心电信号的分析，含义，用途
班级：07生医1班
姓名：王颖晶
学号：0700308108
什么是心电：
心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。

心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。

在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之间无电位差是等电的。

心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着生物电的变化，这些生物电的变化称为心电。

心电信号的用途：
心电信号是人们认识最早、研究最早的人体生理电信号之一。

目前心电检测已经成为重要的医疗检测手段，但是心电信号的相关试验及研究依然是医学工作者和生物医学工程人员的重要议题。

心血管疾病是人类生命的最主要的威胁，而心电(ECG，electrocardiogram)信号是诊断心血管疾病的主要依据，因此实时检测病人心电活动、设计自动采集存储病人心电信号的便携式系统具有重要意义。

心电信号的含义：
心电信号是由人体心脏发出相当复杂的微弱信号，其幅度一般在1O V～5mV之间，频率为0．05～ 1。

OHZ，外界干扰以及其他因素的
存在使其变得更难以检测n 。

心电信号采集处理系统以抑制干扰、得到较为理想状态下的心电信号为目的。

在心电信号滤波和处理算法中，要频繁进行大量的数据乘、加运算。

三个特殊波段的检测：
1.QRS波的检测
☐QRS的特点:
⏹其能量在心电信号中占很大的比例,
⏹其频谱分布在中高频区, 峰值落在10-20Hz之
间,
☐二阶导数算法
⏹心电信号的一阶和二阶导数的平方和作为QRS
波标记的脉冲信号,
☐移动平均算法
⏹其求导平方运算和上相同, 并对求导平方数据
进行移动平均, 从而突出QRS波的特征信息,
☐正交滤波算法
2.R波峰点的检测
☐双边阈值检测法
⏹取一个固定的阈值Ra, t1,t2分别为R波上升和
下降通过这个阈值的时刻，则R基准点的位置
t=(t1+t2)/2
☐固定宽度检测法
⏹选一个固定宽度 , 寻找为一个R波的t1, t2,
t=(t1+t2)/2, 此法不受波形幅度变动和基线漂移的影
响。

3.T波的检测
☐T波的检出
⏹幅度和形状，
⏹小波变换,
☐T波的终点
⏹零点，
⏹最负的斜率切线和基线的交点，
⏹最小二乘法拟合波, 用最小二乘法在T波后半
支写率最大点附近的区域拟合一直线, 它于等电位的交
点
T波的检出四种方法
☐技术阈值法(TH): T波与阈值水平的交点,
☐微分阈值(DTH): T波的微分与阈值水平的交点,
☐技术斜率交点(SI): T波最大斜率与等位线交点,
☐技术峰斜率交点(PSI): T波高峰和T波最大斜率的脸限于等位线的交点。

心电信号的一种实验研究系统：
系统设计
系统设计包括设计采集模拟仪的硬件电路、控制软件和建立相应的心电数据库，并组合成为一个能够采集、存储、模拟心电信号的系统。

图１ 心电信号采集模拟系统总体框图
采集模拟仪用一套硬件电路同时完成心电信号的采集模拟任务。

采集部分采集心电信号并分类存储于心电数据库，模拟部分模拟输出心电信号数据库中的心电信号。

系统总体设计如图１所示，下面分别讨论各个功能模块的设计。

心电信号的相关参数
本文的设计目的是采集模拟心电信号，所以讨论心电信号的相关参数是有必要的。

这些参数是设计心电信号采集模拟仪的基本依据。

本文采集模拟标准肢体导联信号VI 、VII 、VIII 。

关于心电信号的形成机理和导联方式，可以参阅参考文献[1]或其他生理学文献。

生理电信号的幅值、频率等基本参数是设计相关仪器的基本依
心电信号采集模拟仪 心电数据库
据。

通过现有的研究成果和临床资料，我们可以获得心电信号的幅值、频率等参数。

表1列出了心电信号和其他常见电生理信号的典型幅值和频率范围。

心电信号采集模拟仪的设计要求
通过对心电信号的幅度、频率等参数的讨论，现在提出心电信号采集模拟仪的设计要求：
1．系统采样经过放大的心电信号，采样输入端口要求输入信号幅度为-5V~5V，匹配系统电源和ADC输入要求；
2．采样率设计满足采样定理并能采样不同频率的心电信号，默认采样率为250Hz，可调；
3．保持较高的采样精度，设计采用8位ADC采样；
4．心电数据库支持系统模拟正常心电信号、心律不齐信号、室性早搏信号、二联律、三联律信号和其他信号；
5．模拟仪输出幅度、频率、心率符合实际心电信号参数要求。

