心率變異性及其相關(guān)算法的實現(xiàn)

1、心率變異性及其相關(guān)算法的實現(xiàn)報告內(nèi)容報告內(nèi)容概念介紹概念介紹概念介紹概念介紹v 心率變異性（心率變異性（heart rate variability, HRV）是指連續(xù)心）是指連續(xù)心跳間跳間R-R間期的微小漲落。間期的微小漲落。HRV反映了心臟交感神經(jīng)和迷走反映了心臟交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)活動的緊張性和均衡性，是一種檢測自主神經(jīng)性活動的神經(jīng)活動的緊張性和均衡性，是一種檢測自主神經(jīng)性活動的非侵入性指標。近十年來的大量研究已充分肯定了自主神經(jīng)非侵入性指標。近十年來的大量研究已充分肯定了自主神經(jīng)活動與多種疾病有關(guān)系，特別是與某些心血管疾病的死亡率活動與多種疾病有關(guān)系，特別是與某些心血管疾病的死亡率，尤其

2、是猝死率有關(guān)。，尤其是猝死率有關(guān)。v 通過心電圖（通過心電圖（ECG）對心率的微小漲落的變換和處理來獲得心血）對心率的微小漲落的變換和處理來獲得心血管系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)等有關(guān)信息的信號分析過程即管系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)等有關(guān)信息的信號分析過程即HRV分析分析，是近年來的研究熱點之一。針對，是近年來的研究熱點之一。針對HRV的研究對心血管疾病的研究對心血管疾病的早期診斷、病中監(jiān)護以及預后評估等都有重要的意義的早期診斷、病中監(jiān)護以及預后評估等都有重要的意義。HRV的的分析方法分析方法概念介紹概念介紹理論成熟、算法簡單、理論成熟、算法簡單、各項指標意義明確，因各項指標意義明確，因此較廣泛的應用于臨床此較

3、廣泛的應用于臨床和醫(yī)學實驗中和醫(yī)學實驗中仍然處于研究探索仍然處于研究探索階段，還沒有實現(xiàn)階段，還沒有實現(xiàn)臨床應用臨床應用時域分析時域分析v 時域分析是通過計算一系列有關(guān)時域分析是通過計算一系列有關(guān)R-R間期的數(shù)理統(tǒng)計指標來評價間期的數(shù)理統(tǒng)計指標來評價心率變異性的臨床價值。常用的統(tǒng)計參數(shù)指標有均值（心率變異性的臨床價值。常用的統(tǒng)計參數(shù)指標有均值（MEAN）、總體標準差（）、總體標準差（SDNN）、均值標準差（）、均值標準差（SDANN）和差值均）和差值均方的平方根（方的平方根（r-MSSD）等。）等。v 基于時域的分析方法，計算簡單意義直觀，易于為臨床醫(yī)生所接受基于時域的分析方法，計算簡單意義直

4、觀，易于為臨床醫(yī)生所接受，但是它的靈敏度、特異性低，不能進一步區(qū)分心臟交感、迷走神，但是它的靈敏度、特異性低，不能進一步區(qū)分心臟交感、迷走神經(jīng)的張力及其均衡性的變化，因此在實際中還要結(jié)合頻域的分析方經(jīng)的張力及其均衡性的變化，因此在實際中還要結(jié)合頻域的分析方法。法。頻域分析頻域分析v 頻域分析是將連續(xù)正常的頻域分析是將連續(xù)正常的R-R間期進行基于間期進行基于FFT的經(jīng)典譜估計或的經(jīng)典譜估計或基于自回歸基于自回歸AR模型的現(xiàn)代譜估計獲得的功率譜密度，可以作為定量模型的現(xiàn)代譜估計獲得的功率譜密度，可以作為定量的指標來描述的指標來描述HRV信號的能量分布情況，它將各種生理因素作適當分信號的能量分布情況

5、，它將各種生理因素作適當分離后進行分析，因而有較大的臨床應用價值。常用的譜參數(shù)有離后進行分析，因而有較大的臨床應用價值。常用的譜參數(shù)有VLF極極低頻段（低頻段（0.00330.04Hz）的功率、）的功率、LF低頻段（低頻段（0.040.15Hz）的功率、）的功率、HF高頻段（高頻段（0.150.4Hz）的功率）的功率、TP信號總功率（信號總功率（VLF、LF和和HF的總和）。的總和）?；驹砘驹砭唧w算法具體算法QRS波群提取的微分閾值法波群提取的微分閾值法v 低通濾波低通濾波v高通濾波高通濾波v 微分微分v平方平方v加窗平均加窗平均v閾值設定以及判斷閾值設定以及判斷低通濾波低通濾波v 低

