心电信号的处理.
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Nankai University, CY LI, 2018/9/17 5
Biomedical signal processing
心电信号的形成（3）
心电图(electrocardiogram, ECG)的产生
电流源：每个心肌细胞的除极和复极过程等效于一个偶极 子层（dipole layer） 容积导体(volume conductor):人体组织是导电的，看作是 一个容积导体， 心电向量: 所有心肌细胞的偶极子场的向量和, 心电图：所有心肌细胞的偶极子场在容积导体内产生电场， 从而有电位差产生，即心电图。 体表心电图, 心外膜、心内膜电图, 希氏束电图，
2018/9/17
Nankai University, CY LI,
17
Biomedical signal processing
H(z)和H(z)*H(z)的比较
H(z):
旁瓣太大, 13dB; 相频特性虽在通带内保持线性, 但在进入阻带后有 突变, 有可能造成心电信号的高频相位失真; 旁瓣有较大的衰减, 26.7dB, 有真正的线性相位;
Wilson terminal:
R
R/2 + C aVR R
L
R
C点的电位,
aVL和aVF的连 接相似
Nankai University, CY LI,
F
2018/9/17
12
Biomedical signal processing
标准导联(3)
单极胸导联V1-V6
(unipolar precordial leads), precordial: chest wall, 中心电端(Wilson terminal) V1-V6, 胸前电极分别 与中心电端的电位差,
MA H(z) 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 N=8 N=13 2 1 0 -1 -2 -3 -4 H(z) Angle
0
0.2
0.4 pi
0.6
0.8
1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
H(z)*H(z) 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 0 0.2 0.4 pi 0.6 0.8 1 N=8 N=13 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 0 0.2
Biomedical signal processing
Ch4: 心电信号的处理
心电图的产生, 心电图处理的基本思路,
时间上: 动态和静态, 空间上: 心肌电特性的空间离散度,
心电图处理和分析的发展,
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2018/9/17
1
Biomedical signal processing
Epicardial electrode sock
Nankai University, CY LI,
2018/9/17
10
Biomedical signal processing
标准导联(1)
12标准导联(standard leads)
标准I， II，III肢体导联(bipolar limb leads),
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2018/9/17
20
Biomedical signal processing
移动平滑滤波器的效果
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2018/9/17
21
Biomedical signal processing
MA的H(z)和H(z)*H(z)随N的变化
+20 V 1 0 -60 -90
300 ms
0
2 3
4
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2018/9/17
心室肌细胞动作电 位示意图
2
Biomedical signal processing
心电信号的形成（2）
电兴奋的传导(conduction or spread of
electrical excitation)
窦房结: 心脏的起搏兴奋点, 其细胞自发产生 50-100次/分的可传导AP, 心房的传导: 心房传导束-->右心房-->左心房 传导系统的传播: 房室束-->希氏束-->左、右 分支-->普金野（Purkinje）纤维网->心室肌, 电兴奋通过Purkinje网使心室肌细胞兴奋，
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2018/9/17
14
Biomedical signal processing
心电信号的预处理
抑制工频干扰， 基线纠漂，
Nankai University, CY LI,
Fra Baidu bibliotek
2018/9/17
15
Biomedical signal processing
+
滤波器 y(t)
+
x(t)
-
修改参数
n0(t): 噪声源（如50Hz工频信号），n1(t)：通过某一未知网络的 同一噪声源，n0’(t)：滤波器输出的估值， x(t)=s(t)+ n0(t)- y(t)=s(t)+ n0(t)- n0’(t) 要使得x(t)在最小均方差意义上与信号s(t)最佳匹配，
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Biomedical signal processing
Body surface mapping
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Biomedical signal processing
心电信号的形成（1）
心肌细胞的动作电位
心肌细胞除极和复极的电生理现象, 极化状态(polarised): 静息电位(resting potential), 动作电位(action potential, AP): 除极(depolarisation)和复 极(repolarisation), m
滤波器： FIR, IIR， 优化准则：信噪比最高、输出误差均方差最小， 参数修改：递归、非递归，
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Biomedical signal processing
自适应消噪声
x(t)=s(t)+n0(t) 信号源 n1(t) 噪声源
心电图的记录 (Recording of ECG)
标准导联, 肢体导联, 胸导联, 体表多部位标测(body surface mapping), 32-512通道的数据采集系统(multi-channel data acquisition system),, 电极背心, (electrode vest) 心脏表面的多部位标测(epicardial mapping), 多通道的数据采集系统 电极套(electrode sock) 心脏内膜的多部位标测(endocardial mapping), 多通道的数据采集系统 导管(catheter)和伞电极
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3
Biomedical signal processing
心脏传导系统
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2018/9/17
4
Biomedical signal processing
English terms
窦房结: sinus node, 心房: atrium, 心室: ventricle, 房室结: atrioventricular node (junction), 希氏束: bundle of His, 普金野纤维: Pukinje fibres, 心脏表面(心外膜): epicardium, 心内膜：endocardium 体表：body surface
H(z)*H(z):
