心率变异性HRV信号提取及时频域分析（包含程序）概要 - 图文

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3～40 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波的频谱带宽为0～8Hz，波峰能量集中在0～8Hz区间[5]。

（五） 找出波峰、剔除异搏、确定RR间期 （六） 对HRV信号进行时域分析

对前面得到的HRV信号进行时域分析，其中的技术指标有NNVGR、SDNN、RNSSD、SDSD、pNN50等。 (七) 线性内插

对提取出来的HRV信号经线性内插获得等间隔（R-R间期均值）R-R间期时间序列，然后再进行频谱分析。线性内插的公式为X(n)?d2RRidRRi?1。式中X(n)为?1d1?d2d1?d2插值，RRi和RRi?1分别为插值前、后的R-R间期序列值，d1和d2分别为X（n）所在位置与RRi和RRi?1所在位置的时间间距。

（八）根据快速傅里叶变换（FFT）得到HRV信号的频谱信号和功率谱信号。主要有TP、HF、LF、LF/HF、频谱图、功率谱图等。

六、 结果

通过MATLAB程序分别得到100、101和102三组ECG信号数据，然后对其进行相关分析，具体结果以及图像如下所述。

（一）ECG信号的提取

通过MATLAB程序分别得到100、101和102三组ECG信号数据。其时序图像具体如图6.1所示。

图 6.1 三组原始心电信号 图示 由上至下分别为来自100号、101号、102号数据的对应图像 （二）原始心电频谱图

对三组信号通过皮谱图进行频域分析。从图6.2中可以看出，信号主要集中在20Hz以下的低频端，并且在60Hz附近有一个明显的幅度值上升，可以判断其为工频干扰。

图 6.2 三组心电信号的频谱图 图示 由上至下分别为来自100号、101号、102号数据的对应图像 （三） 去除工频干扰

使用FIR滤波器法将工频噪声去除。去除工频干扰之后频谱图如图6.3所示

图 6.3 三组心电信号去除工频干扰后的频谱图 图示 由上至下分别为来自100号、101号、102号数据的对应图像

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