心电信号的处理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Nankai University, CY LI, *,*,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,1,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),mV,-90,-60,0,+20,0,心室肌细胞动作电位示意图,1,2,3,4,300ms,2,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，,3,心脏传导系统,4,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,5,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，,6,典型心电信号波形,P, QRS, ST, T,S-T,段,QRS,T,P,QT,7,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,8,Body surface mapping,9,Epicardial electrode sock,10,标准导联(1),12标准导联(,standard leads),标准,I， II，III,肢体导联(,bipolar limb leads),I,II,III,R,F,L,R: right arm,L: left arm,F: left foot,I=E,L,-E,R,II=E,F,-E,R,III=E,F,-E,L,11,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,R/2,R,R,R,F,C,aV,R,+,-,12,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,13,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：,50,Hz,工频干扰,肌电干扰， 10-300,Hz,呼吸的干扰，使基线漂移加剧，,14,心电信号的预处理,抑制工频干扰，,基线纠漂，,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， 0.7,Hz,的高通截止频率，,16,移动平滑滤波器(低通滤波),17,H(z)和H(z)*H(z)的比较,H(z):,旁瓣太大, 13,dB;,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, 26.7,dB,有真正的线性相位;,18,移动平滑滤波器(N=8),Fs=1000Hz,N=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,19,移动平滑滤波器(N=33),H(z):,-3dB: 0.08Hz,the first side peak: -13dB,H(z)*H(z):,-3dB: 0.08Hz,the first side peak: -26.7dB,20,移动平滑滤波器的效果,21,MA的H(z)和H(z)*H(z)随N的变化,22,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，,23,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)+n,0,(t),x(t),+,-,n,1,(t),n,0,(t):,噪声源（如50,Hz,工频信号），,n,1,(t)：,通过某一未知网络的,同一噪声源，,n,0,(t)：,滤波器输出的估值，,x(t)=s(t)+ n,0,(t)- y(t)=s(t)+ n,0,(t)- n,0,(t),要使得,x(t),在最小均方差意义上与信号,s(t),最佳匹配，,24,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,，,x(n)=s(n)+w(n),基线估计,+,-,s(n),w(n),25,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：0.7,Hz，,即以40次/分为心脏搏动过缓的下限，,基线纠漂及50,Hz,陷波滤波器,理想的心电信号预处理滤波器,基线纠漂+50,Hz,限波,可用频率抽样法设计这种滤波器,f,H(f),50,100,150,fk,26,纠漂和50Hz陷波的效果,27,整系数基线纠漂滤波器,梳状滤波器的数学表示,;,28,整系数基线纠漂滤波器(2),梳状滤波器的数学表示,;,29,整系数Filter的效果,30,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，,31,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10-20,Hz,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,32,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10-20,Hz,之间,33,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。,34,R波峰点的检测,dx/dt0,dx/dt0,Ra,t2,t1,t=(t1+t2)/2,t1,t2,R,R,R,35,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,36,心电图的小波变换,(a),原始心电信号,(b) 2,1,尺度,(,c,) 2,5,尺度,ms,ms,ms,uV,图1：心电图的二次样条小波变换结果。,（,a）：,原始信号， （,b）：2,1,尺度， （,c）：2,5,尺度,37,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,38,QT间隔的确定,QT duration: t(Q)-t(T),ECG waveforms,39,心电频谱分析,FFT,AR model,40,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,41,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。,42,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。,43,心室晚电位(VLP),三个指标：,QRS,终末,40ms,的电压,:,RMS4020,V,QRS,终末电压持续低于,40V,的时限,:,QRS,末端=40,ms,QRS,时限,:,QRS,总时限110-119,ms,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:,44,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。,45,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。,46,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；,47,Future development,Low-cost, easy-to-use recording system,Electronic engineer,Computer scientist,Physicist,Computer simulation on ECG,Physicist,Mathematician,Effective diagnosis software,Medical doctor,Programmer,Engineer,48,