心電數據處理與去噪

1、燕山大學課程設計說明書題目心電數據處理與去噪學院（系）:電氣工程學院年級專業(yè)：11級儀表一班學 號：學生姓名：指導教師：謝平杜義浩教師職稱：教授講師燕山大學課程設計（論文）任務書院（系）：電氣工程學院基層教學單位：自動化儀表系學號110103020029學生姓名張釗專業(yè)（班級）儀表1班設計題目心電信號的分析及降噪設 計 技 術 參 數工頻干擾：50HZ左右心電信號頻率范圍：0.05-100 Hz心電信號的主要頻分布：0.2535HZ用Mat lab對心電信號進行分析設計要求利用Matlab軟件對心電信號進行時域分析和頻域分析，并對信號進行濾波處理 其中涉及的參數根據需要自主選擇工 作 量1，時

2、域分析2，頻域分析3，小波濾波4，50HZ濾波工作計劃第1-2天 根據任務書及設計題目的要求查閱相關資料文獻，確定總體設計思路第3-4天 具體的分析設計題目，理解原理同時尋求相關的實現算法第5-8天編寫程序代碼，并上機進行調試第9-10天整理方法和結果，撰寫課程設計報告書，進行答辯參考資 料1信號處理原理及應用謝平林洪彬王娜編著機械工業(yè)出版社Matlab通信仿真與應用劉敏魏玲編著國防工業(yè)出版社基于Matlab7.x的系統(tǒng)分析與設計樓順天等編著西安電子科技大學基于聲卡和MATLAB的語音信號采集和處理陳宇鋒著中國現代教育裝備數字信號處理孫洪等譯電子工業(yè)出版社指導教師簽字基層教學單位主任簽字說明：

3、此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。2014年 7月 5日 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 摘要2第1章設計目的、意義31.1設計目的3 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 1.2設計內容3第2章 心電信號的頻域處理方法及其分析方法42.1小波分析分析4 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 2.2 50hz工頻濾波分析10 HYPERLINK l bookmark80 o Current Documen

4、t 第3章GUI界面可視化14 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 學習心得15 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 參考文獻15燕山大學數字信號處理課程設計摘要信號處理的基本概念和分析方法已應用于許多不同領域和學科中，尤其 是數字計算機的出現和大規(guī)模集成技術的高度發(fā)展，有力地推動了數字信號 處理技術的發(fā)展和應用。心臟周圍的組織和體液都能導電，因此可將人體看成為一 個具有長、寬、厚三度空間的容積導體。心臟好比電源，無數心肌細胞動作電位變化的 總和可以傳導并反映到體表。在體表很多點之間存在著電位差，也

5、有很多點彼此之間無 電位差是等電的。心臟在每個心動周期中，由起搏點、心房、心室相繼興奮，伴隨著生 物電的變化，這些生物電的變化稱為心電它屬于隨機信號的一種，用數字信號處理的方法和Matlab軟件對其進行 分析后，可以得到許多有用的信息，對于診斷疾病有非常重要的參考價值。關鍵字：信號處理 心電信號 Matlab燕山大學數字信號處理課程設計第一章設計目的、意義設計目的進行改革，增大學生的自主選擇權，讓學生發(fā)展自己的興趣，塑造自己 未來的研究發(fā)展方向。課程設計的主要目的：（1）培養(yǎng)學生文獻檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻資 料。（2）培養(yǎng)靈活運用所學的電力電子技術知識和創(chuàng)造性

6、的思維方式以及創(chuàng)造能 力。（3）培養(yǎng)學生綜合分析問題、發(fā)現問題和解決問題的能力。（4）培養(yǎng)學生用maltab處理圖像與數據的能力。設計內容2.1設計要求：要求設計出心電數據處理的處理與分析程序。（1）處理對象：心電數據；（2）內容：心電數據仿真，心電數據處理（仿真數據，真實數據）；（3）結果：得到處理結果。2.2設計內容：（1）心電數據仿真；（2）心電數據處理；（3）分析處理結果。（4）可視化界面設計2.3實驗原理2.3.1心電產生原理我們常說的心電圖一般指體表心電圖，反映了心臟電興奮在心臟傳導系 統(tǒng)中產生和傳導的過程。正常人體的每一個心動周期中，各部分興奮過程中燕山大學數字信號處理課程設計

