心电信号的处理.ppt
Biomedical signal processing,1,Nankai University,CY LI,2023/2/15,Ch4:心电信号的处理,心电图的产生,心电图处理的基本思路,时间上:动态和静态,空间上:心肌电特性的空间离散度,心电图处理和分析的发展,Biomedical signal processing,2,Nankai University,CY LI,2023/2/15,心电信号的形成（1）,心肌细胞的动作电位心肌细胞除极和复极的电生理现象,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),Biomedical signal processing,3,Nankai University,CY LI,2023/2/15,心电信号的形成（2）,电兴奋的传导(conduction or spread of electrical excitation)窦房结:心脏的起搏兴奋点,其细胞自发产生50-100次/分的可传导AP,心房的传导:心房传导束-右心房-左心房传导系统的传播:房室束-希氏束-左、右分支-普金野（Purkinje）纤维网-心室肌,电兴奋通过Purkinje网使心室肌细胞兴奋，,Biomedical signal processing,4,Nankai University,CY LI,2023/2/15,心脏传导系统,Biomedical signal processing,5,Nankai University,CY LI,2023/2/15,English 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,Biomedical signal processing,6,Nankai University,CY LI,2023/2/15,心电信号的形成（3）,心电图(electrocardiogram,ECG)的产生电流源：每个心肌细胞的除极和复极过程等效于一个偶极子层（dipole layer）容积导体(volume conductor):人体组织是导电的，看作是一个容积导体，心电向量:所有心肌细胞的偶极子场的向量和,心电图：所有心肌细胞的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，,Biomedical signal processing,7,Nankai University,CY LI,2023/2/15,典型心电信号波形,P,QRS,ST,T,S-T,段,QRS,T,P,QT,Biomedical signal processing,8,Nankai University,CY LI,2023/2/15,心电图的记录(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通道的数据采集系统(multi-channel data acquisition system),电极背心,(electrode vest)心脏表面的多部位标测(epicardial mapping),多通道的数据采集系统电极套(electrode sock)心脏内膜的多部位标测(endocardial mapping),多通道的数据采集系统导管(catheter)和伞电极,Biomedical signal processing,9,Nankai University,CY LI,2023/2/15,Body surface mapping,Biomedical signal processing,10,Nankai University,CY LI,2023/2/15,Epicardial electrode sock,Biomedical signal processing,11,Nankai University,CY LI,2023/2/15,标准导联(1),12标准导联(standard leads)标准I，II，III肢体导联(bipolar limb leads),R:right armL:left armF:left footI=EL-ER,II=EF-ER,III=EF-EL,Biomedical signal processing,12,Nankai University,CY LI,2023/2/15,标准导联(2),加压肢体导联标准aVR,aVL,aVF(augmented unipolar limb leads),L,Wilson terminal:C点的电位,aVL和aVF的连接相似,Biomedical signal processing,13,Nankai University,CY LI,2023/2/15,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的电位差,Biomedical signal processing,14,Nankai University,CY LI,2023/2/15,心电信号的畸变,心脏的病变：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,心率变化等,来自心脏外的干扰信号：50Hz工频干扰肌电干扰，10-300Hz,呼吸的干扰，使基线漂移加剧，,Biomedical signal processing,15,Nankai University,CY LI,2023/2/15,心电信号的预处理,抑制工频干扰，基线纠漂，,Biomedical signal processing,16,Nankai University,CY LI,2023/2/15,噪声抑制和基线漂(detrending),低通滤波器可以滤掉心电信号中的肌电信号的高频干扰，抑制工频干扰自适应滤波抑制工频干扰，基线漂移的纠正抵消法纠漂，基线纠漂滤波器，0.7Hz的高通截止频率，,Biomedical signal processing,17,Nankai University,CY