心電數(shù)據(jù)處理與去噪

1、燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書題目心電數(shù)據(jù)處理與去噪學(xué)院（系）:電氣工程學(xué)院年級(jí)專業(yè)：11級(jí)儀表一班學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：謝平杜義浩教師職稱：教授講師燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書院（系）：電氣工程學(xué)院基層教學(xué)單位：自動(dòng)化儀表系學(xué)號(hào)110103020029學(xué)生姓名張釗專業(yè)（班級(jí)）儀表1班設(shè)計(jì)題目心電信號(hào)的分析及降噪設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù)工頻干擾：50HZ左右心電信號(hào)頻率范圍：0.05-100 Hz心電信號(hào)的主要頻分布：0.2535HZ用Mat lab對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)要求利用Matlab軟件對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理 其中涉及的參數(shù)根據(jù)需要自主選擇工 作 量1，時(shí)

2、域分析2，頻域分析3，小波濾波4，50HZ濾波工作計(jì)劃第1-2天 根據(jù)任務(wù)書及設(shè)計(jì)題目的要求查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)，確定總體設(shè)計(jì)思路第3-4天 具體的分析設(shè)計(jì)題目，理解原理同時(shí)尋求相關(guān)的實(shí)現(xiàn)算法第5-8天編寫程序代碼，并上機(jī)進(jìn)行調(diào)試第9-10天整理方法和結(jié)果，撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告書，進(jìn)行答辯參考資 料1信號(hào)處理原理及應(yīng)用謝平林洪彬王娜編著機(jī)械工業(yè)出版社Matlab通信仿真與應(yīng)用劉敏魏玲編著國(guó)防工業(yè)出版社基于Matlab7.x的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)樓順天等編著西安電子科技大學(xué)基于聲卡和MATLAB的語音信號(hào)采集和處理陳宇鋒著中國(guó)現(xiàn)代教育裝備數(shù)字信號(hào)處理孫洪等譯電子工業(yè)出版社指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說明：

3、此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)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(shè)計(jì)目的、意義31.1設(shè)計(jì)目的3 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容3第2章 心電信號(hào)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(xué)習(xí)心得15 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 參考文獻(xiàn)15燕山大學(xué)數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)摘要信號(hào)處理的基本概念和分析方法已應(yīng)用于許多不同領(lǐng)域和學(xué)科中，尤其 是數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和大規(guī)模集成技術(shù)的高度發(fā)展，有力地推動(dòng)了數(shù)字信號(hào) 處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。心臟周圍的組織和體液都能導(dǎo)電，因此可將人體看成為一 個(gè)具有長(zhǎng)、寬、厚三度空間的容積導(dǎo)體。心臟好比電源，無數(shù)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位變化的 總和可以傳導(dǎo)并反映到體表。在體表很多點(diǎn)之間存在著電位差，也

5、有很多點(diǎn)彼此之間無 電位差是等電的。心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)、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(jī)信號(hào)的一種，用數(shù)字信號(hào)處理的方法和Matlab軟件對(duì)其進(jìn)行 分析后，可以得到許多有用的信息，對(duì)于診斷疾病有非常重要的參考價(jià)值。關(guān)鍵字：信號(hào)處理 心電信號(hào) Matlab燕山大學(xué)數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)第一章設(shè)計(jì)目的、意義設(shè)計(jì)目的進(jìn)行改革，增大學(xué)生的自主選擇權(quán)，讓學(xué)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(shè)計(jì)的主要目的：（1）培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻(xiàn)資 料。（2）培養(yǎng)靈活運(yùn)用所學(xué)的電力電子技術(shù)知識(shí)和創(chuàng)造性

