心電波形檢測與心率變異性分析方法研究

摘要：目的 本文主要研究利用聲卡檢測心率變異性方法和利用心電（ECG）波形的檢測方法的臨床效果。方法 選取男女各2名志愿者，分成兩組，每組男女各1名，分別是聲卡組和心電組，其中聲卡組志愿者接受聲卡采集低頻的ECG信號，并分析信號中的R波。而心電組志愿者則是通過Power Lab信號的采集系統進行檢測，對照兩組研究心率變異性分析情況。結果 研究表明，聲卡組采集到低頻ECG信號的R波，且R波的波峰位置和通過Power Lab采集的R波的波峰位置重合，且RR間期沒有差異，所得的RR間期對HRV的分析具有準確可靠性。結論 通過研究，利用聲卡檢測分析心率變形性不僅成本低、 性能高且兼容性較強、升級方便，和傳統采集方法比較優勢明顯，具有推廣價值。

關鍵詞：聲卡；實時檢測；心電信號R波；心率變異性

所謂心率變異性（即HRV）指的是連續的竇性心搏間期發生的微小變化，而這本質反映出心臟的自主神經活動性，通過提取并分析可評估出心臟的交感神經以及迷走神經緊張性和均衡性、對心血管的調控能力等[1]。關于HRV的分析需要獲取心跳的間隔，即RR間期，常規ECG的信號采集需要專用采集卡完成，不僅成本高，而且存儲空間較為有限，采樣率也偏低，探索采用聲卡采集心電R波，不僅廉價、簡便，而且數據的存儲量大，具有可變的采樣率，本文就探討其檢測的準確性以及實用性。

1資料與方法

1.1一般資料 本文的志愿者為男、女各2名，志愿者的年齡分別是男士35歲和42歲，女士年齡為33歲和40歲，所有志愿者接受檢測前需要平臥5min，然后分別使用聲卡以及Power Lab的信號采集系統采集同一志愿者ECG的信號共5min。其中Power-Lab采樣頻率是4000Hz，而聲卡的軟件采樣頻率設置為6000Hz。

其中ECG信號屬于心臟電活動的體表綜合體現，是一種低頻微弱的雙極性信號，由于心肌細胞去極化后復極化這一過程，和尚處靜止的臨近細胞膜產生了一對對的電偶，這個變化的過程會通過體表電極以及一定導聯方式被檢測出來，這個信號就是ECG信號。信號幅度一般情況下介于10μV和4mV之間，典型數量值是1mV，信號的頻率介于0.01hz～100hz。一個正常心動周期內， ECG信號會包括P波一個和QRS復合波一個以及一個T波。Thakor通過對ECG的信號開展頻譜分析，結果發現， ECG的信號一般頻率較低，而大量存在直流成分，當直流成分被去掉后，大部分的能量集中在40hz以下，而P波以及T波都是ECG信號內的低頻部分，一般能量都低于10Hz， 而QRS復合波則是ECG信號的高頻部分，能量為15hz～25hz， 比較集中的頻率是17hz。目前E C G信號采集選用專用的數據采集卡，成本較高，因此需要探索簡單且準確，同時又廉價可存儲大量數據方法。

本文研究的是利用聲卡采集信號，聲卡在音頻范圍內頻率響應較好，內部增益控制保證不放大電路仍能測量較寬范圍的信號，大約從1μV～1V都能收集。16位立體聲卡采集ECG信號精度和采樣率已足夠高。聲卡和專用的生物信號采集卡具有一致的工作原理，只是針對采集信號的特點做了信號的處理和預處理以及對芯片進行了設計等。聲卡采集可聽域聲音，對小于20H z信號的采集多少會有損失，可選擇優質聲卡采集較低頻信號。但是ECG信號QRS的復合波中心頻段15～25Hz， R波最大17Hz， 接近聲卡采集信號下限。因此聲卡采集信號雖然不是完整ECG信號，依然滿足檢測需要。聲卡成本低、性能好、兼容性強以及靈活性好和軟件功能強大、驅動程序升級方便等諸多的優點， 它還可利用電腦自身的內存，作為E C G信號的采集設備將大大降低采集成本， 為進一步HR V分析奠定良好的基礎。

