心電實驗報告

心血管系統(tǒng)生理信號采集與分析6084班吳敏3116037018一.實驗目的了解心電信號、脈搏波等心血管生理信號產(chǎn)生的原理和信號特征；熟悉和掌握心電圖、脈搏波、血氧飽和度、呼吸等生理信號的檢測方法和技術；學習利用MP150型多導電生理記錄儀采集心電、脈搏、血氧、呼吸等生理信號，并利用MATLAB軟件對采集到的信號進行處理分析和特征提??；二.實驗原理1.心電圖心電圖（Electrocardiogram,ECG）是利用心電圖機從體表記錄心臟在每一心動周期所產(chǎn)生的電活動變化的圖形的技術。心電波形如下圖所示：心臟的電激動從竇房結(jié)開始，首先傳導至右左心房，P波代表了心房的去極化過程，當心房傳導受阻時，可表現(xiàn)為高尖波；PR間期為心房到心室的傳導，出現(xiàn)阻滯時表現(xiàn)為間期的延長或P波之后心室波消失；QRS波表示心室的除極化；ST段代表心室除極完成，復極尚未開始的一段時間；T波表示心室的復極化過程。2.血氧飽和度血氧飽和度（SpO2）是血液中氧合血紅蛋白（HbO2）的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白（Hb）容量的百分比，反應了機體的供氧飽和程度，是重要的心血管特征指標。目前測SpO2的有效方法是光電容積波描記法，使用波長660nm的紅光和940nm的近紅外光作為入射光源，測定通過組織的光傳導強度，來計算血紅蛋白濃度及血氧飽和度。3.心率變異性心率變異性指逐次心跳RR間期之間存在的微小差異或微小漲落現(xiàn)象。其產(chǎn)生與腦高級神經(jīng)活動、中樞神經(jīng)自發(fā)性節(jié)律活動、呼吸以及壓力化學傳感器傳入的心血管反向活動有關。HRV蘊含了大量信息，對這些信息的提取和分析可預定量評估心臟交感和迷走神經(jīng)活動的緊張性、均衡性及其對心血管系統(tǒng)活動的影響。HRV分析基于對ECG信號的處理和特征提取，一定時間內(nèi)（長時程24H，短時程5min）提取RR間期，進而可計算出時域、頻域及非線性等不同HRV指標。三.實驗方法在對心血管生理信號檢測方法和MP150采集系統(tǒng)學習和了解后，本組設計的實驗是探討呼吸頻率及運動對心血管調(diào)節(jié)功能的影響。對被試進行自主呼吸態(tài)和控制呼吸、跑步后三種狀態(tài)下的心電、脈搏血氧信號的采集，測試時保證被試安靜坐位，具體測試分為以下三種狀態(tài)：①自主呼吸態(tài)：被試安靜、睜眼。保持坐姿，測試間正常光線，無聲。保持平靜的自主呼吸。②控制呼吸態(tài)：吸4秒呼4秒，呼吸時盡量保持坐姿，呼吸速率由主試控制并提示被試“呼”“吸”。③跑步后：被試在跑步機上以9Km/h的速度勻速跑5分鐘后，立即記錄。三種狀態(tài)各采集5分鐘時間長度的數(shù)據(jù)，其中狀態(tài)②和③之間間隔至少5分鐘，測試過程盡量保持安靜，注意測試數(shù)據(jù)保存。此后分別對心電和脈搏分別進行峰值檢測，提取RR間期和脈搏波峰峰值間期序列、傳輸時間PPT序列，對RR間期進行HRV分析，結(jié)合分析結(jié)果給出最終結(jié)論。四.實驗過程及結(jié)果1.實驗前準備①被試基本資料采集，包括個人基本信息，病史信息等；②擦拭、清潔被試貼電極的皮膚，貼好電極、血氧探頭及其他傳感器；③清理測試現(xiàn)場，搭建MP150測試平臺，做好測試所用軟硬件準備工作。表1被試資料性別男年齡22身高/cm168體重/kg55測試前睡眠情況：否測試前24h是否飲用刺激性飲品：良好2.生理數(shù)據(jù)采集①打開AcqKnowledge軟件，設置好各項參數(shù)的采集通道和采集參數(shù)后，點擊start按鈕開始采集，點擊Autoscale按鈕自動調(diào)整波形幅度；②首先采集靜息態(tài)下5min的信號；③利用秒表計時，控制被試呼吸的頻率，采集8s/次呼吸時的信號5min；④被試在跑步機上以9Km/h的速度勻速跑5分鐘后，立即回到被試間，連接好記錄電極后開始記錄5min信號。3.生理數(shù)據(jù)分析1）數(shù)據(jù)讀入(程序見inData.m）①自主呼吸態(tài)首先利用MATLAB導入心電，脈搏波信號。