6、的思維方式以及創(chuàng)造能 力。（3）培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。（4）培養(yǎng)學(xué)生用maltab處理圖像與數(shù)據(jù)的能力。設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1設(shè)計(jì)要求：要求設(shè)計(jì)出心電數(shù)據(jù)處理的處理與分析程序。（1）處理對(duì)象：心電數(shù)據(jù)；（2）內(nèi)容：心電數(shù)據(jù)仿真，心電數(shù)據(jù)處理（仿真數(shù)據(jù)，真實(shí)數(shù)據(jù)）；（3）結(jié)果：得到處理結(jié)果。2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容：（1）心電數(shù)據(jù)仿真；（2）心電數(shù)據(jù)處理；（3）分析處理結(jié)果。（4）可視化界面設(shè)計(jì)2.3實(shí)驗(yàn)原理2.3.1心電產(chǎn)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(dǎo)系 統(tǒng)中產(chǎn)生和傳導(dǎo)的過程。正常人體的每一個(gè)心動(dòng)周期中，各部分興奮過程中燕山大學(xué)數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)

7、出現(xiàn)的電變化的方向、途徑、次序和時(shí)問都有一定的規(guī)律，這種生物電變化 通過心臟周圍的導(dǎo)電組織和體液，反映到身體表面，使身體各部位在每一心 動(dòng)周期中也出現(xiàn)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(jī)的正負(fù)極相連，在心電圖機(jī)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(xì)胞的除極和復(fù)極所產(chǎn)生的每一瞬 l日J(rèn)的除極、復(fù)極綜合向量軌跡，在立體心臟的三維空日J(rèn)內(nèi)按時(shí)問順 序?qū)⑵漤敹讼噙B，便構(gòu)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(dǎo)聯(lián)軸上進(jìn)行二次投影，就形成相應(yīng) 的心電圖。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的12導(dǎo)聯(lián)來說，額面心向量環(huán)在肢體導(dǎo)聯(lián)

8、上的投影，形 成I、II、Ill、avR、avL、avF導(dǎo)聯(lián)心電圖，而橫面心向量環(huán)在胸導(dǎo)聯(lián)軸上 的投影便形成了 V1V6導(dǎo)聯(lián)心電圖m。不同導(dǎo)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(gè)P波，一個(gè)QRS波和一個(gè)T波，有時(shí)候在T 波后還出現(xiàn)一個(gè)小u波。第二章 心電信號(hào)的時(shí)域處理及其分析方法小波分析理論傳統(tǒng)的信號(hào)分析建立在傅里葉變換基礎(chǔ)之上，它運(yùn)用數(shù)學(xué)言將信號(hào)表示為 一組正弦函數(shù)或余弦函數(shù)之和并把信號(hào)分解眾多的頻率成分，這些頻率又可 以重構(gòu)原來的信號(hào)，而且這種變換能量不變，因此她把它在信號(hào)處理領(lǐng)域長(zhǎng) 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(hào)在整個(gè)時(shí)間軸上 的頻域特性，并且只適

9、合時(shí)不變信號(hào)，對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)有局限性。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常所分析的信號(hào)具有非線性，非平穩(wěn)，并且奇異點(diǎn) 較多的特點(diǎn)。含噪的一維信號(hào)模型可表示為：s。)二 /()+ b* e()t = 0,1, , n _1為噪聲標(biāo)其中，f(t)為真實(shí)信號(hào)，s(t)為含噪信號(hào)，e(t)為噪聲， 準(zhǔn)偏差。1.2小波去噪理論有用信號(hào)通常表現(xiàn)為低頻信號(hào)或是相對(duì)比較平穩(wěn)而噪聲信號(hào)通?，F(xiàn)為 高頻信號(hào)。利用小波對(duì)含噪的原始信號(hào)分解后，含噪部分主要集中在高頻 小波系數(shù)中，并且，包含有用信號(hào)的小波系數(shù)幅值較大，但數(shù)目少；而噪聲 對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)幅值小，數(shù)目較多?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，可以應(yīng)用門限閾值法對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行處理。（即對(duì)較小的小波

