【文章內容簡介】 相對的恒定。當心肌細胞一端的細胞膜受到一定程度的刺激(或閾刺激 )時，對鉀、鈉、氯、鈣等離子的通透性發(fā)生改變，引起膜內外的陰陽離子產生流動，使心肌細胞除極化和復極化，并在此過程中與尚處于靜止狀態(tài)的鄰近細胞膜構成一對電偶，此變化過程可用置于體表的一定檢測出來。由心臟內部產生的一系列非常協調的電刺激脈沖，分別使心房、心室的肌肉細胞興奮，使之有節(jié)律地舒張和收縮，從而實現 “ 血液泵 ” 的功能，維持人體循環(huán)系統(tǒng)的正常運 轉。心電信號從宏觀上記錄心臟細胞的除極和復極過程，在一定程度上客觀反映了心臟各部位的生理狀況，因而在臨床醫(yī)學中有重要意義。 基于 GUI 的心電監(jiān)護儀設計 4 心電圖及心電信號的特征分析 心臟電傳導過程分析 心電生理學資料表明 [9]，心臟不斷的進行有節(jié)奏的收縮和舒張運動。由心肌激動產生的生物電變化通過心臟周圍的導電組織和體液，反映到身體表面上來，使身體各部位在每一心動周期中也都發(fā)生有規(guī)律的電變化活動。在每個心動周期中，竇房結是心臟的最高起博點 (也叫一級起搏點 )，它發(fā)出的激動命令經結間束首先傳給房室結(也稱第二級起搏點 )。房室 結向下發(fā)出一條傳導路，稱房室束，它位于室間隔內。房室束往下又不斷發(fā)左右兩個束支，越分越細，最后分別形成互相交織得像網一樣的結構，稱普肯耶纖維，終止于心肌內。此生物電傳遞變化十分復雜，呈混沌態(tài)，其有序結果通過周圍組織傳遍全身，使身體各部位出現有規(guī)律而各向異性的電變化。將測量電極放置在人體表面的一定部位記錄出來的心電信號變化曲線，就是目前臨床上常規(guī)記錄的心電圖。 心電信號時域特征分析 圖 21 典型的心電信號 如圖 21 所示的正常心電圖由一系列波群組成，各段波群反映不同階段的心電信號變化，由于 QRS 波變化比較集中，所以給出了分解圖。下面對每個波形點作詳細的介紹： (1) P 波：最初產生的偏離的波被命名為 P 波，它反映心房除極過程的電位變化，代表了兩個心房的去極。心臟的興奮發(fā)源于竇房結，最先傳至心房，故心電圖各波中最先出現的是代表左右兩心房興奮過程的 P 波。興奮在向兩心房傳播過程中，其心電去極化的綜合向量先指向左下肢，然后逐漸轉向左上肢。如將各瞬間心房去極的綜合向量連結起來，便形成一個代表心房去極的空間向量環(huán)，簡稱 P 環(huán)。 P 環(huán)在各導聯軸上的投影即得出各導聯上不同的 P 波。 P 波形小而圓鈍，隨各導聯而稍有不同 。 P 波基于 GUI 的心電監(jiān)護儀設計 5 的寬度一般不超過 秒，電壓（高度）不超過 毫伏。 (2) QRS 波群：心室激活產生的最大波，它反映心室肌除極過程的電位變化。正常間隔 秒。典型的 QRS 波群是指三個緊密相連的波；第一個向下的波為 Q波，這波不一定總是出現。 QRS 波的第一個向上的波為 R 波，繼 R 波后第一個向下的波為 S 波，發(fā)生在 S 波后的向上的波稱為 R。 QRS 是廣義的代表心室肌的除極波，并不是每一個 QRS 波群都具有 Q、 R、 S 三個波，一個單相的負 QRS 復合波被稱為QS 波 。 (3) PR 間期：從 P 波開始到 QRS 復合波開 始，它代表心房肌開始除極到心室肌開始除極的時限。正常間期是 秒，測量是從 P 波的起點到 QRS 復合波的起點，不管初始波是 Q 波還是 R 波。它是房室傳導時間的一種度量，由于這個原因，它在臨床診斷上很有用?；€是由波的 TP 段建立的 (T 波末端到下一個 P 波開始。 (4) ST 間期：是在 QRS 波群以后， T 波以前的一段平線。代表左、右心室全部除極完畢到復極開始以前的一段時間。該段在確定病理學上比如心肌梗塞 (升高 )和局部缺血 (降低 )上是很重要的。在正常情況下，它用作測量其它波形幅度的等電勢線。 (5) T 波：代 表心室肌復極過程引起的電位變化。 (6) QT 間期：代表整個心室肌自開始除極至復極完畢的總時間。 QT 間期代表體現了心室肌肉激活間期和恢復。這個持續(xù)時間和心率的變化相反。但通常不采用 QT，而采用修正 QT，稱為 QTC： QTC=QT+(心室率 —60)。體表心電圖反映的是心電信號的時域特性，經分析可以看出 ECG 信號的特征段的分界處是波形上的拐點。 心電信號頻域特征分析 心電圖是心電信號的一種時域描述 [8]。心電信號經傅立葉變換可用域表示。