2019胡优敏《电生理学技术及临床应用》电生理技术-2.pptx

电生理信号分析技术及其应用 上海交通大学 医学院 王成 电生理技术 electrophysiological techniques 测量、记录和分析生物体发生的 电现象（生物电）的技术 研究生物体的电特性的技术。 以各种形式的能量（电、磁、声 等）刺激生物体，并产生生物效 应的技术。 记录 & 分析 生物电信号的检测 电电电电极极 微微电电电电极：玻璃、金属极：玻璃、金属 体表体表电电电电极：极：银银-氯氯化银电银电 极（噪声小噪声小） 信号信号调调调调理理（Signal ConditioningSignal Conditioning） 阻抗隔离阻抗隔离 差模放大差模放大 滤滤波 线线性补偿补偿 、电压钳电压钳 制或制或电电流流钳钳制制 电电气隔离（浮地，或提供良好接地） （生物（生物电电放大器放大器/ /前置放大器前置放大器/ /） 输入阻抗 噪声 增益/放大倍数 共模抑制比 频响范围 生物电信号 名称幅值频率范围 心电0.15mv0100Hz 脑电550v0.560Hz 肌电20v30mv103000Hz 胃电50v2mv0.00120Hz 视网 膜电 50v200vDC20Hz 信号的数字化 A/D转换转换 量化。 采样样 量化误误差 采样频样频 率(纳纳奎斯特（Nyquist）定理 ) 数字化前连续 信号 数字化后离散信号 内容提要 信号的频域描述 脑电 信号的频域谱分析 心电信号自动分析技术 系统理论与多焦视觉电 生理 信号的频域描述 时间域和频率域 50Hz的信号是指每秒钟交变50 次。信号的频谱 概念 50Hz Hz t 最简单的波形是正弦波 A振幅 初相位 f 频率，角频率=2f 对长度为T的时间区间而言，最简单 的频率为 正弦波 富利埃级数 富利埃级数表达 式提示：一个复 杂波(如生物电信 号)可看作是不同 频率，不同振幅 和不同位相的正 弦波的叠加。 任何复杂的周期 波形都可以用富 利埃级数表示。 动脉血压波形和谐波 周期信号的频谱表示 信号的频率成分在时域中难以辨别，而在频域 中能方便地将其分离出来进行分析，对于许多 不同的生物信号处理方法和应用，包括滤波和 频谱分析，生物信号的频率描述是非常有用的 信号的频率成分在时域中难以辨别 ，而在频域中能方便地将其分离出 来进行分析，对于许多不同的生物 信号处理方法和应用，包括滤波和 频谱 分析，生物信号的频率描述是 非常有用的。 复数形式的富利埃级数展 开式 Cn为富利埃级数的系数， 完全是由复杂波x(t)决定。 对一个频率为nf0的谐波， 可确定它的振幅(An=| Cn |) 和位相(n=arctg Cn)，因此 Cn为信号x(t)的频谱 。这 就是频谱 分析的基础。 富利埃级 数的复数 表达 傅立叶变换 (Fourier Transform, FT) 傅立叶变换 是最常用的将信号从 时域变换 到频域的方法。 连续 信号的傅立叶变换 如下式表 示 傅立叶反变 换如左式表 示 离散傅立叶变换(DFT) 对离散信号，有离散傅立叶变换 和 离散傅立叶反变换 DFT： m=0，1，N/2 其中N是偶数，为总 共采样点数。 IDFT： k=0，1，N1 时时域中的周期信号在频频域中是离散 的，时时域中的非周期信号在频频域中 是连续连续 的； 时时域中的连续连续 信号在频频域中是非 周期的，时时域中的离散信号在频频域 中是周期的。这这个周期与采样间样间 隔有关，不合适的采样频样频 率会造成 信号混叠失真。 心电的频谱 采样率100Hz。50Hz以上的频率成分会产生混叠。 快速傅立叶变换 FFT是计算DFT的一个高效算法，运算 结果是相同的，但FFT的运算速度要快很 多倍。 (Fast Fourier Transform, FFT) 信号的频谱和功率谱 当利用FFT对时间级 数x(t)进行变 换时 ，我们得到一个复数函数 X(m)，称X(m)为线 性频谱 ，它包 括实部和虚部两部分。因为幅值的 平方与功率成正比，所以将线性频 谱的平方称为功率谱。功率谱可 表示为X(m)的实部平方和虚部平方 之和： 下图左边是正弦信号和经FFT计算得到的频谱， 图右是淹没在噪声中的正弦信号和它的频谱。 信号的平均 时域平均 可去除干扰扰， 需要有一个同 步触发发信号， 因信号与之同 步，而噪声不 同步。心电电R 波常被作为为同 步信号。如将 血压压波形进进行 叠加平均。 频域平均 对于随机性质的信号，如EEG，常采用在 频域中平均。如平均周期图法，是将数据 分成L组互不重叠的由N个数值组 成的独立 数据段，再对每段数据作DFT后再将这L段 频谱 作平均来求得对信号频谱 的估计，即 ： EEG 频谱分析 Frequency Domain Methods 1. 