ECG(心电图)

1．引言

心脏是血液循环的动力器官。心肌细胞的任何活动，都伴随着电的变化，这是一种生物电。把特制的、有放大装置的电流计连接到体表，就可将每一心动周期内所发生的电位变化描记成连续的曲线，即心电图（简称ECG）。由于各种病理原因引起的心脏疾病，几乎都和心脏的生物电活动相关，因此，心电图反映出心血管病人的许多病变信息，所以，它是心血管疾病诊断中十分重要的一种方法。

早期的ECG分析完全由医生用人工的方法完成。这一过程不仅费时费力，且可靠性不高。计算机辅助的ECG分析与诊断系统的研究始于五十年代末，在计算机辅助的ECG分析与诊断系统中，心电图中常存在由于各种干扰而造成的心电图的改变，这种改变称为心电图伪差。伪差给心电图诊断带来一定的困难。所以，从带有伪差的实际心电图中正确检测出我们需要的信息是很多科研工作者愿意研究的课题。随着生活水平的提高，人们对健康的重视程度也愈来愈强。心血管疾病是现代人患病率最高的疾病之一。心电图能够反映出心血管病患者不少的病变信息，所以，对心电图的研究具有很重要的意义。

在心电图中，每一个周期波形代表一个心动周期，它是由以下各个波和时间段构成的（图1-1）：

图1-1

QRS波群：反映心室肌除极和最早复极过程的电位和时间的变化，但以心室肌除极化为主。

P波：反映心房肌除极过程的电位与时间的变化。

P—R间期：代表激动从窦房结通过心房、心室交界区到心室开始除极的时间。

S—T 间期：从QRS波群终点到T波起点间的线段。它反映心室肌早期复极化过程的电位及时间变化。

T波：反映心室肌晚期复极化过程的电位与时间的变化。

Q—T 间期：从QRS波群起点到T波终点间的时间。代表心室肌除极化与复极化的时间。

当心脏有病变时，将使相应的心电波形有所改变。例如，QRS波群电压增高主要原因是心室肥大，S—T波段抬高有可能是心肌梗死，T波倒置有可能是心肌缺血等。

本设计中应用的标准心电信号ECG_X1是由UW DigiScope软件产生的，并以文本文件的形式存于Matlab的Work文件夹中。而各种噪声是用Matlab编写程序添加的。程序如下：clear %清除内存中的变量和函数

clc %清屏幕

fs=150; %设置取样频率

N = 512; %设置取样点数

load ECG_X1.txt %调出由UW DigiScope软件生成的标准心电图数据

x=( ECG_X1/256)'; %归一化

f=fs/N*(0:N/2-1); %设置频谱分辨率

k=0:N-1; %设置离散频率变量

z1=0.2*sin(2*pi*50*k/fs); %设置50HZ工频噪声

z2=0.2*sin(2*pi*49.5*k/fs); %设置频率偏移50HZ工频噪声

x1=x+z1; %合成含工频噪声心电信号

x2=x+z2;

z3=0.1*randn(1,N); %设置随机噪声50HZ工频噪声

y1=x+z3; %合成含随机噪声心电信号

save ECG_xinhao x x1 x2 y1 fs N z3 %将正常信号和含噪信号的参数存入ECG_xinhao文件中以上程序中，ecgy.txt文件是由UW DigiScope产生的标准心电图数据，x1是含50Hz工频噪声的心电信号，y1是含随机噪声的心电信号，save ECG_xinhaox x1 x2 y1 fs N z3是把工作表中的一些重要参数存入ECG_xinhao文件中，以便其它程序能调用这些参数。

2．对ECG信号噪声干扰的估计和消除

从人体体表电极采集的常规心电图信号(ECG)是mV级的信号，其主要能量集中在0.05Hz 到100Hz之间，是信噪比很低的微弱信号，很容易受到周围环境的影响。主要包括：电力系统的工频干扰，主要由50Hz及其谐波构成；由于测量电极同人体的接触不良引入的电极接触噪声包括电极同人体接触的时断时续及人体轻微运动引起的电极接触电阻的变化，这类干扰往往表现为信号基线的跳跃及其回复至基线的指数型的衰减过程，或者基线的抖动；由于人体呼吸引起的基线飘移，这类干扰的频率约为0.15Hz到0.3Hz；由于人体肌电信号（肌肉纤维的动作电位）引入的干扰，这是一种快速和随机的电变化，它的频带影响范围可以从2Hz到10Hz；此外还包括电极的极化电压，以及心电图放大电路内部噪声等。相对于微弱的心电信号来说，环境干扰可能大几个数量级，因此为了增强心电信号的有效成分，抑制噪声，要对采集的心电信号进行数字滤波处理，以抑制噪声干扰，提高波形检测及参数分析的准确性。

2.1几种消除50Hz工频干扰的滤波方法

2.1.1有限冲激响应滤波器

有限冲激响应滤波器(FIR)的单位冲激响应为有限项,这意味着输出数据的计算中不含反馈项,其输出仅取决于当前的输入和过去的输入。这种性质对数字滤波设计和应用具有重要的意义。FIR滤波器还具有线性相位，因为在生物医学信号处理的许多应用中，通过滤波来保存信号的某些特性是重要的，例如QRS波的高度和间期。由于线性相位滤波器的相位响应是一纯延时，因此相位失真最小，使得FIR滤波器很容易被设计为具有线性相位特性的滤波器。FIR滤波器还有较强的稳定性。因为滤波器未采用反馈回路，故除了那些位于z=0的极点外再没有别的极点。不可能有极点位于单位圆之外，这意味着它是稳定的。只要滤波器的输入是有限的，其输出也必将是有限的。以上所有特性都使得FIR滤波器的设计变得简单。有许多的直接设计方法能够满足任意频率响应和相位响应指标，例如窗设计法或频率取样法。有许多软件包能够自动

进行FIR设计过程，而且往往能求得在某方面最优的滤波器。

1.三点平均滤波器

理论：由于心电信号的主要频率都集中在低频段，所以我们可以设计一个低通滤波器，以去除工频干扰。我们先设计一个非常简单的低通滤波器，其输出和输入的关系为：

y(n)=1/3[x(n)+x(n-1)+x(n-2)]

因为当输入信号x(n)=δ(n)时，系统的输出，即h(n)=T[δ(n)]，所以y(n)就是h(n)，即

h(n)=1/3[δ(n)+ δ(n-1)+ δ(n-2)]

其z变换的形式为：H(z)=1/3(1+z-1+z-2)

程序如下：

% 三点平均滤波器

clear

clc

load ECG_ xinhao x x1 fs N %调用心电信号参数

t=(0:length(x)-1)/fs; %设置取样长度

X=fft(x,N); %以512点取样点数对正常信号进行快速傅立叶变换f=fs/N*(0:N/2-1); %设置频谱分辨率

figure(1) %建立图形窗口

subplot(211);plot(t,x);grid;

title('标准心电图时域图');

subplot(212);plot(f,abs(X(1:N/2)));grid;

title('标准心电图频域图');

X1=fft(x1,N); %以512点取样点数对含噪信号进行快速傅立叶变换figure(2)

subplot(211);plot(t,x1);grid;

title('含噪心电图时域图');

subplot(212);plot(f,abs(X1(1:N/2)));grid;