ECG心电信号处理：初识ECG

本文主要介绍心电信号的基础知识，包括心电图的典型波形和波段，以及常见的心率不起分类和一些用于心电分类的数据集，能对心电信号及处理有一个最基本的认识。

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1 心电图的基本构成

心电图是心电图机从体表记录心脏每一心动周期所产生的电活动变化图形的技术。心电图的典型波形和波段如图1所示。

图1 典型心电波形和波段

（1）P波

正常心脏的电激动从窦房结开始。由于窦房结位于右心房与上腔静脉的交界处，所以窦房结的激动首先传导到右心房，通过房间束传到左心房，形成心电图上的P波。P波代表了心房的激动，前半部代表右心房激动，后半部代表左心房的激动。P波时限为0.12秒，高度为0.25mv。当心房扩大，两房间传导出现异常时，P波可表现为高尖或双峰的P波。

（2）PR间期

PR间期代表由窦房结产生的兴奋经由心房、房室交界和房室束到达心室并引起心室肌开始兴奋所需要的时间，故也称为房室传导时间。正常PR间期在0.12～0.20秒。当心房到心室的传导出现阻滞，则表现为PR间期的延长或P波之后心室波消失。

（3）QRS波群

激动向下经希氏束、左右束枝同步激动左右心室形成QRS波群。QRS波群代表了心室的除极，激动时限小于0.11秒。当出现心脏左右束枝的传导阻滞、心室扩大或肥厚等情况时，QRS波群出现增宽、变形和时限延长。

（4）J点

QRS波结束，ST段开始的交点。代表心室肌细胞全部除极完毕。

（5）ST段

心室肌全部除极完成，复极尚未开始的一段时间。此时各部位的心室肌都处于除极状态，细胞之间并没有电位差。因此正常情况下ST段应处于等电位线上。当某部位的心肌出现缺血或坏死的表现，心室在除极完毕后仍存在电位差，此时表现为心电图上ST段发生偏移。

（6）T波

之后的T波代表了心室的复极。在QRS波主波向上的导联，T波应与QRS主波方向相同。心电图上T波的改变受多种因素的影响。例如心肌缺血时可表现为T波低平倒置。T波的高耸可见于高血钾、急性心肌梗死的超急期等。

（7）U波

某些导联上T波之后可见U波，目前认为与心室的复极有关。

（8）QT间期

代表了心室从除极到复极的时间。正常QT间期为0.44秒。由于QT间期受心率的影响，因此引入了矫正的QT间期（QTC）的概念。其中一种计算方法为QTc=QT/√RR。QT间期的延长往往与恶性心律失常的发生相关。

2 常见心率失常

临床上按心律失常发作时心率的快慢分为快速性和缓慢性心律失常两大类，前者见于过早搏动、心动过速、心房颤动和心室颤动等；后者以窦性缓慢性心律失常和各种传导阻滞为常见。

（1）过早搏动，简称早搏，又称期前收缩。是心脏某一部位过早地形成冲动引起的心脏搏动。根据发生部位不同分为房性、交界区性和室性。早搏可不引起症状，如无器质性心脏病预后良好，部分病人可有心悸，头晕，乏力，可对症治疗，如有器质性心脏病应治疗其基础心脏病。

（2）心房扑动与心房颤动。心房扑动时，心房率常在220～360次/分，一般不能全部下传心室，由于生理性房室阻滞而形成2∶1或3∶1下传，偶有1∶1房室传导者。心房颤动为房内多灶微折返的极速心律失常，频率350～600次/分，心室节律不齐，120～160次/分。心房扑动和心房颤动常见于风湿性心脏病、甲状腺功能亢进、冠心病、心肌病和高血压性心脏病等。不少心房颤动患者的发病原因不明。

（3）室上性阵发性心动过速。是阵发性快速而规则的异位心律，心率一般160～220次/分，但也有慢至130次/分或快达300次/分的。按发生机制可分为心房性、房室结折返性和房室旁路折返性3类，常见于无器质性心脏病者，病因不明，也可见于风湿性心脏病、心肌病、冠心病等。临床表现为突然发作，持续数秒、数分至数小时，甚至数天突然中止，发作严重者可引起心脑等器官供血不足，导致血压下降、头晕、恶心、心绞痛或昏厥。

（4）室性心动过速与心室颤动。连续3个以上的室性早搏为室性心动过速，多见于器质性心脏病患者。持续性室速为持续时间在30秒以上或30秒内发生严重血流动力学障碍者，非持续性室速指30秒内自行终止者。扭转型室速是一种特殊类型室速，多见于长QT综合征，分先天性和获得性两类。室速若不及时治疗可转为心室颤动，心室颤动是最严重的心律失常，需立即进行电除颤转复心律。

（5）心动过缓。成人心率低于60次/分称心动过缓，由病态窦房结综合征或房室传导阻滞引起。

3 ECG心电数据集

3.1 Physionet

PhysioNet（https://www.physionet.org/physiobank/）是一个由美国国家通用医学科学院（NIGMS）和国家生物医学成像和生物工程院（NIBIB）共同支持的面向科研人员免费提供生理信号库和其处理工具的一个资源网站，内容主要分为两个：PhysioBank和PhysioToolkit,也就是生理信号库和处理工具箱。PhysioBank 目前包含50多种可以免费下载的数据库，其包含我学习需要的心电数据集MITDB、CUDB和VFDB。

（1）MIT-BIH数据集

该数据一共有48条记录，每条记录包含两个导联的数据，时间为30分钟。

采样信息：360Hz采样率，11位分辨率，10mv满量程，0.1-100Hz滤波。

（2）CUDA数据集

包含有35条记录，单导联数据，时间为8分钟左右，数据来源于经历持续性室速、室扑、室颤的患者；

采样信息：250Hz采样率，12位分辨率，10mv满量程。

（3）VFDB数据集

该数据集包含22条记录，两个导联数据，时间为30分钟左右

采样信息：250Hz采样率，12位分辨率，10mv满量程。

3.2 AHA DB

美国心脏协会收集整理的标准数据集，包含80条记录，每个记录含有两条导联数据，采样频率为250Hz，12位分辨率，10mv满量程。

AHA数据集不免费提供，并且售价昂贵，所以使用MIT的数据集的情况较多，在之后的学习中也使用Python对MIT的数据集进行心电信号的处理。

参考文献

[1] 百度百科心电图词条. https://baike.baidu.com/item/%E5%BF%83%E7%94%B5%E5%9B%BE/399200?fr=aladdin

[2] 薛静. 基于Hurst指数的AED自动诊断分析算法研究[D]. 2014.

[3] 秋实华. https://www.jianshu.com/p/262c6082e4e9

附录