技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，涉及一種生理電信號的處理方法，尤其是一種用于心臟生理電信號的處理方法。

背景技術(shù)：
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心率變異性信號作為心血管系統(tǒng)的輸出信號，是判斷心臟自主神經(jīng)功能最好的指標(biāo)，能為心血管疾病的研究提供有用的生理病理信息。近些年，隨著人們對健康的關(guān)注，體育運動越來越成為日常生活不可缺少的部分。因此對心率變異性信號的研究逐漸被眾多運動科學(xué)研究者重視。正常情況下，心臟節(jié)律的變化受到自主神經(jīng)系統(tǒng)的控制交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)兩者協(xié)調(diào)工作，調(diào)節(jié)人體心肺器官的正常運轉(zhuǎn)，使人體的血壓，心率，體溫等保持在一個恒定的范圍。當(dāng)人體在不同時段運動時，心臟節(jié)律的變化不僅受到自主神經(jīng)系統(tǒng)的控制，還受到生理節(jié)律的影響，對心臟生理電信號的研究可以對心臟節(jié)律的變化提供間接測量指標(biāo)。

現(xiàn)有技術(shù)對心率變異性信號的處理方法是進(jìn)行傅里葉變換，只分析其頻譜和功率譜，導(dǎo)致分析的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。大量的研究表明心率變異性信號是一種具有混沌特性的非線性信號，而分形理論是描述信號混沌特性的重要手段，但是截止目前，尚未見將分形理論用于不同運動狀態(tài)下的心率變異性信號的報道。而且對不同運動狀態(tài)下的心率變異性信號研究都是在同一時段下進(jìn)行的，但是人們在現(xiàn)實生活中往往根據(jù)自己的工作和生活規(guī)律來安排運動時間。有些人習(xí)慣在上午進(jìn)行體育鍛煉，但是有學(xué)者指出上午運動可誘發(fā)心律失常和心肌梗死。因此不同時段運動對身體機能的影響一直是學(xué)者長期爭論的話題，至今沒有統(tǒng)一的結(jié)論。因此需要提出一種新的技術(shù)方案解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種用于心臟生理電信號的處理方法，通過對采集到的生理電信號進(jìn)行分組，檢測所述生理電信號的qrs波群，對qrs波群進(jìn)行整形，確定rr間期，提取r波信號，得到時域心率變異性信號序列，分析時域心率變異性信號的相關(guān)性，獲得心率變異性信號生理參數(shù)值；分析時域心率變異性信號的多重分形性，獲得心率變異性信號生理參數(shù)值。

心率變異性信號作為心血管系統(tǒng)的的輸出信號，是判斷自主神經(jīng)活動最好的指標(biāo)，能為心血管疾病的研究提供有用的生理病理信息。當(dāng)外界刺激或者內(nèi)部刺激的變化，心臟每次跳動之間的間期都會有微小的差異，每次心跳間期的變化范圍就是心率變異性。正常情況下，人體心跳間期的變化受交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)控制。當(dāng)人體在不同時段運動時，人體心跳間期的變化不僅受交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)控制，同時還受到不同時段人體生理節(jié)律的影響。心率變異性越高，表明心臟能越快的適應(yīng)內(nèi)部或外部環(huán)境，交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)之間相互作用良好，心率變異性越低，表明機體的適應(yīng)能力較差。因此心率變異性信號可以作為反映自主神經(jīng)系統(tǒng)功能的間接生理指標(biāo)。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