7、出現的電變化的方向、途徑、次序和時問都有一定的規(guī)律，這種生物電變化 通過心臟周圍的導電組織和體液，反映到身體表面，使身體各部位在每一心 動周期中也出現有規(guī)律的電變化。在人體不同部位放置電極，并通過電聯(lián)線 與心電圖機的正負極相連，在心電圖機上便可以記錄到周期變化的心電圖。 心電圖是通過二次投影形成的。整體心肌細胞的除極和復極所產生的每一瞬 l日J的除極、復極綜合向量軌跡，在立體心臟的三維空日J內按時問順 序將其頂端相連，便構成立體心向量環(huán)。立體心向量環(huán)在額面和橫面的投影， 形成平面的心向量環(huán)；將平面向量環(huán)在導聯(lián)軸上進行二次投影，就形成相應 的心電圖。對于標準的12導聯(lián)來說，額面心向量環(huán)在肢體導聯(lián)

8、上的投影，形 成I、II、Ill、avR、avL、avF導聯(lián)心電圖，而橫面心向量環(huán)在胸導聯(lián)軸上 的投影便形成了 V1V6導聯(lián)心電圖m。不同導聯(lián)記錄到的心電圖，在波形上 有所不同，但基本上都包括一個P波，一個QRS波和一個T波，有時候在T 波后還出現一個小u波。第二章 心電信號的時域處理及其分析方法小波分析理論傳統(tǒng)的信號分析建立在傅里葉變換基礎之上，它運用數學言將信號表示為 一組正弦函數或余弦函數之和并把信號分解眾多的頻率成分，這些頻率又可 以重構原來的信號，而且這種變換能量不變，因此她把它在信號處理領域長 期處于統(tǒng)治地位。但它是一種純頻域的分析方法，反映信號在整個時間軸上 的頻域特性，并且只適

9、合時不變信號，對于非平穩(wěn)信號有局限性。在實際工程應用中，通常所分析的信號具有非線性，非平穩(wěn)，并且奇異點 較多的特點。含噪的一維信號模型可表示為：s。)二 /()+ b* e()t = 0,1, , n _1為噪聲標其中，f(t)為真實信號，s(t)為含噪信號，e(t)為噪聲， 準偏差。1.2小波去噪理論有用信號通常表現為低頻信號或是相對比較平穩(wěn)而噪聲信號通?，F為 高頻信號。利用小波對含噪的原始信號分解后，含噪部分主要集中在高頻 小波系數中，并且，包含有用信號的小波系數幅值較大，但數目少；而噪聲 對應的小波系數幅值小，數目較多?；谏鲜鎏攸c，可以應用門限閾值法對小波系數進行處理。（即對較小的小波

10、系數置為0,較大的保留或削弱）， 然后對信號重構即可達到消噪的目的。小波分解的結構示意圖小波分解系數示意圖1磷信號C 項 10J8J：1 叮項口 141 1E0： WD 2C0：0.1C 2CO 皿 迎 EO3 1O3C 1 亞111.3小波變換去噪的流程示意圖1.4小波去噪matlab程序clear;close all;a=load(D:DocumentsDesktopECGECG_A.txt);data=a(1:200,3);figure,plot(data);xlabel(時間(s);ylabel(被測變量y);title(原始信號(時域)；% mallet_wavelet.m% 此函數

11、用于研究Mallet算法及濾波器設計%此函數僅用于消噪a=pi/8;%角度賦初值b=pi/8;%低通重構FIR濾波器h0(n)沖激響應賦值h0=cos(a)*cos(b);h1=sin(a)*cos(b);h2=-sin(a)*sin(b);h3=cos(a)*sin(b);low_construct=h0,h1,h2,h3;L_fre=4;%濾波器長度low_decompose=low_construct(end:-1:1);%確定 h0(-n)，低通分解濾波器for i_high=1:L_fre;% 確定 h1(n)=(-1)An,高通重建濾波器if(mod(i_high,2)=0);co