脑电脑电 的频频段 (1) 频段：0.5-4Hz (2) 频段：4-8Hz (3) 频段：8-13Hz (4) 频段：13-30Hz 频谱频谱 分析 方法 采样 采样率：常用128Hz 频域分辨率F：常用0.5Hz 最小采样长度 N=FS/F=128Hz/0.5Hz=256采样点（2秒 ） 乘窗函数 FFT 作谱曲线X轴：0-30Hz Y轴：脑电功率谱（单位为V2/Hz） 对多条谱曲线进行平均处理，以提高频谱 估计的性能。 频谱频谱 分析 方法 采样FFT频谱平均加窗 EEG显示 Original and Processed EEG EEG 功率谱分析 vBeta, Alpha, Theta and Delta bands and powers (v2) for an 8 second epoch Delta = 0.5 - 4 Hz, Theta = 4 - 8 Hz, Alpha = 8 - 13 Hz, Beta = 13 - 32 Hz 13 Hz fast waves 0.530 Hz V2 Relative Power: % of Total Power in each range EEG 处理参数 Median frequency中位频频率, Hz Freq where 50% of the energy lies above & below 中位频频率12 Hz 0.530 Hz V2 EEG Processed Parameters 频谱频谱 的边边界频频率, Hz X% 的功率再此频率以下，用户可选 85, 90, 95, 97 或 98% 95%边边界频频率是16 Hz 0.5 30 Hz V2 EEG Processed Parameters 总总功率, dB 功率谱的积分 0.532 Amplitude Hz 正常EEG: 清醒思考状态 Beta 频率 (13 Hz) 在 额叶 Alpha 频率 (8 - 13 Hz) 在顶 叶和枕叶 0.5481330 Frequenz Hz aJbd Median frequenz: 10 Hz Power µV2 SEF 95: 25 Hz Normal EEG: 深睡状态 0.5481330 Frequenz Hz aJb d Median frequenz: 2.5 Hz Power µV2 SEF 95: 15 Hz Theta frequencies (4 - 8 Hz) central & temporal regions grow Fast frequencies (alpha & beta) attenuate Delta frequencies (1000Hz） 时域分析： Schlegel T T, et al. Real-time 12-Lead High FrequencyQRS Electrocardiography for enhanced detection ofmyocardial ischemia and coronary artery disease Mayo Clin. Proc. 2004.79 33950 高频心电分析 高频心电时域分析 采样：采样率1000Hz或更高 软件实时滤 波(150-250Hz)：得到高频 QRS波(HF QRS) 二个常用指标 HF QRS的均方根(RMS)电压 ： 它估计HF QRS的总能量。 振幅减小区(Reduced-Amplitude Zones ，RAZ)：表示QRS复合波存在分裂现象。 RAZ是有潜在病理意义的形态学指标。 心室晚电位是起始于QRS复合波终未部位，并延伸入ST 段内，表现为低振幅、高频的碎裂波。频率在20-80Hz， 振幅在25V以下，持续时间 在10ms以上。 心室晚电位分析 (Ventricular Late Potential，VLP) (1) 信号采样：在X、Y、Z三个互相垂直的导联上采样 ECG。采样率1000Hz。 (2) 在X、Y、Z导联上分别做信号平均 QRS波的对准 平均。 (3)平均后，用三个正交导联构成综合波形 (4) 对综合波形进行双向带通滤波(去除低频信号),通带 为25-250Hz(Simson)或40-250Hz(美国心脏病学会专家委员会推荐) 。 心室晚电位分析 信号平均ECG (Simson的时域分析法) 参数25Hz40Hz QRSD120ms114ms LAS4040ms38ms RMS4025V20V T波振幅每搏间的波动 近年研究表明，T波交替的大小 与室颤的 易发性相关。已有的临床资料指出，在有 中等到高度危险的心脏事件(包括冠心病、 室性心律失常、心肌梗塞、心肌病和充血 性心脏病)的大量病人群中，TWA参数的价 值相当于电生理检查 来评估心律失常的危 险。