哈尔滨市阿城区中医医院 黑龙江 哈尔滨 150300
【摘 要】伴随着人们生活水平的逐步提高，人们的健康意识不断增强，心脏病是威胁人类健康的最严重的疾病之一，我国的心脏病发病率很高而且呈逐年递增的趋势，心脏病的防治和诊断已成为当今医学界面临的主要问题。心电信号是诊断心血管疾病的重要依据，随着计算机技术的进步，心电信号的处理和分析方法不断改进，取得了较好的效果。
【关键词】心电信号；预处理分析；特征提取
【中图分类号】R318.04【文献标识码】A【文章编号】2096-0867（2016）14-041-02
心电信号是人类最早研究并应用于临床与医学的生物电信号之一，相比于其它生物电信号，心电信号更易于检测，并且具有较直观的规律性。近年来，随着计算机技术的发展，心电信号的采集与处理也不断地向着自动化、智能化的方向发展。为了给医生提供清晰的心电图形，提高分析和诊断的精确性，必须先对心电信号数据进行预处理和特征提取，对于便携式监护仪器来说,心电信号的分析是不可缺少的一项功能。
1.心电信号的产生机理及特点
1.1心电信号产生机理
心脏运动的基础是心脏细胞产生生理电的除极和复极过程，其生理电特性表现为心脏的兴奋性、自律性和传导性，即心脏有规律的收缩。心脏传导系统是心脏有规律地产生激动、并将其迅速传导至工作心肌细胞的中枢和纽带。心脏是由心肌细胞组成的特殊组织，在心脏功能正常的情况下，每个心动周期由窦房结心肌细胞产生兴奋，之后依次传向心房和心室，使得心激动传导系统细胞、心房肌细胞和心室肌细胞依次产生兴奋。在这个过程中，心激动传导系统细胞、心房肌细胞和心室肌细胞按顺序产生兴奋，此生物电传递变化十分复杂，其有序的结果通过周围组织传遍全身，使身体各部位出现有规律而各向异性的电变化。因此，将测量电极放在肢体或躯体表面，甚至体内的不同部位，均可记录到心动周期的这种规律性电位变化曲线，这就是临床记录的心电图信号（ECG）。心电图信号直观地反映了心脏电兴奋在传导系统中的产生和传导过程，可以在一定程度上客观地反映心脏各部位的生理状况，是诊断心脏疾病和评价心脏功能的重要依据之一。
1.2心电信号的特点
ECG信号是心脏活动产生生物电信号过程的直观体现，它具有两个固有特点：一是随机性较强，实时变化，无法用一个准确的数学模型来描述。二是信号中掺杂了很强的背景噪声，信号幅值低、频率低，信号中有用成分往往淹没在噪声中，不易检测。ECG信号非常微弱，是典型的弱信号，要检测心电信号，硬件设备上必须有比较精准的大倍率放大电路，一般是通过多级放大实现。心电信号属于低频信号，频谱范围为0.05-100Hz，能量主要集中在0.5-45Hz。ECG信号具有很大的个体差异，不同的人心电信号不同，不同种族、年龄和身体状态，其心电信号都存在较大的差异，此外，同一时刻，同一个体在不同时期、不同状态，即使是同一次提取的心电信号，其信号强度和心率都具有差别。心电信号的干扰主要包括人体内干扰和外界干扰，由于人体是个复杂的生物体，因此在测量心电信号时会混有其它生物电干扰，在人体心电信号采集的外部环境中，也同样存在相应的电磁干扰。心电采集设备噪声的时域特性，在心电信号采集过程中，由于外界电磁环境的变化、人体所处状态和生理机能的变化，都会使采集的心电信号发生很大变化。
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2.心电信号的预处理技术
2.1快速傅立叶变换(FFT)滤波
傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是信号处理、语音处理和图像处理等领域中一种重要的分析工具。快速傅立叶变换(FFT)是实现普通离散傅立叶变换的一种快速算法，是DSP领域中的一项重大突破，它考虑了计算机和数字硬件实现的约束条件,研究了有利于机器操作的运算结构，大大缩短了计算时间，还有效地减少了计算所需的存储容量。利用FFT技术处理ECG信号的过程如下：对输入信号进行离散傅立叶变换，分析其频谱，然后根据所希望的频率特性进行滤波，再利用傅立叶反变换恢复出时域信号。为了抑制对心电信号影响较大的工频干扰和基线漂移，滤除0.5Hz以下的低频和50Hz的工频，为了抑制高频噪声和50Hz的倍频造成的干扰，滤除100Hz以上的频率。
