心率变异性及其相关算法的实现
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❖ 当前检测到的峰值PEAK(i)为噪声峰值时，更新NPK(i)：
初值设定： SPK(0)为前8个连续的1s 内各自最大值的平均； NPK(0)为0
❖ 更新当前的阈值
阈值设定及判断
时域参数的计算方法
❖ 均值（MEAN）旨在反映R-R间期的平均水平，其计算 公式为
❖ 总体标准差（SDNN）可以用来评估24h长程HRV的总 体变化，其计算公式为
❖ 由于样本容量和心率采集分辨率的限制，导致数据的功率 谱在0.0033Hz~0.4Hz频段中没有采样点，所以我们 无法计算频域参数VLF、LF、HF和TP。对于频域参数 来说，本报告中数据长度只有1min也是远远不够的，一 般计算频域参数的数据长度都必须是24h以上。
0.16 0.14 0.12
0.1 0.08 0.06 0.04 0.02
49.8359
80.0976
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849.7857
50.0317
26.7842
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33.0079
30.1528
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881.6667
97.9383
48.5085
6
58
1.0340e+003
94.7038
133.6006
7
65
911.4063
❖ 通过心电图（ECG）对心率的微小涨落的变换和处理来 获得心血管系统、自主神经系统等有关信息的信号分析过 程即HRV分析，是近年来的研究热点之一。针对HRV的 研究对心血管疾病的早期诊断、病中监护以及预后评估等 都有重要的意义。
概念介绍
时域分析
非线性 分析
HRV的 分析方法
仍然处于研究探 索阶段，还没有 实现临床应用
0 0 0.110 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
0.1
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
频域参数结果分析
基本原理 具体算法
QRS波群提取的微分阈值法
❖ 低通滤波 ❖ 高通滤波 ❖ 微分 ❖ 平方 ❖ 加窗平均 ❖ 阈值设定以及判断
低通滤波
❖ 低通滤波旨低干在通扰滤，去波但除虽 它高然带滤来频除了（了极肌高大频的电、高频电刀等）干扰，其传 递函数为 基漂，所以仅仅进行低通
滤波是不够的，还必须利 用高通滤波来消除这些基 漂
❖ 基于时域的分析方法，计算简单意义直观，易于为临床医 生所接受，但是它的灵敏度、特异性低，不能进一步区分 心脏交感、迷走神经的张力及其均衡性的变化，因此在实 际中还要结合频域的分析方法。
频域分析
❖ 频域分析是将连续正常的R-R间期进行基于FFT的经典谱 估计或基于自回归AR模型的现代谱估计获得的功率谱密度 ，可以作为定量的指标来描述HRV信号的能量分布情况， 它将各种生理因素作适当分离后进行分析，因而有较大的 临床应用价值。常用的谱参数有VLF极低频段（ 0.0033~0.04Hz）的功率、LF低频段（ 0.04~0.15Hz）的功率、HF高频段（0.15~0.4Hz） 的功率、TP信号总功率（VLF、LF和HF的总和）。
268.0230
497.3370
8
86
691.2941
211.7645
387.6543
9
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641.4130
41.6659
60.3174
10
103
579.9510
98.6092
172.1738
时域参数结果分析
❖ 不正常组的数据提供者自身的心率变异性存在问题； ❖ 由于SDNN是一个受个体差异、时空差异干扰很大的参
结题报告 心率变异性及其相关算法的实现
Logo
报告内容
概念介绍 基本原理与具体算法 计算结果与结果分析
算法总结 疾病诊查与研究意义 附加功能与参考文献
概念介绍
概念介绍
❖ 心率变异性（heart rate variability, HRV）是指连 续心跳间R-R间期的微小涨落。HRV反映了心脏交感神 经和迷走神经活动的紧张性和均衡性，是一种检测自主神 经性活动的非侵入性指标。近十年来的大量研究已充分肯 定了自主神经活动与多种疾病有关系，特别是与某些心血 管疾病的死亡率，尤其是猝死率有关。
