MATLAB心电信号的QRS波检测与分析

1、燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：基于 matlab 的心电信号 QRS 波检测与分析学院（系）： 电气工程学院年级专业： 09 医疗仪器学号： 学生姓名： 指导教师： 孟辉赵勇教师职称： 讲师讲师- 2 -燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：生物医学工程系学 号学 生 姓名专业（班级）09 医疗仪器设计题目基于 matlab 的心电信号 QRS 波检测与分析设计 技 术 参 数阈值=0.6 相对幅值的差 采样点数 N=256 采样频率 f=100 Hz设计 要 求能够准确的提取与分析 QRS 波 绘制图表来说明检测结果工 作 量学会使用 matlab 软件

2、 了解人体生理信号的特征 对心电信号有个初步的认识与掌握搜集一组正常人体心电信号数据，编写 matlab 程序，并对它进行分 析与检测根据设计结果写出报告工 作 计 划1.查资料，确认题目2.编写任务书及审定3.编写程序及调试4.编写说明书5.完成任务书及设计要求参 考 资 料1 周辉 数字信号处理基础及 Matlab 实现 中国林业出版社 20052 肖伟 刘忠Matlab 程序设计与应用清华大学出版社20053 钱同惠编著数字信号处理.北京：机械工业出版社，2004指导教师签 字孟辉赵勇基层教学单位主任 签字徐永红说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份2012 年 1

3、2 月 10 日燕山大学课程设计说明书目录一、MATLAB 软件介绍2二、概述3三、ECG 特征参数及分析43.1 心电信号的特点43.2 心电信号的特征参数4四、QRS 波得检测与分析54.1 以软件为主的方法实现 QRS 波的检测54.2 QRS 波检测方法与程序5五、心得体会14六、参考文献14- 14 -一、MATLAB 软件介绍MATLAB 是矩阵实验室的简称，是美国 MathWorks 公司出品的商业数 学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计 算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。MATLAB 是由美国 MathWo

4、rks 公司发布的主要面对科学计算、可视化 以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数 据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于 使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众 多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互 式程序设计语言（如 C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软 件的先进水平。MATLAB 和 Mathematica、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科 技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制 函数和数据、实现算法、创建用户

5、界面、连接其他编程语言的程序等，主要 应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融 建模设计与分析等领域。MATLAB 的基本数据单元是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常 用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解决问题要比用 C，FORTRAN 等语言 完成相同的事情简捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等软件的优点。 在新的版本中也加入了对 C，FORTRAN，C+，JAVA 的支持。可以直接调 用，用户也可以将自己编写的使用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以 后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直 接进

6、行下载就可以用。二、概述2.1 ECG 处理的意义生物医学信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，它是由复杂的生命体 发出的不稳定的自然信号。作为一种对判断人体生命状况极其重要的生理信 号，处理心电信号就显得很有必要，尤其在临床诊断上的应用。应用计算机分析心电信号，已经越来越广泛的用于心脏功能检查(Holter 系统)、心电监护等方面，而心电分析中的首要的关键问题是 QRS 波的检测可 靠的检测不仅是诊断心律失常的重要依据，而且只有在 QRS 波确定之后，有 可能计算心率并进行心率变异分析，才能检测 ST 段的参数和分析心电的其它 细节信息。进行全面综合分析，才能对心脏的功能结构做出正确的判断。在

7、临床上，分析心电信号，可以确诊心肌梗塞及急性冠状动脉供血不足， 协助诊断慢性冠脉供血不足、心肌炎、心肌病及心包炎，判定有无心房、心 室肥大，从而协助某些心脏病的病因学诊断，例如风湿性、肺源性、高血压 性和先天性心脏病等，观察某些药物对心肌的影响，包括治疗心血管疾病的 药物（如洋地黄、抗心律失常药物）及可能对心肌有损害的药物。此外，对 某些电解质紊乱（如血钾、血钙的过高或过低），心电信号不仅有助于诊断， 还可以对指导治疗有重要参考价值。本文主要介绍心电信号的预处理和 QRS 复波检测的方法及演示结果。三、 ECG 特征参数及分析3.1 心电信号的特点心电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，它是由

8、复杂的生命体发出 的不稳定的自然信号，由于受到人体诸多因素的影响，因而有着一般信号所 没有的特点。信号弱。例如从母体腹部取到的胎儿心电信号仅为 10v,成人的心电信 号范围也仅为 5mv.噪声强。由于人体自身信号弱，加之人体又是一个复杂的整体，因此信 号易受噪声的干扰。如胎儿心电混有很强噪声，它一方面来自肌电、工频等 干扰，另一方面，在胎儿心电中不可避免地含有母亲心电，母亲心电相对我 们要提取的胎儿心电则变成了噪声。随机性强。心电信号信号不但是随机的，而且是非平稳的。正是因为生 物医学信号的这些特点，使得心电信号处理成为当代信号处理技术最可发挥 其威力的一个重要领域。3.2 心电信号的特征参数

