《生物医学信号处理》实习报告
图1-1标准的心电波形图
不同导联所记录的心电图,在波形表现上会有所不同,但一个正常的心电波形周期图基本上都是由一个P波,一个QRS披群,一个T波以及过渡期所组成"有时在T波后,还会出现一个小的U波"心电信号的这些特征波形和过渡期均代表着一定的生理学意义,现以MLH导联的正常心电图波形为例,如图(1一l)所示,对心电波形的主要组成及其特点进行简要介绍"。
(1)P波:也叫心房去极波,反映的是左右两心房去极化过程的电位变化"波形一般圆钝光滑,历时0.08一0.11:,波幅不超过0.25mV"两心房复极化过程所产生的电位变化称为T a波,它通常与P一R段!QRS波群或S一T段重叠在一起,且波幅很低,在心电图上不易辨认"。
(2)P一R间期(或称P一Q间期):是P波起点到QRS波群起点之间的时间间隔,反映了自心房除极开始至心室除极开始的一段时间"正常成人的P一R间期为0.12一0.20:"若超过0.205,一般表明有房室传导阻滞的发生"P一R间期的长短与年龄及心率有关。
(3)QRS波群:反映两心室去极化过程的电位变化"典型的QRS 波群包括三个紧密相连的电位波动:第一个向下的波称为Q波;紧接着是向上!高而尖峭的R波;最后是向下的S波"在不同导联中,这三个波不一定都出现,各波的幅度变化也较大"历时约0.06一0.105"。
(4)S一T段:指Q RS波群终点与T波起点之间的线段,一般与零电位基线平齐"在这段时期内,因心室各部分都已全部进入除极化状态,但尚未开始复极,故心室各部分之间没有电位差存在,心电曲线恢复到基线水平"但若有冠状动脉供血不足或心肌梗死等情况发生时,S一T段常会偏离基线,并超过一定的幅度范围"。
(5)T波:反映两心室复极化过程的电位变化"波形圆钝,升降支并不完全对称,波形的前支较长而后支较短,占时约0.05一0.255"T波方向应与QR S波群的主波方向一致"在以R波为主的导联中,其波幅应不低于本导联R波的1/10。
(6)Q一T间期:指从Q R S波群起点到T波终点之间的时间,它代表心室开始去极化到全部复极化完毕所需的时间"这一间期的长短与心率密切相关"心率越快,Q一T间期越短:反之,则Q一T 间期越长"正常的Q一T间期依心率!年龄及性别不同而有所不同.当心率为75次/分时,Q一T间期为0.30一0.405"分析Q一T间期的变化,对疾病的早期诊断和分析抗心律失常药物对心脏的影响,可起到一定的辅助作用"由于Q一T间期受心率的影响比较大,临床上经常采用修正的Q一T间期,即采用Bazett公式计算:
(7)U波:T波后0.02一0.04:可能会出现一个与T波方向一致的低宽U波,其成因和生理意义目前尚不十分清楚"。
本文注重于QRS波的检测，而在查阅一些文献资料以后，发现QRS波的检测主要分为基于小波变换的心电信号OR S波检测与基于EMO与Marr小波变换的心电信号ORS波检测两种。
基于小波变换的心电信号O R S波检测
小波变换可以分为连续小波变换(C WT)、离散栅格小波变换(DWT)和离散序列的小波变换(DSwT)。
信号x(t）的小波变换定义
式是：其中是基本小波又
称母小波函数是母小波经过移位和伸缩所
生的一组函数,称之为小波基函数,a是尺度因子,它实现对母小波函数的伸缩变换,b是时移变量,它实现对母小波函数的移位变换,以确定对信号分析的时间中心"在连续小波变换中,a、b、t均是连续变量,而在离散小波变换中,需对它们进行离散化,常取
当时就称之为二进离散小波变换，然而取
时，在实际信号分析中有时显得尺度跳跃跨度太大,当希望尺度a 在a>O的范围内取任意值进行分析时就需要进行连续小波变换"下面将根据心电信号的连续小波变换模极大值线检测和定位R波峰。
心电信号的R波峰是奇异点,而且它具有较大的幅度和较高的斜率等典型特征,根据基于小波变换的信号奇异性检测理论可知,每个R波的位置都对应于小波变换的模极大值的汇聚点,所以本
波变换对相应低阶IMF分量叠加得到的重构信号进行奇异性分析,从而实现对原始心电信号QRS波的准确检测和定位。
EM D分解:
EMD分解的低阶本征模态分量中包含原信号的骤变部分,而高阶本征模态分量中包含缓变部分。
在心电信号中,对于高瞬时幅频的QRS波群自然就被分配到低阶高频模态分量中,而且R波的局部特征在第一、二本征模函数分量中得到了明显体现。
