6: 心电图（心电图）信号的采集与分析

1. 获取心电图信号

1. 将电源的电压调整到 +5 V 和 -5 V，并串联连接。
2. 构建如图 4所示的电路。计算电阻和电容器的值。对于高通滤波器，截止频率应为 0.5 Hz。电容器值应从下表中选择（根据可用性）。

3. 将电极放在患者的右臂、左臂和右腿（这是参考）上，并将其连接到电路。
4. 使用示波器查看心电图信号 （V_o）。按"自动设置"并根据需要调整水平和垂直比例。您应该能够看到 R 峰值，尽管信号中有噪声。

2. 使用仪器软件显示心电图信号

1. 在本演示中，我们使用 LabVIEW。编写一个程序，使用图形界面显示ECG信号，用于配置测量和波形图。选择模拟输入后，使用以下设置配置程序:

• 信号输入范围 >> 最大值 = 0.5;最小值 = -0.5
• 终端配置 >> RSE
• 采集模式 >> 连续
• 要阅读的样品 = 2000
• 采样率 = 1000

2. 获取 ECG 信号并观察波形。您将看到类似于图 1的信号。
3. 调整 x 轴的比例以显示时间（以秒为单位）。
4. 仪器中通常有必要将感兴趣的信号放大到特定的振幅。创建增益控制并将其设置为 ECG 的振幅为 2 Vp。

3. 分析心电图信号

在本节中，将过滤和分析心电图信号以确定心率。下面的框图显示了程序的组件。

1. 使用波形图显示信号。
2. 使用振幅和相位谱子vi（在信号处理和光谱中）评估信号的频谱，并使用波形图显示其幅度。水平轴对应于频率。它是离散的，因为计算机使用快速傅立叶变换 （FFT） 算法来计算信号的频谱。频率从 k = 0 到 k = （N-1）/2，其中 N 是序列的长度，在本例中为 4000。要计算相应的模拟频率，请使用以下公式:
   
   其中fs是采样频率。请注意，信号的大部分能量在低频范围内，并且在中频范围内存在高强度的峰值。使用上面提供的公式计算该峰值的频率。
3. 使用切比舍夫函数的巴特沃斯实现低通滤波器。选择等于100赫兹的截止频率。确保滤波器在停止带中提供至少-60分贝/十年的衰减。
4. 将从电子表格subvi 读取的输出信号连接到低通滤波器的输入。
5. 使用巴特沃斯或切比舍夫函数实现停止带滤波器。目标是在不修改其他频率的情况下减少 60 Hz 干扰。尝试接近 60 Hz 的边框频率。
6. 将低通滤波器的输出连接到止止区滤波器的输入。
7. 使用峰值检测器子vi 查找峰值（位于信号处理和 Sig 操作中）。对于阈值，查看信号的振幅并选择最合适的值。
8. 使用索引数组子维（在编程 + 数组中）提取峰值的位置。
9. 从较高位置减去较低的位置，然后乘以采样周期 T = 1/fs 以获得 RR 间隔。
10. 计算倒数和调整单位，并放置一个指标来显示 BPM。

心电图仪记录心脏的心脏活动，用于诊断疾病、检测异常和了解整体心脏功能。电信号是由心脏壁的收缩产生的，这些收缩驱动电流并在整个身体中产生不同的电位。通过将电极放在皮肤上，人们可以在心电图中检测并记录这种电活动。心电图是无创的，使其成为评估患者心脏功能状况的有用工具，例如通过测量血液流向器官的状况。

本视频将说明 ECG 的原理，并演示如何使用生物电势放大器采集、处理和分析典型的 ECG 信号。还将讨论利用电信号处理来诊断疾病的其他生物医学应用。

要了解心电图的原理，我们首先要了解心脏是如何产生电信号的。对于正常、健康的心脏，在静息时，心电图会显示一系列波，这些波反映了心跳的不同阶段。心电图从窦房结开始，也称为窦房结，它位于右心房，在心脏中起起搏器的作用。电信号引起心房收缩，迫使血液进入心室。该序列记录为 ECG 上的 P 波。然后，该信号从心房穿过心室，使它们收缩并将血液泵送到身体的其他部位。这被记录为 QRS 波群。

最后，心室松弛，这被记录为 T 波。然后，该过程再次开始，并针对每个检测信号重复。请注意，QRS 波比 P 波大得多，这是因为心室比心房大。这意味着它们掩盖了心房或 T 波的松弛。身体的其他过程，如呼吸或肌肉收缩，可能会干扰心电图测量。来自用于获取它们的电路的电流也是如此。通常，ECG 试图记录的电信号非常微弱。因此，使用生物电位放大器来增加它们的振幅，从而允许它们被进一步处理和记录。