❖ 对胎儿发育及产程进行监测。 ❖ 判断吸烟者植物神经功能受损害的程度。长期吸烟者，其植
物神经功能均可受到损害，受损的严重程度与烟量及烟龄呈 显著正相关。一般表现为交感神经张力增加和副交感神经张 力降低。对嗜烟者监测心率变异性，可以对多种相关疾病进 行预测。
附加功能 参考文献
附加功能
该算法除了可以计算心率变异性之外，还有以下2种附加功能： ❖ 对心率的正常与否进行判断，输出有心率正常、心动过速、心
时域参数的计算方法
❖ 均值标准差（SDANN）反映HRV中的慢变化成分，其 计算公式为
❖ 差值均方的平方根（r-MSSD）反映HRV中的快变化成 分，其计算公式为
来自百度文库
时域参数
18~29岁 30~49岁 50~69岁
SDNN SDANN r-MSSD
169.92±41.01 151.07±41.31 72.39±47.10 148.31±32.80 130.23±33.75 48.40±20.90 121.19±29.27 108.87±28.46 40.40±18.29
由迷走神经介导，代表呼吸变异
TP信号总功率（VLF、LF和HF的总和）
信号总的变异性
计算结果 结果分析
时域参数结果分析
组号 ❖ 本报告采心率用（了次1/m0in段）EMCEGAN数(m据s)，每段SD1Nm N(mins)，采样r-率MSSD(ms) 200Hz，幅度单位mV
1
74
812.3288
疾病诊查 研究意义
疾病诊查与研究意义
❖ 检测冠心病病人猝死的发生。凡副交感神经张力降低的冠 心病人，其心室颤动的阈值低，容易发生心脏性猝死，而 且心肌梗塞后的死亡率也增高。
❖ 了解副交感神经的受损情况。充血性心力衰竭患者植物神 经机能普遍受损害而降低，但副交感神经受损更显著，可 运用频域分析法进行监测。
数，所以如果数据的样本容量太小，则样本对总体缺乏足 够的代表性，从而难以保证SDNN推算结果的精确度和 可靠性。对于时域参数来说，本报告中数据长度只有 1min是远远不够的，一般计算SDNN的数据长度都必须 是24h以上。
0.9
频域参数结果分析
0.8 0.9
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0 0
0.9 0.8
0.9
0.8
0.7
0.9
0.6 0.7 0.8
1.4
0.8
0.6 0.7
1
0.5
0.5
0.7 1.2 0.6
0.9
0.7
0.4
0.6 0.4 0.5
1 0.8 0.6
0.3
0.5
0.7
0.2
0.3
0.4 0.8
0.4
0.6
0.5
0.2 0.3
0.1 10
20
0.3
0.6 30
0.1 0.2
频域参数的计算方法
❖ 本报告是基于FFT的经典谱估计的方法计算频域参数的 ❖ 各频域参数及其生理意义如下表所示：
频域参数
参数意义
VLF极低频段（0.0033~0.04Hz）的功率 LF低频段（0.04~0.15Hz）的功率 HF高频段（0.15~0.4Hz）的功率
机制不明。可能是与体温调节、肾素血管紧 张素系统及体液因子等因素有关的长期的调 节机制有关 解释仍然有争议，但是大多数学者认为它是 交感神经活动的标志
0
0
10 0 0.1
0.200.4
0.5 0.4 40 50
0.4
30 0.340 0.3
60 50
70 60 70
80 80
90 90
100 100
0 01.01 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
0.2 0.2 0.2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
理论成熟、算法简单、 各项指标意义明确， 因此较广泛的应用于 临床和医学实验中
频域分析
时域分析
❖ 时域分析是通过计算一系列有关R-R间期的数理统计指标 来评价心率变异性的临床价值。常用的统计参数指标有均 值（MEAN）、总体标准差（SDNN）、均值标准差（ SDANN）和差值均方的平方根（r-MSSD）等。
动过缓3种情况； ❖ 对心脏的早搏情况进行判断，输出有无早搏、室性早搏、房性
早搏3种情况，并且能给出1分钟内的早搏次数。
参考文献
❖ [1] 腾轶超老师课件，第3章 设计案例_心电监护仪器， 2012.
❖ [2] 刘晓芳，叶志前. 心率变异性的分析方法和应用. 国外医 学生物医学工程分册，2001,24(1): 42-48.
