操作員心電信號QRS波檢測及分析

管天洋　黃宇霆　羅興林　秦珂　葉永峰　王嬈芬

摘 要 人體內蘊藏著十分豐富的生物電信號，心電信號是人體最重要的生理信號之一，是心臟電活動在人體體表的表現，能夠較準確的傳達出被測者的生理狀況。本文通過編程實現了對QRS波群的檢測，檢測分為兩個階段：第一階段是對心電信號極值的判斷找到R波，由于R波兩側即為Q波和S波，所以第二階段就是確定QS波。在找到準確的QRS波的基礎上，計算了多種基于QRS波的心電特征，分析了QRS波特征與操作員任務難度、疲勞等的相關性。

關鍵詞 心電信號 QRS波群 QRS波檢測

中圖分類號：R540.41? 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.01.016

Operator ECG QRS Detection and Analysis

GUAN Tianyang， HUANG Yutin， LUO Xinglin， QIN Ke， YE Yongfeng， WANG Raofen

（School of Electronic & Electric Engineering， Shanghai University Of Engineering Science， Shanghai 201620）

Abstract Human intrinsic contains many types of biological signals. The electroencephalogram （ECG） signal is one of the body's most important physiological signal， which performs as the heart's electrical activity in the human body surface. The ECG can reflect the operator's physiological conditions. The aim of this paper is to detect and analyze the QRS peak of the operator's ECG. First， the R peak was detected through program. Then Q and S peak was obtained. After that kinds of features were calculated. Relations between ECG features and operator's task load were analyzed.

Key words ECG signal; QRS peak; ECG features

0 引言

科學研究發現，人體蘊藏著各種各樣的生物醫學信號，部分信號對判斷人體生命狀況極其重要，而處理其中的心電信號是十分必要的。隨著科技的發展，運用計算機來分析心電信號成了一種越來越流行的診斷手段。在心臟功能方面，心電監護方面，將病人的心電信號進行采集，然后與正常人的心電信號進行對比分析，可以檢測出許多其他手段檢測不出的細節信息。

在臨床上，分析心電信號，可以確診心肌梗塞及急性冠狀動脈供血不足，協助診斷慢性冠脈供血不足、心肌炎、心肌病及心包炎，判定有無心房、心室肥大，從而協助某些心臟病的病因學診斷，例如風濕性、肺源性、高血壓性和先天性心臟病等，觀察某些藥物對心肌的影響，包括治療心血管疾病的藥物（如洋地黃、抗心律失常藥物）及可能對心肌有損害的藥物。

此外，心電信號可以反映人體的心理狀態，例如人緊張時，心跳加速，疲勞時，心率放緩等，已有一些研究進行了心電信號與操作員心理狀態的分析。本文主要采用一定的方法進行QRS波檢測，在此基礎上，再計算心電特征，分析、研究操作員任務負荷、疲勞等與心電特征的相關性。

1 QRS波的檢測方法

在有大量數據需要檢測的時候，以軟件為主的方法實現QRS波的檢測就顯得方便快捷，極度占優。Q波和S波通常是低幅高頻波，一般Q波位于R波之前，S波位于R波之后 ，由于他們是一般向下的波，所以他們的峰值點和極值是對應的。因次只需要在檢測到R波后向左和向右分別搜尋到極值點，對應的就是Q波和S波。

R波的檢測利用其為心電信號圖形中為最高點的特性。在整個數據中，只需要找出所有的峰值點，將所有峰值點從大到小排序，依據總數據長度以及采樣頻率來確定取前幾位的平均值。確立R波的最大幅度平均值以及最小幅度平均值，確立R波閾值并取大于平均值的最大值為R波，直接進行逐個判斷后可以確定所有的R波峰值點。在R波檢測出來之后，Q、S波的檢測就容易了許多，根據QRS波的分布特性，只需從R波前后各推出一個最低點即可。

2 數據處理過程與分析

2.1 QRS波檢測

將一組操作員的心電信號輸入程序，得到輸出結果如圖1所示，由該圖可知，該程序能夠正確檢測出心電信號QRS波。

2.2 特征計算

在QRS波正確檢測的基礎上，計算了多種心電特征，包括相鄰R波時間間隔（RR）、相鄰Q波時間間隔（QQ）、相鄰S波時間間隔（SS）、QR波時間間隔、RS波時間間隔以及QS波時間間隔的均值、方差、標準差以及變異性（標準差與均值的比值），共24種特征。圖2所示是其中的6種特征。從圖2中可以看出，相鄰R波時間間隔、相鄰Q波時間間隔和相鄰S波時間間隔的均值隨任務進展有一定的區別。

2.3 相關性分析

操作員進行的實驗包括8個階段，將8個階段相鄰的RR、QQ、SS、RS、QR、QS波時間間隔的平均值、標準差、方差及變異性分別與任務難度（[0 1 3 4 4 3 1 0]）進行了相關性分析，得到的結果如表1所示。從表1中可以看出，RR均值、QQ均值、SS均值、RS方差及變異性與任務難度的相關性都較高，說明這幾類特征可以反映操作員任務難度的變化。

將24種特征與操作員的疲勞程度（[0 20 30 40 60 80 60 30]）進行了相關性分析，結果如表2所示。對于該操作員，他的心電RR、QQ和SS均值與疲勞相關性較大，能夠顯著反映疲勞程度的變化。

24中特征與焦慮程度（[0 10 10 10 10 20 10 10] ）以及努力程度（[0 20 30 40 50 50 40 10]）的相關性分析結果分別如表3和表4所示。從表中科院看出，RR、QQ、SS的均值與焦慮程度及努力程度的相關性較高。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （下轉第63頁）（上接第34頁）

由數據可得，對于該操作員，QQ、RR、SS波時間間隔的均值與操作員的任務難度、疲勞程度、努力程度以及焦慮程度都具有較高的相關程度。即通過測量相鄰Q波、R波或S波的時間間隔，并對其進行分析就能夠預估任務難度、操作員的疲勞程度、焦慮程度以及努力程度。并可得出結論，當操作員的Q波、R波或S波的時間間隔越短，則任務難度越高，操作員的疲勞程度、焦慮程度及其努力程度越高。

3 總結

在本文中，通過編程實現了對QRS波的檢測及定位，并求出了相鄰的R、Q、S、QS、QR、RS波時間間隔的平均值、標準差、方差及變異性特征，將心電特征分別與任務難度、操作員的疲勞程度、焦慮程度、努力程度進行了相關性分析。相關性分析的結果表明：任務難度系數、操作員的疲勞程度、焦慮程度、努力程度等都可以從操作員QRS波的平均時間間隔表現出來。這個結果可以應用于操作員任務難度、疲勞程度、焦慮程度及努力程度等的預估。