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(hào)的處理方法，尤其是一種用于心臟生理電信號(hào)的處理方法。

背景技術(shù)：
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心率變異性信號(hào)作為心血管系統(tǒng)的輸出信號(hào)，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(duì)健康的關(guān)注，體育運(yùn)動(dòng)越來(lái)越成為日常生活不可缺少的部分。因此對(duì)心率變異性信號(hào)的研究逐漸被眾多運(yùn)動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)，使人體的血壓，心率，體溫等保持在一個(gè)恒定的范圍。當(dāng)人體在不同時(shí)段運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(duì)心臟生理電信號(hào)的研究可以對(duì)心臟節(jié)律的變化提供間接測(cè)量指標(biāo)。

現(xiàn)有技術(shù)對(duì)心率變異性信號(hào)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(hào)是一種具有混沌特性的非線性信號(hào)，而分形理論是描述信號(hào)混沌特性的重要手段，但是截止目前，尚未見(jiàn)將分形理論用于不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心率變異性信號(hào)的報(bào)道。而且對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心率變異性信號(hào)研究都是在同一時(shí)段下進(jìn)行的，但是人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中往往根據(jù)自己的工作和生活規(guī)律來(lái)安排運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)可誘發(fā)心律失常和心肌梗死。因此不同時(shí)段運(yùn)動(dòng)對(duì)身體機(jī)能的影響一直是學(xué)者長(zhǎng)期爭(zhēng)論的話(huà)題，至今沒(méi)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(wèn)題。

技術(shù)實(shí)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(diǎn)，提供一種用于心臟生理電信號(hào)的處理方法，通過(guò)對(duì)采集到的生理電信號(hào)進(jìn)行分組，檢測(cè)所述生理電信號(hào)的qrs波群，對(duì)qrs波群進(jìn)行整形，確定rr間期，提取r波信號(hào)，得到時(shí)域心率變異性信號(hào)序列，分析時(shí)域心率變異性信號(hào)的相關(guān)性，獲得心率變異性信號(hào)生理參數(shù)值；分析時(shí)域心率變異性信號(hào)的多重分形性，獲得心率變異性信號(hào)生理參數(shù)值。

心率變異性信號(hào)作為心血管系統(tǒng)的的輸出信號(hào)，是判斷自主神經(jīng)活動(dòng)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(dòng)之間的間期都會(huì)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(shí)段運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(shí)還受到不同時(shí)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(jī)體的適應(yīng)能力較差。因此心率變異性信號(hào)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(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

一種用于心臟生理電信號(hào)的處理方法，包括以下步驟：

步驟一：對(duì)采集到的生理電信號(hào)進(jìn)行分組；

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

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

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

所述步驟一中采集到的生理電信號(hào)分為上午運(yùn)動(dòng)前、上午運(yùn)動(dòng)中、上午運(yùn)動(dòng)后、下午運(yùn)動(dòng)前、下午運(yùn)動(dòng)中、下午運(yùn)動(dòng)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(duì)采集到的生理電信號(hào)進(jìn)行放大，濾波；檢測(cè)放大后的生理電信號(hào)的qrs波群，并對(duì)檢測(cè)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(hào)，得到時(shí)域心率變異性信號(hào)序列；rr間期是指兩個(gè)rr波峰之間的時(shí)間間隔。

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

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(jì)算各組時(shí)域心率變異性信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)h(2)，計(jì)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(shí)段下標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)的波動(dòng)值。

所述步驟三中不同時(shí)段下標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)的波動(dòng)值是用各組時(shí)域心率變異性信號(hào)的最大hurst指數(shù)和最小hurst指數(shù)差值的絕對(duì)值來(lái)計(jì)算。

所述步驟四包括：

計(jì)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(jì)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(guò)研究心率變異性信號(hào)，建立該信號(hào)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(duì)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(duì)心臟的生理功能產(chǎn)生的影響。

附圖說(shuō)明：

圖1是一種探測(cè)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)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(hào)放大電路；

圖4是信號(hào)濾波電路。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見(jiàn)圖1，一種探測(cè)一種探測(cè)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)心臟節(jié)律影響的方法的實(shí)施方式包括：

步驟一，對(duì)采集到的生理電信號(hào)進(jìn)行分組；

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

心臟可以看做是人體的電源，心臟周?chē)哂袑?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(diǎn)中，有些點(diǎn)之間的電位相等，有些點(diǎn)之間存在著電位差。通過(guò)電極或者傳感器測(cè)量體表上非等電位的電位差，記錄數(shù)據(jù)可作為接下來(lái)用于分析處理的生理電信號(hào)。其中將采集到的生理電信號(hào)分為六組，分別對(duì)應(yīng)上午和下午運(yùn)動(dòng)前、中、后六種不同狀態(tài)。

步驟二，檢測(cè)所述生理電信號(hào)的qrs波群，對(duì)qrs波群進(jìn)行整形，確定rr間期，提取r波信號(hào)，得到時(shí)域心率變異性信號(hào)序列；

其中對(duì)采集到的生理電信號(hào)進(jìn)行放大，濾波；檢測(cè)所述生理電信號(hào)的qrs波群，確定rr波峰位置，提取r波信號(hào)；

