心電實(shí)驗(yàn)報(bào)告

心血管系統(tǒng)生理信號(hào)采集與分析6084班吳敏3116037018一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私庑碾娦盘?hào)、脈搏波等心血管生理信號(hào)產(chǎn)生的原理和信號(hào)特征；熟悉和掌握心電圖、脈搏波、血氧飽和度、呼吸等生理信號(hào)的檢測(cè)方法和技術(shù)；學(xué)習(xí)利用MP150型多導(dǎo)電生理記錄儀采集心電、脈搏、血氧、呼吸等生理信號(hào)，并利用MATLAB軟件對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理分析和特征提取；二.實(shí)驗(yàn)原理1.心電圖心電圖（Electrocardiogram,ECG）是利用心電圖機(jī)從體表記錄心臟在每一心動(dòng)周期所產(chǎn)生的電活動(dòng)變化的圖形的技術(shù)。心電波形如下圖所示：心臟的電激動(dòng)從竇房結(jié)開始，首先傳導(dǎo)至右左心房，P波代表了心房的去極化過程，當(dāng)心房傳導(dǎo)受阻時(shí)，可表現(xiàn)為高尖波；PR間期為心房到心室的傳導(dǎo)，出現(xiàn)阻滯時(shí)表現(xiàn)為間期的延長(zhǎng)或P波之后心室波消失；QRS波表示心室的除極化；ST段代表心室除極完成，復(fù)極尚未開始的一段時(shí)間；T波表示心室的復(fù)極化過程。2.血氧飽和度血氧飽和度（SpO2）是血液中氧合血紅蛋白（HbO2）的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白（Hb）容量的百分比，反應(yīng)了機(jī)體的供氧飽和程度，是重要的心血管特征指標(biāo)。目前測(cè)SpO2的有效方法是光電容積波描記法，使用波長(zhǎng)660nm的紅光和940nm的近紅外光作為入射光源，測(cè)定通過組織的光傳導(dǎo)強(qiáng)度，來計(jì)算血紅蛋白濃度及血氧飽和度。3.心率變異性心率變異性指逐次心跳RR間期之間存在的微小差異或微小漲落現(xiàn)象。其產(chǎn)生與腦高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)、中樞神經(jīng)自發(fā)性節(jié)律活動(dòng)、呼吸以及壓力化學(xué)傳感器傳入的心血管反向活動(dòng)有關(guān)。HRV蘊(yùn)含了大量信息，對(duì)這些信息的提取和分析可預(yù)定量評(píng)估心臟交感和迷走神經(jīng)活動(dòng)的緊張性、均衡性及其對(duì)心血管系統(tǒng)活動(dòng)的影響。HRV分析基于對(duì)ECG信號(hào)的處理和特征提取，一定時(shí)間內(nèi)（長(zhǎng)時(shí)程24H，短時(shí)程5min）提取RR間期，進(jìn)而可計(jì)算出時(shí)域、頻域及非線性等不同HRV指標(biāo)。三.實(shí)驗(yàn)方法在對(duì)心血管生理信號(hào)檢測(cè)方法和MP150采集系統(tǒng)學(xué)習(xí)和了解后，本組設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是探討呼吸頻率及運(yùn)動(dòng)對(duì)心血管調(diào)節(jié)功能的影響。對(duì)被試進(jìn)行自主呼吸態(tài)和控制呼吸、跑步后三種狀態(tài)下的心電、脈搏血氧信號(hào)的采集，測(cè)試時(shí)保證被試安靜坐位，具體測(cè)試分為以下三種狀態(tài)：①自主呼吸態(tài)：被試安靜、睜眼。保持坐姿，測(cè)試間正常光線，無聲。保持平靜的自主呼吸。②控制呼吸態(tài)：吸4秒呼4秒，呼吸時(shí)盡量保持坐姿，呼吸速率由主試控制并提示被試“呼”“吸”。③跑步后：被試在跑步機(jī)上以9Km/h的速度勻速跑5分鐘后，立即記錄。三種狀態(tài)各采集5分鐘時(shí)間長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，其中狀態(tài)②和③之間間隔至少5分鐘，測(cè)試過程盡量保持安靜，注意測(cè)試數(shù)據(jù)保存。此后分別對(duì)心電和脈搏分別進(jìn)行峰值檢測(cè)，提取RR間期和脈搏波峰峰值間期序列、傳輸時(shí)間PPT序列，對(duì)RR間期進(jìn)行HRV分析，結(jié)合分析結(jié)果給出最終結(jié)論。四.實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果1.實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備①被試基本資料采集，包括個(gè)人基本信息，病史信息等；②擦拭、清潔被試貼電極的皮膚，貼好電極、血氧探頭及其他傳感器；③清理測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，搭建MP150測(cè)試平臺(tái)，做好測(cè)試所用軟硬件準(zhǔn)備工作。表1被試資料性別男年齡22身高/cm168體重/kg55測(cè)試前睡眠情況：否測(cè)試前24h是否飲用刺激性飲品：良好2.生理數(shù)據(jù)采集①打開AcqKnowledge軟件，設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)的采集通道和采集參數(shù)后，點(diǎn)擊start按鈕開始采集，點(diǎn)擊Autoscale按鈕自動(dòng)調(diào)整波形幅度；②首先采集靜息態(tài)下5min的信號(hào)；③利用秒表計(jì)時(shí)，控制被試呼吸的頻率，采集8s/次呼吸時(shí)的信號(hào)5min；④被試在跑步機(jī)上以9Km/h的速度勻速跑5分鐘后，立即回到被試間，連接好記錄電極后開始記錄5min信號(hào)。