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HRV 心率变异性.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.18M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    心率变异性 HRV 信号提取及时频域分析(包含程序) 课程设计报告 题 目: 心率变异性(HRV)信号的提取及时频域分析 专 业: 生物医学工程 班 级: XXXXXXX 学 号: XXXXXXX 姓 名: XXXXXXX 指导教师: XXXXXXX XXXXXX 大学 XXXXX 学院 2016 年 9 月 29 日 一、 开题背景 (一)HRV 简介 传统的医学观点认为，正常的心率为规则的窦性节律;后来发现在健康状态 下，许多生理系统中存在自然的变异性，人的心率正常情况下也是呈不规则性变化 的，而心率变异就是指窦性心率的这种波动变化的程度。心率变异性(Heart Rate Variability，HRV)是指逐次心搏间期之间的微小变异特性。在生理条件下，HRV 的产生主要是由于心脏窦房结自律活动通过交感和迷走神经，神经中枢，压力反射 和呼吸活动等因素的调节作用，使得心脏每搏间期一般存在几十毫秒的差异。 (二)HRV 的研究现状 心率变异性(HRV)是近年来比较受关注的无创性心电监测指标之一，对 HRV 的 生理和病理意义进行了广泛和深入的研究，其结果表明心率变异信号中蕴含着有关 心血管调节的重要信息，对 HRV 进行分析可以间接地定量评价心肌交感、迷走神经 的紧张性和均衡性，而且还能分析自主神经系统的活动情况。心率变异性还可以作 为一个独立的心源性猝死危险性的预测指标。同时心率变异性分析对多种恶性心律
    失常的预后判断和药物治疗效果分析有指导作用。所以，对 HRV 的研究能够极大的 促进人类对于心血管疾病的了解，从而在预防、治疗心血管疾病等领域取得成果。 (三)HRV 的研究方法 随着对 HRV 研究的不断深入，其蕴含的生理病理信息将进一步被揭示，使得 HRV 有更多的应用空间和应用价值。目前，心率变异性分析方法主要有时域分析 法、频域分 [1]析法、时频分析法以及非线性分析法。 (四)HRV 的临床应用 (1)心脏性猝死(SCD)预测:由于 HRV 是反映自主神经张力的最敏感的指标，因 此 HRV 降低是预测心脏性猝死最有价值的独立指标。 (2)急性心肌梗塞后患者危险性评估: HRV 的降低是预测急性心肌梗塞后患者发 生心脏性猝死和恶性心律失常危险的重要独立指标。一般建议在梗塞后一周开始进 行 HRV 的检测。HRV 在梗塞后立即降低，并在几周内开始恢复(2 周后逐渐回升)， 大约 6-12 个月恢复正常。因此，多次测定 HRV 可能比单次测定价值更大。梗塞后 HRV 恢复的快慢对以后死亡的危险性也有预测价值。 (3)对糖尿病患者自主神经系统损伤的评估:糖尿病患者不论病情轻重，均存在 不同程度的自主神经功能紊乱。HRV 是判断糖尿病患者是否伴有自主神经系统损害 最准确，最敏感的指标。 (4)心力衰竭(CHF)患者危险性评估。 (5)心率变异性生物反馈疗法:对于不孕人群受孕几率提高、怀孕人群孕期焦虑 症改善、产后人群产后抑郁症情况缓解，起到很好的作用。 (6)其它临床应用范围:心绞痛、高血压、心肌病、非缺心脏病所致的慢性严重 二尖瓣返流、二尖瓣脱垂、心律失常、血管迷走性晕厥等心血管疾病。 二、 课题 目的
    (一) 基本掌握心电信号(ECG)的测量、数据采集的方法。 (二) 学会使用 MATLAB 对 ECG 信号进行相关处理分析。主要包括从 ECG 信号中 提取出 所需的 HRV 信号，并分别对其进行时域、频域、功率谱上的分析。 (三) 掌握 HRV 信号的时频域参数的意义，以及对其进行分析的基本方法。 三、 课题研究的主要内容 (一)从网上下载正常人的心电信号以及各种病人的心电信号(ECG)数据。 (二) 首先 HRV 信号的提取，主要包括去除干扰、准确确定 R 波波峰位置、剔除异搏、确 定 R-R 间期、线性内插，并且绘出 HRV 信号曲线。 (三)对 HRV 信号的时域分析，对 HRV 信号的频谱图和功率谱图分析。 四、 原 理和方法 (一) ECG 信号的采集 本文主要使用 100.hea、100dat、100.atr, 101.hea、101.dat、101.atr, 102.hea、102.dat、102.atr 这三组数据来对 HRV 进行研究。 实验数据来源于 PhysioNet。