心率變異性及其相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)

關(guān)于心率變異性及其相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一概念介紹第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一概念介紹心率變異性（heartratevariability,HRV）是指連續(xù)心跳間R-R間期的微小漲落。HRV反映了心臟交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)活動(dòng)的緊張性和均衡性，是一種檢測自主神經(jīng)性活動(dòng)的非侵入性指標(biāo)。近十年來的大量研究已充分肯定了自主神經(jīng)活動(dòng)與多種疾病有關(guān)系，特別是與某些心血管疾病的死亡率，尤其是猝死率有關(guān)。通過心電圖（ECG）對心率的微小漲落的變換和處理來獲得心血管系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)等有關(guān)信息的信號(hào)分析過程即HRV分析，是近年來的研究熱點(diǎn)之一。針對HRV的研究對心血管疾病的早期診斷、病中監(jiān)護(hù)以及預(yù)后評估等都有重要的意義。第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一HRV的分析方法非線性分析時(shí)域分析頻域分析概念介紹理論成熟、算法簡單、各項(xiàng)指標(biāo)意義明確，因此較廣泛的應(yīng)用于臨床和醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中仍然處于研究探索階段，還沒有實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一時(shí)域分析時(shí)域分析是通過計(jì)算一系列有關(guān)R-R間期的數(shù)理統(tǒng)計(jì)指標(biāo)來評價(jià)心率變異性的臨床價(jià)值。常用的統(tǒng)計(jì)參數(shù)指標(biāo)有均值（MEAN）、總體標(biāo)準(zhǔn)差（SDNN）、均值標(biāo)準(zhǔn)差（SDANN）和差值均方的平方根（r-MSSD）等?；跁r(shí)域的分析方法，計(jì)算簡單意義直觀，易于為臨床醫(yī)生所接受，但是它的靈敏度、特異性低，不能進(jìn)一步區(qū)分心臟交感、迷走神經(jīng)的張力及其均衡性的變化，因此在實(shí)際中還要結(jié)合頻域的分析方法。第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一頻域分析頻域分析是將連續(xù)正常的R-R間期進(jìn)行基于FFT的經(jīng)典譜估計(jì)或基于自回歸AR模型的現(xiàn)代譜估計(jì)獲得的功率譜密度，可以作為定量的指標(biāo)來描述HRV信號(hào)的能量分布情況，它將各種生理因素作適當(dāng)分離后進(jìn)行分析，因而有較大的臨床應(yīng)用價(jià)值。常用的譜參數(shù)有VLF極低頻段（0.0033~0.04Hz）的功率、LF低頻段（0.04~0.15Hz）的功率、HF高頻段（0.15~0.4Hz）的功率、TP信號(hào)總功率（VLF、LF和HF的總和）。第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一基本原理

