文档介绍：心血管系统生理信号采集与分析
6084班吴敏 3116037018
一. 实验目的
了解心电信号、脉搏波等心血管生理信号产生的原理和信号特征;
熟悉和掌握心电图、脉搏波、血氧饱和度、呼吸等生理信号的检测方法和技术;
学****利用MP150型多导电生理记录仪采集心电、脉搏、血氧、呼吸等生理信号,并利用MATLAB软件对采集到的信号进行处理分析和特征提取;
二. 实验原理
1. 心电图
心电图(Electrocardiogram, ECG)是利用心电图机从体表记录心脏在每一心动周期所产生的电活动变化的图形的技术。心电波形如下图所示:
心脏的电激动从窦房结开始,首先传导至右左心房,P波代表了心房的去极化过程,当心房传导受阻时,可表现为高尖波;PR间期为心房到心室的传导,出现阻滞时表现为间期的延长或P波之后心室波消失;QRS波表示心室的除极化;ST段代表心室除极完成,复极尚未开始的一段时间;T波表示心室的复极化过程。
2. 血氧饱和度
血氧饱和度(SpO2)是血液中氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(
Hb)容量的百分比,反应了机体的供氧饱和程度,是重要的心血管特征指标。目前测SpO2的有效方法是光电容积波描记法,使用波长660nm的红光和940nm的近红外光作为入射光源,测定通过组织的光传导强度,来计算血红蛋白浓度及血氧饱和度。
3. 心率变异性
心率变异性指逐次心跳RR间期之间存在的微小差异或微小涨落现象。其产生与脑高级神经活动、中枢神经自发性节律活动、呼吸以及压力化学传感器传入的心血管反向活动有关。HRV蕴含了大量信息,对这些信息的提取和分析可预定量评估心脏交感和迷走神经活动的紧张性、均衡性及其对心血管系统活动的影响。HRV分析基于对ECG信号的处理和特征提取,一定时间内(长时程24H,短时程5min)提取RR间期,进而可计算出时域、频域及非线性等不同HRV指标。
三. 实验方法
在对心血管生理信号检测方法和MP150采集系统学****和了解后,本组设计的实验是探讨呼吸频率及运动对心血管调节功能的影响。对被试进行自主呼吸态和控制呼吸、跑步后三种状态下的心电、脉搏血氧信号的采集,测试时保证被试安静坐位,具体测试分为以下三种状态:
①自主呼吸态:被试安静、睁眼。保持坐姿,测试间正常光线,无声。保持平静的自主呼吸。
②控制呼吸态:吸4秒呼4秒,呼吸时尽量保持坐姿,呼吸速率由主试控制并提示被试“呼”“吸”。
③跑步后:被试在跑步机上以9Km/h的速度匀速跑5分钟后,立即记录。
三种状态各采集5分钟时间长度的数据,其中状态②和③之间间隔至少5分钟,测试过程尽量保持安静,注意测试数据保存。
此后分别对心电和脉搏分别进行峰值检测,提取RR间期和脉搏波峰峰值间期序列、传输时间PPT序列,对RR间期进行HRV分析,结合分析结果给出最终结论。
四. 实验过程及结果
1. 实验前准备
①被试基本资料采集,包括个人基本信息,病史信息等;
②擦拭、清洁被试贴电极的皮肤,贴好电极、血氧探头及其他传感器;
③清理测试现场,搭建MP150测试平台,做好测试所用软硬件准备工作。
表1 被试资料
性别
男
年龄
22
身高/cm
168
体重/kg
55
测试前睡眠情况:
否
测试前24h是否饮用刺激性饮品:
良好
2. 生理数据采集
①打开AcqKnowledge软件,设置好各项参数的采集通道和采集参数后,点击start按钮开始采集,点击Autoscale按钮自动调整波形幅度;
②首先采集静息态下5min的信号;
③利用秒表计时,控制被试呼吸的频率,采集8s/次呼吸时的信号5min;
④被试在跑步机上以9Km/h的速度匀速跑5分钟后,立即回到被试间,连接好记录电极后开始记录5min信号。
3. 生理数据分析
1)数据读入()
①自主呼吸态
首先利用MATLAB导入心电,脉搏波信号。如下图所示:
调整波形后,心电如下图所示:
调整波形后,脉搏波如下图所示:
②控制呼吸态:
利用MATLAB导入心电,脉搏波信号。如下图所示:
调整波形后,如下图所示:
脉搏波波形:
调整波形后,如下图所示:
③跑步后:
利用MATLAB导入心电,脉搏波信号。如下图所示:
调整波形后如图:
脉搏波波形如下图:
调整波形后如下:
峰值检测(心电峰值检测程序见 ,)
①自主呼吸态
心电峰值检测:采用幅度阈值峰值检测方法和峰值点幅度大于其左右一段数据这一特性,检测心电信号的峰值出现时间,提取检测的一段数据作图如下: