基于Matlab的心电信号分析与处理小论文.doc

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1、基于Matlab的心电信号分析与处理摘要： 本课题设计了一个简单的心电信号分析系统。直接采用Matlab语言编程对输入的原始心电信号进行处理，并通过matlab语言编程设计对其进行时域和频域的波形频谱分析，根据具体设计要求完成系统的程序编写、调试及功能测试,得出一定的结论。 (This topic has designed a simple ECG analysis system. Direct use of Matlab programming language original ECG signal input is processed, and its waveform spectrum

2、 analysis of the time domain and frequency domain matlab language programming through design, prepared in accordance with specific design requirements to complete the system of procedures, debugging and functional testing, too a certain conclusion.) 关键字：matlab、心电信号、滤波一、课题目的及意义心电信号是人类最早研究并应用于医学临床的生物信

3、号之一，它比其它生物电信号更易于检测，并且具有较直观的规律性，因而心电图分析技术促进了医学的发展。然而，心电图自动诊断还未广泛应用于临床，从国内外的心电图机检测分析来看，自动分析精度还达不到可以替代医生的水平，仅可以为临床医生提供辅助信息。其主要原因是心电波形的识别不准，并且心电图诊断标准不统一。因此，探索新的方法以提高波形识别的准确率，寻找适合计算机实现又具诊断价值的诊断标准，是改进心电图自动诊断效果，扩大其应用范围的根本途径。如何把心电信号的特征更加精确的提取出来进行自动分析，判断出其异常的类型成了亟待解决的焦点问题。本课题通过matlab语言编程，对原始心电信号进行一定的分析处理。(EC

4、G is the first human study and one biological signal applied to clinical medicine, it is easier to detect than other biological signals, and has a more intuitive regularity, thus ECG analysis technology for the development of medical science.However, ECG automatic diagnosis has not been widely used

5、in clinical, ECG machine detection analysis from home and abroad, the accuracy of the automatic analysis can replace the doctor has not yet reached the level of aid can only provide information to the clinician. The main reason is not allowed to identify the ECG waveform and ECG diagnostic criteria

6、are not uniform. Therefore, to explore new ways to improve the accuracy of waveform recognition, searching for computer-implemented but also with the diagnostic value of the diagnostic criteria, the effect of improving the electrocardiogram automatic diagnosis, the fundamental way to expand its rang

7、e of applications. How to ECG extract more accurate feature automatically analyze, determine the type of exception has become the focal point of their problems to be solved)二、设计思路1根据给定的一段MIT-BIH心电信号，画出心电信号的时域波形和频谱图（幅频和相频）；(According to a given period of MIT-BIH ECG, ECG draw a time-domain waveform a

8、nd spectrum (amplitude and phase frequency);2根据心电信号频率范围及其噪声的频率范围设计2个滤波器（一个IIR，一个FIR）实现对心电信号滤波。滤波器的种类（高通，低通，带通，带阻），滤波器性能指标（通阻带截止频率，衰减系数），滤波器的设计方法（IIR有冲击响应不变法和双线性变换法，FIR有窗函数法及频率抽样法）等自行设计。要求输出所设计的滤波器的系统函数，画出滤波器的频率响应（幅频响应和相频响应）曲线；(Design two filters (a IIR, a FIR) filter to achieve ECG ECG according to

9、the frequency range and noise frequency range. Filter type (high-pass, low pass, band pass, band stop), filter performance indicators (pass stopband cutoff frequency, attenuation coefficient), filter design methods (IIR has impulse response invariance and bilinear transform , FIR with window functio

10、n method and frequency sampling method) own design. System functions required output filter design, draw the filter frequency response (amplitude-frequency response and phase frequency response) curve;)3用该滤波器对心电信号进行滤波，画出滤波以后心电信号的时域波形和频谱（幅频）；分析信号滤波前后心电信号的时域和频域的变化；(With this filter ECG signal filterin

11、g, filtering after the draw ECG waveform and spectrum (amplitude and frequency); changes before and after the time-domain analysis of ECG signal filtering and frequency domain;)4两个滤波器滤波效果异同分析(Similarities and differences between the two filters filtering effect analysis)三、设计过程及分析3.1原始心电信号分析用load函数将原

12、心电信号导入b = load(C:UsersTOSHIBADesktop信号处理102.txt)，并画出心电信号的时域波形和频谱图（幅频和相频），(ECG with a load function will import b = load (C: Users TOSHIBA Desktop Signal processing 102.txt), and draw the ECG waveform and spectrum (amplitude and phase frequency ) (如图1所示:图1 原始心电信号的时域波形图及频谱图心电信号由于受到人体诸多因素的影响，因而有着一般信号所没