是预测发 生恶性室性心律失常和心脏 性猝死的、具有统计 意义的指标。 T波交替分析 (T-Wave Alternans，TWA) 迷走神经刺激可以减少心电不稳定性 窦性心率的周期性变化称心率变异。 。1987年Kleiger对808例70岁以下，急性 心肌梗塞发病11±3天，做HRV观察SDNN ，发现 100ms的5.3 倍。认为 心肌梗塞后，HRV降低是预测 心 脏猝死和室性心律失常的指标。自主神经 系统状况和心血管疾病死亡率之间有着肯 定的相关性。HRV可以作为自主神经系统 无创、客观的定量指标。 心率变异分析 (Heart Rate Variability，HRV) 心率变异分析指标 全程NN间期的标准差(SDNN) 全程每5min NN间期平均值的标准差(SDANN) 全程每5minNN间期标准差的平均值（SDNNindex） 全部相邻NN之差的均方根(RMSSD) 相邻NN之差50ms的个数占总窦性心搏个数的百分 比(PNN50) 0.4Hz的所有NN间期的变异（总功率，TP） 在0.0030.04HZ范围内的NN间期的变异（极低频 VLF） 在0.040.15Hz范围内NN间期的变异（低频，LF） 在0.150.4Hz范围内NN间期的变异（高频，HF） LF/HF：是LF与HF的比值。 QT离散度(QTD)分析 QT离散度是12导联心电图各导联间 QT间期存在的差 异(最大QT间期与最小QT间期之差)。主要反映心室肌 复极的不均一性,可代表心室肌兴奋性恢复时间不一致 的程度,或心室肌不应期差异的程度。 QTc间期：根据心率进行校正：QTc=QT/sqrt（RR） 离散度的分析和测定指标： 最大QT间期(QTmax) 最小QT间期(QTmin) QT间期离散度(QTd) 心率校正后的QT间期离散度(QTcd) 12导联 中相邻导联 QT间期之差最大的差值(AdQTd) QTd率(QTdr) QT间期早期离散度(QTad) QT间期晚期离散度(QTed)等。 心率振荡是最近提出的一项心源性猝死（SCD ）的预测指标。它是指室性早搏发生后，窦性 心率出现短期的波动现象，先加速，后减速， 这是自主神经系统对单 个室早出现后的快速调 节反应，反映了窦房结的双向变时功能。正常 人及低危患者可表现为这 一变化，而在心肌梗 死后的猝死高危患者中该变化减弱或消失。 心率振（震）荡 （Heart Rate Turbulence, HRT） 系统概念的应用 多焦视觉电生理信号记录 常规视觉电生理信号 视视网膜电图电图 electroretinogram ERG 眼电图电图 electro-oculogram EOG 视诱发电视诱发电 位 Visual Evoked Potential 常规视网膜电图 视网膜电图 主要成份特征:(时相) b r1 r2O1 O2 O3 O4 a 50ms ap as va波:反映视网膜光感 受器的电位变化 vb波:作为评价视网膜 功能的客观指标之一, 受缺氧.温度变化.不同 光刺激.前适应状态等 因素的影响大. 振荡电荡电 位OPs ：用高强度光刺激时时，可发现发现 的附加 在a波和b波上的一系列节节律性的低振幅电电位。 O1 O2 O4 O5 O3 a b c d波：在连续光照下撤光后可记录到一个陡 的正相波 400v c波：继b波之 后缓慢升起的 阳性波，于光 照后2-10秒达 到峰值。 记录电极（A）： 角膜电极： 接触镜电极 金箔钩状电极 纤维角膜电极 皮肤电极：脸睑 参考电极（B）： 置前额或下睑皮肤 接地电极（E） 电极 A B + - + + - - E 视网膜电图记录装置 输入阻抗：=10M 漏电流：以后记录记录 到的信号r除了 背景噪声以外不再和输输入x相关 。在T时间时间 再给给一个输输入则则冲激 响应应（相关）将出现现在T时时刻， 从而可以记录记录 到多道的信号。 (a)覆盖中心23度视视野的241个六边边形组组成的刺激阵阵列 (b)从一受检检者记录记录 到的相应应的局部亮度ERG反应阵应阵 列 1例多焦视诱发电位（左眼） 在下半视野中垂线附近，反映的振幅较上半视野响应位置的振幅大 在上半视野中垂线附近，反映的极性出现反转现象 上面一行图图形显显示在受检检者DT测测得的ERG地形图图的可重 复性。图图A分别别从不同日子3次独立测测量的结结果之和所 获获得，请请注意它们们的共同特征，例如，箭头头所指的轻轻 度突起；下面一行图图形显显示受检检者之间间的差异。 4例亮度ERG反应地形图 小结 时域和频域 配准与叠加平均 FFT的特点和频谱 分析 线性系统和非线性系统 脑电信号的频域处理 心电信号的时域处理 视觉电 位与系统理论的应用