摘 要

心率变异性（Heart Rate Variability, HRV）是指连续心跳间隔的微小涨落或逐拍心跳之间的微小差异，是指连续正常P-P间期变化的变异性。它是反映自主神经系统活性的指标之一，并且可以定量评估心脏交感神经与迷走神经张力及其平衡性。心率变异性蕴含大量有关心血管调节的信息，可能是预测心血管疾病的重要指标之一。

本论文拟实现一个心率变异性分析与比较研究系统。系统的设计主要分为两大部分，第一部分是从国际上的主流心电数据库中得到所需心率信号，第二部分是设计并实现一个心率变异性分析方法与比较的系统。本文主要研究内容如下：

1、从国际上的主流心电数据库PhysioBank心电数据库中得到所需的心电信号，借助MATLAB软件与WFDB工具箱从PhysioBank数据库中下载数据并编程读取数据，根据要求分别提取了一组正常心率变异性信号和一组充血性心力衰竭心率变异性信号，通过心率变异性分析与比较系统将两组信号进行对比。

2、心率变异性分析方法主要有线性分析和非线性分析，将充血性心力衰竭心率变异性信号与正常窦性心率信号进行对比。线性分析主要可以分为时域分析和频域分析，分别进行10分钟短程分析和12小时长程分析。非线性分析方法主要是Poincare散点图分析。利用MATLAB对心率信号提取R-R间期，绘制R-R间期图、频谱图和散点图并计算相关指标。

3、将心率变异性的时域分析、频域分析和Poincare散点图分析三种分析方法进行综合，建立一个心率变异性分析比较与研究系统。

关键词：心率变异性；ECG Database；时域分析；频域分析；Poincare散点图分析

Abstract

Heart rate variability (HRV) refers to tiny fluctuations successive heartbeat intervals or by small differences in shoot between heartbeats, precisely it refers to a continuous normal P-P interval change variability. It reflects autonomic nervous system activity and quantitative evaluate the tension and balance of cardiac sympathetic and vagus nerve, Heart rate variability contains a lot of information about cardiovascular regulation, and HRV may be an important predictor of cardiovascular disease.

This paper intends to achieve a heart rate variability analysis and comparative research systems. The design of the system are divided into two parts, the first part is to get the desired heart rate signal from the mainstream of the international database of ECG, the second part is to design and implement a heart rate variability analysis and comparison of systems. The main contents are as follows:

1. From the international PhysioBank ECG database to get the desired ECG signal ,with the help of MATLAB software and the WFDB toolkit download data from the PhysioBank databases and programming read data, according to the request, a group of normal heart rate variability signals and a group of heart rate variability signals were extracted, and the two groups were compared through the analysis of the heart rate variability and the comparison system.

2. Heart Rate Variability analysis methods are mainly linear analysis and nonlinear analysis, the congestive heart failure heart rate variability signals were compared with normal heart rate variability signals. The linear analysis including time domain analysis and frequency domain analysis, and 10-minutes short-term analysis and 12 hours long-term analysis were performed. The nonlinear analysis method is mainly Poincare scatter plot analysis. Using MATLAB to extract RR interval of heart rate signal, programming to draw the image and calculating related indicators.

3. Three kinds of analysis methods of time domain analysis, frequency domain analysis and Poincare scatter plot analysis are combined to establish a heart rate variability analysis comparison and research system.

Key words: Heart Rate Variability(HRV); ECG Database; Time-domain Analysis; Frequency-domain Analysis; Poincare Plot

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 心率变异性的国内外研究现状 2

1.2.1心率变异性国外的研究现状 2

1.2.2心率变异性国内的研究现状 2

1.3 本文的主要研究内容及组织结构 2

第2章 心电信号数据库简介与心电信号的获取 4

2.1 心电数据库PhysioNet 4

2.2 PhysioBank 4

2.2.1 PhysioBank数据库分类 5

2.2.2 PhysioBank数据格式 5

2.2.3 MIT-BIH心电数据库 6

2.3 心电信号的获取 7

2.3.1 WFDB工具箱 7

2.3.2 数据及软件下载 7

2.3.3 心电信号的读取 8

2.3.4 R-R间期信号的获取 8

2.4 本章小结 9

第3章 心率变异性分析方法比较研究 10

3.1 线性分析 10

3.1.1 时域分析 10

3.1.2 频域分析 12

3.2 非线性分析 14

3.2.1 Poincare散点图分析法 14

3.2.2 Poincare散点图形状 14

3.3 心率变异性比较研究与分析实现 15

3.3.1 时域分析结果实现 16

3.3.2 频域分析结果实现 19

3.3.3 Poincare散点图分析实现 21

3.4 本章小结 22

第4章 心率变异性分析方法比较研究系统设计与实现 23

4.1 MATLAB GUI 23

4.2 心率变异性分析系统界面设计 23

4.3 心率变异性分析系统实现 24

4.4 本章小结 26

第5章 总结与展望 27

5.1 总结 27

5.2 展望 28

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪论

心血管疾病是全球的头号死因，每年死于心血管疾病的人数是最多的。心血管疾病是威胁人类疾病的主要疾病，而心电信号是诊断心血管疾病的主要依据，它可以对各种心律失常、心肌梗死等疾病进行检查。

心电信号是人们最早研究并且应用于医学临床的生物信号之一。与其他生物电信号相比较，心电信号有较为直观的规律性，并且更易于检测。近年来，随着信号处理技术的不断发展，心率变异性（Heart Rate Variability，HRV）作为检测自主神经张力及二者平衡变化的一项无创技术^[1]，已经成为新的研究热点。

1.1 引言

心率变异性是指逐次窦性心搏间心动周期的微小变异，是判断自主神经功能的一组常用定量指标。心脏心率变异性（HRV）描述了连续的心跳的变化，被称为R-R间期之间的差异^[2]。HRV是通过测量连续正常的QRS波群同期之间的变化，即连续R-R间期的变化，从而反映心率的变化。由于反映窦性心率的心率周期其实是P-P间期，因此，实际上HRV应测量的是连续出现的P-P间期的变化，但是因为P波没有R波尖锐，目前P-P间期难以准确测量，并且在一般情况下，P-P间期与R-R间期相等^[3]。因此，实际分析时就以R-R间期代替P-P间期。可见HRV反映的心率变化与通常所用的以时间为单位的平均心率不同，它的大小并不反映心率本身的快慢。

心率变化反映的是交感神经和迷走神经的相互协调维持心脏的正常活动，窦房结按照一定的节律搏动，自主神经系统按日常生理活动调节心血管的功能，使心率不断变化，其中交感神经是心率快速变化，而迷失神经使心率缓慢变化，如果交感神经和迷走神经出现失调，会导致心血管系统功能出现紊乱，从而引发各种心血管疾病和心率失常。心率变异性的降低会导致自主神经功能障碍，因此会对心血管系统造成影响^[4]。大量研究表明，HRV的降低可以作为心肌梗死、高血压、心绞痛等心血管疾病及糖尿病等其他疾病的不良预后因素，但通过运动训练等方式可以提高HRV，这对心血管疾病的预后有改善的作用。心率变异性的降低会导致自主神经功能障碍，因此会对心血管系统造成影响。