ECG信号

仅用于ECG学习

2020年4月1日

心电信号

心电信号是人体心脏的心脏细胞的细胞膜产生的电势差,心房和心室肌在静止的间歇中,由于细胞内外离子(包括K+,Na+,Ca2+,cl-等)浓度差别很大,处于“极化状态”。一旦受到自搏细胞传来的激动,这极化状态便暂时瓦解,在心电图上称为“除极”(有少数学者称为“去极”),由此产生心电活动。心房肌的除极在心电图上表现为P波,心室肌的除极表现为QRS波群。当然在一次除极后,心肌又会恢复原来的极化状态,此过程称为“复极”。复极过程远较除极缓慢,电活动所产生的振幅也较低。心房的复极在P—R段上,一般很不明显(唯有在右心房扩大时,P—R段轻度压低)。心室肌复极则表现为心电图上的ST段及T波。细胞膜电位变化如下图所示。

细胞膜电位

细胞膜激动时产生的电位如下图所示。

在除极过程中,Na+内流,K+外流,形成反向电势差,电位突变产生脉冲信号。同时会传导下去,形成电流信号。传导完成后细胞膜复极,缓慢恢复到初始期。

从人体体表采集到各心肌细胞的动作电位叠加后形成如下图所示的心电信号。

叠加后的信号就是看到做QRS波,如下图所示。

心电信号主要特点如下所示。

  • 频率:0.1~200 Hz
  • 电压:0.1~2 mV
  • 阻抗:10~30k ohm

心电图中的每一个心动循环周期由一系列有规律的波形组成,它们分别是P波、QRS复合波和T波,而这些波形的起点、终点、波峰、波谷、以及间期分别记录着心脏活动状态的详细信息,为心脏疾病的诊断提供者重要的分析依据。正常的人在正常情况下,心动周期为0.80s左右,即ECG信号的周期为0.80s左右。

  • P波:由心房的激动所产生,后一半主要有左心房产生。正常的P波历时0.08s到0.11s,其波形小而圆。
  • QRS复合波:反应左右心室去极化过程的电位变化。QRS波群是心电图中变化最为激烈的波段,由三个紧密相连的波组成,第一个为波形向下的Q波,接着是波形向上的高而尖的R波,最后一个是向下的S波。QRS波群一般历时0.06s到0.10s,其波形的幅度变化比较大。
  • T波:代表心室复极化过程的电位变化。是继S波后的一个振幅较低的波,波形呈现扁平形状,在R波为主的心电图上,T波不应太低。
  • U波:位于T波之后,代表心室后继电位,同T波方向一致,幅度较T波低,有时波形不明显。

同时可以将ECG信号分为几个典型间期和典型段,如P-R段、P-R间期、QRS间期、S-T段和Q-T间期。

测量原理

采集体表人体信号时,以人体心脏为中心,以人体体表为2D肢体导联平面,以人体额面(切面)为2D胸导联平面,进行电信号采集。如下图所示。

心电图12个导联包括6个肢体导联(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF)和6个胸导联(V1~V6)。肢体导联包括标准双极导联(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)和加压导联(aVR、aVL和aVF)。

由于心电信号为矢量信号,所以其是由两个点产生的电势差。标准双极导联的测量原理如下所示。

  • I:LA-RA
  • II:LL-RA
  • III:LL-LA

可以得到:II = I + III。

标准双极导联连接方式如下图所示。

加压导联连接位置如下图所示。

加压导联也可由标准双极导联推算出来,计算公式如下所示。

  • aVR:RA-(LA+LL)/2=(I+II)/2
  • aVL:LA-(LL+RA)/2=I-II/2
  • aVF:LL-(LA+RA)/2=II-I/2

加压导联采集到的电信号如下图所示。

正常情况下,各肢体导联的心电信号如下图所示。

胸导测量方式如下图所示。

胸导联是将LA、RA、LL的电压平均形成WCT(威尔逊中心点),再与胸部电极做差变成胸导联信号。正常信号如下图所示。

胸导联测量公式如下所示。

  • Vx:V[x]-(LA+RA+LL)/3

如果已知I、II导,可推出V导公式。Vx=V[x]- (LA+RA+LL)/3=(V[x]-RA)-(I+II)/3。则V导可通过采集Vx’= (V[x]-RA)的值,Vx’与采集到的I、II进行计算得到。

