心電信號的處理

1、Ch4: 心電信號的處理o心電圖的產(chǎn)生,o心電圖處理的基本思路,n時間上: 動態(tài)和靜態(tài),n空間上: 心肌電特性的空間離散度,o心電圖處理和分析的發(fā)展,Nankai University, CY LI, 2021/9/21心電信號的形成（1）o心肌細胞的動作電位n心肌細胞除極和復(fù)極的電生理現(xiàn)象,n極化狀態(tài)(polarised): 靜息電位(resting potential),n動作電位(action potential, AP): 除極(depolarisation)和復(fù)極(repolarisation),mV-90-600+200心室肌細胞動作電位示意圖1234300msNankai Uni

2、versity, CY LI, 2021/9/22心電信號的形成（2）o電興奮的傳導(dǎo)(conduction or spread of electrical excitation)n竇房結(jié): 心臟的起搏興奮點, 其細胞自發(fā)產(chǎn)生50-100次/分的可傳導(dǎo)AP,n心房的傳導(dǎo): 心房傳導(dǎo)束-右心房-左心房n傳導(dǎo)系統(tǒng)的傳播: 房室束-希氏束-左、右分支-普金野（Purkinje）纖維網(wǎng)-心室肌,n電興奮通過Purkinje網(wǎng)使心室肌細胞興奮，Nankai University, CY LI, 2021/9/23心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)Nankai University, CY LI, 2021/9/24Englis

3、h termso竇房結(jié): sinus node,o心房: atrium, 心室: ventricle, o房室結(jié): atrioventricular node (junction),o希氏束: bundle of His,o普金野纖維: Pukinje fibres,o心臟表面(心外膜): epicardium,o心內(nèi)膜：endocardiumo體表：body surface Nankai University, CY LI, 2021/9/25心電信號的形成（3）o心電圖(electrocardiogram, ECG)的產(chǎn)生n電流源：每個心肌細胞的除極和復(fù)極過程等效于一個偶極子層（dipol

4、e layer）n容積導(dǎo)體(volume conductor):人體組織是導(dǎo)電的，看作是一個容積導(dǎo)體，n心電向量: 所有心肌細胞的偶極子場的向量和,n心電圖：所有心肌細胞的偶極子場在容積導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電場，從而有電位差產(chǎn)生，即心電圖。p體表心電圖,p心外膜、心內(nèi)膜電圖,p希氏束電圖，Nankai University, CY LI, 2021/9/26典型心電信號波形oP, QRS, ST, TS-T段QRSTPQTNankai University, CY LI, 2021/9/27心電圖的記錄(Recording of ECG)o標準導(dǎo)聯(lián),n肢體導(dǎo)聯(lián), 胸導(dǎo)聯(lián),o體表多部位標測(body su

5、rface mapping),n32-512通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(multi-channel data acquisition system),n電極背心, (electrode vest)o心臟表面的多部位標測(epicardial mapping),n多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)n電極套(electrode sock)o心臟內(nèi)膜的多部位標測(endocardial mapping),n多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)n導(dǎo)管(catheter)和傘電極Nankai University, CY LI, 2021/9/28Body surface mappingNankai University, CY LI, 2

6、021/9/29Epicardial electrode sockNankai University, CY LI, 2021/9/210標準導(dǎo)聯(lián)(1)o12標準導(dǎo)聯(lián)(standard leads)n標準I， II，III肢體導(dǎo)聯(lián)(bipolar limb leads),IIIIIIRFLR: right armL: left armF: left footI=EL-ER,II=EF-ER,III=EF-ELNankai University, CY LI, 2021/9/211標準導(dǎo)聯(lián)(2)加壓肢體導(dǎo)聯(lián)標準aVR, aVL, aVF (augmented unipolar limb lead

