胡优敏《电生理学技术及临床应用》电生理技术

电生理信号分析技术及其应用,上海交通大学医学院王成,电生理技术electrophysiologicaltechniques,测量、记录和分析生物体发生的电现象（生物电）的技术研究生物体的电特性的技术。以各种形式的能量（电、磁、声等）刺激生物体，并产生生物效应的技术。,记录&分析,生物电信号的检测,电极微电极：玻璃、金属体表电极：银-氯化银电极（噪声小）信号调理（SignalConditioning）阻抗隔离差模放大滤波线性补偿、电压钳制或电流钳制电气隔离（浮地，或提供良好接地）（生物电放大器/前置放大器/）,输入阻抗噪声增益/放大倍数共模抑制比频响范围,生物电信号,信号的数字化,A/D转换量化。采样量化误差采样频率(纳奎斯特（Nyquist）定理)数字化前连续信号数字化后离散信号,内容提要,信号的频域描述脑电信号的频域谱分析心电信号自动分析技术系统理论与多焦视觉电生理,信号的频域描述,时间域和频率域,50Hz的信号是指每秒钟交变50次。信号的频谱概念,t,最简单的波形是正弦波A振幅初相位f频率，角频率=2f对长度为T的时间区间而言，最简单的频率为,正弦波,富利埃级数,富利埃级数表达式提示：一个复杂波(如生物电信号)可看作是不同频率，不同振幅和不同位相的正弦波的叠加。,任何复杂的周期波形都可以用富利埃级数表示。,动脉血压波形和谐波,周期信号的频谱表示,信号的频率成分在时域中难以辨别，而在频域中能方便地将其分离出来进行分析，对于许多不同的生物信号处理方法和应用，包括滤波和频谱分析，生物信号的频率描述是非常有用的,信号的频率成分在时域中难以辨别，而在频域中能方便地将其分离出来进行分析，对于许多不同的生物信号处理方法和应用，包括滤波和频谱分析，生物信号的频率描述是非常有用的。,复数形式的富利埃级数展开式Cn为富利埃级数的系数，完全是由复杂波x(t)决定。对一个频率为nf0的谐波，可确定它的振幅(An=|Cn|)和位相(n=arctgCn)，因此Cn为信号x(t)的频谱。这就是频谱分析的基础。,富利埃级数的复数表达,傅立叶变换(FourierTransform,FT),傅立叶变换是最常用的将信号从时域变换到频域的方法。连续信号的傅立叶变换如下式表示,傅立叶反变换如左式表示,离散傅立叶变换(DFT),对离散信号，有离散傅立叶变换和离散傅立叶反变换DFT：m=0，1，N/2其中N是偶数，为总共采样点数。IDFT：k=0，1，N1,时域中的周期信号在频域中是离散的，时域中的非周期信号在频域中是连续的；时域中的连续信号在频域中是非周期的，时域中的离散信号在频域中是周期的。这个周期与采样间隔有关，不合适的采样频率会造成信号混叠失真。,心电的频谱,采样率100Hz。50Hz以上的频率成分会产生混叠。,快速傅立叶变换,FFT是计算DFT的一个高效算法，运算结果是相同的，但FFT的运算速度要快很多倍。,(FastFourierTransform,FFT),信号的频谱和功率谱,当利用FFT对时间级数x(t)进行变换时，我们得到一个复数函数X(m)，称X(m)为线性频谱，它包括实部和虚部两部分。因为幅值的平方与功率成正比，所以将线性频谱的平方称为功率谱。功率谱可表示为X(m)的实部平方和虚部平方之和：,下图左边是正弦信号和经FFT计算得到的频谱，图右是淹没在噪声中的正弦信号和它的频谱。,信号的平均,时域平均,可去除干扰，需要有一个同步触发信号，因信号与之同步，而噪声不同步。心电R波常被作为同步信号。如将血压波形进行叠加平均。,频域平均,对于随机性质的信号，如EEG，常采用在频域中平均。如平均周期图法，是将数据分成L组互不重叠的由N个数值组成的独立数据段，再对每段数据作DFT后再将这L段频谱作平均来求得对信号频谱的估计，即：,EEG频谱分析,FrequencyDomainMethods,1.脑电的频段(1)频段：0.5-4Hz(2)频段：4-8Hz(3)频段：8-13Hz(4)频段：13-30Hz,频谱分析方法,采样采样率：常用128Hz频域分辨率F：常用0.5Hz最小采样长度N=FS/F=128Hz/0.5Hz=256采样点（2秒）乘窗函数FFT作谱曲线X轴：0-30HzY轴：脑电功率谱（单位为V2/Hz）对多条谱曲线进行平均处理，以提高频谱估计的性能。,频谱分析方法,采样,FFT,频谱,平均,加窗,EEG,显示,OriginalandProcessedEEG,EEG功率谱分析,Beta,Alpha,ThetaandDeltabandsandpowers(v2)foran8secondepoch,Delta=0.5-4Hz,Theta=4-8Hz,Alpha=8-13Hz,Beta=13-32Hz13Hzfastwaves,RelativePower:%ofTotalPowerineachrange,EEG处理参数,Medianfrequency中位频率,HzFreqwhere50%oftheenergyliesabove&below中位频率12Hz,EEGProcessedParameters,频谱的边界频率,HzX%的功率再此频率以下，用户可选85,90,95,97或98%95%边界频率是16Hz,EEGProcessedParameters,总功率,dB功率谱的积分,正常EEG:清醒思考状态,Beta频率(13Hz)在额叶Alpha频率(8-13Hz)在顶叶和枕叶,NormalEEG:深睡状态,Thetafrequencies(4-8Hz)central&temporalregionsgrowFastfrequencies(alpha&beta)attenuateDeltafrequencies(1000Hz）时域分析：SchlegelTT,etal.Real-time12-LeadHighFrequencyQRSElectrocardiographyforenhanceddetectionofmyocardialischemiaandcoronaryarterydiseaseMayoClin.Proc.2004.7933950,高频心电分析,高频心电时域分析,采样：采样率1000Hz或更高软件实时滤波(150-250Hz)：得到高频QRS波(HFQRS)二个常用指标HFQRS的均方根(RMS)电压：它估计HFQRS的总能量。