生物电势放大器、患者保护级、仪表放大器和高通滤波器由三个主要组件组成。正如主要所暗示的那样，患者保护电路使用电阻器和二极管的组合来保护患者和机器设备。电阻器限制流经患者的电流，而二极管则保持电流沿正确的方向流动。

下一阶段是仪表放大器，它放大每个电极的输入之间的差异。它由三个运算放大器组成。两个用于增加每个输入的电阻，第三个用于放大输入信号之间的差异。

最后一级是高通滤波器，它降低噪声并过滤掉患者移动或呼吸产生的低频信号。现在您知道了如何测量心电图，让我们看看如何构建生物电位放大器并处理数据以获得清晰的心电图信号。

回顾了心电图的主要原理之后，让我们看看如何构建生物电位放大器并获取心电图信号。首先，首先收集一个原型板、一个 AD-620 仪表放大器和所有必要的电路元件。然后，使用以下公式计算电路中所有 resistor 和 capacitor 的值。

对于高通滤波器，截止频率应为 0.5 赫兹。

然后，插入电容器值以确定电阻。接下来，根据提供的图表构建一个生物电放大器。这是最终电路的样子。用鳄鱼夹将三根电线连接到 DC 电源的接线柱上，然后打开电源。将电压调整为正 5 伏和负 5 伏，并将电线串联连接到电路。

现在，使用酒精准备垫擦拭患者的右手腕、左手腕和右脚踝。在将电极放在患者身上之前，将导电胶凝胶添加到电极上。然后，使用带有鳄鱼夹的电线将电极连接到电路。打开示波器并获取 ECG 信号。根据需要调整水平和垂直比例。通过这些调整，您应该能够看到波形的 R 峰。

将电路连接到 PXI 机箱，然后打开仪表软件，使用或编写一个程序来显示 ECG 信号和波形图。

使用以下设置配置数据采集界面。标记 x 轴的刻度以显示时间和秒，然后将 ECG 信号显示为波形。如果需要放大信号，请创建一个增益控制并将其设置为心电图的幅度为 2 VP。

现在我们已经演示了如何获取 ECG 信号，让我们看看如何分析结果。这是一个具有代表性的心电图信号。P、QRS 和 T 波几乎无法辨别，因为它们被噪声和波动所掩盖。此信号需要过滤。要转换此信号，首先，选择菜单上的 Signal Processing，然后选择 Spectrum。快速傅里叶变换算法计算并绘制信号频谱，在横轴上将频率显示为离散值。信号中的大部分能量都处于低频。

但是，在中频范围内有一个高强度峰值，假定为噪声。频率在横轴上绘制为 k，从 0 到 N 减去 1 乘 2，其中 N 是序列的长度。对于此实验，N 等于 2,000。使用以下公式计算每个 k 值的模拟频率，其中 f s 是采样频率，并根据 FFT 图确定高强度峰值的频率。

然后，创建一个截止频率为 100 赫兹的低通滤波器。使用 Butterworth 或 Chebyshev 函数来过滤信号，该函数应在阻带中每十倍频程至少衰减 60 分贝。将 data sub VI 的输出信号连接到低通滤波器的输入。该滤波器可去除 ECG 的外来高频波。现在，创建一个 Bandstop 滤波器并将截止频率设置为 55 和 70 赫兹左右。

要消除嘈杂的信号，大约需要 60 赫兹。然后，将低通滤波器的输出连接到带阻滤波器的输入。尝试接近 60 赫兹的边界频率。这将在不影响其他频率的情况下减少干扰。心电图信号现在应该清晰，具有不同的 P、QRS 和 T 波群。

现在，让我们使用过滤后的 ECG 信号来确定心率。首先，使用峰值检测器子 VI 查找信号的峰值。根据阈值的 R 波的信号幅度选择最合适的值。然后，使用 Index Array 子 VI 确定峰的位置。

从较高的位置减去较低的峰值位置，然后将该值乘以采样周期 T，该周期等于 f s 的 1。此值是两个 R 波之间的时间长度。调整单位以确定每分钟的节拍数。

在此演示中，测得的心率约为每分钟 60 次。

ECG 和信号处理在医学和研究中都有重要的应用。除了无创之外，心电图还相对便宜。使其成为医院中有用且易于使用的工具。心电图甚至可以适应对正在接受急性冠脉综合征治疗的患者进行更复杂和长期的监测。

为此，使用了 12 根心电图导联，可以识别无症状患者的短暂性心肌缺血。信号采样和处理也用于脑电图，以测量来自大脑的电信号。脑电图通常与功能性 MRI 结合使用，作为一种多模式成像技术。

该方法为许多神经成像应用无创生成大脑活动的皮层图，例如在视觉或运动激活后。

您刚刚观看了 Jove 关于采集和分析 ECG 信号的介绍。您现在应该了解心电图信号是如何产生的，以及如何创建生物电位放大器来检测微弱的电信号。您还了解了信号处理在医学诊断中的一些生物医学应用。

感谢观看。