13、有的特点：(1)信号弱。心电信号是体表的电生理信号，一般比较微弱，幅度在10pV5mV，频率为005100Hz。例如从母体腹部收取到的胎儿心电信号仅10zV50IV。(2)噪声强。由于人体自身信号弱，加之人体又是一个复杂的系统，因此信号容易受到噪声干扰。(3)随机性强。心电信号不仅是随机的，而且是非平稳的。同时，在心电图检测过程中极易受到各种噪声源的干扰，从而使图像质量变差，使均匀和连续变化的心电数值产生突变，在心电图上形成一些毛刺。使原本很微弱的信号很难和噪声进行分解。可能出现的噪声有如下的种类：1)工频干扰工频干扰是由电力系统和人体的分布电容引起的，其频率包括50Hz(MIT-BIH数据库

14、数据工频因为是美国标准，所以是60Hz)的基波及其各次谐波，其幅值成分在ECG峰一峰值的050范围内变化。2)引起基线漂移的干扰心电信号有时候会出现信号基线起伏不平的现象，造成这样的现象有很多原因，主要的有：呼吸运动人体呼吸时胸腔内器官和组织会发生一定程度的变化，会对在体表记录到的心电图波形的幅度和形态有所影响，表现为基线随呼吸产生周期性或非周期性漂移，从而导致心电波形的幅度随呼气和吸气而分别上抬和下移。呼吸运动是引起心电基线漂移的主要原因。运动伪迹运动伪迹是由于人体轻微运动造成电极与入体的接触电阻发生变化而引入的一种干扰，它的产生原因仅仅是接触电阻的变化，而不是接触的断续。这种干扰同样导致信

15、号基线的变化，但不是基线的跃变。信号记录和处理中电子设备引起的干扰这种干扰对信号影响很大，严重时可完全淹没心电信号或使得基线剧烈漂移，其中导联开路和放大器的热移是主要因素。这种干扰往往无法通过心电分析算法来校正。由于心电波形已经完全畸变，此时对这些数据分析已无太大意义。所以一般跳过此段数据。3)高频噪声心电信号中的高频噪声主要是肌电噪声。肌肉收缩会产生mV级的肌电干扰，表现为心电图上不规则的细小波纹，使心电图模糊不清或产生失真。肌电噪声的特点是频率范围较广，频谱分布非常复杂。3.2 设计滤波器（1）IIR滤波器的设计1）IIR滤波器的设计过程：按照技术要求设计一个模拟滤波器，得到模拟低通滤波器

16、的传输函数H（s），再按一定的转换关系将H(s)转换成数字低通滤波器的系数函数H(z)。这样设计的关键问题就是找到这样的转换关系，将s平面上的H(s)转换成z平面上的H(z)。2）巴特沃斯滤波器分母多项式的因式表示，如表1所示：表1 巴特沃斯滤波器分母多项式的因式表示3）巴特沃斯低通滤波器的阶数公式 N=log10(10(As/10)-1)/(10(Rp/10)-1)/(2*log10(ws/wp)）4）巴特沃斯低通滤波器函数由巴特沃斯低通滤波器的阶数公式和巴特沃斯滤波器分母多项式的因式表示求出归一化巴特沃斯低通滤波器Has (s )N=7则Has(s )=1/(s+1)*(s2+0.4450

17、s+1)*(s2+1.247s+1)*(s2+1.8022s+1)5）巴特沃斯低通滤波器的频域特性，如图2所示：图2 巴特沃斯低通滤波器的相频和幅频特性6）经过巴特沃斯低通滤波器器后心电信号的时域波形和频谱图，(After Butterworth low-pass filter is when the ECG waveform and spectrum domain)如图3所示：图3 经过巴特沃斯低通滤波器器后心电信号的时域波形图和频谱图对比原始信号的时域波形图和频谱图可得通过低通滤波器后的心电信号波形图可以明显看出波形变得平滑，由工频干扰产生的毛刺被低通滤波器成功滤除。(Comparison

18、 of the original signal and the time-domain waveform spectrum can be obtained apparent waveform becomes smooth, the burr frequency interference generated by the success of the low-pass filter to filter out ECG waveform after the low-pass filter.)（2）FIR滤波器的设计1）FIR滤波器的设计过程： 给定理想的频率响应函数 Hd(ejw)及技术指标, w