PhysioNet 是一个基于 Web 的复杂生理和生物医 学信号的研究资源网站，其网址为 http: //www.physionet. org。 PhysioNet 由 PhysioNet, PhysioBank 和 PhysioToolkit 三个相互关联的部分组成。数据库中数 据来源于正常人、各种病人(如心脏猝死、心力衰竭、心律失常、癫痫、睡眠呼吸 暂停综合症等)及运动、休息等不同状态下的数据，样本选取范围广泛，其中大部 分数据都进行详细的注释，并将数据被划分为 3 类，即 Class l:专家已经作出了 标注;Class 2:原始数据;Class3:处于研究进展之中。因此，PhysioBank 数据库中 的数据足已满足生物医学各领域研究者的需要。PhysioBank 数据库中的每一条数 据记录包括至少三类文件，头文件(.hea)、数据文件(.dat)和注释文件 (.atr,.al,.aiM 等)。头文件是描述数据属性的文本文件，其内容包括记录名、信 号数目、贮存格式、信号数量和类型、采样频率、数字化特征、记录的持续时间和
    起始时间等信息。一般可由 PhysioToolkit 软件库的 WFDB 库函数的 getinfo、 putinfo 函数读和写的字符。数据文件是定义了相应存贮格式的数字化采样点的二 进制存储文件。数据存贮格式在头文件中说明，一个数据组有相同的数据存 [2]贮格式，常用的是 8 位和 16 位格式。注释文件是记录了对信号特征的注释 信息。 (二) ECG 信号的特征 (1) 典型心电信号波形 心脏搏动及其节律性是人体生命和生理状态的重要标志之一。心电生理学的研 究表明，心电信号来源于心肌细胞的生物电变化。心肌细胞的电激动称为除极，心 肌细胞恢复为静息状态称为复极，心电信号的产生与心肌细胞的除极和复极过程密 切相关。心脏电激动起源于窦房结，沿特化的心脏传导系统下传，其传播方向、途 径、次序及时间存在一定的规律。若心脏不能及时发出电激动，则心脏陷于停博。 人体体液中充满电解质，具有导电性能，心脏电激动过程产生的有序生物电变化通 过体液传至身体表面使身体各部位出现有规律而各向异性的电位变化，通过测量电 极采集体表特定点电位变化，并放 [3]大、显示及记录，即为体表心电信号，也即是通常的 ECG 信号。 一个心动周期正常心电信号波形如图 4.1 所示。它是由特征波及其特征间期 组成， 每个心动周期包含一个 P 波，一个 QRS 波群和一个 T 波，有时还会出现 一个小的 U 波。特征波及特征间期的含义如下: 图 4.1 典型的心电信号波形
    P 波:由左右心房的除极过程引起，其波形小而圆钝，时宽为 0.08s-0.11s， 波幅不 超过 0.25mV。 QRS 波:反映左右心室除极产生的电位变化，在 P 波之后出现，为心电信号中 最高 大和最快速的波形。典型的 QRS 波群包括三个相连的波，第一个向下的波为 Q 波，紧 接着为高而尖峭的向上的 R 波，最后是一个向下的 S 波。在体表不同 位置(使用不同导联记录)时，三个波不一定都有，大小方向也会不同。 T 波:代表心室复极时的电位变化，方向与 R 波方向相同，时宽为 0.05s- 0.25s，波 幅一般为 0.lmV-0.8mV。 U 波:T 波之后可能出现的一个低而宽的波，与 T 波方向一致，其机理不十分 清楚， 可能反映普顷野纤维复极的电位变化。 QRS 间期:从 Q 波开始至 S 波结束之间的时程，反映心室除极时间。正常 QRS 间 期为 0.04s-0.1s，若 QRS 间期>0.12s，反映室内传导阻滞。 PR 间期:从 P 波开始到 QRS 波开始之间的时程，反映激动由窦房结产生经由 结间 束、房室交界和左右束支抵达心室，并引起心室兴奋所需要的时间，又称为 房室传导时 间。正常为 0.12s-0.2s。当发生房室传导阻滞时，PR 间期增长。如 当 PR 间期>0.21s。则为?度房室传导阻滞。 QT 间期:从 QRS 波开始到 T 波终点的时程，反映心室除极和复极时间的总 和。许多因素可影响 QT 间期，如心肌缺血、低血钾、低血钙等可使 QT 间期延 长，QT 间期延长使心室肌复极不均一，易诱发折返激动，导致严重室性心率失 常。QT 间期随受心率变化的影响，心率越慢，QT 间期越长;心率越快，QT 间期越 短。通常用 QTc 间期修正心率对 QT 间期影响，正常 QTc 间期小于 0.43~0.44s。 ST 段:指从 QRS 波群终止点到 T 波起点之间的波形线段，反映心室部分己完 全进 入去极化状态，正常时与基线平齐。
