嵌入式-传感器-生物电势测量ECG

参考来源：ADI官网技术文章、知乎(hxl695822705、KingPo-张超、津发科技、木森、深圳加1健康科技)

ECG的产生

ECG（Electrocardiogram）心电测量，是指人体内窦房结发出一次兴奋，按照一定时间和途径，依次传向心房和心室，引起整个心脏兴奋。那么，这种生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液反映到身体表面上，使身体的各个部位在每一心动周期中都发生有规律的生物电变化，并进行记录放大，即心电图。

心电信号从宏观上记录心脏细胞的除级和复级过程。

1. 静息电位心肌细胞未受到刺激(处于静息状态)时存在于细胞膜内、外两侧的电位差.称为静息电位.以细胞膜为界.膜外呈正电位、膜内为负电位，并稳定于定数值的静息电位状态.称为极化状态。
2. 动作电位当细胞受到刺激时.其亚微结构就会发生改变，于是对钠离子的通透性加大.从而造成钠离子快速内流，此时可测得+30mv的电压.这就是动作电压。这时细胞膜t:的Nat K+ATP泵逆浓度差把钾离子送回细胞内而III-除钠离了，恢复原有的极化状态。
   

• P波:最初产生的偏离的波被命名为P波，它反映心房除极过程的电位变化，代表了两个心房的去极。
• QRS波群:心室的激活产生的最大的波，它反映心室肌除极过程的电位变化。正常间隔0.08-0.12秒。典型的QRS波群是指三个紧密相连的波;
• P R间期:从P波开始到QRS复合波开始，它代表心房肌开始除极到心室肌开始除极的时限。正常间期是0.12-2.0秒
• S T段:是在QRS波群以后，T波以前的一段平线。代表左、右心室全部除极完毕到复极开始以前的一段时间。
• T波:代表心室肌复极过程引起的电位变化。
• QT间期:代表整个心室肌自开始除极至复极完毕的总时间。

生物电势测量

典型的ECG设备通常利用AFE进行信号放大、滤波，然后通过一个ADC进行数据采集。使用低分辨率 (16位) ADC时，信号需要被显著增益 (增幅通常为100 ~ 200倍) 以达到必要的分辨率。使用高分辨率 (24位) Σ-ΔADC时，信号仅需要4 ~ 5倍的适度增益。因此可以除去消除直流偏移所需的第二增益级和电路。这将实现面积与成本上的整体缩减。Σ - ΔADC方法还将保留信号的整个频率内容，并为数据后期处理提供充分的灵活性。仪表放大器 (IA) 的主要任务是抑制共模信号 (通常是50Hz/60Hz干扰)，ECG应用需要90dB甚至更高的共模抑制比 (CMRR) 以抑制放大电路从电源耦合的50Hz/60Hz信号。即使采用具有高共模抑制比 (CMRR) 的IA，不同ECG电极的差异或者是皮肤接触阻抗之间的不匹配不仅产生偏移电压漂移，也会导致CMRR低于所期望的水平。阻抗的不匹配主要源于电极与皮肤的物理接触、排汗和肌肉运动等原因。随后要考虑的因素是IA的增益，设置IA增益时必须注意避免增益过大导致削波或饱和。IA的输入阻抗指标也很重要，因为ECG测量的是微弱信号。推荐选择具有高阻输入的IA，因为较低的输入阻抗会导致较大的信号衰减。利用IA和滤波器消除噪声和干扰后，再进行第二级放大，提供额外的增益以达到ADC的输入量程。有些设计还添加了一个陷波滤波器，对50Hz/60Hz作进一步抑制。低通滤波器用来抑制高频干扰，同时也起到一个抗混迭滤波器 (Anti-aliasing Filter) 的作用，即阻止任何大于奈奎斯特或1/2采样频率的信号，避免产生ADC混迭。
为了进一步降低输入共模信号，ECG设计通常还引入一级「右腿驱动器」 (VRLD)，驱动反相共模信号返回人体。为了确保病人的安全，通常利用一个运算放大器和一个限流电阻以确保驱动到人体的是一个非常微弱的信号源。这个右腿驱动器可以降低ECG电极承载信号的噪声耦合。

估算心率

心率与人的年龄，性别及健康程度相关。对于成年人来说，一般心率越低说明心脏功能越强。但是，心率过低也可能是心脏不正常的表现。这一算法按用户的年龄和性别把静息心率分为以下几类：运动员，优秀，良好，高于平均，平均，低于平均，不好。
注意：本算法仅适用于心脏正常人群。