19、; 求出理想的单位抽样响应hd(n); 根据阻带衰减选择窗函数w(n); 根据过渡带宽度确定N 值N=A/w; 求所设计的FIR滤波器的单位脉冲响应h(n)=hd(n)*w(n); 计算频率响应Hd(ejw),验算指标是否满足要求。2）布拉克曼窗低通滤波器的频域特性，如图4所示： 图4 布拉克曼窗低通滤波器的相频和幅频特性3）经过布拉克曼窗低通滤波器器后心电信号的时域波形和频谱图，(After Blackman window low-pass filter is ECG waveform and spectrum,)如图5所示图5 经过布拉克曼窗低通滤波器器后心电信号的时域波形和频谱图对比原始

20、信号的时域波形图和频谱图可得通过低通滤波器后的心电信号波形图可以明显看出波形变得平滑，由工频干扰产生的毛刺被低通滤波器成功滤除。4、结果分析通过用matlab设计的IIR低通滤波器和FIR低通滤波器对带有噪声的心电信号进行处理和分析，消除了原心电信号中由工频干扰产生的毛刺现象，虽然仍存在一些误差，但基本上达到了预期效果。通过做课程设计熟悉并掌握了相关的matlab操作环境；进一步加深了对滤波器设计相关知识的理解，熟练了滤波器设计的方法和过程。(By IIR and FIR low-pass filter with a low-pass filter design matlab ECG with

21、 noise processing and analysis, eliminating the original ECG frequency interference generated by the workers burr phenomenon, although there are still some errors but basically achieved the expected results. By doing curriculum design and familiar with the relevant operating environment matlab; furt

22、her deepened the understanding of filter design knowledge, skilled filter design methods and processes.巴特沃斯数字低通滤波器：巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种。巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。 在振幅的对数对角频率的波得图上,从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋向负无穷大。 巴特沃斯滤波器的振幅对角频率单调下降，并且也是唯一的无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样

23、的形状的滤波器。只不过滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。其他滤波器高阶的振幅对角频率图和低级数的振幅对角频率有不同的形状。窗函数法：窗函数法是设计FIR滤波器的最主要方法之一，实际中遇到的离散时间信号总是有限长的，因此不可避免的要遇到数据截短的问题，在信号处理中，对离散序列的截短是通过序列与窗函数相乘来实现的。在信号处理中，窗函数是一种除在给定区间之外取值均为0的实函数。譬如：在给定区间内为常数而在区间外为0的窗函数被形象地称为矩形窗。任何函数与窗函数之积仍为窗函数，所以相乘的结果就像透过窗口“看”其他函数一样。窗函数在光谱分析、滤波器设计以及音频数据压缩等方面有广泛的应用。程序流程图

24、：clear all;close all;clc;%时域波形图以及频谱图b=load(C:UsersTOSHIBADesktop信号处理102.txt);t=b(:,1);%时间c=b(:,2);%幅值figure(1);subplot(311);plot(t,c);title(原始心电信号的时域波形图);xlabel(时间t/s);ylabel(幅值/A);n=3600;m=(fft(c,n);fs=360;%采样频率f=fs/n*(0:n-1);%定位坐标subplot(312);plot(f,abs(m);title(原始心电信号的频谱图);xlabel(频率/HZ);ylabel(幅值

25、/db);axis(0,360,0,150);subplot(313);plot(f,angle(m);title(原始心电信号的相频图);xlabel(频率/Hz);ylabel(相角/rad);axis(0,360,-5,5);% 低通IIR滤波器;wp=2*pi*10/fs; %通带数字频率转换成模拟频率ws=2*pi*15/fs; %通带截至数字频率转换成模拟频率rp=2; %通带最大衰减rs=20; %阻带最小衰减N,wc=buttord(wp,ws,rp,rs,s); %确定最小阶数N和频率参数WcBz,Az=butter(N,wc);%得巴特沃斯归一化低通原型H,w=freqz(

26、Bz,Az); %生成频率响应参数f1=w/pi*fs/2; %采样频率转换成模拟采样频率y1=filter(Bz,Az,c);%使用filter函数对信号进行滤波figure(2);subplot(211); plot(f1,angle(H); xlabel(频率/Hz);ylabel(幅度);title(低通滤波器相频特性); subplot(212);plot(f1,abs(H);xlabel(频率/Hz);ylabel(幅度);title(低通滤波器幅频特性); % 低通IIR滤波后图形figure(3);subplot(311);plot(t,y1);title(滤波后时域波形);x