❖ 平方旨在将幅值为负的信号变为幅值为正的信号，32 点 加窗平均旨在对平方后的信号进行平滑处理，其传递函数 为
❖ 对应的差分方程为
阈值设定及判断
❖ 阈值设定采用自适应迭代法 ❖ 利用MATLAB的findpeaks函数对信号中的峰值进行检测
，得到一组数据，设为PEAK(i) ❖ 当前检测到的峰值PEAK(i)为信号峰值时，更新SPK(i)：
0 0
5
10
15
20
25
算法总结
算法总结
1
在计算心率变 异性之前，必 须对待处理的 心电信号进行 QRS波群的 提取。
2
3
计算心率变异 计算心率变异 性对数据长度 性对采样频率 有一定的要求。 也有一定的要
求。
微数采分据样阈长频值度率法过太是短低较，为时容有域易效参导的数致提的所取计需方算要法结频之果段一误（，差0.0该大03算、3法准Hz可确~0以度.4进低Hz行；）实频的 时域数检参据测数没，的有且计被准算采确结集度果到较灵，高敏影，度响心差最率。终误计分判算析发心结生率果的变。概异率性低的。数据长度往 往要在24h以上。
❖ [3] 王步青，王卫东. 心率变异性分析方法的研究进展. 北京 生物医学工程，2007,26(5): 551-554.
❖ [4] 牛德金，赵瑞红，黄佳. 检查心率变异性的意义. 家庭医 生.
Logo
❖ 通过评价交感神经张力亢进情况，用于诊断年轻患者的血管 迷走性晕厥。
❖ 监测心肌病患者病情。无心力衰竭的扩张型心肌病患者，植 物神经功能普遍受损。通过心率功率谱分析，可以了解心肌 病患者的病情。
疾病诊查与研究意义
❖ 监测心脏移植术后的排斥反应。心脏移植术后，患者心脏心 率变异性显著降低甚至消失，一旦发生排斥反应，心率变异 性则明显增高，因此，心脏移植术后应定期检查心率变异性 ，以了解和预防心脏排斥反应的发生，及时采取相应措施。
❖ 对应的差分方程为
高通滤波
❖
高通滤波旨在去除低频（基漂）干扰，其传递函数为
高通滤波有效的去除了基
漂，但是噪声部分的干扰
依然较大，为了更有效的
提取QRS 波群，必须对信
号进行微分计算
❖ 对应的差分方程为
❖ 微分算法的传递函数为 ❖ 对应的差分方程为
微分
微分使得正负半轴 的信号幅值近乎相 等
平方及加窗平均
❖ 探讨高血压的始动机制。现已查明，原发性高血压患者的 交感神经张力增高，而副交感神经的张力降低，且与高血 压的严重程度呈明显的正相关。但是，老年高血压患者的 上述变化不甚明显。通过植物神经功能测定，可以了解高 血压的始动机制。
疾病诊查与研究意义
❖ 监测和评价糖尿病患者的植物神经机能状况。糖尿病患者的 植物神经和周围神经均受损害，且两者呈平行关系。通过心 率变异性检查，可以了解植物神经机能的受损害程度。
初值设定： SPK(0)为前8个连续的1s 内各自最大值的平均； NPK(0)为0
❖ 更新当前的阈值
阈值设定及判断
时域参数的计算方法
❖ 均值（MEAN）旨在反映R-R间期的平均水平，其计算 公式为
❖ 总体标准差（SDNN）可以用来评估24h长程HRV的总 体变化，其计算公式为
❖ 由于样本容量和心率采集分辨率的限制，导致数据的功率 谱在0.0033Hz~0.4Hz频段中没有采样点，所以我们 无法计算频域参数VLF、LF、HF和TP。对于频域参数 来说，本报告中数据长度只有1min也是远远不够的，一 般计算频域参数的数据长度都必须是24h以上。
0.16 0.14 0.12
0.1 0.08 0.06 0.04 0.02
49.8359
80.0976
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50.0317
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94.7038
133.6006
7
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911.4063
❖ 通过心电图（ECG）对心率的微小涨落的变换和处理来 获得心血管系统、自主神经系统等有关信息的信号分析过 程即HRV分析，是近年来的研究热点之一。针对HRV的 研究对心血管疾病的早期诊断、病中监护以及预后评估等 都有重要的意义。
概念介绍
时域分析
非线性 分析
HRV的 分析方法
仍然处于研究探 索阶段，还没有 实现临床应用
0 0 0.110 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
0.1
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频域参数结果分析
基本原理 具体算法
QRS波群提取的微分阈值法
❖ 低通滤波 ❖ 高通滤波 ❖ 微分 ❖ 平方 ❖ 加窗平均 ❖ 阈值设定以及判断
低通滤波
❖ 低通滤波旨低干在通扰滤，去波但除虽 它高然带滤来频除了（了极肌高大频的电、高频电刀等）干扰，其传 递函数为 基漂，所以仅仅进行低通
滤波是不够的，还必须利 用高通滤波来消除这些基 漂
❖ 基于时域的分析方法，计算简单意义直观，易于为临床医 生所接受，但是它的灵敏度、特异性低，不能进一步区分 心脏交感、迷走神经的张力及其均衡性的变化，因此在实 际中还要结合频域的分析方法。
频域分析
