是论文的重点，主要介绍整 个心电信号自动分析系统所使用的算法，包括数字滤波、心电信号特征点定位以及 心律失常的自动分析和诊断等几方面。 第四章心电信号自动分析系统的实现。本章阐述了心电信号自动检测、 分析与诊断系统的硬件和软件实现，给出了整个系统的结构框图，并对其中的模拟 信号调理、数字处理部分以及系统的软件实现和性能作了详细的介绍。 第五章总结与展望。本章总结了论文所完成的主要研究工作以及取得的 研究成果，并提出了对本课题进行深入研究的几点展望。 上海交通太学硕士学位论文 弟：章m 电信号和律失常分析 、 2 1 心电信号 第二章心电信号和，0 律失常分析 2 1 1 心电图f 1 4 ，1 如 心脏在机械性收缩之前，心肌会发生电激动，这种电激动能向全身各处传导 和扩散，使身体各个不同部位的体表呈现出电位差。通过心电图机将体表上这种电 位差连续记录下来所得的曲线，就是心电图( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，简称e c g ) 。 典型心电图是由一组波形及各波之间的间期组成的。每一个心脏周期包括下 述各波，如图2 1 所示。 围2 - l 典型心电围图解 f i g 2 1t y p i c a le c gw a v e f o r m p 波( pw a v e ) ：代表左右两心房的电激动过程。心脏的激动发源于窦房 结，最先传导至心房，使之发生激动，所以在一组波形中首先出现的便 是p 波。p 波的持续时间为兴奋在左、右心房扩布的时间，一般不超过 o 1 1 秒。 p r 段( p rs e g m e n t ) ：代表白心房开始激动到心室受激动的时间。p 波 出现以后，心脏的激动沿结间束、房室结和房室束下传至心室。由于激 动在房室结及房室束中的传导比较慢，所以在p 波出现后稍有间隙才发 生心室的激动，这一段间隙称p - r 段。激动通过这段传导组织时所产生 4 上海交通大学硕士擘拄论文第= 章m 电信号和m 律失常分析 的电位影响极为微弱，因此这一段时间体表电位几乎没有变化。正常儿 的p r 段为0 1 2 , - 4 ) 2 0 秒。 q r _ s 波群( q r sc o m p l e x ) ：代表左右两心室的电激动过程。典型的 q r s 波群有三个相连的波动：第一个向下的波为0 波，它反映了室间膈 兴奋，并由左向右扩布：随后是一个向上的狭窄尖脉冲波，称为r 波， 它反映了左右心室兴奋过程：第三个波是向下的s 波，它反映了心底发 生的兴奋。这三个波紧紧相连，总共时间一般不超过0 1 0 秒，而且反映 的都是心室的激动，所以合称为q r s 波群。 s t 段( s ts e g m e n t ) ：是自心室肌全部受到电激动( 产生q r s 波群) 以 后，至心室复原再度在体表产生明显的电位差( t 波) 之前的一段平线。 正常人的s t 段为o 0 5 , 4 ) 1 5 秒。 t 波( t w a v e ) ：t 波是继s t 段后一个比较低而占时较长的波，代表心 室电激动后复原时所产生的电位改变。 q - t 间期( q - ti n t e r v a l ) ：代表整个心室肌自开始电激动至恢复到没有电 活动( u 波除外) 的时间。 u 波( uw a v e ) ：在t 波后面有时可以看到一个很小的波动，它代表心 肌激动的“激后电位”( a f t e r p o t e n t i a l ) 。 2 1 2 心脏电传导系统 图2 - 2 心脏电激动传导途径示意图 f i g 2 - 2e l e c t r i cp u l s ec o n d u c t i o np a t h 上海交通大学硕士学住论文g - 章心电信号和心律失常分析 心脏具有特殊的电传导系统，它位于心壁内，由特殊分化的心肌细胞构成， 其功能是产生和传导兴奋，维持和协调心脏正常节律。心脏电传导系统是由窦房， 结、结间束、房室结、房室束和浦肯野氏纤维等组成，如图2 - 2 所示。 心脏电激动的正常传导途径为：窦房结心房肌、三条结间束房室结总 房室束、两侧房室柬支浦肯野氏纤维心室肌。 