【正文】 功能，使心率的變化呈更長(zhǎng)時(shí)間的規(guī)律性，總之心率變異的生理機(jī)理是神經(jīng)體液對(duì)心血管系統(tǒng)精細(xì)調(diào)節(jié)的結(jié)果，反映了神經(jīng)因素與竇房結(jié)的平衡關(guān)系。當(dāng)這種內(nèi)在調(diào)節(jié)機(jī)制失去平衡就會(huì)引起 HRV異常，在生理學(xué)上 HRV是用來心血管內(nèi)在調(diào)節(jié)機(jī)制的工具，而臨床上 HRV 分析主要用于評(píng)估 ANS 的功能，輔助預(yù)測(cè)心源性猝死，對(duì)心肌梗塞病人作危險(xiǎn)分級(jí)。目前 HRV分析有時(shí)域分析、頻域分析、非線性分析等方法，這些都需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析才能得出可信的結(jié)果。動(dòng)態(tài)心電圖長(zhǎng)達(dá) 24 小時(shí)得到的病人日常生活 10 中的心率變化記錄，無疑 是 HRV分析的最佳的分析信息來源。 1 . 2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 利用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)分析診斷心電圖以有 20 余年的歷史，最早的診斷程序是美國(guó)心臟聯(lián)合會(huì)主席 Pepberger 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組在 1955 年提出的，以后各國(guó)學(xué)者的實(shí)驗(yàn)研究，逐步進(jìn)入臨床實(shí)用階段。前不久我國(guó)絕大多數(shù)的醫(yī)院都使用不帶自動(dòng)功能的心電圖機(jī)，此類儀器存在以下不足： 、自動(dòng)分析、自動(dòng)診斷、自動(dòng)打印報(bào)告，人工測(cè)量的精度較低，人工出報(bào)告的時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低。 ，在基層衛(wèi)生部門、邊遠(yuǎn)地區(qū)的小醫(yī)院、各醫(yī)院非心血管?？?部門、急診等缺乏心電圖專業(yè)醫(yī)師的地方，常常難以及時(shí)對(duì)患者進(jìn)行治療。隨著社會(huì)的發(fā)展，逐步出現(xiàn)心電圖機(jī)自動(dòng)分析。心電圖機(jī)分析研究始于 20 世紀(jì) 50 年代末，目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的是 12 導(dǎo)聯(lián)同步心電圖自動(dòng)檢測(cè)，我國(guó)現(xiàn)在正在推廣 12 導(dǎo)聯(lián)同步心電圖自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。心電圖的研究技術(shù)早已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外科研和醫(yī)療單位的重視，雖然起步很晚，但是發(fā)展的速度很快，但是在心電圖形的分析方面，還不是十分的完整。研究的手段和方法還比較單一。特別是在心電圖特征提取的方法的研究上，多采用帶儀的時(shí)域分析或者是單一的頻域分析方法來研究心電信號(hào)。顯然這 兩種方法都不能同時(shí)具備時(shí)域和頻域分辨能力，依次在分心信號(hào)的時(shí)候，受到了很大的限制。隨著小波理論的建立和發(fā)展，人民開始將基于時(shí) — 頻分析的小波變換運(yùn)用到了心電信號(hào)的分析中，并取得了很好的效果。 當(dāng)前絕大部分的心電信號(hào)檢測(cè)方法主要分為兩步：首先對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除信號(hào)中的主要噪聲（基漂、工頻電、肌電、器械移位等），對(duì) QRS 波群進(jìn)行加強(qiáng)；然后采取一定的準(zhǔn)則確定閾 11 值，檢出所需的信息。