7、s),LWilson terminal:C點的電位,aVL和aVF的連接相似R/2RRRFCaVR+-Nankai University, CY LI, 2021/9/212標準導(dǎo)聯(lián)(3)o單極胸導(dǎo)聯(lián)V1-V6 (unipolar precordial leads), precordial: chest wall,o中心電端(Wilson terminal)oV1-V6, 胸前電極分別與中心電端的電位差,Nankai University, CY LI, 2021/9/213心電信號的畸變o心臟的病變：n傳導(dǎo)阻滯，早搏，室顫、房顫, 心肌缺血、梗塞等,nQRS變寬, ST段位移出現(xiàn), 心率變化

8、等,o來自心臟外的干擾信號：n50Hz工頻干擾n肌電干擾， 10-300Hz,n呼吸的干擾，使基線漂移加劇，Nankai University, CY LI, 2021/9/214心電信號的預(yù)處理o抑制工頻干擾，o基線糾漂，Nankai University, CY LI, 2021/9/215噪聲抑制和基線漂(detrending)o低通濾波器n可以濾掉心電信號中的肌電信號的高頻干擾，o抑制工頻干擾n自適應(yīng)濾波抑制工頻干擾，o基線漂移的糾正n抵消法糾漂，n基線糾漂濾波器， 0.7Hz的高通截止頻率，Nankai University, CY LI, 2021/9/216移動平滑濾波器(低通濾

9、波)Nankai University, CY LI, 2021/9/217H(z)和H(z)*H(z)的比較oH(z):n旁瓣太大, 13dB; n相頻特性雖在通帶內(nèi)保持線性, 但在進入阻帶后有突變, 有可能造成心電信號的高頻相位失真;oH(z)*H(z):n旁瓣有較大的衰減, 26.7dB,n有真正的線性相位;Nankai University, CY LI, 2021/9/218移動平滑濾波器(N=8)oFs=1000HzoN=8,H(z), n-3dB, 55Hz, nthe first side peak: -13dB, nnonlinear phase angleo H(z)*H(

10、z), n-3dB, 55Hz, nthe first side peak: -26.7dB, nlinear phase angleNankai University, CY LI, 2021/9/219移動平滑濾波器(N=33)oH(z): n-3dB: 0.08Hz, nthe first side peak: -13dBoH(z)*H(z): n-3dB: 0.08Hz, nthe first side peak: -26.7dBNankai University, CY LI, 2021/9/220移動平滑濾波器的效果Nankai University, CY LI, 2021/9/

11、221MA的H(z)和H(z)*H(z)隨N的變化00.20.40.60.81-60-50-40-30-20-100MA H(z)pi00.20.40.60.81-4-3-2-1012H(z) Angle00.20.40.60.81-60-50-40-30-20-100 H(z)*H(z)pi00.20.40.60.81-120-100-80-60-40-200 H*H AngleN=8N=13N=8N=13Nankai University, CY LI, 2021/9/222自適應(yīng)濾波o根據(jù)輸入信號自動調(diào)節(jié)濾波器的參數(shù), 使其性能指標最優(yōu)化，o適用于對信號和噪聲無先驗知識(頻譜)的或非平穩(wěn)

12、信號,o基本結(jié)構(gòu): 濾波器、優(yōu)化指標算法、濾波器參數(shù)修改算法，n濾波器： FIR, IIR，n優(yōu)化準則：信噪比最高、輸出誤差均方差最小，n參數(shù)修改：遞歸、非遞歸， Nankai University, CY LI, 2021/9/223y(t)自適應(yīng)消噪聲+濾波器修改參數(shù)信號源噪聲源x(t)=s(t)+n0(t)x(t)+-n1(t)n0(t): 噪聲源（如50Hz工頻信號），n1(t)：通過某一未知網(wǎng)絡(luò)的同一噪聲源，n0(t)：濾波器輸出的估值，x(t)=s(t)+ n0(t)- y(t)=s(t)+ n0(t)- n0(t)要使得x(t)在最小均方差意義上與信號s(t)最佳匹配，的最佳估值