估算HRV

健康的心脏拥有健康的“不规律”。HRV就像是健康的晴雨表。

比如说，你此时的心率是60，这并不意味着你的心脏是1秒钟跳1下。

真实的情况可能是，两次连续心跳之间间隔1.12秒，又有另外两次连续心跳的间隔为0.86秒，只不过平均下来一分钟跳了60次。

而HRV测量的，就是这种心跳的不规律性。如果你的心跳很规律，那么HRV就会比较低；如果你的心跳间隔差别比较大，你的HRV就会相对较高。通常，我们希望HRV越高越好。心跳的这种不规律性是由我们的自主神经所控制的。人体中的自主神经调控着身体中不受人主观控制的功能，包括心跳、呼吸、血压和消化。自主神经分为两种，分别是“战斗或逃跑”的交感神经和“放松或消化”的副交感神经。而HRV，则能够反映你的自主神经的工作状况。如果你处于“战斗或逃跑”的交感神经主导的模式，你的HRV会较低。如果你处于“放松或消化”的副交感神经主导的模式，你的HRV会更高一些。较低的HRV意味着更高的焦虑、抑郁发病率风险和心血管疾病死亡率。而拥有较高HRV的人，普遍具有更好的心血管功能和抗压能力。

HRV并没有一个最佳的标准区间，因为它会受年龄、荷尔蒙和生活方式等诸多因素的影响。

在没有同类人群比较时，HRV最有用的价值在于和你自己的基础值进行比较。

心率变异性（HRV）是反映自主神经系统活性和定量评估心脏交感神经与迷走神经张力及其平衡性，从而判断其对心血管疾病的病情及预防，可能是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个有价值的指标。
心率变异性(heart rate variability,HRV)是指逐次心跳 R-R 间期波动的现象,其机制是交感神经与迷走神经协调作用从而控制窦房结的起搏,其具体表现是每个心动周期长短的不规则变化。心率变异性信号中蕴含着有关心血管控制及体液调节的大量信息,提取这些信息并加以分析可以定量评估心交感神经和迷走神经的均衡性。

HRV的分析方法HRV分析的心电信号有长有短，短期的只有5分钟，最长1小时；长期的可达24-48小时。记录可在不同体位（仰卧、倾斜、直立或倒立位）和动作（平静呼吸、深呼吸、Valsava动作、运动）进行。HRV分析目前采用的方法有时域分析法和频域分析法，时域分析法是应用数理统计指标对HRV作时域测量，包括简单法和统计学方法；频域方法或频谱分析方法原理是将随机变化的RR间期或瞬时心率信号分解为多种不同能量的频域成份进行分析，可以同时评估心脏交感和迷走神经活动水平。以上两种分析方法都属于线性分析方法，而人体内的生物过程都属于非线性过程，为此，又提出了第三种分析方法，即以非线性（混沌）分析方法来描述心率变异性的特性。

一些环境因素，比如压力，会让你的副交感神经受到抑制，并激活你的交感神经，从而降低HRV。如果你的HRV降低了，表明某些因素对你产生了影响，比如压力过大、情绪波动、没有睡好。此外，吸烟、饮酒和一些药物也可能会让HRV降低。如果HRV出现了连续的骤降，有时会是患病的前兆，这提醒着你需要注意休息。反过来，如果你的HRV的趋势在升高，说明你可能做了一些正确的事情，比如吃得很合适、睡得比较好、或进行了适当的耐力训练。

产生机制及意义

HRV的产生主要是由于心脏窦房结自律活动通过交感和迷走神经、神经中枢、压力反射和呼吸活动等因素的调节作用，使得心脏每搏间期一般存在几十毫秒的差异。在静息状态下，正常人的心电图呈现RR间期周期变化，窦性心律不齐是由于呼吸的不同时相所介导的迷走神经反映性波动所致。导致吸气时心率加快，呼气时心率减慢。许多其它因素也可以引起心率的变化，例如体位、体温、血循环中的儿茶酚胺、内分泌激素以及营养、环境、药物、各种疾病等都会影响心率。由于对HRV的生理和病理意义进行了广泛和深入的研究，其结果表明心率变异信号中蕴含着有关心血管调节的重要信息，对HRV进行分析可以间接地定量评价心肌交感、迷走神经紧张性和均衡性，而且还能分析自主神经系统的活动情况，在多种心血管疾病中，患者的心率变异性都有降低的趋势。心率变异性还可以作为一个独立的心源性猝死危险性的预测指标。心率变异性分析对多种恶性心律失常的预后判断和药物治疗效果分析有指导作用。总之，HRV的生理学基础归因于交感、迷走神经系统，其中迷走神经对HRV起着主要的决定作用，所以，迷走神经功能健全时，心率变异程度大，迷走神经功能受损时，心率变异程度小。