前半部分多在硬件上處理，所以，軟件上的就是處理那些經(jīng)濾波整流好的信號(hào)。就是在這些處理的方法中，目前的手段多是應(yīng)用小波變換，在 時(shí)域上結(jié)合頻域上對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行分析處理。目前所用的小波中，多采用兩種小波： molter 小波，和 duattler 小波，目前還是在 molter 小波分析上還是比較成熟一點(diǎn)的。 現(xiàn)在對(duì)心電信號(hào)分析上，在 QRS 波的檢測(cè)方面，還算是比較成熟，對(duì) QRS 波的定位， R 峰值的確定上，都已經(jīng)有了很好的發(fā)展，同時(shí)在 P 波、 T 波的分析也有了很大的進(jìn)展。但是，對(duì) U波的分析，和 S— T 段上的分析也還是很茫然。所以，在以后的發(fā)展方向上，很可能就是國(guó)內(nèi)外的研究趨勢(shì)。 1 . 3 設(shè)計(jì)說明 本軟件系統(tǒng)的名稱是“ 心電信號(hào)分析管理系 統(tǒng) ”。該項(xiàng)目是由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程與材料學(xué)院黃民老師提出的課題，在以前的各屆同學(xué)中，還沒有做過有關(guān)于醫(yī)療器械方面的設(shè)計(jì)，所以，我們也是試探性的來搞這個(gè)課題，在設(shè)計(jì)的中，未免有很多不足的地方，還希望以后的同學(xué)繼續(xù)完善、再開發(fā)這套系統(tǒng)，以使其可以應(yīng)用與實(shí)際中。 軟件系統(tǒng)不同于一般的程序，它的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是規(guī)模龐大，個(gè)人開發(fā)階段性的成果只是系統(tǒng)最終不斷完善的一個(gè)組成部分，軟件完成以后還需要不段的對(duì)其維護(hù)、補(bǔ)充、再開發(fā)。所以為避免以后的 人能夠順利的對(duì)以前人的工作了解掌握，避免再軟件使用維護(hù)、對(duì)軟件的二 次開發(fā)的過程中不必要的重復(fù)工作，編寫系統(tǒng)說明是一項(xiàng)很有效的工作。 1 . 4 軟件使用的開發(fā)工具 12 開發(fā)本軟件系統(tǒng)有必要選擇一種簡(jiǎn)易用的開發(fā)工具，來節(jié)省開發(fā)過程中的人力資源和將來的用于維護(hù)、二次開發(fā)的人力，經(jīng)濟(jì)資源。 Visual Basic 軟件開發(fā)抬舉基于對(duì)象特征需求，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)oop 進(jìn)行編程，提供了集成的環(huán)境 IDE 工具，使開發(fā) windows 下的永遠(yuǎn)程序不再煩瑣。 VB 的圖形特性幾乎含有了 windows 下的絕大部分 GUI 元素，能組成真正的 windows 圖形?？偠灾?VB 是一種簡(jiǎn)單易操作 的與呀，它設(shè)計(jì)的界面友好，語(yǔ)言通俗易懂，程序易于維護(hù)。過開發(fā)成本低廉。本系統(tǒng)將采用 VB 來進(jìn)行開發(fā)。 1 . 5 論文的結(jié)構(gòu)安排 本文第一章對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)方面的研究做了回顧、分析和總結(jié)。第二章是信號(hào)在識(shí)別上、分析上的原理。第三章是把系統(tǒng)總的框架定下來，作概括性的介紹。第四章把系統(tǒng)的軟件詳細(xì)的介紹。第五章對(duì)單片機(jī)和微機(jī)的接口部分作出分析。最后全文總結(jié)，得出研究的結(jié)論。 13 第二章 信號(hào)分析原理 2 . 