心律不齐理论基础及算法设计

1、一、 心电图学理论基础心律不齐是一种常见的心律失常现象，是指心动节律超出正常范围。心律不齐包括正常节律伴不齐、过速伴不齐、过缓伴不齐。按起搏点所在部位不同可分为以下四类：窦性心律不齐、房性心律不齐、交界性心律不齐、室性心律不齐。1、窦性心律不齐：窦性p-p间期互差012s可诊断为窦性心律不齐。窦性p波在、avf、导联总是直立的，avr导联总是倒置的，其他导联视p波的导联而定。窦性p波电轴右偏时，avl导联的p波是倒置的，、导联直立。窦性p波电轴左偏时，、avl导联倒置，此时导联直立，、可以正负双向或倒置。2、房性心律不齐：房性pp周期差别0.12s以上者，称为房性心律不齐。房性心率需要判断p波

2、。p波的基本特征是、直立，avf倒置。窦房交界性p波可在窦房交界性早搏得到明确诊断。确定p波起源于心房的标准是：（1）p波形形态与窦性p波不同：p波的、avf、导联直立，avr倒置，激动起源于右房上部。、avl、倒置，、avf、直立，激动起源于右房下部。、avl、倒置，、avf、直立，激动起源于左房后上部。、avl、avf倒置，、直立，激动起源于左房后下部。、avl、倒置，、avf直立，激动起源于左房前上部。、avl、avf、倒置，激动起源于左房前下部。（2）p-r0.12s。延迟出现的p波，称为房性逸搏。房性p连续出现3次或者3次以上，构成房性节律。3、交界性心律不齐：交界性-或者r-r周期

3、差别大于0.12s者，称为交界性心律不齐。交界性波在、avf 导联倒置，avr导联视波电轴而定，波电轴指向左下方时，avr倒置；波电轴指向-60左右时，avr可平坦、双向、低平；波电轴指向0-30的范围内，avr倒置。4、室性心律不齐：室性心律不齐r-r周期大于0.12s以上者，称为室性心律不齐。极少数室性心律是很规则的，大多数室性心律有程度不同的不齐，成为室性心律的重要特征之一。室性qrs波群的特征是qrs时间大于0.12s，其前无波，有时可见被干扰的窦性p波、房性p波、f波、f波、逆行波。室内起搏点自律性强度极不稳定，是产生室性心律不齐的主要机制。躲源性心律时，因其不同部位室性起搏点自律性

4、强度不同，室性心动周期的长度明显不等。二、 算法设计由心电图学理论可知，若要通过算法来判断是否有心律不齐乃至判断心律不齐类型，首先需要将p波从心电图中分离，用以判断是否存在p波以及为提取p波的特征点做准备。若是p波存在，就需要判断出p波的正负，然后通过相应点的检测算法，将起始点、极值点找出，得出相应p-p间期和心律的起搏点位置，做出最后的判断是否心律不齐和心律不齐类型。若p波不存在，则为室性心律，同样应该通过相应的点检测算法以求出r-r间期，用以判断是否心律不齐。具体过程见图2.1图2.1 总流程图1、 p波检测模块p波检测模块主要功能是要将p波和t波与qrs波群分离，进行波形的定性分离。在这

5、个分离的过程，采用的算法是一种基于数学形态学的方法，对心电信号进行滤波、基线校正等。整个算法过程基本上是通过一系列形态学算子实现的。设信号序列为f：f=0，1，n-1，结构元素k：k=0，1，m-1，且nm，则形态和运算（即膨胀）可定义为：，其中m=m-1，m，n-1；形态差运算（即腐蚀）可定义为：，其中m=m-1，m，n-1。两种运算分别前后减少了m个点。由形态和、差运算可以组成开、闭运算。开运算是指对信号进行一次腐蚀运算，再进行一次膨胀运算；闭运算则是指对信号进行一次膨胀运算，再进行一次腐蚀运算。开运算通常用来削去信号中的波峰，闭运算则常运来填充波谷。实际用于心电信号处理的方法是由两路开、