但EMD算法中包含局部求极值!样条插值!边界效应处理等步骤,其计算量相当可观,使得处理速度非常缓慢,而且目前没有快速算法,因此无法满足实时动态检测的要求"而且每分解出一个本征模函数分量,计算量将增大一倍,所以本文根据心电信号的时频特性和检测的实时性要求,提出只对心电信号作三层经验模式分解处理,然后将分解得到的第一、二、三本征模函数分量直接相加重构得到一个新信号,通过对此新信号进行奇异性分析来实现QRS波的检测和定位,这样不仅可以有效抑制基线漂移,高幅P波!T波以及伪差信号等低频干扰以及边界效应,而且还能将处理速度提高几倍。
但是由第一、二、三模函数分量相加所构成的信号中往往还会包含QRS 波带宽以外的频率分量,所以直接对它进行阂值判决的R波检测算法的正确检测率必然不高,而且容易受到高频噪声的干扰,抗干扰能力较差,但是把它作为定位R波的预处理信号是不错的选择"另外EMD分解中筛选过程的中止准则常用方差,但也可根据信号特点手动设定筛选次数"研究发现,筛选次数小,QRS波在本征模函数域对应的分量越不明显;而筛选次数越多,中心频率越大,特别是运算量成倍增长"通过反复实验尝试,本研究通过对心电数据进行8次筛选,以极小的分解损失换取高的计算速度,而且丝毫不影响QRS波的提取效果。
小波基的选取
由前面的讨论可知,在基于离散小波变换的QRS检测中,定位算法及检测效果与小波基函数的选择密切相关,Marr小波(又称Mexicanhat小波)具有良好的连续性、对称性以及指数衰减性,并且还具有一阶消失矩等性质,非常适合对信号进行奇异性检测。
Marr小波的母函数是高斯函数的二阶导数与常数的乘积,表达式为:
因为它像墨西哥帽的截面,所以也常称之为墨西哥帽小波。
Marr 小波函数属于二次微分小波,在时域和频域都有很好的局部化,并
且满。
由于Marr小波函数具有无限光滑性以
及无穷次可微,并且不对单独的噪声点敏感,再加上其独特的时域性质,能使包含信息的特征点特别突出,因此本文选用Ma rr小波基进行R波峰值奇异点检测,应具有良好的定位特性和分析精度"
根据Marr小波基函数,计算得到相应的小波分解低通和高通滤波器的系数l和h,如下图2-1所示：根据人和气就可以利用Mallat 算法递归计算出信号的小波变换。
图2-1
基于Ma rr小波变换的R波峰值奇异点定位
由前面的讨论可知,信号x(t)的所有奇异点在尺度一时间平面的模极大值线上,且其小波变换在
充分接近于零时,其模极大值点就是信号的突变点。
由于Marr小波是二次微分小波,而且图形是以原点左右对称的,因此原始信号的奇异点在其小波变换的各层细节信号上仍然保持为极大值,这就使得对原始心电信号R波峰值奇异点的检测可以转化为对特征尺度上细节信号的极大值点的检测"相比之下,Marr小波能克服采用一次微分小波检测信号奇异点时存在的以下缺陷:(l)一次微分小波检测算法需通过检测小波模极大值对的过零点来定位信号奇异点,而过零点易受到噪声干扰,使得定位精度的稳定性难以保证。
(2)一次微分小波变换算法中需借助于一对相邻的模极值点位置及两者之间的斜率间接确定R波位置,并且还要根据特征尺度进行时移修正,其计算过程相对比较复杂和繁琐。
而我们以软件为主的方法实现Q R S波的检测滤波之后的信号一般经过一些变换以提高Q R S波的份量，进而采用一系列阈值进行判别，这些阈值有固定阈值法，也有可变阈值法。
前者由于可能的干扰或高P、高T波的存在，若其滤波后超过其阈值便会产生假阳性(F P，f a l s e p o s i t i v e)结果；另外，当心律失常或Q R S波幅度变小，阈值设置过高，会导致漏检产生假阴性(F N，f a l s en eg a t i v e)结果。
由于固定阈值的这些缺点，有研究者提出了用可变阈值检测，以提高检测的精确率，
t i t l e('N O I S Y E C G纠正及校准前的R波信号');
s u b p l o t(2,1,2),p l o t(1:l e n s i g,s i g,r v a l u e,s i g(r v a l u e),' r.');
t i t l e('N O I S Y E C G纠正及校准后的R波信号');
结论（画出要求的图形）:
ECG-R波检测所获得的结果如下图3-1与图4-1所示：
图3-1
图4-1
而NOISYECG-R波检测所获得的结果如下图5-1与图6-1所示：
图5-1
图6-1 总结：
实习报告分数：
指导教师：。