一、HRV的一些醫學概念

HRV（HeartRateVariability,中文為心率變異度），在醫學上有重要的意義。心臟除了本身的節律性放電引發的跳動之外，也受到自律神經系統所調控。過去二十年已有不少文獻顯示自律神經系統的調控與心血管疾病相關的死亡率有顯著的關係，例如心因性垂死、高血壓、出血性休克、敗血性休克等。心率變異分析亦被發現可作為預測發生心肌梗塞後的死亡率的指標及預測末期肝癌病患的預後。

HRV的週期頻率一般被分為三部分，通過時頻域變換可以得到VLF、LF、HF分別對應超低頻（<0.04Hz)、低頻段（0.04-0.15Hz）、高頻段（0.15-0.4Hz），每個頻段的功率（或者說幅度）都代表了不同的生理資訊，利用離散傅立葉變換將心跳間隔的時間序列轉換為頻域，以功率頻譜密度（Power

spectral density）或是頻譜分佈(Spectral

distribution)的方式表現。一般心率變異訊號的頻譜分析使用200至500連續心跳間期穩定記錄表現，因此記錄需要數分鐘的時間。

一般的心跳間期頻譜頻率出現在1赫茲以下，在0到0.4赫茲的範圍內可找到數個波峰。主要為高頻區(0.15-0.40赫茲)及低頻區(0.04-0.15赫茲)。高頻區通常反映副交感神經的活性，低頻區同時受到交感與副交感神經系統的調控。在這裡摘錄維基百科的一個表格，請看附錄！

二、訊號分析

時域分析 (Time domain)

通常利用連續量測到的心電圖波形，直接計算與分析其相連心跳間時間序列的關係，例如：

SDNN (Standard Deviation of Normal to

Normal)，全部正常心跳間距之標準差，單位為毫秒。

SDANN (Standard deviation of the averages of NN intervals in

all 5-minute segments of the entire

recording)，全程依五分鐘分成連續的時段，先計算每五分鐘心跳間期的標準差，再計算標準差的平均值，單位為毫秒。

NN50 count (Number of pairs of adjacent NN intervals differing

by more than 50 ms in the entire

recording)，心電圖中所有每對相鄰正常心跳時間間隔，差距超過50毫秒的數目。

pNN50 (NN50 count divided by the total number of all NN

intervals)，NN50數目除以量測之心電圖中所有的正常心跳間隔總數。

頻域分析 (Frequency domain)

HRV代表了心動週期的變化，所以我們首先要求出每個變化著的週期的具體值，一般方法是找到每個週期識別點，比如過零點、最大最小極值點以及一些能夠容易檢測到的點，在ecg訊號中我們一般採用RR點之間的時間作為對應的週期，所以第一步是檢測ecg訊號的R點；第二步就是要計算出每個週期值，也就是RR點之間的時間值，這個在matlab中很好實現；因為HRV週期是隨時間變化的函式，而且一般對應的週期點數有限，說以在fft之前進行插值計算是必要的，第三步，插值法；最後一步進行fft變換，得到HRV的頻譜圖，剩下的分析就交給醫生了。

三、Matlab程式實現

按照上面所說的四個步驟，下面的程式分為四段，有詳細的說明，請讀者自行閱讀。

close all;

clear;

load ekg.mat; %讀入ecg訊號

[map,r,delay]=pan_tompkin(ecg,fs,0);% 利用pan_tomkin演算法找到R點

[a,l]=size(r);

for i=2:l;

t(i-1)=r(i)-r(i-1); %求出R-R間的時間值，即使HRV

end

x=r(2:19);

y=interp1(x,t,r(2):1:r(19),'spline'); %利用插值法求出以原ecg訊號的取樣率fs的擬合函式

plot(y);hold on,

scatter(r(2:19)-r(2),t(1:18));

N=length(y);

N1=20;%確定頻率軸的範圍 每一單元為fs/N=0.06Hz

AF=fft(y);

AF=abs(AF);%求出傅立葉變換後的幅頻特性

f=(0:N1-1)*fs/N;

figure,plot(f,AF(1:N1));%這一步是對fft的頻率軸進行一定的變化，但是不會影響到fft的具體資訊，只是為了方

%便顯示而已，具體的fft使用請參看上篇關於fft的介紹。

四、Matlab結果截圖

通過pin_tomkin演算法過程中產生的相應圖片

通過'spline'逐段3次樣條插值得到的函式曲線，圓心點為實際的週期點

最終的HRV的幅頻圖

五、簡單的分析說明

本例的ecg訊號來源於MIT的生理訊號庫，但是忘記了該訊號屬於哪一類，有什麼對應生理特徵，在這裡作者知識想表達處理的過程。由fft圖知：該ecg的HRV主要處於<0.1Hz的範圍類，代表交感與副交感神經活性，應該是一個正常人的eck訊號。

六、附錄

心律變異度頻域分析測量指標、定義及臨床意義

指標單位定義頻譜範圍臨床意義

總功率

total power, TPms2全部正常心跳間期之變異數高頻、低頻、極低頻的總和≤0.4Hz整體心律變異度評估

極低頻範圍功率

very low frequency power, VLFPms2極低頻範圍正常心跳間期之變異≤0.04Hz生理意義不明

低頻範圍功率

low frequency power, LFPms2低頻範圍正常心跳間期之變異數0.04-0.15Hz代表交感與副交感神經活性

高頻範圍功率

high frequency power, HFPms2高頻範圍正常心跳間期之變異數0.15-0.4Hz代表副交感神經活性

標準化低頻功率

normalized LFP, nLFP標準化單位,n.u.LF/(TP-VLF)交感神經活性

定量指標

標準化高頻功率

normalized HFP,nHFP標準化單位,n.u.HF/(TP－VLF)副交感神經活

性定量指標

低、高頻功率的比值

LF/HF無單位低、高頻功率的比值代表自律神經

活性平衡

作者：秋實華 連結：https://www.jianshu.com/p/e1261c63530f 來源：簡書 簡書著作權歸作者所有，任何形式的轉載都請聯絡作者獲得授權並註明出處。