具體算法第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一QRS波群提取的微分閾值法低通濾波高通濾波微分平方加窗平均閾值設(shè)定以及判斷第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一低通濾波低通濾波旨在去除高頻（肌電、高頻電刀等）干擾，其傳遞函數(shù)為對應(yīng)的差分方程為低通濾波雖然濾除了高頻干擾，但它帶來了極大的基漂，所以僅僅進(jìn)行低通濾波是不夠的，還必須利用高通濾波來消除這些基漂第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一高通濾波高通濾波旨在去除低頻（基漂）干擾，其傳遞函數(shù)為對應(yīng)的差分方程為高通濾波有效的去除了基漂，但是噪聲部分的干擾依然較大，為了更有效的提取QRS波群，必須對信號(hào)進(jìn)行微分計(jì)算第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一微分微分算法的傳遞函數(shù)為對應(yīng)的差分方程為微分使得正負(fù)半軸的信號(hào)幅值近乎相等第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一平方及加窗平均平方旨在將幅值為負(fù)的信號(hào)變?yōu)榉禐檎男盘?hào)，32點(diǎn)加窗平均旨在對平方后的信號(hào)進(jìn)行平滑處理，其傳遞函數(shù)為對應(yīng)的差分方程為第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一閾值設(shè)定及判斷閾值設(shè)定采用自適應(yīng)迭代法利用MATLAB的findpeaks函數(shù)對信號(hào)中的峰值進(jìn)行檢測，得到一組數(shù)據(jù)，設(shè)為PEAK(i)當(dāng)前檢測到的峰值PEAK(i)為信號(hào)峰值時(shí)，更新SPK(i)：當(dāng)前檢測到的峰值PEAK(i)為噪聲峰值時(shí)，更新NPK(i)：初值設(shè)定：SPK(0)為前8個(gè)連續(xù)的1s內(nèi)各自最大值的平均；NPK(0)為0第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一閾值設(shè)定及判斷更新當(dāng)前的閾值第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一時(shí)域參數(shù)的計(jì)算方法均值（MEAN）旨在反映R-R間期的平均水平，其計(jì)算公式為總體標(biāo)準(zhǔn)差（SDNN）可以用來評估24h長程HRV的總體變化，其計(jì)算公式為第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一時(shí)域參數(shù)的計(jì)算方法均值標(biāo)準(zhǔn)差（SDANN）反映HRV中的慢變化成分，其計(jì)算公式為差值均方的平方根（r-MSSD）反映HRV中的快變化成分，其計(jì)算公式為第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一時(shí)域參數(shù)SDNNSDANNr-MSSD18~29歲169.92±41.01151.07±41.3172.39±47.1030~49歲148.31±32.80130.23±33.7548.40±20.9050~69歲121.19±29.27108.87±28.4640.40±18.29第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一頻域參數(shù)的計(jì)算方法本報(bào)告是基于FFT的經(jīng)典譜估計(jì)的方法計(jì)算頻域參數(shù)的各頻域參數(shù)及其生理意義如下表所示：頻域參數(shù)參數(shù)意義VLF極低頻段（0.0033~0.04Hz）的功率機(jī)制不明?？赡苁桥c體溫調(diào)節(jié)、腎素血管緊張素系統(tǒng)及體液因子等因素有關(guān)的長期的調(diào)節(jié)機(jī)制有關(guān)LF低頻段（0.04~0.15Hz）的功率解釋仍然有爭議，但是大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為它是交感神經(jīng)活動(dòng)的標(biāo)志HF高頻段（0.15~0.4Hz）的功率由迷走神經(jīng)介導(dǎo)，代表呼吸變異TP信號(hào)總功率（VLF、LF和HF的總和）信號(hào)總的變異性第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一計(jì)算結(jié)果

結(jié)果分析第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一時(shí)域參數(shù)結(jié)果分析本報(bào)告采用了10段ECG數(shù)據(jù)，每段1min，采樣率200Hz，幅度單位mV組號(hào)心率（次/min）MEAN(ms)SDNN(ms)r-MSSD(ms)174812.328849.835980.0976271849.785750.031726.7842370855.579733.007930.1528474811.438435.447051.5658567881.666797.938348.50856581.0340e+00394.7038133.6006765911.4063268.0230497.3370886691.2941211.7645387.6543993641.413041.665960.317410103579.951098.6092172.1738第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一時(shí)域參數(shù)結(jié)果分析不正常組的數(shù)據(jù)提供者自身的心率變異性存在問題；由于SDNN是一個(gè)受個(gè)體差異、時(shí)空差異干擾很大的參數(shù)，所以如果數(shù)據(jù)的樣本容量太小，則樣本對總體缺乏足夠的代表性，從而難以保證SDNN推算結(jié)果的精確度和可靠性。對于時(shí)域參數(shù)來說，本報(bào)告中數(shù)據(jù)長度只有1min是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，一般計(jì)算SDNN的數(shù)據(jù)長度都必須是24h以上。第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一頻域參數(shù)結(jié)果分析第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一頻域參數(shù)結(jié)果分析由于樣本容量和心率采集分辨率的限制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的功率譜在0.0033Hz~0.4Hz頻段中沒有采樣點(diǎn)，所以我們無法計(jì)算頻域參數(shù)VLF、LF、HF和TP。對于頻域參數(shù)來說，本報(bào)告中數(shù)據(jù)長度只有1min也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，一般計(jì)算頻域參數(shù)的數(shù)據(jù)長度都必須是24h以上。第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一算法總結(jié)第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一算法總結(jié)1在計(jì)算心率變異性之前，必須對待處理的心電信號(hào)進(jìn)行QRS波群的提取。2計(jì)算心率變異性對數(shù)據(jù)長度有一定的要求。3計(jì)算心率變異性對采樣頻率也有一定的要求。微分閾值法是較為有效的提取方法之一，該算法可以進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，且準(zhǔn)確度較高，心率誤判發(fā)生的概率低。數(shù)據(jù)長度過短，時(shí)域參數(shù)的計(jì)算結(jié)果誤差大、準(zhǔn)確度低；頻域參數(shù)的計(jì)算結(jié)果靈敏度差。計(jì)算心率變異性的數(shù)據(jù)長度往往要在24h以上。采樣頻率太低，容易導(dǎo)致所需要頻段（0.0033Hz~0.4Hz）的數(shù)據(jù)沒有被采集到，影響最終分析結(jié)果。第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一疾病診查