13、是最小時當(dāng)s(t) x(t),)()()()()()(20020022tntnEtntnEtsEtxENankai University, CY LI, 2021/9/224基線糾漂o抵消法：從信號中減去基線的估計值, 心電基線漂移可看成某種超低頻干擾信號,nx(n)=s(n)+w(n), 用w(n)來逼近w(n), 并從s(n)中減去, s(n)=x(n)-w(n),nPQ段為基線，常以PQ段的中點作為基準點，用多項式擬合基線的估計函數(shù)， 如最簡單的線性擬合、三次樣條函數(shù)擬合等，x(n)=s(n)+w(n)基線估計+-s(n)w(n)Nankai University, CY LI, 202

14、1/9/225基線糾漂濾波器o基線糾漂濾波器(HP)n高通濾波器，高通截止頻率：0.7Hz， 即以40次/分為心臟搏動過緩的下限，n基線糾漂及50Hz陷波濾波器,o理想的心電信號預(yù)處理濾波器n 基線糾漂+50Hz限波,n可用頻率抽樣法設(shè)計這種濾波器,fH(f)50100150fkNankai University, CY LI, 2021/9/226糾漂和50Hz陷波的效果Nankai University, CY LI, 2021/9/227整系數(shù)基線糾漂濾波器o梳狀濾波器的數(shù)學(xué)表示;8451225624256212164*641)(11641)()4()256()(641)(zzzzzHz

15、zzHnynxnxnyNankai University, CY LI, 2021/9/228整系數(shù)基線糾漂濾波器(2)o梳狀濾波器的數(shù)學(xué)表示;02040608010000.20.40.60.81H(z)02040608010000.20.40.60.81H(z)*H(z)02040608010000.20.40.60.811-H(z)*H(z)020406080100-300-250-200-150-100-5001-H(z)*H(z) in dBNankai University, CY LI, 2021/9/229整系數(shù)Filter的效果02040608010000.20.40.60.8

16、1comb filter H(z)02040608010000.20.40.60.81H(z)*H(z)050100150200250-2000-1000010002000ECG signal at Fs=200Hz050100150200250-2000-1000010002000filtered ECG024681000.20.40.60.811-H*H050100150200250020406080filtered trendNankai University, CY LI, 2021/9/230心電信號的分析o特征波形的檢測nQRS波的檢測，T波的檢測，ST段位移，o心電圖的頻譜分析n

17、FFT, AR model, 時頻分析, wavelet transformationo心電信號的非線性分析n相關(guān)維數(shù)，nHRV (heart rate variability)，nT波交替（TWA），o心電信號的空間信息，nQT離散度，Nankai University, CY LI, 2021/9/231QRS波的檢測oQRS的特點:n其能量在心電信號中占很大的比例, n其頻譜分布在中高頻區(qū), 峰值落在10-20Hz之間,o二階導(dǎo)數(shù)算法n心電信號的一階和二階導(dǎo)數(shù)的平方和作為QRS波標記的脈沖信號,o移動平均算法n其求導(dǎo)平方運算和上相同, 并對求導(dǎo)平方數(shù)據(jù)進行移動平均, 從而突出QRS波的特

18、征信息,o正交濾波算法Nankai University, CY LI, 2021/9/232QRS波的頻譜oQRS的特點:n其能量在心電信號中占很大的比例, n其頻譜分布在中高頻區(qū), 峰值落在10-20Hz之間,Nankai University, CY LI, 2021/9/233R波峰點的檢測o斜率變號o雙邊閾值檢測法n取一個固定的閾值Ra, t1,t2分別為R波上升和下降通過這個閾值的時刻，則R基準點的位置t=(t1+t2)/2o固定寬度檢測法n選一個固定寬度, 尋找為一個R波的t1, t2, t=(t1+t2)/2, 此法不受波形幅度變動和基線漂移的影響。的轉(zhuǎn)折點到點，變號的點即為0