2 2 e c g 导联系统 1 6 q 8 】 在对心电信号进行检测的过程中，最基本也是使用得最为广泛的就是导联系 统。导联就是将两个电极放在身体表面的不同部位，记录心脏电激动经身体组织传 导到体表所表现出的电位差装置。由于所测得的心电信号将随电极的不同位置而 异，即记录下的心电波形会不同，因此，电极位置和导联的选择就显得极为重要。 1 9 3 1 年，w i l l i a r n e i n t h o v e n 发明了原始的e c g 导联系统。图2 3 ( a ) 所示即 为e i n t h o v e n 氏三角形图。电极分别放在右臂( r a ) 、左臂( l a ) 和左腿( l l ) 上，而双极肢体导联就是测量这三点间的两两电位差：将电极放在右臂和左臂上来 测量该两点间的电位差，这种接法称为i 导联；导联是测量右臂和左腿间的电位 差：导联则是测量左臂和左腿间的电位差。心电放大器的地端与右腿接在一起。 以v r 、v l 和v f 分别表示右臂、左臂和左腿的电位，则： l l ( a )( b ) 图2 - 3 ( a ) e i n t h o v e n 氏- - 4 形和艰掘胺体导联( b ) 威尔进中心端 f i g 2 - 3 ( a ) e i n t h o v e n st r i a n g l ea n dd o u b l e - p o l a rl i m bl e a d s ( b ) w i l s o n sc e n t r a lp o i n t 导联i = v l - v r( 2 1 ) 6 上海交通大学硕士学位论丈第二章心电信号和心律失常分析 导联ii=vf-vr(2-2) 导联i i = v f v l ( 2 3 ) i+iii=vfvr-ii(2-4) 1 9 3 4 年，威尔逊( w i l s o n ) 提出把肢体电极r a 、l a 和l l 经三个相等且大 于5 0 0 0 欧姆的电阻接在一起，组成一平均电位的中心端，称为威尔逊中心端，如图 2 3 ( b ) 所示。其作用是在心动周期内获得一个比较稳定的电压，作为体表上的基 准值t 以，表示威尔逊中心端的电位，则： ：堡掣2 ( 2 _ 5 ) 威尔逊中心端可以作为基准点来测量人体表面某点的电位变化，这种反映单 点电位变化的连接方法称为单极肢体导联。用瓦、五、露分别表示r a 、l a 、l l 和中心端之间的电位差则： 瓦：咋一坚粤监 ( 2 6 ) 旷：玎一生竺生 ( 2 7 ) 。 3 露；咋一堡粤监 ( 2 8 ) 碌+ 瓦+ 巧= 0 ( 2 - 9 ) 由于单极肢体导联所测出的心电波形振幅较小，不便于观测，因此 g o l d b e r g e r 提出另外三个扩充导联：单极加压肢体导联，用a v r 、a v l 和“f 来表 示。单极加压肢体导联并不影响心电向量的方向，但它能使信号幅值增加5 0 ，因 此临床上常用单极加压肢体导联来代替单极肢体导联，两者间的关系如下： 口v r ：3 v r 口v l ：3 v l 2 4 v f ：翌 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 除双极肢体导联和单极加压肢体导联外，还有单极胸导联。它把单个胸电极 放在胸部预先指定的六个位置上，分别以v 1 、v 2 、v 3 、v 4 、v 5 和v 6 表示，如图2 4 所示。 7 上海交通大学硕士学拉论文第二章心电信号和心律失常分析 图2 - 4 单极胸导联示意图 f i g 2 - 4u n i p o l a rc h e s tl e a d s 目前在临床心电图学上普遍采用的就是标准1 2 导联系统，即：三个双极肢体 导联i 、i i 、，三个单极加压肢体导联a v r 、a v l 、a v f 和六个单极胸导联v l 、 v 2 、v 3 、v 4 、v 5 、v 6 。表2 1 即为标准1 2 导联的定义。 表2 - 1 标准1 2 导联定叉表 t a b 2 1d e f i n i t i o nt a b l eo f s t a n d a r d1 2l e a d s 导联名导联名称定义 双极肢体导联 i 吒一 双极肢体导联 i i 咋一珞 双极肢体导联一圪 单极加压肢体导联 a v r 一雩# 单极加压肢体导联 4 呢 圪一半 单极加压肢体导联a v f 一! 