Ch4: ???????

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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,









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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), m

V

+20 1

2

0

0

3



-60

300

ms 4

-90



心室肌细胞动作电

Nankai University, CY LI, 2011-12-13 位示意图 2

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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，







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心脏传导系统









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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



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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，







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典型心电信号波形

 P, QRS, ST, T





QRS









P S-T段

T









QT



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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





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Body surface mapping









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Epicardial electrode sock









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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 arm

I

R L L: left arm



III F: left foot

II

I=EL-ER,

II=EF-ER,

F

III=EF-EL

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标准导联(2)



加压肢体导联标准aVR, aVL, aVF

(augmented unipolar limb leads),

Wilson terminal:

R R/2 L

C点的电位,

+ C R aVL和aVF的连

aVR -

接相似

R







F

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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,







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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，









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心电信号的预处理



 抑制工频干扰，

 基线纠漂，









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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，









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移动平滑滤波器(低通滤波)





H ( z )  (1  Z 

Z 

 ...  Z  

) y (n)   x (n  k )





1 1-z 1

H (z )  y ( n )  y ( n  1)  [ x ( n )  x ( n  N )]

N 1-z N

1 1

b (0)  , b ( N )   ; a (0)  1, a (1)  1

N N

 1 1 Z   1 1  2Z   Z 

H (z )       

 N 1  Z  N 1  2Z  Z

1

y ( n )  2 y ( n  1)  y ( n  2)  [ x ( n )  2 x ( n  N )  x ( n  2N )]

N

1 2 1

b (0)  , b (N )   , b (2 N )  ; a (0)  1, a (1)  2, a (2)  1

N N N

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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;









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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





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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









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移动平滑滤波器的效果









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MA的H(z)和H(z)*H(z)随N的变化

MA H(z) H(z) Angle

0 2



N=8

-10 N=13 1





-20 0





-30 -1





-40 -2





-50 -3





-60 -4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

pi





H(z)*H(z) H*H Angle

0 0



N=8

-10 N=13 -20





-20 -40





-30 -60





-40 -80





-50 -100





-60 -120

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

pi



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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，



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自适应消噪声

x(t)=s(t)+n0(t)

+ x(t)

信号源 +

n1(t)

-

y(t)

噪声源 滤波器



修改参数





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，

E[ x 2 (t )]  E[ s 2 (t )]  E{[n0 (t )  n0 (t )]2 }

'





当E{[n0 (t )  n0 (t )]2 }最小时, x(t)是s(t)

'

的最佳估值

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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) + s(n)

-

基线估计 w’(n)



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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,



H(f)





50 100 150

f

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fk

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纠漂和50Hz陷波的效果









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整系数基线纠漂滤波器



 梳状滤波器的数学表示;



1

y (n)  [ x(n)  x(n  256)]  y (n  4)

64

1 1  z  256

H ( z) 

64 1  z  4

1 1  2 z  256  z 512

H 2 ( z) 

64 * 64 1  2 z  4  z 8



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整系数基线纠漂滤波器(2)

H(z) H(z)*H(z)

1 1





0.8 0.8





 梳状滤波器的数学表示;

0.6 0.6





0.4 0.4





0.2 0.2





0 0

0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100







1-H(z)*H(z) 1-H(z)*H(z) in dB

1 0





-50

0.8



-100

0.6

-150

0.4

-200



0.2

-250





0 -300

0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100







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整系数Filter的效果

comb filter H(z) H(z)*H(z)

1 1



0.8 0.8



0.6 0.6



0.4 0.4



0.2 0.2



0 0

0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100

ECG signal at Fs=200Hz filtered ECG

2000 2000





1000 1000





0 0





-1000 -1000





-2000 -2000

0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250

1-H*H filtered trend

1 80



0.8

60

0.6

40

0.4

20

0.2



0 0

0 2 4 6 8 10 0 50 100 150 200 250







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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，



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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









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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,









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R波峰点的检测

dx dx dx

 斜率变号 变号的点即为R点，  0到  0的转折点

dt dt dt



 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。









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R波峰点的检测



R R R

dx/dt>0 dx/dt=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:



X 2 Y 2  Z2



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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, μV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。



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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。





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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；



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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







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