心电心率计算.docx

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心电心率计算

《生物医学传感器与测量》课程项目

实施报告

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出。

阈值的求法：

假设心跳导函数数据是以时间为横坐标，电压斜率为纵坐标的函数f’（t）,阈值为Yu。

现将f’（t）取绝对值F（t）=abs（f’（t））,再取F（t）的平均值Mean,取Yu=Mean，如果觉得此阈值设置的不理想，可以适当修改，将Yu乘以一个系数a。

对于波峰处，其斜率k应为0，但是对于数字信号处理，而非模拟信号，不太可能遇到理想的斜率为0的波峰，寻找波峰峰值应寻找导函数从+转变成-的数据坐标，该坐标即对应于原始数据的波峰值。

但是这种方法也不完善，仍然会有误差，除了所有R波以外，还会找到一些远远小于R波的个别毛刺，这些数据的斜率也很大，为了删除这些个别数据，仍然采用阈值分割法，

将R波提取出。

4、求取心率值：

已经找到了所有R波后，将R波个数除以数据总时间，便可得到心率值，同时也可以求得数据的周期值T

5、找Q、S波波峰：

在R波的前后半个周期T内寻找最小值，即找到了Q波，S波。

三、项目的实施过程

1、将电脑、biopac开启，并正确连接。

2、心电信号采集需要使用ECG100C放大器，LEAD110S屏蔽导线2根、LEAD100非屏蔽导线1根和一次性贴片电极3个。

放大器增益设置在500，高通滤波器设置在0.5Hz，低通滤波器设置在35HzON。

2根屏蔽电极的shield连接在放大器的shield上。

3、首先采集静态时的心电图，将电极片贴在皮肤上，并连上导线。

电极连接方法：

VIN+连接左下肢，VIN-连接右上肢，GND连接右下肢。

4、正确黏贴电极过后五分钟，连接电极开始测试，打开MP36，新建一个项目。

点击功能栏选择MP36，在MP36菜单下面选择SetupChannels选择ECG0-150HZ，设置通道（CH1）和基本参数，如下图

点击开始。

屏幕上出现心电图，等其稳定后，利用窗口复制出一组数据,并且保存到TXT文档中。

5、按照步骤3、4，再采集一组运动后的心电图。

6、打开Matlab，运行biopac.m文件，然后导入采集到的心率数据。

如下图。

其中，点击read读取选择所要测量的文件，上图为导入“read”产生的原始波形，点击deal对心电数据进行滤波和基线调整处理，完成后显示的波形呈现在下图中。

另外，点击zoomon后再点击图形可以放大波形，对图形右键鼠标点击zoomout可以缩小。

点击图形下方的Rdisplay、Qdisplay、Sdisplay后可以将R、Q、S波分别以不同颜色圈出。

Heartrate显示的就是测得的该状态下的心率，即为最后结果。

实验结束点击exit后退出。

4、项目的结果分析

健康成人的心率为60～100次/分，大多数为60～80次/分，女性稍快；3岁以下的小儿常在100次/分以上。

本次数据测试来源于男生与女生各一名。

并且对男女在运动前和运动后分别进行测量。

测量结果如下：

男生运动前：

心率为96次数/分。

R波检出率为100%，波峰漏检率为0%、波峰错检率为0%、测量时间为12秒。

男生运动后：

心率为121次数/分。

R波检出率为100%，波峰漏检率为0%、波峰错检率为0%、测量时间为17秒左右。

女生运动前：

心率为126次数/分。

R波检出率为96%，波峰漏检率为4%、波峰错检率为0%、测量时间为11秒左右。

女生运动后：

心率为131次数/分。

R波检出率为100%，波峰漏检率为0%、波峰错检率为0%、测量时间为11秒左右。

数据分析：

我们可以看出男生在运动前后心率，心率都比较正常属于合理范围之间并且明显发生了变化。

女生在运动前的心率不正常，运动后的心率属于正常范围，我们分析原因可能如下：

1）测试中电极连接或收集过程中发生人为错误导致数据采集错误；

2）数据记录错误（与运动后的重叠）；

3）该女生可能当时处于较为激动状态；

四组数据中的对于R波检出率来说十分高基本都到达了95%以上。

这说明测量程序的可靠性和精度都十分高。