10、系數(shù)置為0,較大的保留或削弱）， 然后對(duì)信號(hào)重構(gòu)即可達(dá)到消噪的目的。小波分解的結(jié)構(gòu)示意圖小波分解系數(shù)示意圖1磷信號(hào)C 項(xiàng) 10J8J：1 叮項(xiàng)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(shí)間(s);ylabel(被測(cè)變量y);title(原始信號(hào)(時(shí)域)；% mallet_wavelet.m% 此函數(shù)

11、用于研究Mallet算法及濾波器設(shè)計(jì)%此函數(shù)僅用于消噪a=pi/8;%角度賦初值b=pi/8;%低通重構(gòu)FIR濾波器h0(n)沖激響應(yīng)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(zhǎng)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(hào)長(zhǎng)度n=1:L_signal;%信號(hào)賦值f=10;a=load(D:DocumentsDesktopECGECG_A.txt);data=a(1:200,3);figure,plot(data);xlabel(時(shí)間(s);ylabel(被測(cè)變量y);title

13、(原始信號(hào)(時(shí)域)；figure(1);plot(data);title(原信號(hào));check1=sum(high_decompose);%h0(n )性質(zhì)校驗(yàn)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(xì)節(jié)h_fre=conv(data,high_decompose);h_fre_down=dyaddown(h_fre);% 信號(hào)高頻細(xì)

14、節(jié)figure(2);subplot(2,1,1)plot(l_fre_down);title(小波分解的低頻系數(shù));subplot(2,1,2);plot(h_fre_down);title(小波分解的高頻系數(shù));1.5小波分析結(jié)果崢始信號(hào)（時(shí)域）小波分解的低頻系數(shù)小波分解的高頻系數(shù)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(hào) 不損失的情況下，有效的抑制輸入信號(hào)中某一頻率信息。所以當(dāng)電路中需要 濾除存在的某一特定頻率的干擾信號(hào)時(shí)，就經(jīng)常用到陷波器。在我國(guó)采用的是50hz頻率的交流電，所以在平時(shí)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集處理和 分析時(shí)，常會(huì)存在50hz的工

15、頻干擾，對(duì)我們的信號(hào)處理造成很大干擾，因此 50Hz陷波器在日常成產(chǎn)生活中被廣泛應(yīng)用，其技術(shù)已基本成熟。工頻陷波器不僅在通信領(lǐng)域里被大量應(yīng)用，還在自動(dòng)控制、雷達(dá)、聲納、人 造衛(wèi)星、儀器儀表測(cè)量及計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用2.1心電信號(hào)噪聲分析心電信號(hào)由于受到人體諸多因素的影響，因而有著一般信號(hào)所沒有的特點(diǎn). ：信號(hào)弱，心電信號(hào)是體表的電生理信號(hào)，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(hào)僅10/zV50 / IV。噪聲強(qiáng)，由于人體自身信號(hào)弱，加之人體又是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，因此信號(hào) 容易受到噪聲干擾。隨機(jī)性強(qiáng)，心電信號(hào)不僅是隨機(jī)的，而且是

16、非平穩(wěn)的。同時(shí)，在心電圖檢 測(cè)過程中極易受到各種噪聲源的干擾，從而使圖像質(zhì)量變差，使均勻和連續(xù) 變化的心電數(shù)值產(chǎn)生突變，在心電圖上形成一些毛刺。使原本很微弱的信號(hào) 很難和噪聲進(jìn)行分解?？赡艹霈F(xiàn)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(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)工頻因?yàn)槭敲绹?guó)標(biāo)準(zhǔn)，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(nèi)變化。引起基線漂移的干擾燕山大學(xué)數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì) 心電信號(hào)有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)信號(hào)基線起伏不平的現(xiàn)象，造成這樣的現(xiàn)象有很多原 因，主要的有：呼吸運(yùn)動(dòng)人體呼吸時(shí)胸腔內(nèi)器官和組織會(huì)發(fā)生一定程度的變化