一種用于心臟生理電信號的處理方法，包括以下步驟：

步驟一：對采集到的生理電信號進(jìn)行分組；

步驟二：檢測所述生理電信號的qrs波群，對qrs波群進(jìn)行整形，確定rr間期，提取r波信號，得到時域心率變異性信號序列；

步驟三：分析時域心率變異性信號的相關(guān)性，獲得心率變異性信號生理參數(shù)值；

步驟四：分析時域心率變異性信號的多重分形性，獲得心率變異性信號生理參數(shù)值。

所述步驟一中采集到的生理電信號分為上午運動前、上午運動中、上午運動后、下午運動前、下午運動中、下午運動后六種不同狀態(tài)，每種狀態(tài)為一組。

所述步驟二中包括：

對采集到的生理電信號進(jìn)行放大，濾波；檢測放大后的生理電信號的qrs波群，并對檢測到的qrs波群進(jìn)行波形整形，剔除異搏，確定rr間期，提取r波信號，得到時域心率變異性信號序列；rr間期是指兩個rr波峰之間的時間間隔。

所述步驟二中，保留rr間期滿足如下不等式的信號，得到心率變異性序列，每個序列包含1500個數(shù)據(jù)點；

其中rri是rr間期序列，是rr間期序列的平均值。

所述步驟三包括：

計算各組時域心率變異性信號的標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)h(2)，計算各組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)的平均值和離散度，以及不同時段下標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)的波動值。

所述步驟三中不同時段下標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)的波動值是用各組時域心率變異性信號的最大hurst指數(shù)和最小hurst指數(shù)差值的絕對值來計算。

所述步驟四包括：

計算標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)下的質(zhì)量指數(shù)譜和多重分形譜；

計算每組數(shù)據(jù)的質(zhì)量指數(shù)譜和多重分形譜的平均值，得到質(zhì)量指數(shù)譜與分形介數(shù)的關(guān)系和多重指數(shù)譜和奇異指數(shù)的關(guān)系。

本發(fā)明在通過研究心率變異性信號，建立該信號的相關(guān)性和多重分形性與自主神經(jīng)調(diào)控間的關(guān)系并揭示生理節(jié)律對三者關(guān)系的影響。從而使得研究人員更好的利用研究結(jié)果分析自主神經(jīng)調(diào)控和生理節(jié)律對心臟的生理功能產(chǎn)生的影響。

附圖說明：

圖1是一種探測不同運動狀態(tài)對心臟節(jié)律影響的方法的流程圖；

圖2是正常心電圖波形示意圖；

圖3是信號放大電路；

圖4是信號濾波電路。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1，一種探測一種探測不同運動狀態(tài)對心臟節(jié)律影響的方法的實施方式包括：

步驟一，對采集到的生理電信號進(jìn)行分組；

其中生理信號可以分為兩類：一類是電信號和電活動衍生的信號，例如心電信號和心磁信號，另一類是非電信號，例如體溫、呼吸、血壓等。

心臟可以看做是人體的電源，心臟周圍具有導(dǎo)電性的組織和體液將心肌細(xì)胞電位變化的總和傳導(dǎo)并反映到體表。人體體表分布的各點中，有些點之間的電位相等，有些點之間存在著電位差。通過電極或者傳感器測量體表上非等電位的電位差，記錄數(shù)據(jù)可作為接下來用于分析處理的生理電信號。其中將采集到的生理電信號分為六組，分別對應(yīng)上午和下午運動前、中、后六種不同狀態(tài)。

步驟二，檢測所述生理電信號的qrs波群，對qrs波群進(jìn)行整形，確定rr間期，提取r波信號，得到時域心率變異性信號序列；

其中對采集到的生理電信號進(jìn)行放大，濾波；檢測所述生理電信號的qrs波群，確定rr波峰位置，提取r波信號；

對生理電信號進(jìn)行放大，生理電信號源產(chǎn)生的信號幅度小、頻率低，而且生物電信號源內(nèi)阻高，存在較強的背景噪聲和干擾，而生物電放大器是為了測量生物電位而專門設(shè)計的放大器，其最主要的作用就是把微弱的生物電位信號的幅度放大。以便進(jìn)一步處理、記錄或顯示。因此要求生物電放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、高增益、低噪聲、低溫漂、合適的頻帶寬度和動態(tài)范圍等特性。而放大器的輸入阻抗、噪聲、漂移及共模抑制比等特性的好壞主要由前置放大器所決定。為了克服測量生物電時伴隨的較強的模干擾在生物電放大器的前置級通常采用差動放大以提高共模抑制比。

