1、心電信號(hào)的分析，含義，用途班級(jí)：07 生醫(yī) 1班姓名：王穎晶學(xué)號(hào)： 0700308108什么是心電：心臟周?chē)慕M織和體液都能導(dǎo)電， 因此可將人體看成為一個(gè)具 有長(zhǎng)、寬、厚三度空間的容積導(dǎo)體。心臟好比電源，無(wú)數(shù)心肌細(xì)胞 動(dòng)作電位變化的總和可以傳導(dǎo)并反映到體表。 在體表很多點(diǎn)之間存 在著電位差， 也有很多點(diǎn)彼此之間無(wú)電位差是等電的。心臟在每個(gè) 心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)、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(hào)的用途：心電信號(hào)是人們認(rèn)識(shí)最早、 研究最早的人體生理電信號(hào)之一。 目 前心電檢測(cè)已經(jīng)成為重要的醫(yī)療檢測(cè)手段， 但是心電信號(hào)的相關(guān)試驗(yàn) 及研究依然是醫(yī)學(xué)工作者和生

2、物醫(yī)學(xué)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(hào)是診斷心血管疾病的主要依據(jù)， 因此實(shí)時(shí)檢 測(cè)病人心電活動(dòng)、 設(shè)計(jì)自動(dòng)采集存儲(chǔ)病人心電信號(hào)的便攜式系統(tǒng)具有 重要意義。心電信號(hào)的含義：心電信號(hào)是由人體心臟發(fā)出相當(dāng)復(fù)雜的微弱信號(hào)， 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(cè) n 。心電信號(hào)采集處理系統(tǒng)以抑制干擾、 得 到較為理想狀態(tài)下的心電信號(hào)為目的。在心電信號(hào)濾波和處理算法 中，要頻繁進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)乘、加運(yùn)算。三個(gè)特殊波段的檢測(cè)：1. QRS波的檢測(cè)QRS勺特

3、點(diǎn)：其能量在心電信號(hào)中占很大的比例 , 其頻譜分布在中高頻區(qū) , 峰值落在 10-20Hz 之 間,二階導(dǎo)數(shù)算法 心電信號(hào)的一階和二階導(dǎo)數(shù)的平方和作為 QRS 波標(biāo)記的脈沖信號(hào) ,移動(dòng)平均算法其求導(dǎo)平方運(yùn)算和上相同 , 并對(duì)求導(dǎo)平方數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)平均，從而突出QRS波的特征信息，正交濾波算法2. R 波峰點(diǎn)的檢測(cè)雙邊閾值檢測(cè)法取一個(gè)固定的閾值Ra, t1,t2分別為R波上升和下降通過(guò)這個(gè)閾 值 的時(shí)刻，則 R 基準(zhǔn)點(diǎn) 的位置t=(t1+t2)/2固定寬度檢測(cè)法選一個(gè)固定寬度.,尋找為一個(gè)R波的t1, t2.t=(t1+t2)/2,此法不受波形幅度變動(dòng)和基線漂移的影響。3. T波的檢測(cè)T波的檢出幅

4、度和形狀，小波變換，T波的終點(diǎn)零占N 八、最負(fù)的斜率切線和基線的交點(diǎn)，最小二乘法擬合波，用最小二乘法在 T波后半支寫(xiě)率最大點(diǎn)附近的區(qū)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(shù)閾值法(TH): T波與閾值水平的交點(diǎn)，微分閾值(DTH): T波的微分與閾值水平的交點(diǎn)，技術(shù)斜率交點(diǎn)(SI): T波最大斜率與等位線交點(diǎn)，技術(shù)峰斜率交點(diǎn)(PSI): T 波高峰和T波最大斜率的臉限于等位線的交點(diǎn)。心電信號(hào)的一種實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng):系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)采集模擬儀的硬件電路、控制軟件和建立相應(yīng) 的心電數(shù)據(jù)庫(kù)，并組合成為一個(gè)能夠采集、存儲(chǔ)、模擬心電信號(hào)的系 統(tǒng)。m亙信號(hào)采集模擬儀匚電數(shù)據(jù)庫(kù)圖1心電信