LI,2023/2/15,移动平滑滤波器(低通滤波),Biomedical signal processing,18,Nankai University,CY LI,2023/2/15,H(z)和H(z)*H(z)的比较,H(z):旁瓣太大,13dB;相频特性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的高频相位失真;H(z)*H(z):旁瓣有较大的衰减,26.7dB,有真正的线性相位;,Biomedical signal processing,19,Nankai University,CY LI,2023/2/15,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,Biomedical signal processing,20,Nankai University,CY LI,2023/2/15,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,Biomedical signal processing,21,Nankai University,CY LI,2023/2/15,移动平滑滤波器的效果,Biomedical signal processing,22,Nankai University,CY LI,2023/2/15,MA的H(z)和H(z)*H(z)随N的变化,Biomedical signal processing,23,Nankai University,CY LI,2023/2/15,自适应滤波,根据输入信号自动调节滤波器的参数,使其性能指标最优化，适用于对信号和噪声无先验知识(频谱)的或非平稳信号,基本结构: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，,Biomedical signal processing,24,Nankai University,CY LI,2023/2/15,y(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)：通过某一未知网络的同一噪声源，n0(t)：滤波器输出的估值，x(t)=s(t)+n0(t)-y(t)=s(t)+n0(t)-n0(t)要使得x(t)在最小均方差意义上与信号s(t)最佳匹配，,Biomedical signal processing,25,Nankai University,CY LI,2023/2/15,基线纠漂,抵消法：从信号中减去基线的估计值,心电基线漂移可看成某种超低频干扰信号,x(n)=s(n)+w(n),用w(n)来逼近w(n),并从s(n)中减去,s(n)=x(n)-w(n),PQ段为基线，常以PQ段的中点作为基准点，用多项式拟合基线的估计函数，如最简单的线性拟合、三次样条函数拟合等，,Biomedical signal processing,26,Nankai University,CY LI,2023/2/15,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/分为心脏搏动过缓的下限，基线纠漂及50Hz陷波滤波器,理想的心电信号预处理滤波器 基线纠漂+50Hz限波,可用频率抽样法设计这种滤波器,f,H(f),50,100,150,fk,Biomedical signal processing,27,Nankai University,CY LI,2023/2/15,纠漂和50Hz陷波的效果,Biomedical signal processing,28,Nankai University,CY LI,2023/2/15,整系数基线纠漂滤波器,梳状滤波器的数学表示;,Biomedical signal processing,29,Nankai University,CY LI,2023/2/15,整系数基线纠漂滤波器(2),梳状滤波器的数学表示;,Biomedical signal processing,30,Nankai University,CY LI,2023/2/15,整系数Filter的效果,Biomedical signal processing,31,Nankai University,CY LI,2023/2/15,心电信号的分析,特征波形的检测QRS波的检测，T波的检测，ST段位移，心电图的频谱分析FFT,AR model,时频分析,wavelet transformation心电信号的非线性分析相关维数，HRV(heart rate variability)，T波交替（TWA），心电信号的空间信息，QT离散度，,Biomedical signal processing,32,Nankai University,CY LI,2023/2/15,QRS波的检测,QRS的特点:其能量在心电信号中占很大的比例,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的一阶和二阶导数的平方和作为QRS波标记的脉冲信号,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波的特征信息,正交滤波算法,Biomedical signal processing,33,Nankai University,CY LI,2023/2/15,QRS波的频谱,QRS的特点:其能量在心电信号中占很大的比例,其频谱分布在中高频区,峰值落在10-20Hz之间,Biomedical signal processing,34,Nankai University,CY LI,2023/2/15,R波峰点的检测,斜率变号双边阈值检测法取一个固定的阈值Ra,t1,t2分别为R波上升和下降通过这个阈值的时刻，则R基准点的位置t=(t1+t2)/2固定宽度检测法选一个固定宽度,寻找为一个R波的t1,t2,t=(t1+t2)/2,此法不受波形幅度变动和基线漂移的影响。