27、label(时间t/s);ylabel(幅值/A);subplot(312);plot(abs(fft(y1);title(滤波后心电信号的频谱图);xlabel(频率/Hz);ylabel(幅值/db);axis(0,360,0,150);subplot(313);plot(angle(fft(y1);axis(0,360,-5,5);title(滤波后心电信号的相频特性);xlabel(频率/Hz);ylabel(相角/rad);%低通FIR滤波器N=50; %定义窗函数的长度wc=0.3;window=blackman(N);%根据N的值产生一个布拉克曼窗windowhn=fir1(N-

28、1,wc,window);%可以指定窗函数向量 window。如果缺省 window参数,则 fir1默认为 hamming窗。y2=filter(hn,1,b(:,2);%使用filter函数对信号进行滤波figure(4);freqz(hn,1);% 低通滤波器滤波后图形figure(5);subplot(311);plot(t,y2);title(滤波后时域波形);xlabel(时间t/s);ylabel(幅值/A);subplot(312);plot(abs(fft(y2);title(滤波后心电信号的频谱图);xlabel(频率/Hz);ylabel(幅值/db);axis(0,36

29、0,0,150);subplot(313);plot(angle(fft(y2);title(滤波后心电信号的相频特性);xlabel(频率/Hz);ylabel(相角/rad);axis(0,360,-5,5);1. 基于单片机和DSP的卷绕控制器数据采集和通讯设计 2. 基于MSP430单片机的柴油发电机监控器的设计 3. 基于CPLD/FPGA和单片机的爆速仪设计 4. 基于单片机控制的晶闸管中频感应电源的研制 5. 基于十六位单片机的电力设备故障在线监测装置的设计与算法研究 6. 基于SPCE061A单片机的语音识别系统的研究 7. 基于PIC单片机的生物机能实验装置的研究 8. 基于

30、Motorola MC68HC08系列单片机演示系统的设计与实现 9. 基于TCP/IP协议的单片机与INTERNET互连的设计与实现 10. 基于嵌入式实时操作系统和TCP/IP协议的单片机测控系统 11. AVR 8位嵌入式单片机在车载全球定位系统显示终端中的应用 12. 基于AVR单片机的250W HID灯电子镇流器的研究 13. 基于单片机的TCP/IP技术研究及应用14. 基于P87C591单片机的CAN总线应用层协议的研究 15. 基于单片机实现对二级倒立摆的控制 16. C8051FXXX系列单片机仿真器的研制 17. 基于80C196MC单片机控制的变频调速及配料控制系统的应用

31、研究 18. 基于单片机的胶印机控制系统开发研究 19. 基于凌阳单片机的二次压降全自动测量仪的研制 20. 基于单片机的超声测距系统 21. 基于MOTOROLA单片机的专用电池组智能充电仪 22. 全站仪动态测量的研究以及其与单片机在轨道式龙门吊实时检测中的应用 23. 一种基于80C196KC单片机的新型电子负载的设计24. 基于单片机的对讲系统的研究开发 25. 基于单片机的微波加热沥青路面再生修复机温度控制器的开发与研究 26. 基于单片机ATmega128的嵌入式工业控制器设计 27. 基于单片机的压电闭环微位移控制系统的研究 28. 基于单片机的高压静电除尘整流设备的自动监控系统

32、设计 29. 采用W78E58单片机的酸碱浓度检测技术30. 基于单片机的粮库温度监控系统设计 31. 基于单片机控制的微型轴流式血泵外磁驱动系统研究 32. 基于AVR单片机的电动自行车控制系统研究 33. 基于PIC单片机的配电网综合参数测控仪研究 34. 全自动包装机的单片机控制研究 35. 基于单片机系统的Java虚拟机研究与设计 36. 基于智能传感器和单片机的温度监测系统 37. 基于DSP和单片机的数据采集与处理系统的设计 38. 基于单片机的在线测试技术的研究 39. 分散式智能测控终端的研制基于单片机的大容量固态存储技术的设计实现 40. 基于单片机的定尺飞锯切割机控制系统设

33、计 41. 基于196单片机的开关磁阻电机调速系统设计 42. 基于EDA技术的兼容MCS-51单片机IP核设计 43. 基于单片机的嵌入式USB主机研究与实现 44. 单片机控制连续固体激光器高频开关电源的研制45. 基于MSP430单片机的微机自动准同期装置 46. 基于MSP430单片机中小型水轮机微机调速器的设计与研制47. 基于单片机的便携式心电监测系统的研究 48. 基于单片机和CAN总线的混凝土搅拌站控制系统设计 49. 基于单片机的全位置自动焊接控制系统的研究 项目论证，项目可行性研究报告，可行性研究报告，项目推广，项目研究报告，项目设计，项目建议书，项目可研报告，本文档支持完

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