3.生理數(shù)據(jù)分析1）數(shù)據(jù)讀入(程序見inData.m）①自主呼吸態(tài)首先利用MATLAB導(dǎo)入心電，脈搏波信號(hào)。如下圖所示：調(diào)整波形后，心電如下圖所示：調(diào)整波形后，脈搏波如下圖所示：②控制呼吸態(tài)：利用MATLAB導(dǎo)入心電，脈搏波信號(hào)。如下圖所示：調(diào)整波形后，如下圖所示：脈搏波波形：調(diào)整波形后，如下圖所示：③跑步后：利用MATLAB導(dǎo)入心電，脈搏波信號(hào)。如下圖所示：調(diào)整波形后如圖：脈搏波波形如下圖：調(diào)整波形后如下：峰值檢測(cè)（心電峰值檢測(cè)程序見ECGpeak.m，脈搏波峰值檢測(cè)程序見PWpeak.m）①自主呼吸態(tài)心電峰值檢測(cè)：采用幅度閾值峰值檢測(cè)方法和峰值點(diǎn)幅度大于其左右一段數(shù)據(jù)這一特性，檢測(cè)心電信號(hào)的峰值出現(xiàn)時(shí)間，提取檢測(cè)的一段數(shù)據(jù)作圖如下：脈搏波峰值檢測(cè)：由于脈搏波波形基線漂移及噪聲較多，在峰值檢測(cè)前先對(duì)信號(hào)使用巴特沃斯濾波器濾波，濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)詳見程序。截取20000個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后波形如下：②控制呼吸態(tài)：方法及程序同上，以下只給出結(jié)果。心電峰值檢測(cè)：

脈搏波峰值檢測(cè)：③跑步后：跑步后心電波形峰值檢測(cè)：跑步后可能由于被試呼吸時(shí)動(dòng)作較大，信號(hào)中偽跡較大，故采用了0.2-2Hz帶通濾波。濾波前：濾波后：脈搏波峰值檢測(cè)：提取RR間期序列和脈搏波峰峰值間期序列及PTT波形（程序見RRtime.m、PWtime.m、PTTnew.m)①自主呼吸態(tài)②控制呼吸態(tài)：③跑步后呼吸態(tài)跑步后PPT在持續(xù)上升，如圖所示，這是因?yàn)楸辉噭傔\(yùn)動(dòng)后，氧氣需求量大，心率高，所以PPT較小。隨著測(cè)試的進(jìn)行，被試逐漸恢復(fù)了靜息狀態(tài)，氧氣需求量變小，PTT逐漸增加。4)對(duì)提取的RR間期進(jìn)行HRV分析，計(jì)算RR間期平均值及標(biāo)準(zhǔn)差、心率平均值及標(biāo)準(zhǔn)差、RMSSD（相鄰RR間期差值的標(biāo)準(zhǔn)差）、pNN50（相鄰NN之差>50ms的個(gè)數(shù)占總竇性心搏個(gè)數(shù)的百分比）。（程序見HRVindex.m）平靜呼吸狀態(tài)下HRV相關(guān)指標(biāo)參數(shù)名稱取值參數(shù)名稱取值RR間期均值916.14msRR間期標(biāo)準(zhǔn)差65.46msHeartRate均值65.84bmpHeartRate標(biāo)準(zhǔn)差5.04bmpRMSSD50.37mspNN5031%控制呼吸狀態(tài)下HRV相關(guān)指標(biāo)參數(shù)名稱取值參數(shù)名稱取值RR間期均值777.40msRR間期標(biāo)準(zhǔn)差107.19msHeartRate均值78.48bmpHeartRate標(biāo)準(zhǔn)差9.98bmpRMSSD93.75mspNN5023.4%跑步后呼吸態(tài)下HRV相關(guān)指標(biāo)參數(shù)名稱取值參數(shù)名稱取值RR間期均值640.56msRR間期標(biāo)準(zhǔn)差43.53msHeartRate均值94.46bmpHeartRate標(biāo)準(zhǔn)差13.47bmpRMSSD28.93mspNN500.83%三種狀態(tài)下HRV指標(biāo)的比較與討論：RR間期均值：平靜呼吸態(tài)>控制呼吸態(tài)>跑步后呼吸態(tài)RR間期時(shí)間在靜息狀態(tài)時(shí)最長(zhǎng)，控制呼吸和跑步后有所下降。RR間期時(shí)間和供氧量成反比?？刂坪粑鼤r(shí)，氧輸入量減小，減小RR間期時(shí)間來增加心泵次數(shù)而增加供氧量。當(dāng)跑步時(shí)，被試耗能增加，耗氧量增大，需求更多的氧氣維持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以RR間期最小。心率均值：平靜呼吸態(tài)<控制呼吸態(tài)<跑步后呼吸態(tài)心率變化和RR間期相反，心率和供氧量呈正比。RR間期標(biāo)準(zhǔn)差：控制呼吸態(tài)>平靜呼吸態(tài)>跑步后呼吸態(tài)心率標(biāo)準(zhǔn)差：跑步后呼吸態(tài)>控制呼吸態(tài)>平靜呼吸態(tài)跑步后心率標(biāo)準(zhǔn)差變大，可能出現(xiàn)了心率不齊。RMSSD：控制呼吸態(tài)>平靜呼吸態(tài)>跑步后呼吸態(tài)RMSSD指標(biāo)與心率快變化成分有關(guān)，其值變大，一定程度上反映出在控制呼吸狀態(tài)下迷走神經(jīng)的張力水平有所變大。pNN50：平靜呼吸態(tài)>控制呼吸態(tài)>跑步后呼吸態(tài)控制呼吸和跑步后pNN50均減小，心率增加，RR間期時(shí)間減小，相鄰RR之差絕對(duì)值也減小，所以閾值50ms偏大，變化量不超過50ms，超出閾值的百分比減小。五.實(shí)驗(yàn)感想1.通