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：XXXXXXXXXXXXX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（HeartRateVariability，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、频域分析法、时频分析法以及非线性分析法[1]。（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。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Classl：专家已经作出了标注；Class2：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[2]。（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，并放大、显示及记录，即为体表心电信号，也即是通常的ECG信号[3]。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Ⅰ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Ⅱ度或Ⅱ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间期与PP间期一致[2]。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）分布典型的心电信号的整个心动周期的频谱估计图如图4.2[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3～40Hz，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波的频谱带宽为0～8Hz，波峰能量集中在0～8Hz区间[5]。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[2]。（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，滤波器能较好地滤除了60Hz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