12、efficient=-1;elsecoefficient=1;endhigh_construct(1,i_high)=low_decompose(1,i_high)*coefficient;endhigh_decompose=high_construct(end:-1:1); %高通分解濾波器 h1(-n)L_signal=100;%信號長度n=1:L_signal;%信號賦值f=10;a=load(D:DocumentsDesktopECGECG_A.txt);data=a(1:200,3);figure,plot(data);xlabel(時間(s);ylabel(被測變量y);title

13、(原始信號(時域)；figure(1);plot(data);title(原信號);check1=sum(high_decompose);%h0(n )性質校驗check2=sum(low_decompose);check3=norm(high_decompose);check4=norm(low_decompose);l_fre=conv(data,low_decompose); % 卷積l_fre_down=dyaddown(l_fre);% 抽取，得低頻細節(jié)h_fre=conv(data,high_decompose);h_fre_down=dyaddown(h_fre);% 信號高頻細

14、節(jié)figure(2);subplot(2,1,1)plot(l_fre_down);title(小波分解的低頻系數);subplot(2,1,2);plot(h_fre_down);title(小波分解的高頻系數);1.5小波分析結果崢始信號（時域）小波分解的低頻系數小波分解的高頻系數崎|曰50hz 工頻濾波分析陷波器也稱帶阻濾波器(窄帶阻濾波器)，它能在保證其他頻率的信號 不損失的情況下，有效的抑制輸入信號中某一頻率信息。所以當電路中需要 濾除存在的某一特定頻率的干擾信號時，就經常用到陷波器。在我國采用的是50hz頻率的交流電，所以在平時需要對信號進行采集處理和 分析時，常會存在50hz的工

15、頻干擾，對我們的信號處理造成很大干擾，因此 50Hz陷波器在日常成產生活中被廣泛應用，其技術已基本成熟。工頻陷波器不僅在通信領域里被大量應用，還在自動控制、雷達、聲納、人 造衛(wèi)星、儀器儀表測量及計算機技術等領域有著廣泛的應用2.1心電信號噪聲分析心電信號由于受到人體諸多因素的影響，因而有著一般信號所沒有的特點. ：信號弱，心電信號是體表的電生理信號，一般比較微弱，幅度在10pV5mV， 頻率為0.05100Hz。例如從母體腹部收取到的胎兒心電信號僅10/zV50 / IV。噪聲強，由于人體自身信號弱，加之人體又是一個復雜的系統(tǒng)，因此信號 容易受到噪聲干擾。隨機性強，心電信號不僅是隨機的，而且是

16、非平穩(wěn)的。同時，在心電圖檢 測過程中極易受到各種噪聲源的干擾，從而使圖像質量變差，使均勻和連續(xù) 變化的心電數值產生突變，在心電圖上形成一些毛刺。使原本很微弱的信號 很難和噪聲進行分解。可能出現的噪聲有如下的種類：工頻干擾工頻干擾是由電力系統(tǒng)和人體的分布電容引起的，其頻率包括50Hz(MIT-BIH 數據庫數據工頻因為是美國標準，所以是60Hz)的基波及其各次諧波，其幅值 成分在ECG峰一峰值的050%范圍內變化。引起基線漂移的干擾燕山大學數字信號處理課程設計 心電信號有時候會出現信號基線起伏不平的現象，造成這樣的現象有很多原 因，主要的有：呼吸運動人體呼吸時胸腔內器官和組織會發(fā)生一定程度的變化