5、號(hào)采集模擬系統(tǒng)總體框圖采集模擬儀用一套硬件電路同時(shí)完成心電信號(hào)的采集模擬 任務(wù)。采集部分采集心電信號(hào)并分類存儲(chǔ)于心電數(shù)據(jù)庫(kù)，模擬部分模 擬輸出心電信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)中的心電信號(hào)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，下 面分別討論各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)。心電信號(hào)的相關(guān)參數(shù)本文的設(shè)計(jì)目的是采集模擬心電信號(hào)，所以討論心電信號(hào)的相關(guān) 參數(shù)是有必要的。這些參數(shù)是設(shè)計(jì)心電信號(hào)采集模擬儀的基本依據(jù)。 本文采集模擬標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)信號(hào) VI、VII、VIII。關(guān)于心電信號(hào)的形 成機(jī)理和導(dǎo)聯(lián)方式，可以參閱參考文獻(xiàn) 或其他生理學(xué)文獻(xiàn)。生理電信號(hào)的幅值、頻率等基本參數(shù)是設(shè)計(jì)相關(guān)儀器的基本依據(jù)。通過(guò)現(xiàn)有的研究成果和臨床資料，我們可以獲得心電信號(hào)

6、的幅值、頻率等參數(shù)。表1列出了心電信號(hào)和其他常見(jiàn)電生理信號(hào)的典型幅值和頻率范圍。電生理信號(hào)幅值范圍頻率范圍心電信號(hào)（ECG50 卩 V50mV0.05Hz100Hz心電信號(hào)采集模擬儀的設(shè)計(jì)要求通過(guò)對(duì)心電信號(hào)的幅度、頻率等參數(shù)的討論，現(xiàn)在提出心電信號(hào) 采集模擬儀的設(shè)計(jì)要求：1. 系統(tǒng)采樣經(jīng)過(guò)放大的心電信號(hào)，采樣輸入端口要求輸入信號(hào) 幅度為-5V5V,匹配系統(tǒng)電源和ADC輸入要求；2. 采樣率設(shè)計(jì)滿足采樣定理并能采樣不同頻率的心電信號(hào)，默 認(rèn)采樣率為250Hz可調(diào)；3. 保持較高的采樣精度，設(shè)計(jì)采用 8位ADC采樣；4. 心電數(shù)據(jù)庫(kù)支持系統(tǒng)模擬正常心電信號(hào)、心律不齊信號(hào)、室 性早搏信號(hào)、二聯(lián)律、三

7、聯(lián)律信號(hào)和其他信號(hào)；5. 模擬儀輸出幅度、頻率、心率符合實(shí)際心電信號(hào)參數(shù)要求。輸出幅度：50卩V50mV可調(diào)；輸出頻率：0.05Hz100Hz心率：60120次/min。同時(shí)輸出一路方波信號(hào)作為檢驗(yàn)信號(hào)；6. 為了擴(kuò)展儀器功能，要求可以手動(dòng)調(diào)節(jié)模擬輸出信號(hào)的幅度 和輸入信號(hào)的采樣率。設(shè)計(jì)模擬信號(hào)輸出幅度的粗調(diào)調(diào)節(jié)范圍為-5V5V,微調(diào)調(diào)節(jié)范圍為0.002mV100mV7 .儀器在抗電磁干擾和人體安全性方面達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。采集模擬儀的硬件實(shí)現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的硬件系統(tǒng)方案， 并以此設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件電路。該框圖沒(méi)有畫(huà)出晶振、復(fù)位、電源、狀態(tài)指示燈等輔助電路。A/D采樣數(shù)據(jù)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(shù)字信號(hào)D/AMAX527幅度調(diào)節(jié)+ X9511輸出幅度調(diào)節(jié)5耶輸出PC機(jī)上竝機(jī) 心電數(shù)據(jù)庫(kù)串口RS232分壓衰減輸出圖示； ECG模擬器數(shù)據(jù)通道«=> : ECG采集器數(shù)據(jù)通道 一:系統(tǒng)控制線圖2采集模擬儀的硬件框圖系統(tǒng)芯片選型基本在圖2中標(biāo)出。控制器采用8位單片機(jī)AT89C51內(nèi)部有4K閃存，可以駐留系統(tǒng)控制程序和標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)3 路心電信號(hào)。采集部分采用 ADC0809可以同步采集8路信號(hào)，系統(tǒng) 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(hào)。采集模擬儀還擴(kuò)展了 32kx 8bit的RAMJT62256用 來(lái)暫時(shí)存貯采集得到的心電數(shù)據(jù)。按鍵開(kāi)關(guān)X9511用來(lái)手動(dòng)調(diào)節(jié)模擬 信號(hào)的輸出幅度。采集模擬儀采用RS232協(xié)議和主機(jī)心電數(shù)據(jù)庫(kù)通信，完成心電信號(hào)的存儲(chǔ)和下載根據(jù)圖2所示，采集模擬儀可以通過(guò)外部按鈕選擇采集/模擬功能。采集心電數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)在主控單片機(jī)的控制下，通過(guò) ADC采樣輸 入通道的3導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)，采樣數(shù)據(jù)暫存于系統(tǒng)片上 RAM片上RAM 的數(shù)據(jù)可以通過(guò)串口上傳到 PC機(jī)上的心電數(shù)據(jù)庫(kù)永久保存。系統(tǒng)采 樣率可以通過(guò)外部調(diào)節(jié)按鈕設(shè)定。心電模擬器的設(shè)計(jì)思想是將數(shù)字心電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換， 模擬輸 出各種心電信號(hào)。 我們事先獲得