,Biomedical signal processing,35,Nankai University,CY LI,2023/2/15,R波峰点的检测,dx/dt0,dx/dt0,Ra,t2,t1,t=(t1+t2)/2,t1,t2,R,R,R,Biomedical signal processing,36,Nankai University,CY LI,2023/2/15,T波的检测,T波的检出幅度和形状，小波变换,T波的终点零点，最负的斜率切线和基线的交点，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的区域拟合一直线,它于等电位的交点,Biomedical signal processing,37,Nankai University,CY LI,2023/2/15,心电图的小波变换,Biomedical signal processing,38,Nankai University,CY LI,2023/2/15,T波的检出四种方法,技术阈值法(TH):T波与阈值水平的交点,微分阈值(DTH):T波的微分与阈值水平的交点,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波最大斜率的脸限于等位线的交点,Threshold:5-15%of the peak,Biomedical signal processing,39,Nankai University,CY LI,2023/2/15,QT间隔的确定,QT duration:t(Q)-t(T)ECG waveforms,Biomedical signal processing,40,Nankai University,CY LI,2023/2/15,心电频谱分析,FFTAR model,Biomedical signal processing,41,Nankai University,CY LI,2023/2/15,频率心电图 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的相关性,互相关函数,Vxy,反映两个导联的信号在不同时刻的相互关系,传递函数相移,V5与II信号间的相频对应关系,Biomedical signal processing,42,Nankai University,CY LI,2023/2/15,心电信号的时间特性,HRV是指心率的波动，或者心动周期之间的差异性。正常人的心率有相当于平均值10%的波动，这种波动程度的降低是心脏异常的表现。HRV的分析方法：时域分析，RR间期的标准差，一般为100-140ms,50ms异常,频域分析，LF(0.04-0.15Hz)和HF(0.15-0.4Hz)的功率谱的比较，非线性分析：散点图，相关维数，复杂度等。,Biomedical signal processing,43,Nankai University,CY LI,2023/2/15,心室晚电位(VLP),定义:心室肌损伤后使局部心肌延迟除极引起的破裂电位,位置：出现在QRS波末端和ST段上的高频、低幅的微小电活动。疾病：VLP常见于心肌缺血所致的室性心动过速，尤其是心肌更死后的室速，被认为是预测室性心律失常的信号。,Biomedical signal processing,44,Nankai University,CY LI,2023/2/15,心室晚电位(VLP),三个指标：QRS终末40ms 的电压:RMS40=40ms,QRS 时限:QRS总时限110-119ms,VLP的检测,微伏级(2-20 V),信号平均技术,叠加100-200次,采用正交心电图X,Y,Z双极导联,RMS:,Biomedical signal processing,45,Nankai University,CY LI,2023/2/15,TWA(T wave alternans),T波交替T 波交替现象是一种心电变异性现象,指心电信号T 波段出现幅度、形状甚至极性的逐拍交替变化。临床研究表明,V量级的TWA 现象与室性心动过速和室颤易发性有关。检测体表心电图中是否存在微伏量级的TWA 现象,也成为临床上预测心脏性猝死的一个可靠而无创的指标。目前TWA 的检测方法有了一定的发展,主要有T 波面积法、平均功率谱法及复数检波法等。,Biomedical signal processing,46,Nankai University,CY LI,2023/2/15,TWA指标,方法：通过信号频谱处理技术来测量。分析128 个连续心电图,T 波交替以0.5 周的频率测量峰值振幅,以功率谱的方式表示,将单数T 波振幅或双数T 波振幅减去平均T 波振幅再减去平均噪音振幅,所得结果的平方根为交替值(Valt)。交替率K等于交替值除以噪音的标准差。若Valt 休息时1.0 微伏,运动后1.9 微伏,交替率K于任何情况下3.0 为T 波交替测试阳性。,Biomedical signal processing,47,Nankai University,CY LI,2023/2/15,Dispersion in ventricular repolarisation(心室复极空间离散),研究表明：室性心律失常是由心室复极不一致导致的。这种不一致性如何表示？MAP(monophasic action potential)离散度，QT离散度，ARI离散度通过分析ST段位移的空间分布确定心肌缺血部位等；分析体表、心脏表面的兴奋时间图，判断异常心肌的部位等；,Biomedical signal processing,48,Nankai University,CY LI,2023/2/15,Future development,Low-cost,easy-to-use recording systemElectronic engineerComputer scientistPhysicistComputer simulation on ECGPhysicistMathematician Effective diagnosis softwareMedical doctorProgrammerEngineer,