1.2實驗方法 選取男女各2名志愿者，分成兩組，每組各有男女1名，分別是聲卡組和心電組，其中聲卡組志愿者接受聲卡采集低頻的ECG信號，并分析信號中的R波。而心電組志愿者則是通過Power Lab信號的采集系統進行檢測，對照兩組研究心率變異性分析情況。

本實驗以獲得ECG信號較大R波為目的，將電極放置在肋骨的骨面，用75%的酒精棉球對電極的放置部位進行局部皮膚清潔，降低電阻[2]。將心電電極牢固粘在皮膚表面，并用ECG的導聯線連接ECG電極，聲卡組采用筆記本電腦配置的聲卡sigma tel c-major audio采集ECG信號，從麥克風端送入ECG信號，通過gold wave音頻編輯進行控制編輯，將信號進行A/D的轉換變成數字信號，最后保存在存儲設備內。同時應用Power Lab ML870信號采集系統對通過聲卡的檢測R波進行驗證[3]。進行圖形比較、RR間期比較、并比較HRV分析指標。

1.3統計學方法 數據采用 SPSS16.0 統計學軟件進行分析， 計數資料使用χ2進行檢驗或者校正 χ2檢驗， 以P<0.05 表示數據差異具有統計學意義。

2結果

研究表明，聲卡組采集到低頻ECG信號的R波，且R波的波峰位置和通過Power Lab采集的R波的波峰位置重合，且RR間期沒有差異，所得的RR間期對HRV的分析具有準確可靠性。和Power Lab的信號對照研究，聲卡ECG信號的R波檢測準確檢測出ECG信號的R波，且R波波峰的位置和Power Lab位置重合，且所得的RR間期應用在HRV的分析較為準確和可靠。

3討論

聲卡是性能優良采集卡，內部增益可使其能測量從1μV～1V信號[4]。聲卡和專用生物采集卡工作原理一致，但是由于聲卡通常對小于20Hz信號有損失，采集并非完整的ECG信號，但依然可以滿足檢測R波需要[5]。而聲卡采樣率很高，可對ECG信號中的R波精準定位。通過本文實驗研究可知，聲卡不僅成本較低、性能佳且兼容性較強、靈活、功能強大、升級方便，為進一步HRV分析奠定良好的基礎。

總之， 應用普通聲卡這種消費類電子產品代替專業數據采集卡完成生物信號采集這種方式， 國內外均曾有報道， 并已從理論上進行了充分的闡述。本文在此基礎上， 設計了這種基于聲卡的ECG信號R波檢測系統， 以 HRV分析為平臺， 對其實際采集效果進行了充分的論證， 實驗表明其測量精度及可靠性良好[6]。實踐證明， 采用以上方法檢測ECG信號R波獲得了滿意的效果 具有實際應用價值。這種方法與傳統的采集方法相比還有其一些特有的優勢， 因此可能具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]U. Rajendra Acharya， K. Paul Joseph， N. Kannathal， Choo Min Lim， Jasjit S. Suri. Heart rate variability： a review[J]. Medical Biological Engineering Computing . 2006 （12）

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[3]李延軍，嚴洪，梁仲剛，等.心率變異性頻譜分析的信號分解及頻段劃分的比較研究[J].航天醫學與醫學工程，2010（06）.

[4]Baojin Li， Zhifeng Ruan， Yongyu Chang and Dacheng Yang Wireless Theories and Technologies Lab （WTT） Beijing University of Posts and Telecommunications Beijing，China. Efficient Turbo Frequency Domain Equalization Based on Symbol-Wise Detection[A]. Proceedings of the Symposium on Signal Processing for Communication of ICC 2008[C]. 2008

[5]Liang Wu， Huiqin Zhou， Hua Jiang. Source Number Estimation Algorithm in Wavelet Domain for Single-channel Mixed-Signal[A]. Proceedings of 2012 IEEE 14th International Conference on Communication Technology[C]. 2012

[6]Heart rate variability： standards of measurement，physiologi-cal interpretation and clinical use.Task Force of the EuropeanSociety of Cardiology and the North American Society of Pa-cing and Electrophysiology[J].Circulation，1996，93（5）：1043-1065.編輯/申磊