毕 单极胸导联v jk 一生粤监 j 单极胸导联v 2儿一生l 垒 3 单极胸导联v 3 巧一坚盟3 8 上海交通大学硕士学位论文第二幸心电信号和心律失常分析 单极胸导联7 4_ 一竖生些 j 单极胸导联v 5k + 姿+ 咋 单极胸导联v 6吒一墅粤监 j 2 3 心律失常分析 心脏内由窦房结发出的电激动，沿正常传导途径下传，并在一定的时间内进 行传导，先后激动心房、心室，引起其收缩，这种起源于窦房结的心律称为正常窦 性心律。 若心脏的激动自窦房结以外产生，或是激动的传导不依上述顺序进行，或在 传导的过程中，其时间较正常范围延长或缩短，即称为心律失常。心律失常可分为 三大类：窦性心律失常，异位心律及异位搏动，激动传导失常。 2 3 1 窦性心律失常 窦性心律失常主要表现为以下几种： ( 1 ) 窦性心动过速：窦性心律的频率大于1 0 0 次分； ( 2 ) 窦性心动过缓：窦性心律的频率小于6 0 次分； ( 3 ) 窦性心律不齐：窦房结不规则地产生激动而引起心跳节律快慢不等。 2 3 2 异位心律及异位搏动 异位心律及异位搏动可分为被动性和自动性两种。凡是由于窦房结不能发出 激动，或是自窦房结发出的激动受阻不能下传，而导致心脏的其它部位( 异位节奏 点) 不得不发出激动，以免心脏停止搏动，这种异位心律或搏动就是被动性异位心 律或搏动，它的节奏率一定会比原来的窦房结的节奏率缓慢。 若是某一个异位节奏点本身的节奏率增加，不待窦房结传下的激动到达它那 部分时，它先发出了激动，这便是自发性异位心律或搏动，它的搏动率往往较速。 若这种自发性的异位搏动偶尔出现了一个或两个便称为期前搏动，或称为期前收 缩，简称早搏。若在一段时间内连续地出现一系列自发性异位搏动，便称为阵发性 9 上海交通大学硕士学位论文第二章心电信号和- 心律失常分析 心动过速。若心房( 室) 内的自发性异位心律迅速而有规律，便是心房( 室) 性阵 发性心动过速或是心房( 室) 扑动：若很迅速而又无规律，则是心房( 室) 颤动。 在自发性异位心律中，有几种常见的心律失常病症，如： ( 1 ) 室性早搏：异位节奏点在心室内的期前搏动，称为室性早搏： ( 2 ) 房性早搏：异位节奏点在心房内的期前搏动，称为房性早搏； ( 3 ) 二联律：每个窦性心律后皆跟随一个期前搏动，称为二联律； ( 4 ) 真三( 四) 联律与伪三( 四) 联律：每个窦性心律后出现二个或三个 期前搏动，称为真三联律或真四联律；每二个或三个窦性心律后出现 一个期前搏动，则称为伪三联律或伪四联律： ( 5 ) 间位性( 插入性) 期前搏动：在两个正常的窦性心律之间插入了一 个期前搏动，称为间位性期前搏动，也称插入性期前搏动； ( 6 ) ro nt ：当期前搏动发生得很早，出现在前一窦性心律的t 波上时， 称为r o n t 现象。 2 3 3 激动传导失常 心脏的激动若不能按照正常的顺序及时间传达到各部位便称为激动传导失 常。由于激动传导失常的情况更加复杂，还未形成统一的诊断标准，因此本文不对 激动传导失常的情况进行自动分析和诊断。 2 3 4 典型心律失常波形 在本系统中，我们用b i o t e k 公司的l i o n h e a r t 3 多参数病人仿真器产生的标 准心电信号来进行自动分析和诊断。其中，某些典型心律失常的心电波形如图2 5 所示。 ( a ) 正常心电图( b ) 室性平搏 ( c ) 室性早搏二联律( d ) 室性早搏三联律 1 0 上海交通大学硕士学位论文| c = 幸m 电信号和m 律失常分析 ( e ) 短阵室性心动过速 山u 九u ( f ) 漏搏 ( g ) 心室颤动 ( h ) 心脏停搏 ( i ) s t 段波形异常1( j ) s t 段波形异常2 图2 - 5 典型m 律失常m 电波形图 f i g 2 - 5e l e c t r o c a r d i o g r a m so f t y p i c a la , r h y t h m i a s 2 4 本章小结 本章介绍了研究中所用到的心电信号的一些基本概念和知识，包括心电图、 心脏电传导系统、e c g 导联系统以及心律失常分析等，并给出了部分典型心律失常 的心电波形图，为论文的深入作了必要的准备。 