心电心率计算

《生物医学传感器与测量》课程项目

实施报告

目录

一、项目方案介绍

二、项目的原理与方法

三、项目的实施过程

四、项目的结果分析

五、项目的结论与讨论

一、项目方案简介

心率是人体中的一个非常重要的生命指标，心率的正确采集有助于分析人体的生理状况。现在有很多用于检测心率的仪器，常见的有基于压力传感器、光电传感器、电容传感器等的测试装置。本项目中，我们使用心电电极采集心率，再借助biopac这个平台自己设

计程序，运用课堂上所过的知识，对采集到的心率进行分析。

通过biopac对心电进行采集，然后用matlab编辑程序，对采集到的心电进行分析处理，以此找到心电图中的波峰，获得被采集者的心跳周期。在实验方案中，采用了对照的形式，即采取两组心电图数据，一组为静态时的心电图，另一组为运动后的心电图，将两者进行比较分析。

二、项目的原理与方法

主要原理及测量基础：心脏的节律性的跳动是由心肌细胞节律性收缩产生的，而这种有规律的收缩又是生物电信号在心肌纤维传播的结果。心肌纤维由大量心肌细胞组成，细胞兴奋以及兴奋传导系统向整个心脏传布。心肌细胞除极和复极过程电活动可以扩布到全身各处，不仅可以从心脏本身测出电信号，还可以由体表用电极测量。而在体表某处测量的心电图是心电向量在该方向的投影，在体表各点的电位分布是不同的。任意两点间的心电电位差的周期性曲线，称为心电图（ECG）。心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。

心肌细胞膜是半透膜，在静息状态时，膜外排列一定数量带正电荷的阳离子，膜内排列相同数量带负电荷的阴离子，所以膜外电位高于膜内，心肌细胞都处于极化状态，没有电位差，电流记录仪描记的电位曲线平直，即为体表心电图的等电位线。当心肌细胞受到一定强度的刺激时，细胞膜通透性发生改变，大量阳离子短时间内涌入膜内，使膜内电位由负变正，电流记录仪描记的电位曲线称为除极波，即体表心电图上心房P 波和心室的QRS波。细胞除极完成后，细胞膜又排出大量阳离子，使膜内电位由正变负，恢复到原来的极化状态，此过程由心外膜向心内膜进行。同样心肌细胞复极过程中的电位变化，由电流记录仪描记出称为复极波。由于复极过程相对缓慢，复极波较除极波低。心房的复极波低、且埋于心室的除极波中，体表心电图不易辨认。心室的复极波在体表心电图上表现为T波。整个心肌细胞全部复极后，再次恢复极化状态，各部位心肌细胞间没有电位差，体表心电图记录到等电位线。这就是心电图机测量到的一次完整的心电周期。

各波分析

P波：

由心房的激动所产生，代表左、右心室去极化过程。前一半主要由右心房所产生，后一半由左心房所产生。正常P波的宽度不超过0.11s，肢体导联最高幅度不超过2.5mm。

P-R间期：

代表从心房激动开始到心室激动开始的时间。这一期间随着人的年龄的增长而有加长的趋势。P-R间期代表由窦房结产生的兴奋经由心房、心室交界和房室束到达心室，并引起心室开始兴奋所需要的时间，故也称之为房室传导时间。当出现房室传导阻滞时，P-R 间期延长。

P-R段：

从P波终点至QRS波群起点，这一段正常人是接近于基线的。形成的原因是由于兴奋冲动通过心房之后在向心室传导过程中，要通过房室交界区，兴奋通过此区域时传导非常缓慢，形成的电位变化也很微弱，一般记录不出来。

QRS波群：

也即QRS综合波，包括三个紧密相连的电位波动，第一个向下的波为Q波，以后是高而尖的向上的R波，最后是一个向下的S波。QRS波群反映左右心室去极化过程的电位变化，称QRS综合波的宽度为QRS时在限，它代表全部心室肌激动过程所需要的时间，在0.06-0.10s之间，正常人最高不超过0.10s。R波幅度在0.5-2.5mV之间不等。

QRS间期：

从Q波开始只S波终了的时间间隔。代表心室肌（包括心室间隔肌）的去极化过程。

S-T段：

正常时它与基线平齐，代表心室部分已全部进去去极化状态，心室各部分之间没有电位差存在，曲线又恢复到基线水平。正常人QRS波群的中心频率在12-18Hz范围内。S-T 段包含的谐波分量频率甚低，几乎近于直流。

Q-T间期：

代表心室开始兴奋，除极，到完全复极至静息状态的时间，与心率的快慢有关。

T波：

代表心室复极化过程中的电位变化。在R波为主的心电图上，T波不应低于R波的十分之一。T波历时0.05-0.25s。T波方向与QRS波群的主波方向相同。

U波：

又称后电位是位于T波之后0.02-0.04s出现的一个小波，可能是反映心室激动后电位与时间的变化。

主要测量方法：在心率测量时，采用标准十二导联系统，分别记为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，aVR，aVL，aVF，导联。其中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ导联为标准肢体导联，是记录两个肢体间电位差的体表心电图。aVR，aVL，aVF导联为肢体加压导联，是在单级肢体导联基础上，将探测电极端通过电阻R接威尔逊中心电端的电阻断开，其他两个电阻形成参考端，因此能增加电压幅度。导联为胸前导联，由此获得的心电波形有较大振幅，反映心脏不同位置工作情况。在两两电极之间或电极与中央电势端之间组成一个个不同的导联,通过导联线与心电图机电流计的正负极相连，记录心脏的电活动。两个电极之间组成了双极导联, 一个导联为正极,一个导联为负极。电极和中央电势端之间构成了单极导联，此时探测电极为正极，中央电势端为负极。由于aVR，aVL，aVF远离心脏，以中央电端为负极时记录的电位差太小，因此负极为除探查电极以外的其他两个肢体导联的电位之和的均值。

编程原理：

1、去除基线：对于biopac采集到的心率电压可能由于外部干扰导致有误差，基本上有两种干扰因素，一是电源不稳或接触电极异常导致外来电压，使数据产生基线漂移。二是外界中白噪音干扰。

解决方法：频域滤波法。外加的电源电压在频域中表现为低频分量，可以采用高通滤波器滤除，截止频率设置为0.5HZ

2、去除白噪音：

解决方法：采用低通滤波器将噪音滤除，因为心率的电压在频域中表现约为0.5HZ-150HZ的电压，所以截至频率设置为150HZ。

3、寻找R波波峰：

对于理想的心率波形，R波的波峰值远远大于其他波峰峰值，可以寻找一个阈值作为判别值，大于这个阈值的数据中可以找到R波。但是在实际测量中发现有些人的心跳数据并不十分理想，其T波波峰也很大，所以很难找到一个阈值进行分割。

所以采用了一种导数求R波的方法。对于R波而言，不仅值大于其他波，并且其斜率的值也要远远大于其他波的斜率值。同样采用寻找阈值的方式，将斜率大的数据的坐标找