19、0 RdtdxdtdxdtdxNankai University, CY LI, 2021/9/234R波峰點的檢測dx/dt0dx/dt0Rat2t1t=(t1+t2)/2t1t2RRRNankai University, CY LI, 2021/9/235T波的檢測oT波的檢出n幅度和形狀，n小波變換,oT波的終點n零點，n最負的斜率切線和基線的交點，n最小二乘法擬合波, 用最小二乘法在T波后半支寫率最大點附近的區(qū)域擬合一直線, 它于等電位的交點,Nankai University, CY LI, 2021/9/236心電圖的小波變換(a) 原始心電信號(b) 21尺度 (c) 25尺度m

20、smsmsuV圖1：心電圖的二次樣條小波變換結(jié)果。（a）：原始信號， （b）：21尺度， （c）：25尺度Nankai University, CY LI, 2021/9/237T波的檢出四種方法o技術(shù)閾值法(TH): T波與閾值水平的交點,o微分閾值(DTH): T波的微分與閾值水平的交點,o技術(shù)斜率交點(SI): T波最大斜率與等位線交點,o技術(shù)峰斜率交點(PSI): T波高峰和T波最大斜率的臉限于等位線的交點,oThreshold: 5-15% of the peak,Nankai University, CY LI, 2021/9/238QT間隔的確定oQT duration: t(Q

21、)-t(T)oECG waveformsNankai University, CY LI, 2021/9/239心電頻譜分析oFFToAR model020040060080010001200-6000-4000-2000020004000ECG050100150200250300350400450500020406080FFT, PSD, AR(14) of ECGFFTWelchARNankai University, CY LI, 2021/9/240頻率心電圖 FCG (frequency-domain correlative cardiograph)o設(shè)為一個系統(tǒng), 輸入: V5,

22、輸出: II,o幾個參數(shù):n自功率譜, Px, Py,n自相關(guān)函數(shù), Vxx, Vyy, 同一信號在時間上前后的相關(guān)性,n互相關(guān)函數(shù), Vxy, 反映兩個導(dǎo)聯(lián)的信號在不同時刻的相互關(guān)系,n傳遞函數(shù)相移, V5與II信號間的相頻對應(yīng)關(guān)系,Nankai University, CY LI, 2021/9/241心電信號的時間特性oHRV是指心率的波動，或者心動周期之間的差異性。o正常人的心率有相當(dāng)于平均值10%的波動，這種波動程度的降低是心臟異常的表現(xiàn)。oHRV的分析方法：n時域分析，RR間期的標準差，一般為100-140ms, 50ms異常,n頻域分析，LF(0.04-0.15Hz)和HF(0.

23、15-0.4Hz)的功率譜的比較，n非線性分析：散點圖，相關(guān)維數(shù)，復(fù)雜度等。Nankai University, CY LI, 2021/9/242心室晚電位(VLP)o定義: 心室肌損傷后使局部心肌延遲除極引起的破裂電位, o位置：出現(xiàn)在QRS波末端和ST段上的高頻、低幅的微小電活動。o疾病：VLP常見于心肌缺血所致的室性心動過速，尤其是心肌更死后的室速，被認為是預(yù)測室性心律失常的信號。Nankai University, CY LI, 2021/9/243心室晚電位(VLP)o三個指標：nQRS終末40ms 的電壓: RMS4020V,nQRS 終末電壓持續(xù)低于40V 的時限: QRS末端=40ms,nQRS 時限: QRS總時限110-119ms,oVLP的檢測,n微伏級(2-20 V), n信號平均技術(shù), 疊加100-200次,n采用正交心電圖X, Y, Z雙極導(dǎo)聯(lián), RMS: 222ZYXNankai University, CY LI, 2021/9/244TWA (T wave alternans)oT波交替oT 波交替現(xiàn)象是一種心電變異性現(xiàn)象, 指心電信號T 波段出現(xiàn)幅度、形狀甚至極性的逐拍交替變化。o臨床研究表明, V量級的TWA 現(xiàn)象與室性心動過速和室顫易發(fā)性有關(guān)。檢測體表心電圖中是否存在微伏量級的TWA 現(xiàn)象, 也成為臨床上預(yù)測心臟性猝死的一個可靠而無創(chuàng)的指