10、大量各種特征的心電數(shù)字信號(hào)， 存貯 在心電數(shù)據(jù)庫(kù)中。 當(dāng)我們需要模擬某特定心電信號(hào)時(shí)， 只要將數(shù)據(jù)庫(kù) 中的信號(hào)模擬輸出就可以提供實(shí)驗(yàn)。DAC輸出幅度為-5V5V,而人體 心電信號(hào)的幅度很小， 所以模擬輸出心電信號(hào)還要經(jīng)過(guò)一級(jí)衰減， 使 輸出幅度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)心電信號(hào)的幅度范圍：50卩V50mV衰減器設(shè)計(jì)成 一個(gè)電阻分壓電路， 衰減幅度可以由外部按鈕調(diào)節(jié)。 在心電模擬輸出 時(shí)，同時(shí)輸出一路同周期的方波信號(hào)用作校檢信號(hào)。 輸出方波信號(hào)時(shí) 向DAC前半周期寫(xiě)1,后半周期寫(xiě)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(shù)據(jù)采樣、 傳輸和模擬功能。 軟件首 先由用戶選擇是采集心電數(shù)據(jù)還是模擬心電數(shù)

11、據(jù)。 心電采集時(shí), 采集 模擬儀在設(shè)定的采樣率下將心電數(shù)據(jù)采樣并傳輸?shù)叫碾姅?shù)據(jù)庫(kù)保存。 心電模擬時(shí),采集模擬儀下載心電數(shù)據(jù)庫(kù)中的信號(hào),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(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)進(jìn)行心電研究時(shí)，心電數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)是很有必要的。 目前世界上 最具權(quán)威的心電數(shù)據(jù)庫(kù)有美國(guó) MIT的數(shù)據(jù)庫(kù)和歐洲的數(shù)據(jù)庫(kù)。這些數(shù) 據(jù)庫(kù)規(guī)模龐大，數(shù)據(jù)權(quán)威，是進(jìn)行心電學(xué)習(xí)和研究的重要工具。 然而， 心電數(shù)據(jù)庫(kù)的建立并不是一件難事， 所以為了研究和實(shí)驗(yàn)的方便，作 者通過(guò)下載MIT心電數(shù)據(jù)庫(kù)中一些典型數(shù)據(jù)，結(jié)合本系統(tǒng)采樣得到的 一些心電信號(hào)逐步建立了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的心電數(shù)據(jù)庫(kù)。心電數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)保存心電信

12、號(hào)的采樣值， 可以以圖形形式查看 相應(yīng)的波形，同時(shí)帶有幅度、采樣頻率等參數(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)配合本系統(tǒng)的 采樣模擬儀使用，更具實(shí)際意義。圖4是本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的醫(yī)學(xué)信 息數(shù)據(jù)庫(kù)示意，從數(shù)據(jù)庫(kù)可以以文本數(shù)據(jù)和圖形顯示的方式查看心電 數(shù)據(jù)。圖4心電數(shù)據(jù)庫(kù)基于這個(gè)心電數(shù)據(jù)庫(kù)，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(shí)驗(yàn)分析提供資料；另一方面， 這些通過(guò)模擬器模 擬這些數(shù)據(jù)，就可以檢驗(yàn)心電圖機(jī)等醫(yī)療儀器的功能， 為新儀器的開(kāi) 發(fā)設(shè)計(jì)提供測(cè)試數(shù)據(jù)。一個(gè)具有一定數(shù)據(jù)量的心電數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)頗具學(xué)術(shù)價(jià)值的基礎(chǔ) 資料。心電數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)是一個(gè)不斷豐富、 不斷更新的過(guò)程，心電數(shù) 據(jù)庫(kù)建設(shè)要注意和醫(yī)院配合，追蹤最新臨床資料，結(jié)合自己研究方向， 做出集權(quán)威性、特色性、學(xué)術(shù)性一體的