❖ 频域分析是将连续正常的R-R间期进行基于FFT的经典谱 估计或基于自回归AR模型的现代谱估计获得的功率谱密度 ，可以作为定量的指标来描述HRV信号的能量分布情况， 它将各种生理因素作适当分离后进行分析，因而有较大的 临床应用价值。常用的谱参数有VLF极低频段（ 0.0033~0.04Hz）的功率、LF低频段（ 0.04~0.15Hz）的功率、HF高频段（0.15~0.4Hz） 的功率、TP信号总功率（VLF、LF和HF的总和）。
268.0230
497.3370
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211.7645
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41.6659
60.3174
10
103
579.9510
98.6092
172.1738
时域参数结果分析
❖ 不正常组的数据提供者自身的心率变异性存在问题； ❖ 由于SDNN是一个受个体差异、时空差异干扰很大的参
结题报告 心率变异性及其相关算法的实现
Logo
报告内容
概念介绍 基本原理与具体算法 计算结果与结果分析
算法总结 疾病诊查与研究意义 附加功能与参考文献
概念介绍
概念介绍
❖ 心率变异性（heart rate variability, HRV）是指连 续心跳间R-R间期的微小涨落。HRV反映了心脏交感神 经和迷走神经活动的紧张性和均衡性，是一种检测自主神 经性活动的非侵入性指标。近十年来的大量研究已充分肯 定了自主神经活动与多种疾病有关系，特别是与某些心血 管疾病的死亡率，尤其是猝死率有关。
❖ 对胎儿发育及产程进行监测。 ❖ 判断吸烟者植物神经功能受损害的程度。长期吸烟者，其植
物神经功能均可受到损害，受损的严重程度与烟量及烟龄呈 显著正相关。一般表现为交感神经张力增加和副交感神经张 力降低。对嗜烟者监测心率变异性，可以对多种相关疾病进 行预测。
附加功能 参考文献
附加功能
该算法除了可以计算心率变异性之外，还有以下2种附加功能： ❖ 对心率的正常与否进行判断，输出有心率正常、心动过速、心
时域参数的计算方法
❖ 均值标准差（SDANN）反映HRV中的慢变化成分，其 计算公式为
❖ 差值均方的平方根（r-MSSD）反映HRV中的快变化成 分，其计算公式为
来自百度文库
时域参数
18~29岁 30~49岁 50~69岁
SDNN SDANN r-MSSD
169.92±41.01 151.07±41.31 72.39±47.10 148.31±32.80 130.23±33.75 48.40±20.90 121.19±29.27 108.87±28.46 40.40±18.29
由迷走神经介导，代表呼吸变异
TP信号总功率（VLF、LF和HF的总和）
信号总的变异性
计算结果 结果分析
时域参数结果分析
组号 ❖ 本报告采心率用（了次1/m0in段）EMCEGAN数(m据s)，每段SD1Nm N(mins)，采样r-率MSSD(ms) 200Hz，幅度单位mV
1
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812.3288
疾病诊查 研究意义
疾病诊查与研究意义
❖ 检测冠心病病人猝死的发生。凡副交感神经张力降低的冠 心病人，其心室颤动的阈值低，容易发生心脏性猝死，而 且心肌梗塞后的死亡率也增高。
❖ 了解副交感神经的受损情况。充血性心力衰竭患者植物神 经机能普遍受损害而降低，但副交感神经受损更显著，可 运用频域分析法进行监测。
数，所以如果数据的样本容量太小，则样本对总体缺乏足 够的代表性，从而难以保证SDNN推算结果的精确度和 可靠性。对于时域参数来说，本报告中数据长度只有 1min是远远不够的，一般计算SDNN的数据长度都必须 是24h以上。
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频域参数结果分析
0.8 0.9
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
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0.1 0.2
频域参数的计算方法
❖ 本报告是基于FFT的经典谱估计的方法计算频域参数的 ❖ 各频域参数及其生理意义如下表所示：
频域参数
参数意义
VLF极低频段（0.0033~0.04Hz）的功率 LF低频段（0.04~0.15Hz）的功率 HF高频段（0.15~0.4Hz）的功率
机制不明。可能是与体温调节、肾素血管紧 张素系统及体液因子等因素有关的长期的调 节机制有关 解释仍然有争议，但是大多数学者认为它是 交感神经活动的标志
0
0
10 0 0.1
0.200.4
0.5 0.4 40 50
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
理论成熟、算法简单、 各项指标意义明确， 因此较广泛的应用于 临床和医学实验中
频域分析
时域分析
❖ 时域分析是通过计算一系列有关R-R间期的数理统计指标 来评价心率变异性的临床价值。常用的统计参数指标有均 值（MEAN）、总体标准差（SDNN）、均值标准差（ SDANN）和差值均方的平方根（r-MSSD）等。
动过缓3种情况； ❖ 对心脏的早搏情况进行判断，输出有无早搏、室性早搏、房性
早搏3种情况，并且能给出1分钟内的早搏次数。
参考文献
❖ [1] 腾轶超老师课件，第3章 设计案例_心电监护仪器， 2012.