如下圖所示：調(diào)整波形后，心電如下圖所示：調(diào)整波形后，脈搏波如下圖所示：②控制呼吸態(tài)：利用MATLAB導入心電，脈搏波信號。如下圖所示：調(diào)整波形后，如下圖所示：脈搏波波形：調(diào)整波形后，如下圖所示：③跑步后：利用MATLAB導入心電，脈搏波信號。如下圖所示：調(diào)整波形后如圖：脈搏波波形如下圖：調(diào)整波形后如下：峰值檢測（心電峰值檢測程序見ECGpeak.m，脈搏波峰值檢測程序見PWpeak.m）①自主呼吸態(tài)心電峰值檢測：采用幅度閾值峰值檢測方法和峰值點幅度大于其左右一段數(shù)據(jù)這一特性，檢測心電信號的峰值出現(xiàn)時間，提取檢測的一段數(shù)據(jù)作圖如下：脈搏波峰值檢測：由于脈搏波波形基線漂移及噪聲較多，在峰值檢測前先對信號使用巴特沃斯濾波器濾波，濾波器參數(shù)設計詳見程序。截取20000個點的數(shù)據(jù)后波形如下：②控制呼吸態(tài)：方法及程序同上，以下只給出結(jié)果。心電峰值檢測：

脈搏波峰值檢測：③跑步后：跑步后心電波形峰值檢測：跑步后可能由于被試呼吸時動作較大，信號中偽跡較大，故采用了0.2-2Hz帶通濾波。濾波前：濾波后：脈搏波峰值檢測：提取RR間期序列和脈搏波峰峰值間期序列及PTT波形（程序見RRtime.m、PWtime.m、PTTnew.m)①自主呼吸態(tài)②控制呼吸態(tài)：③跑步后呼吸態(tài)跑步后PPT在持續(xù)上升，如圖所示，這是因為被試剛運動后，氧氣需求量大，心率高，所以PPT較小。隨著測試的進行，被試逐漸恢復了靜息狀態(tài)，氧氣需求量變小，PTT逐漸增加。4)對提取的RR間期進行HRV分析，計算RR間期平均值及標準差、心率平均值及標準差、RMSSD（相鄰RR間期差值的標準差）、pNN50（相鄰NN之差>50ms的個數(shù)占總竇性心搏個數(shù)的百分比）。（程序見HRVindex.m）平靜呼吸狀態(tài)下HRV相關指標參數(shù)名稱取值參數(shù)名稱取值RR間期均值916.14msRR間期標準差65.46msHeartRate均值65.84bmpHeartRate標準差5.04bmpRMSSD50.37mspNN5031%控制呼吸狀態(tài)下HRV相關指標參數(shù)名稱取值參數(shù)名稱取值RR間期均值777.40msRR間期標準差107.19msHeartRate均值78.48bmpHeartRate標準差9.98bmpRMSSD93.75mspNN5023.4%跑步后呼吸態(tài)下HRV相關指標參數(shù)名稱取值參數(shù)名稱取值RR間期均值640.56msRR間期標準差43.53msHeartRate均值94.46bmpHeartRate標準差13.47bmpRMSSD28.93mspNN500.83%三種狀態(tài)下HRV指標的比較與討論：RR間期均值：平靜呼吸態(tài)>控制呼吸態(tài)>跑步后呼吸態(tài)RR間期時間在靜息狀態(tài)時最長，控制呼吸和跑步后有所下降。RR間期時間和供氧量成反比?？刂坪粑鼤r，氧輸入量減小，減小RR間期時間來增加心泵次數(shù)而增加供氧量。當跑步時，被試耗能增加，耗氧量增大，需求更多的氧氣維持運動狀態(tài)，所以RR間期最小。心率均值：平靜呼吸態(tài)<控制呼吸態(tài)<跑步后呼吸態(tài)心率變化和RR間期相反，心率和供氧量呈正比。RR間期標準差：控制呼吸態(tài)>平靜呼吸態(tài)>跑步后呼吸態(tài)心率標準差：跑步后呼吸態(tài)>控制呼吸態(tài)>平靜呼吸態(tài)跑步后心率標準差變大，可能出現(xiàn)了心率不齊。RMSSD：控制呼吸態(tài)>平靜呼吸態(tài)>跑步后呼吸態(tài)RMSSD指標與心率快變化成分有關，其值變大，一定程度上反映出在控制呼吸狀態(tài)下迷走神經(jīng)的張力水平有所變大。pNN50：平靜呼吸態(tài)>控制呼吸態(tài)>跑步后呼吸態(tài)控制呼吸和跑步后pNN50均減小，心率增加，RR間期時間減小，相鄰RR之差絕對值也減小，所以閾值50ms偏大，變化量不超過50ms，超出閾值的百分比減小。五.實驗感想1.通