心电信号处理

1、心电信号处理心电信号处理第1页Biomedical signal processing2Nankai University, CY LI, 2022/9/4心电信号形成（1）心肌细胞动作电位心肌细胞除极和复极电生理现象,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),mV-90-600+200心室肌细胞动作电位示意图1234300ms心电信号处理第2页Biomedical signal processing3Nankai Univ

2、ersity, CY LI, 2022/9/4心电信号形成（2）电兴奋传导(conduction or spread of electrical excitation)窦房结: 心脏起搏兴奋点, 其细胞自发产生50-100次/分可传导AP,心房传导: 心房传导束-右心房-左心房传导系统传输: 房室束-希氏束-左、右分支-普金野（Purkinje）纤维网-心室肌,电兴奋经过Purkinje网使心室肌细胞兴奋，心电信号处理第3页Biomedical signal processing4Nankai University, CY LI, 2022/9/4心脏传导系统心电信号处理第4页Biomedic

3、al signal processing5Nankai University, CY LI, 2022/9/4English 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 心电信号处理第5页Biomedical signal processing6Nankai University,

4、CY LI, 2022/9/4心电信号形成（3）心电图(electrocardiogram, ECG)产生电流源：每个心肌细胞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，看作是一个容积导体，心电向量: 全部心肌细胞偶极子场向量和,心电图：全部心肌细胞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，心电信号处理第6页Biomedical signal processing7Nankai University, CY LI, 2022/9/4经典心电信号波形P, QR

5、S, ST, TS-T段QRSTPQT心电信号处理第7页Biomedical signal processing8Nankai University, CY LI, 2022/9/4心电图统计(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通道数据采集系统(multi-channel data acquisition system),电极背心, (electrode vest)心脏表面多部位标测(epicardial mapping),多通道数据采集系统电极套(electrode sock)心脏内膜多部位

6、标测(endocardial mapping),多通道数据采集系统导管(catheter)和伞电极心电信号处理第8页Biomedical signal processing9Nankai University, CY LI, 2022/9/4Body surface mapping心电信号处理第9页Biomedical signal processing10Nankai University, CY LI, 2022/9/4Epicardial electrode sock心电信号处理第10页Biomedical signal processing11Nankai University, CY

7、 LI, 2022/9/4标准导联(1)12标准导联(standard leads)标准I， II，III肢体导联(bipolar limb leads),IIIIIIRFLR: right armL: left armF: left footI=EL-ER,II=EF-ER,III=EF-EL心电信号处理第11页Biomedical signal processing12Nankai University, CY LI, 2022/9/4标准导联(2)加压肢体导联标准aVR, aVL, aVF (augmented unipolar limb leads),LWilson terminal:

8、C点电位,aVL和aVF连接相同R/2RRRFCaVR+-心电信号处理第12页Biomedical signal processing13Nankai University, CY LI, 2022/9/4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电位差,心电信号处理第13页Biomedical signal processing14Nankai University, CY LI, 2022/9/4心电信号畸变心脏病变

9、：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, 心率改变等,来自心脏外干扰信号：50Hz工频干扰肌电干扰， 10-300Hz,呼吸干扰，使基线漂移加剧，心电信号处理第14页Biomedical signal processing15Nankai University, CY LI, 2022/9/4心电信号预处理抑制工频干扰，基线纠漂，心电信号处理第15页Biomedical signal processing16Nankai University, CY LI, 2022/9/4噪声抑制和基线漂(detrending)低通滤波器能够滤掉心电信号中肌电信号高频

10、干扰，抑制工频干扰自适应滤波抑制工频干扰，基线漂移纠正抵消法纠漂，基线纠漂滤波器， 0.7Hz高通截止频率，心电信号处理第16页Biomedical signal processing17Nankai University, CY LI, 2022/9/4移动平滑滤波器(低通滤波)心电信号处理第17页Biomedical signal processing18Nankai University, CY LI, 2022/9/4H(z)和H(z)*H(z)比较H(z):旁瓣太大, 13dB; 相频特征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高频相位失真;H(z)*H(z)

11、:旁瓣有较大衰减, 26.7dB,有真正线性相位;心电信号处理第18页Biomedical signal processing19Nankai University, CY LI, 2022/9/4移动平滑滤波器(N=8)Fs=1000HzN=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心电信号处理第19页Biomedical signal processin

12、g20Nankai University, CY LI, 2022/9/4移动平滑滤波器(N=33)H(z): -3dB: 0.08Hz, the first side peak: -13dBH(z)*H(z): -3dB: 0.08Hz, the first side peak: -26.7dB心电信号处理第20页Biomedical signal processing21Nankai University, CY LI, 2022/9/4移动平滑滤波器效果心电信号处理第21页Biomedical signal processing22Nankai University, CY LI, 20

13、22/9/4MAH(z)和H(z)*H(z)随N改变心电信号处理第22页Biomedical signal processing23Nankai University, CY LI, 2022/9/4自适应滤波依据输入信号自动调整滤波器参数, 使其性能指标最优化，适合用于对信号和噪声无先验知识(频谱)或非平稳信号,基础结构: 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， 心电信号处理第23页Biomedical signal processing24Nankai University, CY LI, 2

14、022/9/4y(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)：经过某一未知网络同一噪声源，n0(t)：滤波器输出估值，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)最正确匹配，心电信号处理第24页Biomedical signal processing25Nankai University, CY LI, 2022/9/4基线纠漂抵消法：从信号中减去基线预计值, 心电基线漂移可看成某种超低频干扰信号,x(n