6、通濾波旨在去除高頻（肌電、高頻電刀等）干擾，其傳遞函數(shù)為低通濾波旨在去除高頻（肌電、高頻電刀等）干擾，其傳遞函數(shù)為v 對應的差分方程為對應的差分方程為低通濾波雖然濾除了高頻干低通濾波雖然濾除了高頻干擾，但它帶來了極大的基漂擾，但它帶來了極大的基漂，所以僅僅進行低通濾波是，所以僅僅進行低通濾波是不夠的，還必須利用高通濾不夠的，還必須利用高通濾波來消除這些基漂波來消除這些基漂高通濾波高通濾波v 高通濾波旨在去除低頻（基漂）干擾，其傳遞函數(shù)為高通濾波旨在去除低頻（基漂）干擾，其傳遞函數(shù)為v 對應的差分方程為對應的差分方程為高通濾波有效的去除了基漂，高通濾波有效的去除了基漂，但是噪聲部分的干擾依然較大

7、但是噪聲部分的干擾依然較大，為了更有效的提取，為了更有效的提取QRS 波群，波群，必須對信號進行微分計算必須對信號進行微分計算微分微分v 微分算法的傳遞函數(shù)為微分算法的傳遞函數(shù)為v 對應的差分方程為對應的差分方程為微分使得正負半軸的信微分使得正負半軸的信號幅值近乎相等號幅值近乎相等平方及加窗平均平方及加窗平均v 平方旨在將幅值為負的信號變?yōu)榉禐檎男盘?，平方旨在將幅值為負的信號變?yōu)榉禐檎男盘枺?2 點加窗平點加窗平均旨在對平方后的信號進行平滑處理，其傳遞函數(shù)為均旨在對平方后的信號進行平滑處理，其傳遞函數(shù)為v 對應的差分方程為對應的差分方程為閾值設定及判斷閾值設定及判斷v 閾值設定采用自適

8、應迭代法閾值設定采用自適應迭代法v 利用利用MATLAB的的findpeaks函數(shù)對信號中的峰值進行檢測，得函數(shù)對信號中的峰值進行檢測，得到一組數(shù)據(jù)，設為到一組數(shù)據(jù)，設為PEAK(i)v 當前檢測到的峰值當前檢測到的峰值PEAK(i)為信號峰值時，更新為信號峰值時，更新SPK(i)：v 當前檢測到的峰值當前檢測到的峰值PEAK(i)為噪聲峰值時，更新為噪聲峰值時，更新NPK(i)：初值設定：初值設定：SPK(0)為前為前8個連續(xù)的個連續(xù)的1s內(nèi)各自內(nèi)各自最大值的平均；最大值的平均；NPK(0)為為0閾值設定及判斷閾值設定及判斷v 更新當前的閾值更新當前的閾值時域參數(shù)的計算方法時域參數(shù)的計算方法

9、v 均值（均值（MEAN）旨在反映）旨在反映R-R間期的平均水平，其計算公式為間期的平均水平，其計算公式為v 總體標準差（總體標準差（SDNN）可以用來評估）可以用來評估24h長程長程HRV的總體變化的總體變化，其計算公式為，其計算公式為時域參數(shù)的計算方法時域參數(shù)的計算方法v 均值標準差（均值標準差（SDANN）反映）反映HRV中的慢變化成分，其計算公式為中的慢變化成分，其計算公式為v 差值均方的平方根（差值均方的平方根（r-MSSD）反映）反映HRV中的快變化成分，其計中的快變化成分，其計算公式為算公式為時域參數(shù)時域參數(shù)SDNNSDANNr-MSSD1829歲歲169.9241.01151.

10、0741.3172.3947.103049歲歲148.3132.80130.2333.7548.4020.905069歲歲121.1929.27108.8728.4640.4018.29頻域參數(shù)的計算方法頻域參數(shù)的計算方法v 本報告是基于本報告是基于FFT的經(jīng)典譜估計的方法計算頻域參數(shù)的的經(jīng)典譜估計的方法計算頻域參數(shù)的v 各頻域參數(shù)及其生理意義如下表所示：各頻域參數(shù)及其生理意義如下表所示：頻域參數(shù)頻域參數(shù)參數(shù)意義參數(shù)意義VLF極低頻段（極低頻段（0.00330.04Hz）的功率）的功率機制不明。可能是與體溫調(diào)節(jié)、腎素血管緊張素系統(tǒng)及體液因子等因素有關(guān)的長期的調(diào)節(jié)機制有關(guān)LF低頻段（低頻段（0.