6、闭运算组合而成的。经过这样的运算后，原始信号中的一些波峰和波谷被“滤除”。适当调节结构元素的长度m，可以有选择地达到噪声滤除和去除qrs波群的目的。然而由于滤波过程后的输出实际代表着基线的漂移，因此要从输入信号中减去由滤波器输出的漂移信号，最终得出基线矫正的结果。在完成以上算法后，就可以通过判断p波的幅值来判断是否存在p波、p波幅值的正负，以进入接下一阶段的检测。具体流程见图2.2。图2.2 p波检测模块流程图2、 p波点检测模块p波点检测模块的主要功能就是找出p波上的p点，以用于p-p间期计算。由于从p波检测模块中所得到的结果，只是进行了噪声滤除和qrs波群的分离，所以还存在着p波和t波。虽

7、然p波的幅值有正有负的，但是找出起值止点和极值点的算法思路是一样的。首先需要找出p波的起点和指点。这需要先找出f(i)=0的点，然后是判断在邻域各点的情况，需要结合时间阈值n和斜率阈值l来作为判断依据。接着就是需要找出个极值点，并判断出它们是否是p点。最后便是计算出两个相邻p点之间的时间，即为p-p间期，用于判断是否是心律不齐。具体流程见图2.3和图2.4.图2.3 正向p波点检测流程图图2.4 负向p波点检测流程图3、 qrs波群检测模块qrs波群检测模块的主要功能就是找出r-r间期，用以判断是否出现室性心律不齐。分离qrs波群的算法是基于小波变换而实现的。将离散序列x(n)由mallat算

8、法求出：，其中是一个低通滤波器，是一个高通滤波器。是概貌信息，是细节信息。这里所使用的是marr小波，是高斯函数的二次倒数（没有负号）：。因为 、的阶数与信号的采样率有关，所以以mit-bih心电数据库中的数据为例（360hz采样，10位a/d）。在第三阶概貌信号上r波与噪声及其他干扰较明显分离，第四阶细节上r波与p、t波噪声明显分离，而第五阶概貌信号保存了原始信号的极限和t波成分。因此第三阶概貌信号减去第五阶概貌信号，得到的信号，可以去除基线漂移，并极大地抑制高频噪声。结合第四阶细节信号，可以在检测r波上取得好的效果。为了便于推导，将mallat算法公式改写为：其中为mallat算法中的，那

9、么则就是所需要的滤波器。但是在这个算法中，可以把中幅值很小的点去除，得到滤波器。所将心电信号用s表示，利用可以得到：x为概貌信号，d为细节信号。th1是在x上检测幅度的阈值，th2是在d上检测幅度的阈值，在x上大于阈值th1的峰，在d中检测对应点峰值是否大于th2，若大于有可能为r点。但还应判断其与前后可能的r的距离，才能确认是否为r点。具体流程见图2.5：图2.5 qrs波群检测模块算法中参数m为r波极值探测长度，由采样率和r波宽带决定。算法中m取采样率的1/8。th1由a/d转换精度决定，算法中取0.02*分辨率，8为a/d的分辨率为256。k在算法中取8。th2在算法中取0.02*分辨率

10、。对于p点与上一个r点rprev的判断分为一下三种情况：（1）距离小于不应期。若p点的概貌幅度大于rprev，则rprev为假，删除rprev，并记录p点为r点，否则p点为假。（2）距离大于不应期而小于*rr（可取为0.8），且两者中有一个幅度小于*rheight（可取为0.5），则有一个点为假r点。（rheight是检测出的r波的概貌信号幅度加权平均值。）若p点概貌幅度大于rprev，则rprev为假，p为r点；否则，p为假。（3）距离大于*rr，则认为p是r波。rr间期需要更新，更新公式为：新rr=原rr*0.8+0.2*rr，rr为新的r点与上一个r点的距离。最后得出的rr间期是用来判断是否为室性心律不齐。三、 未解决的问题及未来的工作1、 未解决的问题（1） 如何让程序在点检测之前判别p波的正负性？（2） 如何在形态学处理中选择正确的结构元素？（3） 如何有效地判断p-p间期，即是如何找出正确的p点？（4） 如何拟合和插值、又如何采样？（5） 小波变换中各部算法中参数如何选择？2、 未来的工作（1