1 最新分析方法簡(jiǎn)介 心電信號(hào)的計(jì)算機(jī)分析，已經(jīng)有近 30 年的歷史，但是，其基本的方法沒有改變 ，即根據(jù)心電圖的各個(gè)病理指標(biāo)，來綜合診斷心臟病。這種法國(guó)法主要在于利用計(jì)算機(jī)來幫助醫(yī)生完成綜合判斷和決策任務(wù)，而不是用計(jì)算機(jī)來解析心電圖的各個(gè)指標(biāo)本身。從理論上看，如果計(jì)算機(jī)只是用來分析心電圖的波形，并且按照醫(yī)生的臨床目測(cè)來分析的指標(biāo)進(jìn)行診斷。那么，如果想讓計(jì)算機(jī)在這方面的能力比醫(yī)生目測(cè)的要強(qiáng)的話，那就必須建立一種很好的分析方法。 對(duì)于這種非平穩(wěn)信號(hào)存在于許多科學(xué)研究領(lǐng)域中 ,為了有效地對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析與處理 ,促使人們尋求有效的數(shù)學(xué)分析工具。Gabor 于 1946 年提出了窗口傅里葉變換 [1](WFT:Window Fourier Transform)或稱為短時(shí)傅里葉變換。雖然 WFT 彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傅里葉變換的某些不足 ,但它也存在有本質(zhì)缺陷 ,不能滿足人們對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行有效分析的要求。近幾年來 ,借助于已有的相關(guān)數(shù)學(xué)研究成果 ,迅速發(fā)展起了一種新的信號(hào)時(shí)頻分析理論 —— 小波變換理論。小波變換是一種線性運(yùn)算 ,它對(duì)信號(hào)進(jìn)行不同尺度的分解 ,可有效地應(yīng)用于如信噪分離 ,提高時(shí)頻兩域的分辨率等 .討論小波變換用于心電 QRS波形高頻成份特征提取的方法 .實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高頻截止頻率 Fh和Ｗ值 ,對(duì)于心肌缺血 (冠心病 )者其值普遍高于無心肌缺血 (冠心病 )者 .并且揭示了急性心肌缺血時(shí)心電信息的高頻成份動(dòng)態(tài)變化的本質(zhì)。對(duì)于采樣的心電信號(hào)，經(jīng)選擇合適的小波，在以這種小波為母波的基礎(chǔ)上，對(duì)采樣的信號(hào)進(jìn)行小波變化，經(jīng)小波 14 變化后的信號(hào)，在不同的小波變換尺度上，就是針對(duì)于心電信號(hào)的不同波段的信號(hào)的加強(qiáng)分析，然后，在不同的尺度上，根據(jù)一定的域值來對(duì)心電信號(hào)作出一定的判斷。 2 . 1 . 1 小波變換的簡(jiǎn)介 小波，從字面上理解就是一種小的、短的函數(shù)波形，也就是說：小波 =小 +波形，凡是一切積分等于零的函數(shù)均可以作為小波函數(shù)。過去我們分析信號(hào)是用傅里葉方法，將信 號(hào)用正弦和余弦函數(shù)展開，這種方法適合變化平穩(wěn)的信號(hào)，而對(duì)于非平穩(wěn)變化信號(hào)（如天氣預(yù)報(bào)、地震預(yù)測(cè)、洪水預(yù)防、股市分析、圖像識(shí)別等等）效果十分不理想，也就是說傅里葉方法沒有局部化能力。而小波分析方法卻能精確檢測(cè)奇異信號(hào)。 小波變換的概念是由法國(guó)從事石油信號(hào)處理的工程師 在 1974 年首先提出的，通過物理的直觀和信號(hào)處理的實(shí)際需要經(jīng)驗(yàn)的建立了反演公式，當(dāng)時(shí)未能得到數(shù)學(xué)家的認(rèn)可。 