11、040.15Hz）的功率）的功率解釋仍然有爭議，但是大多數(shù)學者認為它是交感神經(jīng)活動的標志HF高頻段（高頻段（0.150.4Hz）的功率）的功率由迷走神經(jīng)介導，代表呼吸變異TP信號總功率（信號總功率（VLF、LF和和HF的總和）的總和）信號總的變異性計算結(jié)果計算結(jié)果結(jié)果分析結(jié)果分析時域參數(shù)結(jié)果分析時域參數(shù)結(jié)果分析v 本報告采用了本報告采用了10段段ECG數(shù)據(jù)，每段數(shù)據(jù)，每段1min，采樣率，采樣率200Hz，幅，幅度單位度單位mV組號組號心率（次心率（次/min）MEAN(ms)SDNN(ms)r-MSSD(ms)174812.328849.835980.0976271849.785750.03

12、1726.7842370855.579733.007930.1528474811.438435.447051.5658567881.666797.938348.50856581.0340e+00394.7038133.6006765911.4063268.0230497.3370886691.2941211.7645387.6543993641.413041.665960.317410103579.951098.6092172.1738時域參數(shù)結(jié)果分析時域參數(shù)結(jié)果分析v 不正常組的數(shù)據(jù)提供者自身的心率變異性存在問題；不正常組的數(shù)據(jù)提供者自身的心率變異性存在問題；v 由于由于SDNN是一個受個體

13、差異、時空差異干擾很大的參數(shù)，是一個受個體差異、時空差異干擾很大的參數(shù)，所以如果數(shù)據(jù)的樣本容量太小，則樣本對總體缺乏足夠的代所以如果數(shù)據(jù)的樣本容量太小，則樣本對總體缺乏足夠的代表性，從而難以保證表性，從而難以保證SDNN推算結(jié)果的精確度和可靠性。對于時推算結(jié)果的精確度和可靠性。對于時域參數(shù)來說，本報告中數(shù)據(jù)長度只有域參數(shù)來說，本報告中數(shù)據(jù)長度只有1min是遠遠不夠的，一般計是遠遠不夠的，一般計算算SDNN的數(shù)據(jù)長度都必須是的數(shù)據(jù)長度都必須是24h以上。以上。頻域參數(shù)結(jié)果分析頻域參數(shù)結(jié)果分析頻域參數(shù)結(jié)果分析頻域參數(shù)結(jié)果分析v 由于樣本容量和心率采集分辨率的限制，導致數(shù)據(jù)的功率譜在由于樣本容量和心

14、率采集分辨率的限制，導致數(shù)據(jù)的功率譜在0.0033Hz0.4Hz頻段中沒有采樣點，所以我們無法計算頻段中沒有采樣點，所以我們無法計算頻域參數(shù)頻域參數(shù)VLF、LF、HF和和TP。對于頻域參數(shù)來說，本報告中。對于頻域參數(shù)來說，本報告中數(shù)據(jù)長度只有數(shù)據(jù)長度只有1min也是遠遠不夠的，一般計算頻域參數(shù)的數(shù)也是遠遠不夠的，一般計算頻域參數(shù)的數(shù)據(jù)長度都必須是據(jù)長度都必須是24h以上。以上。算法總結(jié)算法總結(jié)算法總結(jié)算法總結(jié)1在計算心率變在計算心率變異性之前，必異性之前，必須對待處理的須對待處理的心電信號進行心電信號進行QRS波群的提波群的提取。取。2計算心率變異計算心率變異性對數(shù)據(jù)長度性對數(shù)據(jù)長度有一定的要

15、求有一定的要求。3計算心率變異計算心率變異性對采樣頻率性對采樣頻率也有一定的要也有一定的要求。求。微分閾值法是較為有效的提取方法之一，該算法可以進行實時檢測，且微分閾值法是較為有效的提取方法之一，該算法可以進行實時檢測，且準確度較高，心率誤判發(fā)生的概率低。準確度較高，心率誤判發(fā)生的概率低。數(shù)據(jù)長度過短，時域參數(shù)的計算結(jié)果誤差大、準確度低；頻域數(shù)據(jù)長度過短，時域參數(shù)的計算結(jié)果誤差大、準確度低；頻域參數(shù)的計算結(jié)果靈敏度差。計算心率變異性的數(shù)據(jù)長度往往要參數(shù)的計算結(jié)果靈敏度差。計算心率變異性的數(shù)據(jù)長度往往要在在24h以上。以上。采樣頻率太低，容易導致所需要頻段（采樣頻率太低，容易導致所需要頻段（0.