15、)=s(n)+w(n), 用w(n)来迫近w(n), 并从s(n)中减去, s(n)=x(n)-w(n),PQ段为基线，常以PQ段中点作为基准点，用多项式拟合基线预计函数， 如最简单线性拟合、三次样条函数拟合等，x(n)=s(n)+w(n)基线预计+-s(n)w(n)心电信号处理第25页Biomedical signal processing26Nankai University, CY LI, 2022/9/4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/分为心脏搏动过缓下限，基线纠漂及50Hz陷波滤波器,理想心电信号预处理滤波器 基线纠漂+50Hz

16、限波,可用频率抽样法设计这种滤波器,fH(f)50100150fk心电信号处理第26页Biomedical signal processing27Nankai University, CY LI, 2022/9/4纠漂和50Hz陷波效果心电信号处理第27页Biomedical signal processing28Nankai University, CY LI, 2022/9/4整系数基线纠漂滤波器梳状滤波器数学表示;心电信号处理第28页Biomedical signal processing29Nankai University, CY LI, 2022/9/4整系数基线纠漂滤波器(2)梳

17、状滤波器数学表示;心电信号处理第29页Biomedical signal processing30Nankai University, CY LI, 2022/9/4整系数Filter效果心电信号处理第30页Biomedical signal processing31Nankai University, CY LI, 2022/9/4心电信号分析特征波形检测QRS波检测，T波检测，ST段位移，心电图频谱分析FFT, AR model, 时频分析, wavelet transformation心电信号非线性分析相关维数，HRV (heart rate variability)，T波交替（TWA）

18、，心电信号空间信息，QT离散度，心电信号处理第31页Biomedical signal processing32Nankai University, CY LI, 2022/9/4QRS波检测QRS特点:其能量在心电信号中占很大百分比, 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一阶和二阶导数平方和作为QRS波标识脉冲信号,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波特征信息,正交滤波算法心电信号处理第32页Biomedical signal processing33Nankai University, CY LI, 20

19、22/9/4QRS波频谱QRS特点:其能量在心电信号中占很大百分比, 其频谱分布在中高频区, 峰值落在10-20Hz之间,心电信号处理第33页Biomedical signal processing34Nankai University, CY LI, 2022/9/4R波峰点检测斜率变号双边阈值检测法取一个固定阈值Ra, t1,t2分别为R波上升和下降经过这个阈值时刻，则R基准点位置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t1, t2, t=(t1+t2)/2, 此法不受波形幅度变动和基线漂移影响。心电信号处理第34页Biomedical signal proce

20、ssing35Nankai University, CY LI, 2022/9/4R波峰点检测dx/dt0dx/dt0Rat2t1t=(t1+t2)/2t1t2RRR心电信号处理第35页Biomedical signal processing36Nankai University, CY LI, 2022/9/4T波检测T波检出幅度和形状，小波变换,T波终点零点，最负斜率切线和基线交点，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区域拟合一直线, 它于等电位交点,心电信号处理第36页Biomedical signal processing37Nankai University,

21、CY LI, 2022/9/4心电图小波变换(a) 原始心电信号(b) 21尺度 (c) 25尺度msmsmsuV图1：心电图二次样条小波变换结果。（a）：原始信号， （b）：21尺度， （c）：25尺度心电信号处理第37页Biomedical signal processing38Nankai University, CY LI, 2022/9/4T波检出四种方法技术阈值法(TH): T波与阈值水平交点,微分阈值(DTH): T波微分与阈值水平交点,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波最大斜率脸限于等位线交点,Threshold: 5-

22、15% of the peak,心电信号处理第38页Biomedical signal processing39Nankai University, CY LI, 2022/9/4QT间隔确实定QT duration: t(Q)-t(T)ECG waveforms心电信号处理第39页Biomedical signal processing40Nankai University, CY LI, 2022/9/4心电频谱分析FFTAR model心电信号处理第40页Biomedical signal processing41Nankai University, CY LI, 2022/9/4频率心

23、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相关性,相互关函数, Vxy, 反应两个导联信号在不一样时刻相互关系,传递函数相移, V5与II信号间相频对应关系,心电信号处理第41页Biomedical signal processing42Nankai University, CY LI, 2022/9/4心电信号时间特征HRV是指心率波动，或者心动周期之间差异性。正常人心率有相当于平均值10%波动，这种波

24、动程度降低是心脏异常表现。HRV分析方法：时域分析，RR间期标准差，普通为100-140ms, 50ms异常,频域分析，LF(0.04-0.15Hz)和HF(0.15-0.4Hz)功率谱比较，非线性分析：散点图，相关维数，复杂度等。心电信号处理第42页Biomedical signal processing43Nankai University, CY LI, 2022/9/4心室晚电位(VLP)定义: 心室肌损伤后使局部心肌延迟除极引发破裂电位, 位置：出现在QRS波末端和ST段上高频、低幅微小电活动。疾病：VLP常见于心肌缺血所致室性心动过速，尤其是心肌更死后室速，被认为是预测室性心律失常信号。心电信号处理第43页Biomedical signal processing44Nankai University, CY LI, 2022/9/4心室晚电位(VLP)三个指标：QRS终末40ms 电压: RMS4020V,QRS 终末电压连续低于40V 时限: QRS末端=40ms,QRS 时限: QRS总时限110-119ms,VLP检测,微伏级(2-20 V), 信号平均技术, 叠加100-200