對(duì)生理電信號(hào)進(jìn)行放大，生理電信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)幅度小、頻率低，而且生物電信號(hào)源內(nèi)阻高，存在較強(qiáng)的背景噪聲和干擾，而生物電放大器是為了測(cè)量生物電位而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的放大器，其最主要的作用就是把微弱的生物電位信號(hào)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(dòng)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(cè)量生物電時(shí)伴隨的較強(qiáng)的模干擾在生物電放大器的前置級(jí)通常采用差動(dòng)放大以提高共模抑制比。

放大級(jí)通常包括初級(jí)差分放大和運(yùn)放構(gòu)成的主放大級(jí)，初級(jí)差分放大采用的是三運(yùn)放前置放大電路，主放大極由一個(gè)集成運(yùn)放和電阻構(gòu)成。如圖3所示它的第一級(jí)是有兩個(gè)運(yùn)放a1和a2組成，信號(hào)由兩個(gè)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(jí)是由a3構(gòu)成的基本差分放大器。由于理想運(yùn)放輸入阻抗近似為零。a1和a2輸入端的兩個(gè)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(duì)有用差模信號(hào)電壓的放大倍數(shù)。

對(duì)生理電信號(hào)進(jìn)行濾波，是將放大后的生理電信號(hào)進(jìn)行濾波，保留一定范圍的信號(hào)。生物電信號(hào)是低頻微弱信號(hào),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(jì)中采用的是二階濾波器.這次設(shè)計(jì)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(cè)qrs波群，并對(duì)檢測(cè)到的qrs波群進(jìn)行波形整形，得到r波信號(hào)。如圖2一個(gè)正常的心電圖，由p波、qrs波群、t波等組成。每個(gè)具體的波都對(duì)應(yīng)著特定的心臟活動(dòng)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(jì)算心率數(shù)據(jù)時(shí)，rr間期是指兩個(gè)rr波峰之間的時(shí)間間隔，保留rr間期滿(mǎn)足如下不等式的信號(hào)，獲得時(shí)域心率變異性信號(hào)，每個(gè)心率變異性信號(hào)包含5000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

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(shí)域心率變異性信號(hào)的相關(guān)性，獲得心率變異性信號(hào)生理參數(shù)值。

其中建立去勢(shì)波動(dòng)分析模型，得到趨勢(shì)函數(shù)和波動(dòng)函數(shù)。選取子區(qū)間長(zhǎng)度s從10到n/4做等值變化(n為樣本數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù))，計(jì)算分形介數(shù)q＝2時(shí)各組時(shí)域心率變異性信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)h(2)，計(jì)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(shí)段下標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)的波動(dòng)值。

局部趨勢(shì)函數(shù)和波動(dòng)函數(shù)的具體建立方法如下：

(1)構(gòu)造長(zhǎng)度為n的時(shí)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(gè)長(zhǎng)度為s的不相交子區(qū)間，其中ns＝int(n/s)這樣共得到2ns個(gè)子區(qū)間。

(3)對(duì)每個(gè)子區(qū)間v(v＝1,2,......2ns)內(nèi)的s個(gè)點(diǎn)，用最小二乘法進(jìn)行k階多項(xiàng)式擬合，得到局部趨勢(shì)函數(shù)yv(i)：

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

(4)計(jì)算均方誤差f²(s,v)

對(duì)于2ns個(gè)子區(qū)間，q階波動(dòng)函數(shù)fq(s)，其中q為分形階數(shù)。

當(dāng)q≠0時(shí)，得到波動(dòng)函數(shù)為：

當(dāng)q＝0時(shí)，得到波動(dòng)函數(shù)為：

fq(s)與子區(qū)間長(zhǎng)度s滿(mǎn)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(dòng)函數(shù)fq(s)與子區(qū)間長(zhǎng)度s取對(duì)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(shí)，得到標(biāo)準(zhǔn)赫斯特指數(shù)。計(jì)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(shí)段下標(biāo)準(zhǔn)hurst指數(shù)的波動(dòng)值。

其中離散度δ的表示如下：

其中波動(dòng)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(duì)值來(lái)表示。

δh＝|hmax-hmin|

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

步驟四，分析時(shí)域心率變異性信號(hào)的多重分形性，獲得心率變異性信號(hào)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(dòng)幅度大小表明hrv信號(hào)的多重分形程度的強(qiáng)弱，通過(guò)去勢(shì)波動(dòng)分析模型中的廣義hurst指數(shù)可將時(shí)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(shí)間序列的混沌特征。在本發(fā)明中，對(duì)心率變異性信號(hào)的多重分形分析運(yùn)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(shì)波動(dòng)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(jì)算h(q)相對(duì)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(jì)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(hào)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(hào)序列的局部趨勢(shì)函數(shù)(yv(i))，局部趨勢(shì)函數(shù)的均方誤差(f²(s,v))，波動(dòng)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(hào)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(dòng)，交感神經(jīng)興奮時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)人體的這一自主神經(jīng)功能發(fā)生紊亂時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一系列的病癥。在本發(fā)明中，對(duì)于不同時(shí)段不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下心率變異性信號(hào)的研究反映了生理節(jié)律和運(yùn)動(dòng)對(duì)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(shì)波動(dòng)分析模型用于區(qū)分不同時(shí)段不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心率變異性信號(hào)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(hào)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(hào)序列的多重分形性，結(jié)果顯示不同時(shí)段心率變異性信號(hào)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(duì)心臟功能狀態(tài)的影響。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)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(duì)心臟節(jié)律的影響，為運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供有價(jià)值的信息。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明,任何熟悉本專(zhuān)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(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)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(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)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)。