放大級通常包括初級差分放大和運放構(gòu)成的主放大級，初級差分放大采用的是三運放前置放大電路，主放大極由一個集成運放和電阻構(gòu)成。如圖3所示它的第一級是有兩個運放a1和a2組成，信號由兩個同相輸入差分放大器因而有很高的的輸入阻抗可達(dá)1mω以上第二級是由a3構(gòu)成的基本差分放大器。由于理想運放輸入阻抗近似為零。a1和a2輸入端的兩個電阻r2與電位器r1相并聯(lián)，所以可以得到

其中r1＝4kω，r2＝2kω，r3＝2kω，r4＝500ω，r5＝5kω。其中ad表示對有用差模信號電壓的放大倍數(shù)。

對生理電信號進(jìn)行濾波，是將放大后的生理電信號進(jìn)行濾波，保留一定范圍的信號。生物電信號是低頻微弱信號,采用有源濾波器,濾波器的階數(shù)越高,濾波器濾出的效果越好,此次設(shè)計中采用的是二階濾波器.這次設(shè)計中采用的是二階低通濾波器。二階低通濾波器的參數(shù)設(shè)定要根據(jù)心電的頻率范圍和二階低通濾波器的性質(zhì)行設(shè)定，二階低通濾波器的傳遞函數(shù)是：

其中c1＝0.12μf，c2＝0.13μf。

qrs波群檢索，是指檢測qrs波群，并對檢測到的qrs波群進(jìn)行波形整形，得到r波信號。如圖2一個正常的心電圖，由p波、qrs波群、t波等組成。每個具體的波都對應(yīng)著特定的心臟活動和電生理階段。與其他波形相比，r波具有較高的的幅值。在計算心率數(shù)據(jù)時，rr間期是指兩個rr波峰之間的時間間隔，保留rr間期滿足如下不等式的信號，獲得時域心率變異性信號，每個心率變異性信號包含5000個數(shù)據(jù)點。

其中rri是rr間期序列，是rr間期序列的平均值。

步驟三，分析時域心率變異性信號的相關(guān)性，獲得心率變異性信號生理參數(shù)值。

其中建立去勢波動分析模型，得到趨勢函數(shù)和波動函數(shù)。選取子區(qū)間長度s從10到n/4做等值變化(n為樣本數(shù)據(jù)總個數(shù))，計算分形介數(shù)q＝2時各組時域心率變異性信號的標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)h(2)，計算各組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)的平均值和離散度，以及不同時段下標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)的波動值。

局部趨勢函數(shù)和波動函數(shù)的具體建立方法如下：

(1)構(gòu)造長度為n的時間序列{xk}的去均值和序列y(i):

式中表示序列{xk}的均值。

(2)將新序列y(i)按照i由小到大的和由大到小各劃分成ns個長度為s的不相交子區(qū)間，其中ns＝int(n/s)這樣共得到2ns個子區(qū)間。

(3)對每個子區(qū)間v(v＝1,2,......2ns)內(nèi)的s個點，用最小二乘法進(jìn)行k階多項式擬合，得到局部趨勢函數(shù)yv(i)：

yv(i)＝a1i^k+a2i^k-1+.........+aki+ak+1i＝1,2,.....s；k＝1,2......,

(4)計算均方誤差f²(s,v)

對于2ns個子區(qū)間，q階波動函數(shù)fq(s)，其中q為分形階數(shù)。

當(dāng)q≠0時，得到波動函數(shù)為：

當(dāng)q＝0時，得到波動函數(shù)為：

fq(s)與子區(qū)間長度s滿足關(guān)系：fq(s)∝s^h(q)其中h(q)為廣義赫斯特指數(shù)。在不同q值條件下，將波動函數(shù)fq(s)與子區(qū)間長度s取對數(shù)后進(jìn)行線性回歸擬合，即可得到廣義赫斯特指數(shù)的值，取分形介數(shù)q＝2時，得到標(biāo)準(zhǔn)赫斯特指數(shù)。計算各組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)的平均值和離散度，以及不同時段下標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)的波動值。