振幅减小区(Reduced-AmplitudeZones，RAZ)：表示QRS复合波存在分裂现象。RAZ是有潜在病理意义的形态学指标。,心室晚电位是起始于QRS复合波终未部位，并延伸入ST段内，表现为低振幅、高频的碎裂波。频率在20-80Hz，振幅在25V以下，持续时间在10ms以上。,心室晚电位分析(VentricularLatePotential，VLP),(1)信号采样：在X、Y、Z三个互相垂直的导联上采样ECG。采样率1000Hz。(2)在X、Y、Z导联上分别做信号平均QRS波的对准平均。(3)平均后，用三个正交导联构成综合波形(4)对综合波形进行双向带通滤波(去除低频信号),通带为25-250Hz(Simson)或40-250Hz(美国心脏病学会专家委员会推荐)。,心室晚电位分析信号平均ECG(Simson的时域分析法),T波振幅每搏间的波动近年研究表明，T波交替的大小与室颤的易发性相关。已有的临床资料指出，在有中等到高度危险的心脏事件(包括冠心病、室性心律失常、心肌梗塞、心肌病和充血性心脏病)的大量病人群中，TWA参数的价值相当于电生理检查来评估心律失常的危险。是预测发生恶性室性心律失常和心脏性猝死的、具有统计意义的指标。,T波交替分析(T-WaveAlternans，TWA),迷走神经刺激可以减少心电不稳定性,窦性心率的周期性变化称心率变异。1987年Kleiger对808例70岁以下，急性心肌梗塞发病113天，做HRV观察SDNN，发现100ms的5.3倍。认为心肌梗塞后，HRV降低是预测心脏猝死和室性心律失常的指标。自主神经系统状况和心血管疾病死亡率之间有着肯定的相关性。HRV可以作为自主神经系统无创、客观的定量指标。,心率变异分析(HeartRateVariability，HRV),心率变异分析指标,全程NN间期的标准差(SDNN)全程每5minNN间期平均值的标准差(SDANN)全程每5minNN间期标准差的平均值（SDNNindex）全部相邻NN之差的均方根(RMSSD)相邻NN之差50ms的个数占总窦性心搏个数的百分比(PNN50)0.4Hz的所有NN间期的变异（总功率，TP）在0.0030.04HZ范围内的NN间期的变异（极低频VLF）在0.040.15Hz范围内NN间期的变异（低频，LF）在0.150.4Hz范围内NN间期的变异（高频，HF）LF/HF：是LF与HF的比值。,QT离散度(QTD)分析,QT离散度是12导联心电图各导联间QT间期存在的差异(最大QT间期与最小QT间期之差)。主要反映心室肌复极的不均一性,可代表心室肌兴奋性恢复时间不一致的程度,或心室肌不应期差异的程度。QTc间期：根据心率进行校正：QTc=QT/sqrt（RR）离散度的分析和测定指标：最大QT间期(QTmax)最小QT间期(QTmin)QT间期离散度(QTd)心率校正后的QT间期离散度(QTcd)12导联中相邻导联QT间期之差最大的差值(AdQTd)QTd率(QTdr)QT间期早期离散度(QTad)QT间期晚期离散度(QTed)等。,心率振荡是最近提出的一项心源性猝死（SCD）的预测指标。它是指室性早搏发生后，窦性心率出现短期的波动现象，先加速，后减速，这是自主神经系统对单个室早出现后的快速调节反应，反映了窦房结的双向变时功能。正常人及低危患者可表现为这一变化，而在心肌梗死后的猝死高危患者中该变化减弱或消失。,心率振（震）荡（HeartRateTurbulence,HRT）,系统概念的应用多焦视觉电生理信号记录,常规视觉电生理信号,视网膜电图electroretinogramERG眼电图electro-oculogramEOG视诱发电位VisualEvokedPotential,常规视网膜电图,视网膜电图主要成份特征:(时相),b,r1,r2,O1,O2,O3,O4,a,50ms,ap,as,a波:反映视网膜光感受器的电位变化b波:作为评价视网膜功能的客观指标之一,受缺氧.温度变化.不同光刺激.前适应状态等因素的影响大.,振荡电位OPs：用高强度光刺激时，可发现的附加在a波和b波上的一系列节律性的低振幅电位。,O1,O2,O4,O5,O3,a,b,c,d波：在连续光照下撤光后可记录到一个陡的正相波,400v,c波：继b波之后缓慢升起的阳性波，于光照后2-10秒达到峰值。,记录电极（A）：角膜电极：接触镜电极金箔钩状电极纤维角膜电极皮肤电极：脸睑参考电极（B）：置前额或下睑皮肤接地电极（E）,电极,视网膜电图记录装置,输入阻抗：=10M漏电流：以后记录到的信号r除了背景噪声以外不再和输入x相关。在T时间再给一个输入则冲激响应（相关）将出现在T时刻，从而可以记录到多道的信号。,(a)覆盖中心23度视野的241个六边形组成的刺激阵列(b)从一受检者记录到的相应的局部亮度ER