心電圖對多種心臟病有診斷意義 ， 據而推論頻域分析對心功能 了解和疾病的診斷可能更有價值 ， 但必須尋找心電信號時域和頻域間的對應關系和進行更精確的分析。用數字信號處理方法 ,將心電信號通過不同頻率的濾波器，分析濾波后圖形的變異 ,可以明了心電圖各主波的頻率組成 ,時域和頻域參數的對應關系。 圖 22 正常人心電圖自功率譜 圖 22 為心電信號的自功率譜圖 ,約有 26,甚至 30 個譜峰 ,自低頻起 ,最初 5 個譜峰占能量 50～ 60%,其中第 1譜峰幅度常最大 ,約占總能量 1/3,以后與其后依次譜峰的基于 GUI 的心電監(jiān)護儀設計 6 關系 ,約為 fn∝ f0n, 例如第 1譜峰為 ,第 8譜峰則約為 ,依此類推。 心電圖波形可用一時間函數表示，周期的時間函數可分解成許多不同頻率正弦信號的疊加 ， 各正弦波都有其振幅和相位 ， 按頻率高低，表示此不同頻率正弦波振幅和相位大小的圖形即為信號的頻譜 [9]。 1965 年后出現快速傅里葉變換 (FFT)的高效算法 ， 以后又有多種具 FFT 分析功能的硬件問世 ， 開始了生物信號與圖象的數字處理新階段 。 Sher 等用掃頻儀進行心電圖頻率分析 ， 指出高于 100Hz 的頻率對電壓振幅無大作用。 Golden 等 [10]用 FFT 技術對正常人靜止心電圖進行譜分析 ， 指出譜的最大值發(fā)生于基頻。 過去進行的頻率分析工作大多著眼于與心電圖儀器設計有關的頻帶寬度參數問題 ， 近年雖開始注意到其可能的臨床意義，但對心電信號時域與頻域參數間的對應關系尚未給以應有的注意。常規(guī)心電圖在臨床應用上有一定的限制性 [6]， 因此尋找更敏感和更精細反映心臟信號改變的方法則很有意義 ， 將心電信號變換為頻域描述提供了這種前景。 心電信號的特點 心電信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，它是由復雜的生命體發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號，由于受到人體諸多因素的影響，因而有著一般信號所沒有的特點。 (1)屬低頻信號，且能量主要在 幾百赫茲以下 。 (2)信號弱。例如從母體腹部取到的胎兒心電信號僅為 10?v 成人的心電信號范圍也僅為 5mv。 (3)噪聲強。由于人體自身信號弱，加之人體又是一個復雜的整體，因此信號易受噪聲的干擾。如胎兒心電混有很強噪聲，它一方面來自肌電、工頻等干擾 ， 另一方面，在胎兒心電中不可避免地含有母親心電，母親心電相對我們要提取的胎兒心電則變成了噪聲。 (4)隨機性強。心電信號信號不但是隨機的，而且是非平穩(wěn)的。正是因為生物醫(yī)學信號的這些特點，使得心電信號處理成為當代信號處理技術最可發(fā)揮其威力的一個重要領域。 3 基于 MATLAB 的心電信號處理 心電信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，要對其進行分析，就必須經過去噪處理，而 MATLAB 作為數字信號處理的專業(yè)軟件能夠幫助我們很好的完成去噪分析的功能 。 MATLAB 處理 ECG 的優(yōu) 勢 1. 友好的工作平臺和編程環(huán)境。 MATLAB 由一系列工具組成 [4]。這些工具方便用戶使用 MATLAB 的函數和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括基于 GUI 的心電監(jiān)護儀設計 7 MATLAB 桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、 工作空間、文件的瀏覽器。 。 MATLAB 擁有一個高級的矩陣 /陣列語言 [3]，它包含控制語句、函數、數據結構、輸入和輸出和面向對象編程特點。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應用程序（ M 文件）后再一起運行。 。 MATLAB 自產生之日起就具有方便的數據可視化功能[7]，以將向量和矩陣用圖形表現出來，并且可以對圖形進行標注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖。可用于科學計算和工程繪圖。另外新版本的 MATLAB 還著重在圖形用戶（ GUI）的制作 上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。 。 MATLAB 對許多專門的領域都開發(fā)了功能強大的模塊集和工具箱 [4]。一般來說，它們