输出幅度：50μV~50mV，可调；输出频率：0.05Hz~100Hz；心率：60~120次／min。

同时输出一路方波信号作为检验信号；
6．为了扩展仪器功能，要求可以手动调节模拟输出信号的幅度和输入信号的采样率。

设计模拟信号输出幅度的粗调调节范围为-5V~5V，微调调节范围为0.002mV~100mV；
7．仪器在抗电磁干扰和人体安全性方面达到国家相关标准。

采集模拟仪的硬件实现
根据系统设计要求，本文设计了如图２所示的硬件系统方案，并以此设计了系统硬件电路。

该框图没有画出晶振、复位、电源、状态指示灯等辅助电路。

图２采集模拟仪的硬件框图
系统芯片选型基本在图２中标出。

控制器采用8位单片机AT89C51，内部有4K闪存，可以驻留系统控制程序和标准肢体导联３路心电信号。

采集部分采用ADC0809，可以同步采集８路信号，系统只使用了其中的３路。

模拟输出部分采用12位DAC MAX527，可以输出模拟心电信号。

采集模拟仪还扩展了32k×8bit的RAM UT62256用来暂时存贮采集得到的心电数据。

按键开关X9511用来手动调节模拟信号的输出幅度。

采集模拟仪采用RS232协议和主机心电数据库通
信，完成心电信号的存储和下载。

根据图２所示，采集模拟仪可以通过外部按钮选择采集/模拟功能。

采集心电数据时，系统在主控单片机的控制下，通过ADC采样输入通道的3导联心电信号，采样数据暂存于系统片上RAM。

片上RAM 的数据可以通过串口上传到PC机上的心电数据库永久保存。

系统采样率可以通过外部调节按钮设定。

心电模拟器的设计思想是将数字心电信号经过数模转换，模拟输出各种心电信号。

我们事先获得大量各种特征的心电数字信号，存贮在心电数据库中。

当我们需要模拟某特定心电信号时，只要将数据库中的信号模拟输出就可以提供实验。

DAC输出幅度为-5V~5V，而人体心电信号的幅度很小，所以模拟输出心电信号还要经过一级衰减，使输出幅度达到标准心电信号的幅度范围：50μV~50mV。

衰减器设计成一个电阻分压电路，衰减幅度可以由外部按钮调节。

在心电模拟输出时，同时输出一路同周期的方波信号用作校检信号。

输出方波信号时向DAC前半周期写1，后半周期写0就可以完成。

采集模拟仪的软件流程
软件配合硬件电路控制心电数据采样、传输和模拟功能。

软件首先由用户选择是采集心电数据还是模拟心电数据。

心电采集时，采集模拟仪在设定的采样率下将心电数据采样并传输到心电数据库保存。

心电模拟时，采集模拟仪下载心电数据库中的信号，模拟输出。

图3给出程序流程。

图3 采集模拟仪的程序流程
心电数据库的建设
进行心电研究时，心电数据库的建设是很有必要的。

目前世界上最具权威的心电数据库有美国MIT的数据库和欧洲的数据库。

这些数据库规模庞大，数据权威，是进行心电学习和研究的重要工具。

然而，心电数据库的建立并不是一件难事，所以为了研究和实验的方便，作者通过下载MIT心电数据库中一些典型数据，结合本系统采样得到的一些心电信号逐步建立了一个简单实用的心电数据库。

心电数据库的数据保存心电信号的采样值，可以以图形形式查看相应的波形，同时带有幅度、采样频率等参数。

数据库配合本系统的采样模拟仪使用，更具实际意义。

图4是本实验室设计开发的医学信息数据库示意，从数据库可以以文本数据和图形显示的方式查看心电数据。

基于这个心电数据库，一方面，我们可以积累保存大量的有用信息，为临床研究和实验分析提供资料；另一方面，这些通过模拟器模拟这些数据，就可以检验心电图机等医疗仪器的功能，为新仪器的开发设计提供测试数据。

一个具有一定数据量的心电数据库是一个颇具学术价值的基础资料。

心电数据库的建设是一个不断丰富、不断更新的过程，心电数据库建设要注意和医院配合，追踪最新临床资料，结合自己研究方向，做出集权威性、特色性、学术性一体的数据库。

新电信号检测的前景和发展：
目前，心血管检查技术发展很快，创立了许多新方法，其中最简直的就是心电图检查技术，它在技术上已经成熟，结构上以趋于稳定，获得了十分广泛的应用。

心电图机正向着自动化、智
能化的方向发展。

为人的健康提供了一定的医疗保障。

该设计是通过使用低功耗的集成元件，实现一个低功耗、抗干扰能力强的心电放大器，并且容易携带。

能够应用于方便的对心电信号进行检测。