2.2差分阈值算法检测QRS波
QRS复合波ECG信号的主要特征,也是ECG检测中的首要问题,可靠的QRS复合波检测一直是研究的重要领域，只有检出QRS波才能将心电数据划分为各个心拍，从而进行参数测量和波形分类。另一方面，QRS波的检出直接影响到心率的计算，也影响到节律事件的分析，因此，QRS波检测算法的准确度对于心电分析至关重要。用软件实现QRS波检测不仅可以方便地进行数字滤波、线性和非线性变换以及判定处理，还可以灵活地选择调节各类参数，对复杂情况进行特殊处理，现在，软件方式已经成为QRS波检测的首选方法。实用的便携式心电监护仪器必须同时具有精确性与快速性两个特点，但是精确的算法必然较为复杂，从而降低运算速度，而运算速度较快的算法常常达不到应有的检测精度，因此，将差分阈值算法应用在便携监护仪器上较为适宜。差分阈值算法的原理是基于QRS波群的幅值与斜率均为最大的特点确定QRS波群的阈值，计算ECG数据的差分值并与阈值进行比较，如达到或超过该阈值即可判断为检测到一个QRS波群。
2.3滑动平均滤波
为了滤除混杂在正常心电信号范围内的噪声和肌电干扰，使其标准的心电特征能够更明显的体现出来，便于医生做出准确的诊断，需要对心电数据进行了曲线平滑。由于QRS波群的频率很高，而其它部分的频率相对较低，所以采用分段处理的方法，根据差分阈值法检测出的Q点和S点对除QRS波群之外的数据进行滤波。由于这一部分的频率比较低，数据变化缓慢，通过多点滤波的方法使数据平滑不会过大的影响幅值的变化。
3.心电信号分析
3.1 RR间期和QRS波群的分析
在实际情况中，每个人心脏跳动的变化都会随着生理状况和情绪变化等因素而产生变化，所以医生在对患者进行临床诊断时更多关注的是患者既往的病史及当前的自觉症状，然后结合心电图，加以确诊，并不会单独对心电图加以分析。DCG监测人体24h的心率变化，平均心率为60～85次/min，对于成人而言，当心率≥100次/min时通常被诊断为心动过速，当心率≤60次/min时通常被诊断为心动过缓。由异位起博点提前发出激动,使心脏搏动提前发生的现象称为过早搏动，根据起博点的部位不同，过早搏动分为房性、房室交界区性和室性三种，由于前两者早搏在心电图上不易区分，故统称为室上性早搏。如果QRS波群的时限≥0.12秒则认为QRS波群宽大畸形，属于室性早搏症状；如果QRS波群的时限正常，处于0.06～0.10秒，但PR间期小于该间期所在数据段的平均值0.2秒，则可能是室上性早搏；如果当前RR间期大于两倍该间期所在数据段的RR间期，则认为出现停搏。
3.2 ST段和T波的分析
在医学上，对ST段上抬和下移的判断是十分重要的。由于每个人的ST段偏移程度都不尽相同，因此以ST段的中点为依据，设定某人正常情况下的平均ST段电位为UST，新检测到的ST段电位为Unew,ΔU=Unew-UST。当ΔU>0表示ST段上抬，ΔU<0表示ST段下移。如果ΔU>1mm的状况持续了40秒以上说明ST段上抬超过40秒，此时认为ST段发生异常，多被诊断为心肌梗死；如果ΔU<-0.5mm的状况持续了40秒以上说明ST段下移超过40秒，此时认为ST段发生异常，多被诊断为心绞痛。当使用V5导联时，T波的波形方向应当与QRS的方向保持一致，当T波的波形方向与QRS的方向相反时，即T波出现倒置，这种现象大多出现于多种心脏疾病的症状中,如心肌梗死和室性早搏等。
结语：
心脏病严重危害了人类的生存和健康，由于心血管疾病的发病时期不规律，且发病现象比较隐蔽，因此，人们通过各种方式来提前预防和治疗心血管疾病比较困难。ECG信号具有诊断可靠、方法简便和无创检测等显著的优点，在临床上被视为对心脏病进行诊断最主要的手段，虽然现有的心电信号智能分析技术和心电监护设备对防治诊断心脑血管疾病发挥了重要作用，但仍旧存在一些难题，还需要进一步研究。
参考文献：
[1]姚成.心电信号智能分析关键技术研究[D].长春：吉林大学.
[2]钱友峰.心电信号的预处理和分析[M].长春：长春理工大学.
论文作者:王桂娟
论文发表刊物:《系统医学》2016年14期
论文发表时间:2016/11/18
标签：信号论文; 心电论文; 傅立叶论文; 心脏论文; 阈值论文; 间期论文; 细胞论文; 《系统医学》2016年14期论文;