1、心電信號的分析，含義，用途班級：07 生醫 1班姓名：王穎晶學號： 0700308108什么是心電：心臟周圍的組織和體液都能導電， 因此可將人體看成為一個具 有長、寬、厚三度空間的容積導體。心臟好比電源，無數心肌細胞 動作電位變化的總和可以傳導并反映到體表。 在體表很多點之間存 在著電位差， 也有很多點彼此之間無電位差是等電的。心臟在每個 心動周期中，由起搏點、心房、心室相繼興奮，伴隨著生物電的變 化，這些生物電的變化稱為心電。心電信號的用途：心電信號是人們認識最早、 研究最早的人體生理電信號之一。 目 前心電檢測已經成為重要的醫療檢測手段， 但是心電信號的相關試驗 及研究依然是醫學工作者和生

2、物醫學工程人員的重要議題。心血管疾病是人類生命的最主要的威脅， 而心電 (ECG， electrocardiogram) 信號是診斷心血管疾病的主要依據， 因此實時檢 測病人心電活動、 設計自動采集存儲病人心電信號的便攜式系統具有 重要意義。心電信號的含義：心電信號是由人體心臟發出相當復雜的微弱信號， 其幅度一般在10 V5mV之間，頻率為0. 051。OHZ外界干擾以及其他因素的 存在使其變得更難以檢測 n 。心電信號采集處理系統以抑制干擾、 得 到較為理想狀態下的心電信號為目的。在心電信號濾波和處理算法 中，要頻繁進行大量的數據乘、加運算。三個特殊波段的檢測：1. QRS波的檢測QRS勺特

3、點：其能量在心電信號中占很大的比例 , 其頻譜分布在中高頻區 , 峰值落在 10-20Hz 之 間,二階導數算法 心電信號的一階和二階導數的平方和作為 QRS 波標記的脈沖信號 ,移動平均算法其求導平方運算和上相同 , 并對求導平方數據進行移動平均，從而突出QRS波的特征信息，正交濾波算法2. R 波峰點的檢測雙邊閾值檢測法取一個固定的閾值Ra, t1,t2分別為R波上升和下降通過這個閾 值 的時刻，則 R 基準點 的位置t=(t1+t2)/2固定寬度檢測法選一個固定寬度.,尋找為一個R波的t1, t2.t=(t1+t2)/2,此法不受波形幅度變動和基線漂移的影響。3. T波的檢測T波的檢出幅

4、度和形狀，小波變換，T波的終點零占N 八、最負的斜率切線和基線的交點，最小二乘法擬合波，用最小二乘法在 T波后半支寫率最大點附近的區域擬合一直線，它于等電位的交占八、T波的檢出四種方法技術閾值法(TH): T波與閾值水平的交點，微分閾值(DTH): T波的微分與閾值水平的交點，技術斜率交點(SI): T波最大斜率與等位線交點，技術峰斜率交點(PSI): T 波高峰和T波最大斜率的臉限于等位線的交點。心電信號的一種實驗研究系統:系統設計系統設計包括設計采集模擬儀的硬件電路、控制軟件和建立相應 的心電數據庫，并組合成為一個能夠采集、存儲、模擬心電信號的系 統。m亙信號采集模擬儀匚電數據庫圖1心電信

5、號采集模擬系統總體框圖采集模擬儀用一套硬件電路同時完成心電信號的采集模擬 任務。采集部分采集心電信號并分類存儲于心電數據庫，模擬部分模 擬輸出心電信號數據庫中的心電信號。系統總體設計如圖1所示，下 面分別討論各個功能模塊的設計。心電信號的相關參數本文的設計目的是采集模擬心電信號，所以討論心電信號的相關 參數是有必要的。這些參數是設計心電信號采集模擬儀的基本依據。 本文采集模擬標準肢體導聯信號 VI、VII、VIII。關于心電信號的形 成機理和導聯方式，可以參閱參考文獻 或其他生理學文獻。生理電信號的幅值、頻率等基本參數是設計相關儀器的基本依據。通過現有的研究成果和臨床資料，我們可以獲得心電信號

6、的幅值、頻率等參數。表1列出了心電信號和其他常見電生理信號的典型幅值和頻率范圍。電生理信號幅值范圍頻率范圍心電信號（ECG50 卩 V50mV0.05Hz100Hz心電信號采集模擬儀的設計要求通過對心電信號的幅度、頻率等參數的討論，現在提出心電信號 采集模擬儀的設計要求：1. 系統采樣經過放大的心電信號，采樣輸入端口要求輸入信號 幅度為-5V5V,匹配系統電源和ADC輸入要求；2. 采樣率設計滿足采樣定理并能采樣不同頻率的心電信號，默 認采樣率為250Hz可調；3. 保持較高的采樣精度，設計采用 8位ADC采樣；4. 心電數據庫支持系統模擬正常心電信號、心律不齊信號、室 性早搏信號、二聯律、三