16、0033Hz0.4Hz）的數(shù)據(jù)沒）的數(shù)據(jù)沒有被采集到，影響最終分析結(jié)果。有被采集到，影響最終分析結(jié)果。疾病診查疾病診查研究意義研究意義疾病診查與研究意義疾病診查與研究意義v 檢測冠心病病人猝死的發(fā)生。凡副交感神經(jīng)張力降低的冠心檢測冠心病病人猝死的發(fā)生。凡副交感神經(jīng)張力降低的冠心病人，其心室顫動的閾值低，容易發(fā)生心臟性猝死，而且心病人，其心室顫動的閾值低，容易發(fā)生心臟性猝死，而且心肌梗塞后的死亡率也增高。肌梗塞后的死亡率也增高。v 了解副交感神經(jīng)的受損情況。充血性心力衰竭患者植物神經(jīng)機能普了解副交感神經(jīng)的受損情況。充血性心力衰竭患者植物神經(jīng)機能普遍受損害而降低，但副交感神經(jīng)受損更顯著，可運用頻域

17、分析法進遍受損害而降低，但副交感神經(jīng)受損更顯著，可運用頻域分析法進行監(jiān)測。行監(jiān)測。v 探討高血壓的始動機制?，F(xiàn)已查明，原發(fā)性高血壓患者的交感神探討高血壓的始動機制?，F(xiàn)已查明，原發(fā)性高血壓患者的交感神經(jīng)張力增高，而副交感神經(jīng)的張力降低，且與高血壓的嚴重程度經(jīng)張力增高，而副交感神經(jīng)的張力降低，且與高血壓的嚴重程度呈明顯的正相關(guān)。但是，老年高血壓患者的上述變化不甚明顯。呈明顯的正相關(guān)。但是，老年高血壓患者的上述變化不甚明顯。通過植物神經(jīng)功能測定，可以了解高血壓的始動機制。通過植物神經(jīng)功能測定，可以了解高血壓的始動機制。疾病診查與研究意義疾病診查與研究意義v 監(jiān)測和評價糖尿病患者的植物神經(jīng)機能狀況。糖

18、尿病患者的植物神經(jīng)監(jiān)測和評價糖尿病患者的植物神經(jīng)機能狀況。糖尿病患者的植物神經(jīng)和周圍神經(jīng)均受損害，且兩者呈平行關(guān)系。通過心率變異性檢查，可和周圍神經(jīng)均受損害，且兩者呈平行關(guān)系。通過心率變異性檢查，可以了解植物神經(jīng)機能的受損害程度。以了解植物神經(jīng)機能的受損害程度。v 通過評價交感神經(jīng)張力亢進情況，用于診斷年輕患者的血管迷走性暈厥通過評價交感神經(jīng)張力亢進情況，用于診斷年輕患者的血管迷走性暈厥。v 監(jiān)測心肌病患者病情。無心力衰竭的擴張型心肌病患者，植物神經(jīng)功監(jiān)測心肌病患者病情。無心力衰竭的擴張型心肌病患者，植物神經(jīng)功能普遍受損。通過心率功率譜分析，可以了解心肌病患者的病情。能普遍受損。通過心率功率譜分析，可以了解心肌病患者的病情。疾病診查與研究意義疾病診查與研究意義v 監(jiān)測心臟移植術(shù)后的排斥反應。心臟移植術(shù)后，患者心臟心率變監(jiān)測心臟移植術(shù)后的排斥反應。心臟移植術(shù)后，患者心臟心率變異性顯著降低甚至消失，一旦發(fā)生排斥反應，心率變異性則明顯異性顯著降低甚至消失，一旦發(fā)生排斥反應，心率變異性則明顯增高，因此，心臟移植術(shù)后應定期檢查心率變異性，以了解和預增高，因此，心臟移