17、，會對在體 表記錄到的心電圖波形的幅度和形態(tài)有所影響，表現為基線隨呼吸產生周期 性或非周期性漂移，從而導致心電波形的幅度隨呼氣和吸氣而分別上抬和下 移。呼吸運動是引起心電基線漂移的主要原因。運動偽跡運動偽跡是由于人體輕微運動造成電極與入體的接觸電阻發(fā)生變 化而引入的一種干擾，它的產生原因僅僅是接觸電阻的變化，而不是接觸的 斷續(xù)。這種干擾同樣導致信號基線的變化，但不是基線的躍變。信號記錄 和處理中電子設備引起的干擾這種干擾對信號影響很大，嚴重時可完全淹沒 心電信號或使得基線劇烈漂移，其中導聯(lián)開路和放大器的熱移是主要因素。 這種干擾往往無法通過心電分析算法來校正。由于心電波形已經完全畸變， 此時對

18、這些數據分析已無太大意義。所以一般跳過此段數據。高頻噪聲心電信號中的高頻噪聲主要是肌電噪聲。肌肉收縮會產生mV級的肌電干擾， 表現為心電圖上不規(guī)則的細小波紋，使心電圖模糊不清或產生失真。肌電噪 聲的特點是頻率范圍較廣，頻譜分布非常復雜。2.2 50HZ陷波器matlab程序生成一個ideal_lp.m文件function hd=ideal_lp(wc,M)alpha=(M-1)/2;n=0:M-1;m=n-alpha+eps;%eps為很小的數，避免被0除hd二sin(wc*m)./(pi*m);%用Sinc函數產生沖擊響應 將 ideal_lp.m 文件放在 matlabwork 里燕山大學

19、數字信號處理課程設計 ECG=load(ECG.txt);a=length(ECG);t=1/(a):1/(a):1;y=ECG(:,1);plot(t,y);%其中，具有線性相位的FIR低通濾波器由如下函數實現：%理想低通濾波器%截止角頻率wc，階數M% 50Hz工頻干擾陷波器%50Hz陷波器：由一個低通濾波器加上一個高通濾波器組成%而高通濾波器由一個全通濾波器減去一個低通濾波器構成M=800;%濾波器階數L=800;%窗口長度beta=8;%衰減系數Fs=400;wc1=51/(Fs/2)*pi;%wc1為高通濾波器截止頻率，對應51Hzwc2=49/(Fs/2)*pi;%wc2為低通濾波

20、器截止頻率，對應49Hzh=ideal_lp(pi,M)-ideal_lp(wc1,M)+ideal_lp(wc2,M); %h 為陷波器沖擊響應w=kaiser(L,beta);b=h.*rot90(w);%b為50Hz陷波器沖擊響應序列x=filter(b,1,y);%濾除50Hz工頻干擾的心電信號 plot(t,x);title（含噪心電信號）;xlabel(t);ylabel(x);8 6 4 o o onl一 里-0.220804060頻率伯衛(wèi)100第三章GUI界面可視化GUI界面:出穹曲詛日回株A學習心得經過接近兩周的努力，順利的完成了課設內容。這是一個磨練意志的過程。 從課題的選

21、擇開始，matlab軟件的熟悉過程，信號的拾取部分，線性插值部分， 及信號的處理分析部分，到最后形成一個比較簡單的前面板，這其中經歷了很 多困難，但更重要的是在這個過程中我得到了很大的鍛煉。一方面通過matlab 對信號的處理分析，是我對以前所學的數字信號處理、信號與線性系統(tǒng)分析知 識得到綜合認識與運用；另一方面用matlab軟件編程、轉換成一維的WORD中進 行編輯時，讓我對計算機軟件有更進一步的認識與理解。當然，這是一個需要 不斷的嘗試，不斷的校核，不斷的修改，最后完成一個合理的設計的過程。需 要的是細心和耐心。在很大程度上培養(yǎng)了我拼搏的工作精神。使我受益匪淺， 更加明確了自己專業(yè)的方向。如何有效和快速的找到資料也是課設給我的啟發(fā)， 利用好圖書館和網絡，是資源得到最好的利用。文件檢索能力是這次課設最大 的提高。與他人交流思想是取得成功的