上海交通大学硕士学位论文第三幸心电信号敷据处理与分析算法 第三章心电信号数据处理与分析算法 3 1 数字滤波 心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现，信号一般比较微弱，幅度在1 0 uv 5 m v 之间，频率为0 0 5 1 0 0 h z 。在心电信号的采集、放大、检测及记录过程 中，有来自外界的各种干扰，其中以5 0 h z 工频干扰对信号的影响最大，这些干扰使 系统的信噪比下降，甚至会淹没微弱的心电信号。 如图3 1 所示，室内的电线、照明、各种电子仪器和电气设备均会产生5 0 h z 电场，它与人体及信号引线间存在分布电容，使5 0 i - i z 位移电流，。通过这些分布电 容流入人体及引线。图3 1 ( a ) 和( b ) 所示电路为5 0 h z 位移电流注入人体的示意 图及其等效电路。人体与5 0 h z 馈电线之间存在的分布电容以集中参数c 。，表示，与 地面间存在的分布电容以c 。，表示。 c d 图3 - 1 ( a ) 注八人体的位移电流( b ) 等效电路图 f i g 3 1 ( a ) t h ec u r n ti n f u s i n gi n t oh u m a nb o d y ( b ) e q u i v a l e n t c i r c u i t 假设人体右腿不接地，则从图可知，由于c 。和c 。：形成一个分压器因此在 点可分得5 0 h z 的电压c ，c ，这对放大器而言是共模干扰电压。以典型值为例： c 。= 0 2 p f ，c 0 2 = 2 p f ，馈电线5 0 k 电压的有效值u = 2 2 0 v ，则很容易求得： 上海史通尢学硕士学位论文第三章心电信号数据处理与分析算法 u c = i 二号- + u = 2 0 f ( 3 1 ) ， c d i + c c 2 由此说明，人体将处在一个对地为u c = 2 0 v 的电压下。可见这么大的共模电 压必然超出放大器的共模输入动态范围，因此我们必须采取有效的手段来抑制5 0 h z 工频干扰。 为了滤除干扰，在硬件设计上可以采取合理屏蔽和接地措施，采用性能优良 的器件和浮地工作等方式，以及采用右腿驱动等措施，但是仅仅依靠硬件上的措施 并不能完全解决干扰问题。随着计算机在各个领域的应用，数字滤波技术成为目前 滤除工频干扰的有效手段。 数字滤波较之模拟滤波有许多优点：首先，模拟滤波器中随着温度变化和元 件老化将产生“温漂”与“时漂”，这些漂移是低频分量，而生物医学信号中也含 有丰富的低频分量，上述漂移将使信号失真。而数字滤波器常用软件实现，无此弊 端，即使用硬件实现，也因数字电路具有高抗干扰性，而不受影响。其次，数字滤 波器的准确度仅决定于计算时的舍入误差，通过适当编程，这一误差可做得极小。 模拟滤波器的误差却决定于元件的允许误差，较难控制。最后，也是最重要的一 点：数字滤波器较易实现严格的线性相位特性，用集总元件实现的模拟滤波器则无 此可能而这种线性相位特性是医学信号滤波所要求的。 常用的数字滤波方法有平滑滤波、f i r 带阻滤波、简单整系数带阻滤波、自 适应滤波等【悖出】。一个性能好的滤波器应在不削弱有用信号的前提下，尽可能彻底 地滤除干扰，因此对于扰的滤除是否彻底以及对e c g 信号是否有影响是设计心电滤 波器时必须注意的两个关键问题。本文尝试多种滤波器设计方法进行工频干扰的去 除。 3 1 1 平滑滤波 平滑滤波是数字滤波方法中较早被采用的方法胆4 】。对本项目中的心电信号进 行滤波，可以采用以下差分方程： y 0 ) ：生如蛙业! 尘兰幽 (32)113 其中“砷为原始带有干扰的心电信号，y ( n ) 为滤波后的心电信号。采用该滤 波器进行工频干扰去除的结果如图3 2 所示。 