心电信号分析与虚拟式心电自动分析仪的开发

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1、重庆大学博士学位论文心电信号分析与虚拟式心电自动分析仪的开发姓名：万相奎申请学位级别：博士专业：机械电子工程指导教师：秦树人20050301 中文摘要摘要心电图（electrocardiogram，简称ECG）是心脏电活动在体表的综合反映，对心电信号进行分析进而诊断心脏疾病具有重要研究价值。目前对于心电信号分析方法尽管较多，但对于心电特征波的定位分析还不理想，在理论上还有进一步创新的余地。作为实现临床心电检测的心电自动分析仪，目前大多是国外产品，它们价格高昂，市场普及率不高。国内缺少具有完全自主知识产权的产品。虚拟仪器具有的优越性能使其成为测试仪器未来发展的主流方向，因此开发

2、具有完全自主知识产权的虚拟式心电自动分析仪，并将其推向市场，是一项十分有意义的工作。基于以上理论研究的需要和现实市场的需求，作者开展了心电信号处理、分析及心电自动分析仪开发等方面的研究工作。本文首先综述了当前的心电信号预处理、心电特征分析以及心电自动分析仪器开发的研究现状。然后在分析几种常用于心电分析仪的快速预处理算法之后，分别研究并设计了基于窗函数的FIR带通数字滤波器、改进的自适应相干模板去噪算法和小波与LMS自适应算法相结合的去噪算法。它们分别适用于不同的心电信号分析要求。基于窗函数的FIR带通数字滤波器具有快速实时、简洁高效的特点，能够同时滤去基线漂移和工频干扰,适合

3、于心电监护类仪器，实现长时间采集时的及时分析。自适应相干模板法能够有效滤去工频干扰，但同时也会导致低端截止频率不够低，影响心电低频信息的完整性。本文对此进行了改进，提出了二级级联滤波器的滤波方法：即利用50Hz模板信号和100Hz模板信号频谱间的关系，构造出新的只滤除50Hz的滤波器，然后将其与原自适应相关模板法滤除工频干扰的滤波器级联，组成两级滤波器，解决了低端截止频率和工频干扰滤除效果之间的矛盾。对心电信号多尺度小波变换后，直接把高尺度下的逼近信息置零再重构，可以滤除基线漂移，但它容易导致心电的P、T波等低频成分失真，本文创新性地将小波变换与LMS自适应算法相结合，根据心

4、电信号多级分解后的特点，将其高尺度下的逼近信息作为LMS算法的输入端，参考端以常数输入，经LMS递推运算后，再对ECG进行重构。实验对比显示：该算法能够在滤去基线漂移的同时，有效降低心电信号中的低频成分（如P波和T波）的失真度，为更好的分析P波和T波特征信息提取提供了基础。接着本文重点研究了心电特征信息提取方法。在对两种目前较成熟运用于心电分析仪上的特征波识别算法进行分析、改进和实验之后，作者对小波变换检测信号奇异点原理及当前基于小波的心电特征识别算法进行了研究，在此基础上创新I 重庆大学博士学位论文性地提出了基于小波的联合检测算法来识别和定位心电特征波。它的检测原理是：首先

5、将心电特征波形态进行归类，然后根据指定尺度下小波变换后的模极大值对个数来判别特征波的形态和峰点，最后根据不同的形态运用不同的幅值和斜率判据来定位特征波的起止点。它不同于通常的小波检测算法之处在于：对特征波先定形再定位，根据不同的形态采用不同的定位方法。这大大提高了心电特征波，特别是P、T波的起止点定位精度，它解决了长期以来对像P、T波这类低幅多样特征波识别和定位难的问题。通过大量的对比实验，论证了本算法的准确性和可靠性。在对心电仪自动判别心律失常和分析心率变异性问题上，本文也做了较深入的研究。对常见的心律失常进行了归纳，并提出了七种心律失常判别方法；从时域和频域方面分别对心率

6、变异性进行了研究，创新性地从三维“色谱图”的角度对HRV信号的功率谱密度进行了时频域分析，它形象直观地反映出HRV信号在不同时刻不同频率下的能量大小，这为医生和研究人员从多角度分析心电信号提供了更好的帮助。本文还研究了虚拟仪器的开发技术，将组件技术引入到虚拟仪器的开发中，提出了基于组件技术的虚拟仪器开发方法。它有效提高了虚拟仪器的开发速度和开发质量。基于以上研究成果，作者开发了虚拟式心电自动分析仪。它不仅具有传统硬件化心电图仪的所有功能，而且功能更加丰富、测试更加灵活，成本低廉。通过多次临床实验，将检测结果和医生手工检测的结果对比，证明了本仪器检测准确，稳定可靠，能够满足临床

7、要求。将数据库管理技术引入了心电图仪，为心血管疾病的病理研究和诊断提供了更加丰富的信息和资料。最后，对于下一步的工作，本文给出了研究展望。关键词：心电信号，预处理，特征提取，心率变异性，虚拟式心电自动分析仪II 英文摘要ABSTRACTElectrocardiogram(ECG)isasyntheticreflectionoftheheartelectricityonbodysurface.ItisveryvaluabletoanalyzetheECGsignaltodiagnosetheheartdi