心电信号R波检测分析与处理.doc

实验报告一、 实验目的1•读取心电信号2. 进行R波检测3. 进行异变分析二、 实验工具1. PC 机2, Matlab 软件三、 实验原理及结果1・读取心电信号（1）心电数据文件存储方式心电数据文件在存储时为了节省存储空间，使用了自定义的格式，因此无法通过直观方 式去读取心电数据一个心电数据记录由三个部分组成：（1）头文件（拓展名是hea）； （2） 数据文件（拓展名是dat）； （3）注释文件（拓展名是art）”】［.hea］文件由ASCII码字符组成 以234. hea为例：234 2 360 650000234 ・ dat 212 200 11 1024 1008 18427 0 M LII234. dat 212 200 11 1024 1051 21057 0 VI#56F 1971 3655 x2# None# The PVCs arc uniform第一行从左到右分别代表文件名序号，导联数目，采样频率，采样点数；第二行从左到 右记录导联1的数据，包扌舌文件名，存储格式，增益，AD分辨率，ADC零值，第一个采 样点值，校验数，注解（如果是0,可以从中间读収任意一段输出），导联类型；第三行从 左到右记录导联2的数据，内容同第二行一致；最后几行以#开始的为注释行，一般说明 患者的情况以及用药情况等。

［• dat］文件采用212格式进行存储212"格式是针对两路导 联的数据库记录，这两路导联的数据交替存储，每三个字节存储两个数据这两个数据 分别采样自导联1和导联2,第一个字节作为导联1数据的低8位，第二个字节的高四位作 为导联1数据的高四位；第二个字节的低四位作为导联2数据的高四位，第三个字节作为 导联2数据的低8位,以234. dat为例按照“212”的格式,前三个字节为“F034 1B”,两路 导联值分别为Ox3FO和Ox41B,转换成十进制分别为1008和1051,这两个值分别是两路导 联的第一采样点值，后面依此类推［.art］采用二进制存储，格式定义比较复杂记录 了心电专家对相应的心电信号的诊断信息，主要包括心跳、节律和信号质量等主要有 两种格式：MIT格式和AHA格式lo(2) 心电数据的读収与波形显示使用Matlab软件对MIT—BIH心电数据的读取与波形显示，主要包括主程序，读取［.hea］ 文件子程序，读取［.dat］文件子程序和显示子程序主程序由开始，到系统初始化，再 到依次调用读取［.hea】文件子程序，读取［.dat］文件子程序和显示子程序，最后到结 束系统初始化主要是释放之前变量的存储空间，避免之前的变量对当前仿真的影响， 设置读収文件的路径，选择读取一个心电数据记录，以及选择需要观察的采样点数。

本 文选取234号数据，3600个采样点作为仿真数据读取［.heal文件子程序包括打开［.hea］ 文件，依次读取采样频率，采样点数，增益，ADC零值，第一个采样点值，导联类型， 患者的年龄和性别读取［.dat］文件子程序包插打开【• dat］文件，每次读取三个字节赋 值给一个变量，运用位操作(与，或，非)依次获得两路导联值序列显示子程序包括判断 头文件的第一个采样点数和计算得到的第一个采样点数是否--致，系统初始化设置的采 样点数是否大于头文件记录的最大采样点数，如果不一致或者大于，将会报错利用采 样频率，实现采样点数目和时间的转换，把时间作为波形显示的横坐标值读取的心电 数据要进行幅值转换，将计算得到的采样值减去ADC零值，再除以增益，才能得到毫伏 级电压，并以此作为波形显示的纵坐标值头文件读取的导联类型，患者的年龄和性别 在Matlab的工作框中显示波形图如图1所示，原始心电图0-50 105k 1 ka_lL_J—LJ一 LJ| '1■ j 丄.亠1_ 丄 ■ J1 IJjj•J T 7 T r "T 120 30 40Time / s丿京始心电图近似分量0-5021020 30 40Time / s原始心电图细节分量50 600-20102030 Time / s4050 60图1读取心电信号2•进行R波检测首先对原有信号进行滤波处理:低通滤波器主要用來滤除心电信号中频率在100Hz以上 干扰信号。