研究意義第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一疾病診查與研究意義檢測冠心病病人猝死的發(fā)生。凡副交感神經(jīng)張力降低的冠心病人，其心室顫動(dòng)的閾值低，容易發(fā)生心臟性猝死，而且心肌梗塞后的死亡率也增高。了解副交感神經(jīng)的受損情況。充血性心力衰竭患者植物神經(jīng)機(jī)能普遍受損害而降低，但副交感神經(jīng)受損更顯著，可運(yùn)用頻域分析法進(jìn)行監(jiān)測。探討高血壓的始動(dòng)機(jī)制。現(xiàn)已查明，原發(fā)性高血壓患者的交感神經(jīng)張力增高，而副交感神經(jīng)的張力降低，且與高血壓的嚴(yán)重程度呈明顯的正相關(guān)。但是，老年高血壓患者的上述變化不甚明顯。通過植物神經(jīng)功能測定，可以了解高血壓的始動(dòng)機(jī)制。第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一疾病診查與研究意義監(jiān)測和評價(jià)糖尿病患者的植物神經(jīng)機(jī)能狀況。糖尿病患者的植物神經(jīng)和周圍神經(jīng)均受損害，且兩者呈平行關(guān)系。通過心率變異性檢查，可以了解植物神經(jīng)機(jī)能的受損害程度。通過評價(jià)交感神經(jīng)張力亢進(jìn)情況，用于診斷年輕患者的血管迷走性暈厥。監(jiān)測心肌病患者病情。無心力衰竭的擴(kuò)張型心肌病患者，植物神經(jīng)功能普遍受損。通過心率功率譜分析，可以了解心肌病患者的病情。第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一疾病診查與研究意義監(jiān)測心臟移植術(shù)后的排斥反應(yīng)。心臟移植術(shù)后，患者心臟心率變異性顯著降低甚至消失，一旦發(fā)生排斥反應(yīng)，心率變異性則明顯增高，因此，心臟移植術(shù)后應(yīng)定期檢查心率變異性，以了解和預(yù)防心臟排斥反應(yīng)的發(fā)生，及時(shí)采取相應(yīng)措施。對胎兒發(fā)育及產(chǎn)程進(jìn)行監(jiān)測。判斷吸煙者植物神經(jīng)功能受損害的程度。長期吸煙者，其植物神經(jīng)功能均可受到損害，受損的嚴(yán)重程度與煙量及煙齡呈顯著正相關(guān)。一般表現(xiàn)為交感神經(jīng)張力增加和副交感神經(jīng)張力降低。對嗜煙者監(jiān)測心率變異性，可以對多種相關(guān)疾病進(jìn)行預(yù)測。第二十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一附加功能

參考文獻(xiàn)第三十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一附加功能該算法除了可以計(jì)算心率變異性之外，還有以下2種附加功能：對心率的正常與否進(jìn)行判斷，輸出有心率正常、心動(dòng)過速、心動(dòng)過緩3種情況；對心臟的早搏情況進(jìn)行判斷，輸出有無早搏、室性早搏、房性早搏3種情況，并且能給出1分鐘內(nèi)的早搏次數(shù)。第三十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期一參考文獻(xiàn)[1]騰軼超老師課件，第3章設(shè)計(jì)案例