① 情绪不稳定期如果你觉得自己的情绪不太稳定，那么监测HRV可能有重要的意义。在一项纳入183名研究生的研究发现，静息HRV更低的人更难调节自己的情绪。这些人的具体表现有两个：① 无法很好地辨别情绪，即是说，无法说清自己感受到的是什么情绪，也不知道为什么会有这样的感受。② 无法很好地控制冲动，常常表现为一触即怒。所以，当你的HRV降低时，你可以检查下，自己是否存在情绪上的问题。试着做下记录，认识到自己的负面情绪，并试图找到产生负面情绪的原因。当你的HRV重新回升时，说明你的情绪问题得到了改善。

② 锻炼期如果你处于正在锻炼或有长期运动的习惯，HRV的监测也能帮助你更好地规划训练。当你HRV比较高时，你比较适合去做高强度的训练；当你的HRV比较低时，强度相对较低的训练会更适合你。检测HRV能够防止你过度训练、减少你的受伤风险，让你能持续保持高水平的发挥。

③ 调整饮食期如果你正在调整饮食，HRV也能告诉你是否朝着正确的方向。由于脑肠轴的存在，你吃的食物能够影响你的大脑。食物对大脑功能、认知和情绪的改善，最终能够反映在HRV这一指标上。你可以通过观察HRV的变化，来了解你的饮食方案是否合适。

(时域)R-R间期直方图

心电图的R-R间期在心律失常时有较大差异，即使是窦性心律，也因活动及体液因素的影响而有一定波动。分析心电图R-R间期变化可提供许多心理生理的信息。直方图的形状可反映HRV大小，当R-R间期直方图高而窄时，HRV小，R-R间期直方图低而宽时，HRV大。

(时域)四项检测指标：SDNN、HRV三角形指数、SDANN、RMSSD

SDNN、HRV三角形指数用于评估心率总体变化的大小：SDANN用于评估心率变化中的长期慢变化成分；RMSSD反映心率快变化的大小。·SDNN：标准差，即全部NN间期的标准差，单位为ms。·HRV三角形指数：NN间期的总个数除以NN间期直方图的高度。在计算NN间期直方图时，横坐标刻度间隔的标准为7.8125ms(1/128s)，无量纲。·SDANN：将全部记录的NN间期，按记录的时间顺序每5分钟为一个时间段，连续地划成若干个时间段（如为24小时，共288段），先计算每5分钟时间段内NN间期的平均值，再计算这若干个平均值的标准差，单位为ms。·RMSSD：全程相邻NN间期之差的均方根值，单位为ms。

(频域)分析

心率变异性的频域分析是从另一角度，即频谱分析的角度来分析心率变化的规律。它与时域分析既有相关性，又能揭示出心率的更复杂的变化规律。频域分析方法是将一段比较平稳的RR间期或瞬时心率变异信号（通常大于256个心跳点）进行快速傅立叶变换（FFT）或自回归参数模型法（AR）运算后，得到以频率（Hz）为横坐标，功率谱密度为纵坐标的功率谱图进行分析。

心率变异性的非线性（混沌）分析-RR间期散点图

RR间期散点图又称洛伦兹散点图（Lorenz Plot）或称宠加来散点图（Poincare Plot），它是反映相邻RR间期的变化。

Poincare散点图的形状直接反映了瞬时心率变化曲线的特征，以正常的慧星状散点图为例，散点大都集中在图中45度角的直线附近。这说明正常人相邻的窦性心搏的RR间期大致是相等的，而围绕45度线散开，说明正常人存在有窦性心律不齐。在心率缓慢时（对应RR间期较长，即散点图的上部）窦性心律不齐增大，而散点图的下端（对应心率快时）散点图比较窄，说明在心率加快时，窦性心律不齐减小，这些结论与临床现象符合。