上海交通大学硕士学位论文第三章心电信号数据处理与分折算法 图3 - 2 ( a ) 原始心电波形( b ) 滤波后心电波形( c ) 被滤除的干扰 f i g 3 - 2 ( a ) 0 吨i n a le c g w a v e f o r m ( b ) e c gw a y e f o r ma f t e rf i l t e r i n g ( c ) i n t e r f e r e n c eb e i n gf i i t e r e d 囤3 - 3 平滑滤波器幅频响应 f i g 3 3a m p l i t u d e - f r e q u e n c yr e s p o n s eo f s m o o t h 珂t e r 该滤波算法简单，处理速度快。但是如图3 3 所示的滤波器幅频响应可以看 出，这个滤波器其实具有低通特性，通频带很窄，对心电的q p s 波有较大的削峰， 信号衰减很大，因此只能用在对信号波形要求不高的场合，如心电监护仪中，而无 法满足临床诊断的要求。 3 1 2 f i r 带阻滤波 为了实现精确的工频干扰去除，可以采用以5 0 h z 为中心频率的带阻滤波器。 如果设计采用无限冲激响应( t ) 滤波器，虽可借鉴模拟滤波器的成果，但不能控 制相位特性，若想要得到线性相位特性，必须用全通网络进行复杂的相位校正。而 有限冲激响应( f 瓜) 滤波器可在幅度特性随意设计的同时，保证严格的线性相位特 性。另外，f i r 滤波器还有一明显优点，即系统始终是稳定的。因此，我们设计了 一个阻带为4 8 5 2 h z 的f i r 滤波器口甜。 j 4 上海交通太学硕士学位论文 第三幸心电信号数据处理与分析算法 图3 - 4 ( a ) 原始心电波形 f i g 3 4 ( a ) o r i g i n a le c g w a v e f o r m ( b ) 滤波后心电波形 ( b ) e c gw a v e f o r ma f t e rf i l t e r i n g 图3 5f i r 滤波器( 3 0 0 阶) 幅频响应 f i g 3 - 5a m p l i t u d e f r e q u e n c yr e s p o n s eo f f i rf i l t e r ( r a n k3 0 0 ) 实验表明，采用这种滤波器，要取得好的衰减特性要求滤波器的阶数很高， 对图3 4 ( a ) 所示的原始心电信号，滤波器阶数为3 0 0 时才取得了较为满意的效果 ( 如图3 5 所示) ，滤波结果如图3 4 ( b ) 。如果要求阻带宽度更窄，则为了取得 相同的滤波效果所需要的f i r 带阻滤波器阶数将更高。 另外，所设计的f i r 带阻滤波器的系数均非整数，而且由于滤波器阶数较 高，乘法次数很多，整个算法的运算量非常大，不利于实时处理，这是该类滤波器 的重大缺陷。为了克服上述的问题，采用简单整系数滤波器是一个很好的解决办 法。 3 1 3 简单整系数滤波 简单整系数滤波器是用i l r 结构来实现f i r 滤波器，既具有严格的线性相位 特性，又只需较少的计算量，因而在生物医学信号的处理中受到广泛关 2 6 , 2 7 。 上海交通大学硕士学位论文第三章心电信号教据处理与分析算法 滤除工频干扰的滤波器具有带阻特性，这可以从一个全通网络中减去具有相 同延迟和增益的线性相位带通网络而得到，实现方法如图3 - 6 。 x 图3 6 带阻滤波器实现框图 f i g 3 - 6 r e a l i z a t i o no f b a n d - s t o pf i l t e r 在心电信号的采集过程中，除了受到5 0 h z 工频干扰以外，还常常会产生超低 频成分的基线漂移。由于既要滤掉0 ，5 h z 以下的零漂，又要滤掉5 0 h z 的工频干扰， 则所用的带通滤波器实际上可以采用一个梳状带通滤波器1 2 o ，其传递函数和频率 响应分别为： 喇李 等丁 b s ， s i n 墨m q 蚪歹1 志2 叮” b 4 式中q = r p 。 因为采样频率正= 5 0 0 h z ，待滤除干扰f = 5 0 h z ，所以p = 正f = 1 0 ，n 和 r 决定了滤波器的阻带带宽。经过实验分析，本文选取n