小波分析作為一門學(xué)科始于 1990 年前后，它是傅立葉分析發(fā)展史上里程碑式的進(jìn)展，是傅立葉分析理論發(fā)表 170多年來最輝煌的繼承、總結(jié) 和發(fā)展，對(duì)分析工具起著承前啟后、繼往開來的重要作用，并取得了許多傳統(tǒng)分析方法難以實(shí)現(xiàn)的顯著應(yīng)用效果，這種分析技術(shù)是一種高新技術(shù)，是高科技的重要內(nèi)容，它已經(jīng)把信息工業(yè)和信息技術(shù)推向了一個(gè)新時(shí)代，是當(dāng)今國(guó)際學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)內(nèi)容之一。是當(dāng)前數(shù)學(xué)中一個(gè)迅速發(fā)展的新領(lǐng)域，它同時(shí)具有理論深刻和應(yīng)用十分廣泛的 雙重意義。它與 Fourier 變換、窗口 Fourier 變換（ Gabor 變換）相比，這是一個(gè)時(shí)間和頻率的局域變換，因而能有效的從信號(hào)中提取信息，通過伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析（ Multiscale Analysis），解決了 Fourier 變換不能解決的許多 15 困難問題，從而小波變化被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”，它是調(diào)和分析發(fā)展史上里程碑式的進(jìn)展。 小波分析的應(yīng)用是與小波分析的理論研究緊密地結(jié)合在一起地。現(xiàn)在，它已經(jīng)在科技信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。 電子信息技術(shù)是六大高新技術(shù)中重要的一個(gè)領(lǐng)域，它的重要方面是圖像和信號(hào)處理。現(xiàn)今，信號(hào)處理已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)工作的重要部分，信號(hào)處理的目的就是：準(zhǔn)確的分析、診斷、編碼壓縮和量化、快速傳遞或存儲(chǔ)、精確地重構(gòu)（或恢復(fù)）。從數(shù)學(xué)地角度來看，信號(hào)與圖象處理可以 統(tǒng)一看作是信號(hào)處理（圖像可以看作是二維信號(hào)），在小波分析地許多分析的許多應(yīng)用中，都可以歸結(jié)為信號(hào)處理問題。現(xiàn)在，對(duì)于其性質(zhì)隨著實(shí)踐是穩(wěn)定不變的信號(hào)，處理的理想工具仍然是傅立葉分析。但是在實(shí)際應(yīng)用中的絕大多數(shù)信號(hào)是非穩(wěn)定的，而特別適用于非穩(wěn)定信號(hào)的工具就是小波分析。 2 . 1 . 2 小波變換在心電信號(hào)上的應(yīng)用 1 心電信號(hào)的基線漂移及傳統(tǒng)解決方法 心電信號(hào)的基線漂移的表現(xiàn)形式為在 ECG 信號(hào)上形成一個(gè)緩慢的變化量 ,如圖 2 所示 ,這一典型分量有時(shí)可使 ECG 信號(hào)的波形發(fā)生較大的變化 ,因而是心電圖噪聲干擾的主要 來源之一 ,往往對(duì)于心電信號(hào)的識(shí)別和分析造成一定的影響。常規(guī)的心圖機(jī)采用 RC濾波的方法來消除基線漂移 ,即讓病人保持不動(dòng) ,等基線穩(wěn)定以后再進(jìn)行描述 ,顯然這種方法用于計(jì)算機(jī)對(duì)病人進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)是不適宜的。用數(shù)字濾波的方法可以補(bǔ)償基線漂移 ,但如截止頻率太低 ,則無法很好地消除基線漂移 ,而截止頻率選的太高 ,會(huì)使 ST 段定義波形發(fā)生畸變 。目前常采 用的矯正基線的方法為基線擬合方法 ,即通過多點(diǎn)采樣 ,去掉 16 某些突變點(diǎn) ,擬合出基線的波形 ,并與輸入信號(hào)相減 ,以得到穩(wěn)定的ECG 波形 ,這種方法的缺點(diǎn)是處理的時(shí)間較長(zhǎng) 。