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Biomedical signal processing
移动平滑滤波器(N=8)
Fs=1000Hz N=8,H(z),
-3dB, 55Hz, the first side peak: -13dB, nonlinear phase angle -3dB, 55Hz, the first side peak: -26.7dB, linear phase angle
噪声抑制和基线漂(detrending)
低通滤波器
可以滤掉心电信号中的肌电信号的高频干扰， 自适应滤波抑制工频干扰， 抵消法纠漂， 基线纠漂滤波器， 0.7Hz的高通截止频率，
抑制工频干扰
基线漂移的纠正
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16
Biomedical signal processing
H(z)*H(z),
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2018/9/17
19
Biomedical signal processing
移动平滑滤波器(N=33)
H(z): -3dB: 0.08Hz, the first side peak: -13dB H(z)*H(z): -3dB: 0.08Hz, the first side peak: 26.7dB
' E[ x 2 (t )] E[ s 2 (t )] E{[ n0 (t ) n0 (t )]2 } ' 当E{[ n0 (t ) n0 (t )]2 }最小时, x(t ) 是s(t ) 的最佳估值
H*H Angle
0.4
0.6
0.8
1
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2018/9/17
22
Biomedical signal processing
自适应滤波
根据输入信号自动调节滤波器的参数, 使其性
能指标最优化， 适用于对信号和噪声无先验知识(频谱)的或非 平稳信号, 基本结构: 滤波器、优化指标算法、滤波器参 数修改算法，
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6
Biomedical signal processing
典型心电信号波形
P, QRS, ST, T
QRS
P
S-T段
T
QT
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Biomedical signal processing
移动平滑滤波器(低通滤波)
H ( z ) (1 Z
Z
... Z
) y (n)
x (n k )
1 1-z 1 H (z ) y ( n ) y ( n 1) [ x ( n ) x ( n N )] N 1-z N 1 1 b (0) , b ( N ) ; a (0) 1, a (1) 1 N N 1 1 2Z Z 1 1 Z H (z ) N 1 Z N 1 2Z Z 1 y ( n ) 2 y ( n 1) y ( n 2) [ x ( n ) 2 x ( n N ) x ( n 2N )] N 1 2 1 b (0) , b (N ) , b (2 N ) ; a (0) 1, a (1) 2, a (2) 1 N N N
R II
I
III
R: right arm L L: left arm F: left foot
I=EL-ER,
F
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II=EF-ER, III=EF-EL
11
Biomedical signal processing
标准导联(2)
加压肢体导联标准aVR, aVL, aVF (augmented unipolar limb leads),
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2018/9/17
13
Biomedical signal processing
心电信号的畸变
心脏的病变： 传导阻滞，早搏，室颤、房颤, 心肌缺血、梗塞等, QRS变宽, ST段位移出现, 心率变化等,
来自心脏外的干扰信号： 50Hz工频干扰 肌电干扰， 10-300Hz, 呼吸的干扰，使基线漂移加剧，
Biomedical signal processing
心电信号的形成（3）
心电图(electrocardiogram, ECG)的产生
电流源：每个心肌细胞的除极和复极过程等效于一个偶极 子层（dipole layer） 容积导体(volume conductor):人体组织是导电的，看作是 一个容积导体， 心电向量: 所有心肌细胞的偶极子场的向量和, 心电图：所有心肌细胞的偶极子场在容积导体内产生电场， 从而有电位差产生，即心电图。 体表心电图, 心外膜、心内膜电图, 希氏束电图，
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Biomedical signal processing
H(z)和H(z)*H(z)的比较
H(z):
旁瓣太大, 13dB; 相频特性虽在通带内保持线性, 但在进入阻带后有 突变, 有可能造成心电信号的高频相位失真; 旁瓣有较大的衰减, 26.7dB, 有真正的线性相位;
Wilson terminal:
R
R/2 + C aVR R
L
R
C点的电位,
aVL和aVF的连 接相似
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Biomedical signal processing
标准导联(3)
单极胸导联V1-V6
(unipolar precordial leads), precordial: chest wall, 中心电端(Wilson terminal) V1-V6, 胸前电极分别 与中心电端的电位差,
MA H(z) 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 N=8 N=13 2 1 0 -1 -2 -3 -4 H(z) Angle
0
0.2
0.4 pi
0.6
0.8
1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
H(z)*H(z) 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 0 0.2 0.4 pi 0.6 0.8 1 N=8 N=13 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 0 0.2
Biomedical signal processing
Ch4: 心电信号的处理
心电图的产生, 心电图处理的基本思路,
时间上: 动态和静态, 空间上: 心肌电特性的空间离散度,
心电图处理和分析的发展,
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1
Biomedical signal processing
Epicardial electrode sock
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10
Biomedical signal processing
标准导联(1)
12标准导联(standard leads)
标准I， II，III肢体导联(bipolar limb leads),
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20
Biomedical signal processing
移动平滑滤波器的效果
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2018/9/17
21
Biomedical signal processing
MA的H(z)和H(z)*H(z)随N的变化
+20 V 1 0 -60 -90