17、，會(huì)對(duì)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(xiàn)為基線隨呼吸產(chǎn)生周期 性或非周期性漂移，從而導(dǎo)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(yùn)動(dòng)是引起心電基線漂移的主要原因。運(yùn)動(dòng)偽跡運(yùn)動(dòng)偽跡是由于人體輕微運(yùn)動(dòng)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(chǎn)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(dǎo)致信號(hào)基線的變化，但不是基線的躍變。信號(hào)記錄 和處理中電子設(shè)備引起的干擾這種干擾對(duì)信號(hào)影響很大，嚴(yán)重時(shí)可完全淹沒 心電信號(hào)或使得基線劇烈漂移，其中導(dǎo)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(jīng)完全畸變， 此時(shí)對(duì)

18、這些數(shù)據(jù)分析已無太大意義。所以一般跳過此段數(shù)據(jù)。高頻噪聲心電信號(hào)中的高頻噪聲主要是肌電噪聲。肌肉收縮會(huì)產(chǎn)生mV級(jí)的肌電干擾， 表現(xiàn)為心電圖上不規(guī)則的細(xì)小波紋，使心電圖模糊不清或產(chǎn)生失真。肌電噪 聲的特點(diǎn)是頻率范圍較廣，頻譜分布非常復(fù)雜。2.2 50HZ陷波器matlab程序生成一個(gè)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(shù)，避免被0除hd二sin(wc*m)./(pi*m);%用Sinc函數(shù)產(chǎn)生沖擊響應(yīng) 將 ideal_lp.m 文件放在 matlabwork 里燕山大學(xué)

19、數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì) 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(shù)實(shí)現(xiàn)：%理想低通濾波器%截止角頻率wc，階數(shù)M% 50Hz工頻干擾陷波器%50Hz陷波器：由一個(gè)低通濾波器加上一個(gè)高通濾波器組成%而高通濾波器由一個(gè)全通濾波器減去一個(gè)低通濾波器構(gòu)成M=800;%濾波器階數(shù)L=800;%窗口長(zhǎng)度beta=8;%衰減系數(shù)Fs=400;wc1=51/(Fs/2)*pi;%wc1為高通濾波器截止頻率，對(duì)應(yīng)51Hzwc2=49/(Fs/2)*pi;%wc2為低通濾波

20、器截止頻率，對(duì)應(yīng)49Hzh=ideal_lp(pi,M)-ideal_lp(wc1,M)+ideal_lp(wc2,M); %h 為陷波器沖擊響應(yīng)w=kaiser(L,beta);b=h.*rot90(w);%b為50Hz陷波器沖擊響應(yīng)序列x=filter(b,1,y);%濾除50Hz工頻干擾的心電信號(hào) plot(t,x);title（含噪心電信號(hào)）;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(xué)習(xí)心得經(jīng)過接近兩周的努力，順利的完成了課設(shè)內(nèi)容。這是一個(gè)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(hào)的拾取部分，線性插值部分， 及信號(hào)的處理分析部分，到最后形成一個(gè)比較簡(jiǎn)單的前面板，這其中經(jīng)歷了很 多困難，但更重要的是在這個(gè)過程中我得到了很大的鍛煉。一方面通過matlab 對(duì)信號(hào)的處理分析，是我對(duì)以前所學(xué)的數(shù)字信號(hào)處理、信號(hào)與線性系統(tǒng)分析知 識(shí)得到綜合認(rèn)識(shí)與運(yùn)用；另一方面用matlab軟件編程、轉(zhuǎn)換成一維的WORD中進(jìn) 行編輯時(shí)，讓我對(duì)計(jì)算機(jī)軟件有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)與理解。當(dāng)然，這是一個(gè)需要 不斷的嘗試，不斷的校核，不斷的修改，最后完成一個(gè)合理的設(shè)計(jì)的過程。需 要的是細(xì)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(shè)給我的啟發(fā)， 利用好圖書館和網(wǎng)絡(luò)，是資源得到最好的利用。文件檢索能力是這次課設(shè)最大 的提高。與他人交流思想是取得成功的