以鱼雷状的散点图为例，其在45度线方向的长度短，而且在垂直于45度线方向的宽度也窄。这说明呈现鱼雷状的散点图时，无论是24小时内的平均心率变化，还是瞬时心率的快速变化都小，也就是心率变异性低。

估算其他指标

心脏年龄
该算法使用用户的实际身体年龄作为基础，并且根据用户的心脏参数值（如心率和心率变异性）与来自人口研究的数据相比，计算出“心脏年龄”的数值。

心脏活力度
心脏活力度是对人体心率变异率的综合分析。心率变异性与心脏健康息息相关。许多大规模临床研究一致发现，随着年龄增加，心率变异率逐步下降。缺乏运动或吸烟也会导致心率变异率下降。而当心率变异率很低时，心脏病发作的危险性随之增加。
通过合理运动及健康的生活方式保持心脏处于年轻健康的状态。
进一步可以通过比较用户与人群数据比较，计算用户与何种年龄的人群心率变异率相当。当心率变异率低时，算法提示用户低心率变异率会与高心脏病发作风险有关。
建议用户在每天的不同状态下进行测量。例如，用户可以在起床后，饭后，运动结束后，及睡觉之前进行测量，以取得综合指针和更加完善的数据分析。

情绪指数
情绪算法基于在一段时间内分析用户的心电图测量，测量周期至少为30秒，最好需一分钟，1小时以上最佳。每个人的心率和心率变异性都由人的自主神经系统（ANS）的交感神经和副交感神经组合控制。该算法测量高频心率变异性与低频心率变异性之间的关系。高频心率变异性与ANS的副交感神经活动有关，而低频心率变异性与交感神经活动有关。一些研究人员将副交感神经活动与放松和紧张的交感神经活动联系起来。
该算法返回“情绪”级别，范围是从1到100，高值倾向于指示有压力或疲劳或“紧张/兴奋”情绪，低值倾向于指示处于放松/平静状态。

压力指数
压力指数即通过心电信号中包含的心率以及心率变异率与身体压力的相关性得出当前所承受得身体压力值。大量的科学研究总结出，心电信号中包含的心率及心率变异率信息与身体压力直接相关。进一步的研究还表明，身体压力程度也体现在心率变异率中的高低频分量中。
压力指数算法正是在这些科学发现的基础之上研发出的，并通过不同年龄段、不同性别的人群，进行长期、大量的追踪研究，使用学术界普遍使用的标准试验进行了严谨的验证。
压力指数算法可以监测和追踪当前压力（精确压力）和长期压力（压力趋势）。

HRV心率变异性
算法以1到100的数值表示使用者的HRV心率变异健康状态指数。低数值代表平静放松的状态，高数值代表处于兴奋或紧张的状态。系统可以建议用户尽量保持高数值状态，远离亚健康。
我们的心跳由自主神经系统控制。自主神经系统是全身器官的控制中心，掌管新陈代谢，呼吸，心血管，消化，荷尔蒙，以及免疫系统等的工作。自主神经系统的两大分支包括交感神经（兴奋）和副交感神经（放松）系统。交感神经受到恐惧，压力，咖啡，或其它使人兴奋的因素刺激而活跃，使得我们心跳加速，血压升高，胃肠蠕动减慢，以调动全身的能量应付紧张的活动。副交感神经系统的作用与交感神经相反，它通过减慢心跳，降低血压等方式来节省身体的能量消耗，同时促进消化腺分泌和免疫系统的活动。交感神经系统的长期兴奋会抑制人的免疫功能，导致亚健康状态甚至疾病的出现。而副交感神经系统有助于身体的休息及恢复。

算法

1. 滤波去基线算法
   计算基线飘移值，去除心电图波形中基线飘移。
2. QRS波算法
   QRS波群的检查，RR间期和实时心率计算。
3. 房颤分析
   检测每次房颤发生的起点、终点和持续时间。
4. HRV分析算法
   时域分析，SDNN\SDSD\RMSSD\PNN50等；频域分析，高频、低频和超频等。
5. R波分类算法
   正常、室早、室上早、长间歇、逸搏和RonT。
6. 联律类型分析
   单发室早、成对室早、室性二联律、室上性三联律、停搏、房颤、心律不齐、心动过速和心动过缓。

相关标准

1)、YY0885-2013要求的AHA、MIT、NST、CU标准数据库指标;
2)、IEC60601-2-47要求的AHA、MIT、NST、CU、ESC标准数据库指标