300 ms
0
2 3
4
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心室肌细胞动作电 位示意图
2
Biomedical signal processing
心电信号的形成（2）
电兴奋的传导(conduction or spread of
electrical excitation)
窦房结: 心脏的起搏兴奋点, 其细胞自发产生 50-100次/分的可传导AP, 心房的传导: 心房传导束-->右心房-->左心房 传导系统的传播: 房室束-->希氏束-->左、右 分支-->普金野（Purkinje）纤维网->心室肌, 电兴奋通过Purkinje网使心室肌细胞兴奋，
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心电信号的预处理
抑制工频干扰， 基线纠漂，
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Biomedical signal processing
+
滤波器 y(t)
+
x(t)
-
修改参数
n0(t): 噪声源（如50Hz工频信号），n1(t)：通过某一未知网络的 同一噪声源，n0’(t)：滤波器输出的估值， x(t)=s(t)+ n0(t)- y(t)=s(t)+ n0(t)- n0’(t) 要使得x(t)在最小均方差意义上与信号s(t)最佳匹配，
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Biomedical signal processing
Body surface mapping
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Biomedical signal processing
心电信号的形成（1）
心肌细胞的动作电位
心肌细胞除极和复极的电生理现象, 极化状态(polarised): 静息电位(resting potential), 动作电位(action potential, AP): 除极(depolarisation)和复 极(repolarisation), m
滤波器： FIR, IIR， 优化准则：信噪比最高、输出误差均方差最小， 参数修改：递归、非递归，
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自适应消噪声
x(t)=s(t)+n0(t) 信号源 n1(t) 噪声源
心电图的记录 (Recording of ECG)
标准导联, 肢体导联, 胸导联, 体表多部位标测(body surface mapping), 32-512通道的数据采集系统(multi-channel data acquisition system),, 电极背心, (electrode vest) 心脏表面的多部位标测(epicardial mapping), 多通道的数据采集系统 电极套(electrode sock) 心脏内膜的多部位标测(endocardial mapping), 多通道的数据采集系统 导管(catheter)和伞电极
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心脏传导系统
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English terms
窦房结: sinus node, 心房: atrium, 心室: ventricle, 房室结: atrioventricular node (junction), 希氏束: bundle of His, 普金野纤维: Pukinje fibres, 心脏表面(心外膜): epicardium, 心内膜：endocardium 体表：body surface
H(z)*H(z):
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Biomedical signal processing
移动平滑滤波器(N=8)
Fs=1000Hz N=8,H(z),
-3dB, 55Hz, the first side peak: -13dB, nonlinear phase angle -3dB, 55Hz, the first side peak: -26.7dB, linear phase angle
噪声抑制和基线漂(detrending)
低通滤波器
可以滤掉心电信号中的肌电信号的高频干扰， 自适应滤波抑制工频干扰， 抵消法纠漂， 基线纠漂滤波器， 0.7Hz的高通截止频率，
抑制工频干扰
基线漂移的纠正
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H(z)*H(z),
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Biomedical signal processing
移动平滑滤波器(N=33)
H(z): -3dB: 0.08Hz, the first side peak: -13dB H(z)*H(z): -3dB: 0.08Hz, the first side peak: 26.7dB
' E[ x 2 (t )] E[ s 2 (t )] E{[ n0 (t ) n0 (t )]2 } ' 当E{[ n0 (t ) n0 (t )]2 }最小时, x(t ) 是s(t ) 的最佳估值
H*H Angle
0.4
0.6
0.8
1
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Biomedical signal processing
自适应滤波
根据输入信号自动调节滤波器的参数, 使其性
能指标最优化， 适用于对信号和噪声无先验知识(频谱)的或非 平稳信号, 基本结构: 滤波器、优化指标算法、滤波器参 数修改算法，
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Biomedical signal processing
典型心电信号波形
P, QRS, ST, T
QRS
P
S-T段
T
QT
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Biomedical signal processing
移动平滑滤波器(低通滤波)
H ( z ) (1 Z
Z
... Z
) y (n)
x (n k )
1 1-z 1 H (z ) y ( n ) y ( n 1) [ x ( n ) x ( n N )] N 1-z N 1 1 b (0) , b ( N ) ; a (0) 1, a (1) 1 N N 1 1 2Z Z 1 1 Z H (z ) N 1 Z N 1 2Z Z 1 y ( n ) 2 y ( n 1) y ( n 2) [ x ( n ) 2 x ( n N ) x ( n 2N )] N 1 2 1 b (0) , b (N ) , b (2 N ) ; a (0) 1, a (1) 2, a (2) 1 N N N
R II
I
III
R: right arm L L: left arm F: left foot
I=EL-ER,
F
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II=EF-ER, III=EF-EL
11
Biomedical signal processing
标准导联(2)
加压肢体导联标准aVR, aVL, aVF (augmented unipolar limb leads),
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13
Biomedical signal processing
心电信号的畸变
心脏的病变： 传导阻滞，早搏，室颤、房颤, 心肌缺血、梗塞等, QRS变宽, ST段位移出现, 心率变化等,
来自心脏外的干扰信号： 50Hz工频干扰 肌电干扰， 10-300Hz, 呼吸的干扰，使基线漂移加剧，