通常情况下,右心房可在导联线aVF中得到最佳展示,而右心室则可在导联线II中得到最佳展示。多数心电图系统并不采用三个同步导联线检测电路或算法,结果使左心室导联线最难捕获。因而有时最好用其中一个V导联线来检测1

ECG噪声来源

人体的心电信号是一种非平稳、非线性、随机性比较强的微弱生理信号,幅值约为毫伏(mV)级,频率在0.05-100Hz之间。

心电信号的干扰主要有以下三种:

  • 基线漂移,一般是由呼吸和电极滑动变化所异致的,频率一般低于1Hz,其表现为变化比较缓慢的类正弦曲线,对心电波形中的ST段识别影响较大。基线漂移的频率很低,其范围为0.05Hz至几Hz,主要分量在0.1Hz左右,而心电信号的P波、T波及ST段的频率也很低,其范围为0.5Hz至10Hz,两者的频谱非常接近,在消除噪声的同时,不可避免地对心电信号成分造成一定的损失。

  • 肌电干扰,它是由人体肌肉颤抖产生不规则的高频电分扰所导致的,其频率范围很宽,一般在10-1000Hz之间,严重的肌电干扰信号频率在10~300Hz之间,其频谱特性接近于瞬时发生的高斯零均值带限白噪声。

  • 工频干扰,主要来源于工频电源以及器件周围环境中的传输线辐射出的电磁场,频率为50Hz或60Hz,在ECG上出现为周期性的细小波纹,其频率成分主要为工频频率及其谐波

各个干扰的滤波说明:

  • 对于基线漂移,由于ST段的频率也很低,无法使用低通滤波器去除基线漂移。
  • 去除工频干扰,可以通过硬件滤波和软件滤波实现,使用50Hz和60Hz的陷波器。

还有其他类型的干扰,比如电极位移干扰和电极接触噪声,电刀干扰(高频干扰,采样频率在250Hz-1000Hz之间,它的频率大约在100KHz到1MHz之间,它的幅值约是心电峰峰值的200倍,维持时间为1s-10s)。

对于去噪声可采用多种方式,心电信号干扰和噪声抑制可以通过模拟硬件滤波和数字滤波加以解决。

  • 基线漂移

    • 硬件滤波设计,采用模拟高通滤波器对低频的基线漂移有一定的抑制作用;
    • 软件滤波设计,采用滤波法、分段三次函数纠正法、分段抛物线纠正法、IIR线性相位滤波器法和小波变换等方法可以有效抑制基线漂移。
  • 肌电干扰

    肌电干扰的抑制措施一般采用四点平滑数字滤波算法实现。

  • 工频干扰

    • 右腿驱动电路,临床实践证明可以将工频干扰衰减到1%以下;
    • 带阻陷波器电路,将带阻陷波器的中心频率设置为50Hz;
    • 数字平滑滤波算法。
    • 采用Levkov滤波、NOrcll滤波、多阻带陷波器、零相位滤波和自适应滤波等数字滤波器。
  • 电极接触噪声和电极移位干扰

    对于电极接触噪声和电极移位干扰,从其形成原理来看,只要在检测前清洁肌肤,然后使用一次性心电电极就可以消除,不需要增加额外电路和算法来处理这些噪声和干扰。

  • 电子设备产生的高频仪器噪声

    对于电刀干扰,由于频率很高,可以使用高通滤波器。使用电刀时,由于电极接触人体,电刀和人体所接触的金属平面会产生高频电流,会通过传导和辐射干扰心电信号。除了硬件、软件上使用高通滤波,在导联线上也需要埋入电感滤除高频干扰。

另外,在电路设计的时候,对心电模拟前端(特别是前置放大器)增加屏蔽罩是很有必要的减少干扰的手段。

Ti关于ECG专门有视频介绍2

Reference