此外 ,在此原理基礎(chǔ)上 ,人們還研究出了相應(yīng)的簡(jiǎn)化補(bǔ)償方法 ,即以心拍穩(wěn)定條件周期 ,將漂移折線化處理 ,然后在輸入的信號(hào)中消除基漂。 圖 2 心電信號(hào)的基線漂移現(xiàn)象 基線漂移的消除在心電信號(hào)的預(yù)處理中十分重要 ,但又是比較麻煩的。由于基線漂移的特點(diǎn)為非周期直流分量 ,利用小波變換的帶通濾波特性和尺度函數(shù)的低通濾波特性 ,可以將顯現(xiàn)于小波分解大尺度上的基線漂移直接去除 ,并由重構(gòu)算法恢復(fù)去除基線漂移后的心電信號(hào)。 2 小波變換去除基線漂移的方法 小波或小波基函數(shù)就是滿足可容許性條件的具有特殊性質(zhì)的函數(shù) ,所謂小波變換就是選擇適當(dāng)?shù)幕拘〔ɑ蚰?小波 ,通過對(duì)基本小波平移、伸縮而形成一系列的小波 ,然后將欲分析的信號(hào)投影到由平移、伸縮小波構(gòu)成的信號(hào)空間中。式 (1)為小波變換表達(dá)式 ,其中平移參數(shù) b 的變化決定時(shí)窗的位置 ,而尺度參數(shù) a 的變化不但改變連續(xù)小波變換的頻譜結(jié)構(gòu) ,同時(shí)也改變了窗口的大小和形狀。 (1) 小波變換是可逆的 ,信號(hào) f 可由下式恢復(fù) : 17 (2) 當(dāng)小波變換的平移因子和尺度因子為離散情況時(shí)稱為離散小波變換 ,特別當(dāng)尺度為二時(shí) ,稱為離散二進(jìn)小波變換。用離散二進(jìn)小波變換處理信號(hào)時(shí)帶寬以二的指數(shù)冪減小 ,由于工程實(shí)際中采集到的信號(hào)多為離散形式的數(shù)字 信號(hào) ,因此在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中常采用離散二進(jìn)小波變換的方法 ,離散二進(jìn)小波分解及合成的基本原理如下 : (3) 式中Ψ (x)為二進(jìn)小波 ,φ (x)和Ψ (x)分別為二進(jìn)小波尺度函數(shù)及其對(duì)偶。離散二進(jìn)小波變換的逆變換形式如下 : (4) 通常由于實(shí)際信號(hào)的分解是有限的 ,由有限離散二進(jìn)小波變換重構(gòu)數(shù)字信號(hào)的算法為 : (5) 18 在利用小波變換方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的過程中 ,小波基函數(shù)的選擇十分重要 ,利用不同小波基函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解 ,可以突出不同特點(diǎn)的信號(hào)特 征。在小波基函數(shù)的選擇中 Daubechies 小波是緊支正交基 ,滿足精確重建條件 ,但由于緊支小波不具有對(duì)稱性 ,因而其邊界效應(yīng)會(huì)隨尺度的增加而擴(kuò)大 ,引起分解及重建誤差。樣條小波是一種非緊支正交的對(duì)稱小波 ,具有較高的光滑性 ,頻率特性好 ,分頻能力強(qiáng) ,頻帶相干小 ,且具有線性相位特性 ,由于對(duì)稱性原因 ,只要采取合理的延拓方法 ,其邊界效應(yīng)引起的誤差可忽略不計(jì)。因此在本文心電信號(hào)的分解及合成中選擇了樣條小波作為小波基函數(shù)。雖然非緊支小波會(huì)形成無限長(zhǎng)濾波器 ,截?cái)嗾`差的產(chǎn)生是不可避免的 ,只要根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)及計(jì)算的復(fù)雜程度選擇合適 的濾波器長(zhǎng)度 ,即可滿足不同信號(hào)處理的要求。通常樣條小波階數(shù)越低 ,時(shí)域內(nèi)衰減越快 ,但頻域內(nèi)截止性較差 ,階數(shù)高 ,結(jié)果則相反。在本文中選擇三次 B 樣條小波作為小波基函數(shù) ,心電信號(hào)小波分解細(xì)節(jié)及逼近譜如圖 3 所示。 圖 3 心電圖小波譜 (a)心電信號(hào)小波變換細(xì)節(jié) (b