其中離散度δ的表示如下：

其中波動值δh的表示如下：用樣本中最大hurst指數(shù)和最小hurst指數(shù)差的絕對值來表示。

δh＝|hmax-hmin|

hurst指數(shù)的波動范圍反映了hrv信號的相關(guān)性波動范圍的大小。

步驟四，分析時域心率變異性信號的多重分形性，獲得心率變異性信號生理參數(shù)值。

其中取q值從-10到10變換，做出h(q)隨q變換的曲線圖，曲線的波動幅度大小表明hrv信號的多重分形程度的強弱，通過去勢波動分析模型中的廣義hurst指數(shù)可將時間序列的相關(guān)性和多重分形性聯(lián)系在一起，分明從單分形維數(shù)和多分形維數(shù)的角度描述時間序列的混沌特征。在本發(fā)明中，對心率變異性信號的多重分形分析運用了質(zhì)量指數(shù)譜和多重分形譜的理論，具體方法如下：利用去勢波動分析模型所得到的廣義hurst指數(shù)和質(zhì)量指數(shù)譜τ(q)和多重分形譜f(a)，計算h(q)相對應(yīng)的τ(q)和f(a)。

其中

τ(q)＝qh(q)-1

其中a為holder奇異指數(shù)。計算每組數(shù)據(jù)的質(zhì)量指數(shù)譜和多重分形譜的平均值，得到質(zhì)量指數(shù)譜與分形介數(shù)的關(guān)系圖和多重指數(shù)譜和奇異指數(shù)的關(guān)系。從整體上研究心率變異性信號的多重分形性。

本發(fā)明中特征生理參數(shù)的提取包括，心率變異性信號序列的局部趨勢函數(shù)(yv(i))，局部趨勢函數(shù)的均方誤差(f²(s,v))，波動函數(shù)(fq(s))，標(biāo)準(zhǔn)赫斯特指數(shù)(h(2))，質(zhì)量指數(shù)譜(τ(q))，分形指數(shù)譜(f(a))，holder奇異指數(shù)(a)。心率變異性信號生理參數(shù)能夠反映自主神經(jīng)系統(tǒng)功能的變化，即交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)功能變化的。自主神經(jīng)主要是控制人體內(nèi)臟器官在不同狀態(tài)下的活動，交感神經(jīng)興奮時，心輸出與心率增加，副交感神經(jīng)則相反，二者相互作用，共同調(diào)節(jié)人體心臟器官的運轉(zhuǎn)。當(dāng)人體的這一自主神經(jīng)功能發(fā)生紊亂時，會出現(xiàn)一系列的病癥。在本發(fā)明中，對于不同時段不同運動狀態(tài)下心率變異性信號的研究反映了生理節(jié)律和運動對人體心臟節(jié)律的影響，使得分析結(jié)果更加的準(zhǔn)確。

本發(fā)明中，去勢波動分析模型用于區(qū)分不同時段不同運動狀態(tài)下的心率變異性信號序列的相關(guān)性，其中的標(biāo)準(zhǔn)赫斯特指數(shù)描述該樣本的心率變異性信號的相關(guān)性，不同分形階數(shù)下的質(zhì)量指數(shù)譜和多重分形譜反映了率變異性信號序列的多重分形性，結(jié)果顯示不同時段心率變異性信號的相關(guān)性和多重分形性有明顯差異，反映了生理節(jié)律對心臟功能狀態(tài)的影響。

綜上所述，本發(fā)明實施例考慮到人體自身的生理節(jié)律，揭示了生理節(jié)律與自主神經(jīng)調(diào)控對心臟節(jié)律的影響，為運動員科學(xué)訓(xùn)練，普通人科學(xué)健身提供理論依據(jù)，并為運動醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供有價值的信息。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明,任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。