本文采用FIR滤波器的最优化设计方法，最优化即让滤波器的频率响应在衰减 带的起伏等量平均的变化，其中根据切比雪夫等波纹逼近准则设计的滤波器性能较为优越 根据心电信号频谱分布特点，低通滤波器选择的指标为：通带截止频率为35Hz,阻带截止 频率为100Hz,采样频率360Hz,阻带的最小衰减为40kB高通滤波器主要用來滤除由呼吸引起的在0.5Hz左右的基线漂移频率高通滤波器是由 传统的消除直流和信号基线漂流的方法采用基于Z平面简单零极点法设计高通滤波器2氐劈®櫻諾* S 口目-^jFigur e Il一…一―「…一…一— . 一—-…—— …—•一-…—— 」:■.回XEdit yi Iwrt [ooX. Qesktop Window Help原始信号14001- i I i < ..I <1200 ・ -1000 启/*M一丿“ /A — -800 « « 1 « « 1 1 « 0123456789图2滤波心电信号动态阈值的确定如图3所示设原始心电信号为y (n),采样频率为lOOOHzc収前4000个采样点来确定初始阈值首先取第nxlOOO (n=0, 1, 2, 3)个采样点，向后各扫描1000个采样点，找到极大值max[n] (n=0, 1, 2, 3),然后根据心电学原理知识，取初始阈值:th= (max[0]+max[l]+max[2]+max⑶)x刀64 (1)max |0]ivrnx 111max [2] max [3]th图3阈值确定确定初始阈值后，继续检测R波，在下一个采样周期内扫描采样点，当y (n) >th,然 后在y (n)中取最大值y (max)为检测到的R波波峰。

在第一个R波波峰检测到之后，利 用已知的数据来动态更新阈值动态更新阈值的规则为：thnew=O.8xth+0.2xy (max) x 15/10 (2)此刻，阈值就根据此段采样数据实时更新了，提高的R波的检出率由于此时的检测中可 能含有噪声，为了提高检测的准确率以及减轻后面的计算工作量，对检测程序进行了如下的 简化1)根据不应期判别条件，两次心率的时间间隔不应小于200ms,因此，如果两个R波的 间隔小于0.2s,则两个极小点中必定存在噪声，利用复检消除此噪声2） 在平均RR峰间隔的166%的时间间隔内，如果没有发现QRS波群，则应取原阈值的1/2进行复检，以免漏检这里的166%是根据生理的特性选取的经验参数3） 计算找出的R波的幅度，如果R波不在前一个R波幅度的40%〜160%之内，则说明这 个波峰是个强干扰，应该删除［4］4） 根据采样频率，每隔一定的时间间隔，重新利用最新检测的R波对阈值进行实时更新， 以此消除基线漂移对检测精度的影响图4 R波检测结果3 •进行异变分析心率变异性（Heart Rate Variability，简记HRV）是指连续心跳I'可瞬时心率的微小涨落，或 逐拍心跳RR1'可期的微小涨落。

它是神经体液因素对心血管系统精细调节的结果，反映神经 体液因素与窦房结相互作用的平衡关系心率受体内诸多因素的影响，且最终通过交感神经 （Sympathetic Nervous System, SNS）和副交感神经（Parasympathetic Nervous SystellL PNS）的调节作用表现出來研究表明，当 交感神经活动阻断时，HRV谱中低频谱峰显著降低；而当迷走神经活动阻断时，HRV谱中 高频谱峰显著降低肾素一血管紧张素及其他体液因素按新陈代谢的需要调节心血管功能, 使心率的变化呈现更长周期的规律性窦房结按照一定的节律搏动，而自主神经系统按日常生理活动调节心血管功能，使心率昼夜不断变 化交感神经系统使心率快速变化，副交感神经系统使心率缓慢变化在这些机理的共同调 节下，健康人静息时的RR间期呈周期性变化即窦性心率不齐，此时呼吸是心率波动的一个 主要因素窦性心率不齐是一种正常现彖，当患某些疾病时，体液和神经系统的这种内在平 衡调节机理会被打破，导致HRV降低在此实验中，我们运用的是HRV AR模型功率谱估计，其基本原理与具体方法如下：AR模型是一个系数按最小均方误差原贝U估计出的模型。

它是一个全极点模型其传递函数为： -随机序列x(n)的AR模型式中输入的随机序列u(n)是一个均值为零，方差为疋的白噪声序列模型输出序列x(n)的功率谱则为即j(

在阶数p为16时，可见AR谱的波形较大，谱峰比较好，在设定阶p为30的时候，在小 峰的跟随性上比阶数16时要好，但在某些情况下会产生虚假谱峰细节故本文采用AR模型估计HRV功率谱的结果均在p取16的情况下得出图5同一HRV信号采用不同阶数的AR模型功率谱估计四、实验小结实验通过使用matlab对心电信号进行提取、R波检测、异变分析，基本掌握了心电信 号的提取方法，了解了心电信号的滤波，检测原理基本上达到了本次实验的目的，为以后 的学习也打下了一定的基础。