❖ [2] 刘晓芳，叶志前. 心率变异性的分析方法和应用. 国外医 学生物医学工程分册，2001,24(1): 42-48.
❖ 平方旨在将幅值为负的信号变为幅值为正的信号，32 点 加窗平均旨在对平方后的信号进行平滑处理，其传递函数 为
❖ 对应的差分方程为
阈值设定及判断
❖ 阈值设定采用自适应迭代法 ❖ 利用MATLAB的findpeaks函数对信号中的峰值进行检测
，得到一组数据，设为PEAK(i) ❖ 当前检测到的峰值PEAK(i)为信号峰值时，更新SPK(i)：
0 0
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算法总结
算法总结
1
在计算心率变 异性之前，必 须对待处理的 心电信号进行 QRS波群的 提取。
2
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计算心率变异 计算心率变异 性对数据长度 性对采样频率 有一定的要求。 也有一定的要
求。
微数采分据样阈长频值度率法过太是短低较，为时容有域易效参导的数致提的所取计需方算要法结频之果段一误（，差0.0该大03算、3法准Hz可确~0以度.4进低Hz行；）实频的 时域数检参据测数没，的有且计被准算采确结集度果到较灵，高敏影，度响心差最率。终误计分判算析发心结生率果的变。概异率性低的。数据长度往 往要在24h以上。
❖ [3] 王步青，王卫东. 心率变异性分析方法的研究进展. 北京 生物医学工程，2007,26(5): 551-554.
❖ [4] 牛德金，赵瑞红，黄佳. 检查心率变异性的意义. 家庭医 生.
Logo
❖ 通过评价交感神经张力亢进情况，用于诊断年轻患者的血管 迷走性晕厥。
❖ 监测心肌病患者病情。无心力衰竭的扩张型心肌病患者，植 物神经功能普遍受损。通过心率功率谱分析，可以了解心肌 病患者的病情。
疾病诊查与研究意义
❖ 监测心脏移植术后的排斥反应。心脏移植术后，患者心脏心 率变异性显著降低甚至消失，一旦发生排斥反应，心率变异 性则明显增高，因此，心脏移植术后应定期检查心率变异性 ，以了解和预防心脏排斥反应的发生，及时采取相应措施。
❖ 对应的差分方程为
高通滤波
❖
高通滤波旨在去除低频（基漂）干扰，其传递函数为
高通滤波有效的去除了基
漂，但是噪声部分的干扰
依然较大，为了更有效的
提取QRS 波群，必须对信
号进行微分计算
❖ 对应的差分方程为
❖ 微分算法的传递函数为 ❖ 对应的差分方程为
微分
微分使得正负半轴 的信号幅值近乎相 等
平方及加窗平均
❖ 探讨高血压的始动机制。现已查明，原发性高血压患者的 交感神经张力增高，而副交感神经的张力降低，且与高血 压的严重程度呈明显的正相关。但是，老年高血压患者的 上述变化不甚明显。通过植物神经功能测定，可以了解高 血压的始动机制。
疾病诊查与研究意义
❖ 监测和评价糖尿病患者的植物神经机能状况。糖尿病患者的 植物神经和周围神经均受损害，且两者呈平行关系。通过心 率变异性检查，可以了解植物神经机能的受损害程度。