    PP 间期:相邻 P 波之间的间距称为 PP 间期，反映心房率。正常情况下，PP 间期 与 RR 间期一致。在?度或?度以上房室传导阻滞和某些心率失常，两者可不 一致。 RR 间期:相邻 QRS 波群之间的间距称为 RR 间期，反映心室率。正常情况 下，RR [2]间期与 PP 间期一致。 在心电信号的测试中，对电极的放置部位和导联的连接方式临床有明确的规 定。目 前，国际公认的是标准 12 导联，包括心电标准导联(I、II、III)、加压 单极肢体导联(aVR、aVL、aVF)及胸导联(Vl,V6)，共有 12 个导联，具体可参考文 献[4]。 (三)典型心电信号的能量(频谱图)分布 [2]典型的心电信号的整个心动周期的频谱估计图如图 4.2 所示，可以明显看 出心电信号各波的能量主要集中在低频区域，且随着频率的增高，相应的能量逐渐 降低。心电信号的整体频谱范围在 0.05Hz,100Hz，但能量主要集中在 0.5,45Hz， 能量的最高点在 8,15Hz 附近;QRS 波群的频谱带宽为 3,40 Hz，积聚了将近 99%的 能量，波峰能量集中在 6,18Hz 附近, P 波的频谱带宽为 0,18Hz，波峰能量集中在 5,12Hz;T 波的频 [5]谱带宽为 0,8Hz，波峰能量集中在 0,8Hz 区间。 图 4.2 典型的心电信号频谱能量分布 (四)ECG 信号的噪声分析
    在采集、放大及传输心电信号的过程中，由于受人体、采集仪器、电磁环境、 操作 水平等的影响，不可避免会有许多干扰耦合到心电信号，主要干扰表现形式 如下: (1)电源工频干扰 产生的原因主要由于电源磁场作用于心电图仪的导联与人体之间的环形电路所 致，表现为心电信号上有明显的正弦波或正弦波的叠加信号，其频率为 60Hz 工频 及其谐波构成，幅度较低。 (2)基线漂移 产生的原因主要由于人体呼吸运动、电极接触不良等因素所导致。表现为心电 信号上叠加缓慢变化的信号，其频率一般小于 1Hz，幅度为 ECG 峰-峰的 15%。 (3) 肌电干扰 产生的原因主要由于人体活动，肌肉紧张所引起的干扰。表现为不规则的快速 变化波形，其频率范围较宽，一般在 5,2kHz 之间，幅度为毫伏级。 (4)运动伪迹 产生的原因主要由于电极与人体间轻微移动或抖动而引入的干扰，表现为信号 基线的短暂变化，但不是基线的跃变，其持续时间为 100,500ms，频率一般在 7Hz 以下，幅度较大。 (5)其他随机噪声 心电信号还受到其他的随机噪声和环境干扰的影响,如加性白噪声、极化噪 声、仪器内部噪声等。 由此可见，噪声信号基本覆盖了有用的心电信号的全频率范围。而其中 60Hz 及其倍频附近的工频干扰、1Hz 以下的基线漂移以及肌电干扰噪声是最主要的干扰 源，在心 [2]电信号预处理中必须消除或抑制,以提高心电信号的信噪比。 (五)ECG 信号去噪声方法
    对于心电信号预处理一般要从硬件电路优化设计和软件数字滤波器的设计两个 方面考虑。根据心电信号的频谱分布特点，在硬件方面来看，消除基线漂移的干扰 应考虑分别设计下限频率为 0.5Hz 的高通滤波器;消除肌电等高频干扰应考虑设计 上限频率为 100Hz 的低通滤波器，同时还应考虑设计 60Hz 的陷波器来滤除工频干 扰。由于硬件滤波器的元器件精度、稳定性要求以及难以实现严格线性相位等问 题，使得仅采用硬件滤波不能满足滤波性能的要求。随着数字信号处理技术的发 展，设计高精度、高可靠性、简洁灵活的数字滤波器成为可能。目前，滤除心电信 号干扰更多采用的是具有线性相位的数字滤波方法，并已逐渐显示出取代硬件滤波 器的趋势。 (1)工频干扰 对于工频干扰，主要的消除方法有平均滤波器、梳状滤波器、Levkov 滤波 器、自适应工频陷波器等方法。平均滤波器法是较早被应用的数字滤波方法，其特 点是算法简单，处理速度快，滤波效果较好。由于平均滤波算法的实时性好，被广 泛应用于实时心电监护设备中或基于单片机心电数据采集系统中。从实际滤波效果 看，滤波器能较好地 Hz 工频，但对 ECG 中的 QRS 波有较大削峰，信号衰减较大。因此，在实际 滤除了 60 应用中受到一定的限制。梳状滤波器的名称源于该滤波器的传递函数的幅频特 性形如梳状。其特点是运算量小、形式灵活简单，是一种快速的数字滤波器。梳状 滤波器被广泛应用去除工频及其高次谐波的干扰。选择合适的梳状滤波参数，可保 证滤波器对有用信 [6]号基本无衰减和滤波后基本不产生相移。改进的梳状滤波器可用于消除 ECG 的工频干扰且能有效地防止信号的失真。Levkov 滤波器是 Levkov 在 1984
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