7、聯律信號和其他信號；5. 模擬儀輸出幅度、頻率、心率符合實際心電信號參數要求。輸出幅度：50卩V50mV可調；輸出頻率：0.05Hz100Hz心率：60120次/min。同時輸出一路方波信號作為檢驗信號；6. 為了擴展儀器功能，要求可以手動調節模擬輸出信號的幅度 和輸入信號的采樣率。設計模擬信號輸出幅度的粗調調節范圍為-5V5V,微調調節范圍為0.002mV100mV7 .儀器在抗電磁干擾和人體安全性方面達到國家相關標準。采集模擬儀的硬件實現根據系統設計要求，本文設計了如圖2所示的硬件系統方案， 并以此設計了系統硬件電路。該框圖沒有畫出晶振、復位、電源、狀態指示燈等輔助電路。A/D采樣數據AD

8、C08 叩kMCU模擬輸入¥RAM UT62256采樣濮擬選擇寸杠.89C5L 采樣率控制 V數字信號D/AMAX527幅度調節+ X9511輸出幅度調節5耶輸出PC機上竝機 心電數據庫串口RS232分壓衰減輸出圖示； ECG模擬器數據通道«=> : ECG采集器數據通道 一:系統控制線圖2采集模擬儀的硬件框圖系統芯片選型基本在圖2中標出。控制器采用8位單片機AT89C51內部有4K閃存，可以駐留系統控制程序和標準肢體導聯3 路心電信號。采集部分采用 ADC0809可以同步采集8路信號，系統 只使用了其中的3路。模擬輸出部分采用12位DAC MAX527可以輸出模擬心

9、電信號。采集模擬儀還擴展了 32kx 8bit的RAMJT62256用 來暫時存貯采集得到的心電數據。按鍵開關X9511用來手動調節模擬 信號的輸出幅度。采集模擬儀采用RS232協議和主機心電數據庫通信，完成心電信號的存儲和下載根據圖2所示，采集模擬儀可以通過外部按鈕選擇采集/模擬功能。采集心電數據時，系統在主控單片機的控制下，通過 ADC采樣輸 入通道的3導聯心電信號，采樣數據暫存于系統片上 RAM片上RAM 的數據可以通過串口上傳到 PC機上的心電數據庫永久保存。系統采 樣率可以通過外部調節按鈕設定。心電模擬器的設計思想是將數字心電信號經過數模轉換， 模擬輸 出各種心電信號。 我們事先獲得

10、大量各種特征的心電數字信號， 存貯 在心電數據庫中。 當我們需要模擬某特定心電信號時， 只要將數據庫 中的信號模擬輸出就可以提供實驗。DAC輸出幅度為-5V5V,而人體 心電信號的幅度很小， 所以模擬輸出心電信號還要經過一級衰減， 使 輸出幅度達到標準心電信號的幅度范圍：50卩V50mV衰減器設計成 一個電阻分壓電路， 衰減幅度可以由外部按鈕調節。 在心電模擬輸出 時，同時輸出一路同周期的方波信號用作校檢信號。 輸出方波信號時 向DAC前半周期寫1,后半周期寫0就可以完成。采集模擬儀的軟件流程軟件配合硬件電路控制心電數據采樣、 傳輸和模擬功能。 軟件首 先由用戶選擇是采集心電數據還是模擬心電數

11、據。 心電采集時, 采集 模擬儀在設定的采樣率下將心電數據采樣并傳輸到心電數據庫保存。 心電模擬時,采集模擬儀下載心電數據庫中的信號,模擬輸出。圖 3 給出程序流程。圖3采集模擬儀的程序流程心電數據庫的建設進行心電研究時，心電數據庫的建設是很有必要的。 目前世界上 最具權威的心電數據庫有美國 MIT的數據庫和歐洲的數據庫。這些數 據庫規模龐大，數據權威，是進行心電學習和研究的重要工具。 然而， 心電數據庫的建立并不是一件難事， 所以為了研究和實驗的方便，作 者通過下載MIT心電數據庫中一些典型數據，結合本系統采樣得到的 一些心電信號逐步建立了一個簡單實用的心電數據庫。心電數據庫的數據保存心電信

12、號的采樣值， 可以以圖形形式查看 相應的波形，同時帶有幅度、采樣頻率等參數。數據庫配合本系統的 采樣模擬儀使用，更具實際意義。圖4是本實驗室設計開發的醫學信 息數據庫示意，從數據庫可以以文本數據和圖形顯示的方式查看心電 數據。圖4心電數據庫基于這個心電數據庫，一方面，我們可以積累保存大量的有用信 息，為臨床研究和實驗分析提供資料；另一方面， 這些通過模擬器模 擬這些數據，就可以檢驗心電圖機等醫療儀器的功能， 為新儀器的開 發設計提供測試數據。一個具有一定數據量的心電數據庫是一個頗具學術價值的基礎 資料。心電數據庫的建設是一個不斷豐富、 不斷更新的過程，心電數 據庫建設要注意和醫院配合，追蹤最新臨床資料，結合自己研究方向， 做出集權威性、特色性、學術性一體的