9、图 2.1如图 2.1 为完整的心电信号波形图，分别由 P 波、PR 段、PR 间期、QRS 复合波、ST 段、T 波和 U 波组成。本文将重点讲诉 QRS 波。并且对它进行相关分析。QRS 复波。代表两个心室兴奋传播过程的电位变化。由窦房结发生的兴 奋波经传导系统首先到达室间隔的左侧面，以后按一定路线和方向，并由内 层向外层依次传播。随着心室各部位先后去极化形成多个瞬间综合心电向量， 在额面的导联轴上的投影，便是心电图肢体导联的 QRS 复合波。典型的 QRS 复合波包括三个相连的波动。第一个向下的波为 Q 波，继 Q 波后一个狭高向 上的波为 R 波，与 R 波相连接的又一个向下的波为 S

10、 波。由于这三个波紧密 相连且总时间不超过 0.10 秒，故合称 QRS 复合波。QRS 复合波所占时间代表 心室肌兴奋传播所需时间，正常人在 0.060.10 秒之间四、 QRS 波得检测与分析4.1 以软件为主的方法实现 QRS 波的检测以软件为主的方法实现 QRS 波的检测滤波之后的信号一般经过一些 变换以提高 QRS 波的份量，进而采用一系列阈值进行判别，这些阈值有固定 阈值法，也有可变阈值法。前者由于可能的干扰或高 P、高 T 波的存在，若 其滤波后超过其阈值便会产生假阳性(FP，falsepositive)结果；另外，当心 律失常或 QRS 波幅度变小，阈值设置过高，会导致漏检产生

11、假阴性(FN， falsenegative)结果。由于固定阈值的这些缺点，有研究者提出了用可变阈 值检测，以提高检测的精确率，所采用的可变阈值包括幅度阈值、斜率阈值 和时间间隔阈值等。4.2 QRS 波检测方法与程序Q 波和 S 波通常是低幅高频波，一般 Q 波位于 S 波之前，S 波位于 R 波之后 ，由于他们是一般向下的波，所以他们的峰值点和极值是对应的。因 次在检测到 R 波向左和向右分别搜寻到极值点，对应的就是 Q 波和 S 波。具体程序如下： clear all; clc;z=textread(ECG.txt); ECG=z(:,1); input=ECG(1:256); rate=

12、ECG(100);sig=input; lensig=length(sig); wtsig1=cwt(sig,6,mexh); lenwtsig1=length(wtsig1); wtsig1(1:20)=0;wtsig1(lenwtsig1-20:lenwtsig1)=0; y=wtsig1;yabs=abs(y);%?sigtemp=y; siglen=length(y); sigmax=;for i=1:siglen-2if (y(i+1)y(i)&y(i+1)y(i+2)|(y(i+1)y(i)&y(i+1)thr rvalue=rvalue;sigmax(i,2);end; end;

13、rvalue_1=rvalue;%排除误检，如果相邻两个极大值间距小于 0.4，则去掉幅度较小的一个 lenvalue=length(rvalue);i=2;while i=lenvalueif (rvalue(i)-rvalue(i-1)*rateyabs(rvalue(i-1) rvalue(i-1)=;elservalue(i)=; end;end;lenvalue=length(rvalue); i=i-1;end; i=i+1;lenvalue=length(rvalue);%在原信号上精确校准 for i=1:lenvalueif (wtsig1(rvalue(i)0) k=(rv

14、alue(i)-5):(rvalue(i)+5);a,b=max(sig(k); rvalue(i)=rvalue(i)-6+b;elsek=(rvalue(i)-5):(rvalue(i)+5);a,b=min(sig(k); rvalue(i)=rvalue(i)-6+b;end; end;%打印纠正及校准前后的 R 波信号 figure(2);subplot(2,1,1),plot(1:lensig,wtsig1,rvalue_1,wtsig1(rvalue_1),r.);subplot(2,1,2),plot(1:lensig,sig,rvalue,sig(rvalue),r.);%检

15、测 Q 波 wtsig2=cwt(sig,8,mexh); lenrvalue=length(rvalue);qvalue=;for i=1:lenrvaluefor j=rvalue(i):-1:(rvalue(i)-30) if wtsig1(rvalue(i)0if wtsig2(j)wtsig2(j-1)&wtsig2(j)wtsig2(j-1)&wtsig2(j)wtsig2(j+1) tempqvalue=j-10;%确定检测窗的起点break;%倒置 R 波，取第一个正极大值 end;end; end;x1=tempqvalue; y1=sig(tempqvalue); x2=r

16、value(i); y2=sig(rvalue(i); a0=(y2-y1)/(x2-x1); b0=-1;c0=-a0*x1+y1;%求直线公式参数 ax+by+c=0 dist=;for k=tempqvalue:rvalue(i) tempdist=(abs(a0*k+b0*sig(k)+c0)/sqrt(a02+b02); dist=dist;tempdist;end;%求点到直线距离a,b=max(dist);%找到距离最大值，Q 波就在 附近tempqvalue=tempqvalue+b-1;%l=(tempqvalue-5):rvalue(i);%c,d=min(sig(l);%

17、tempqvalue=tempqvalue-6+d;%在最大值附近修正 Q 波， 得到结果qvalue=qvalue;tempqvalue; end;%检测 S 波 svalue=;for i=1:lenrvalue-1for j=rvalue(i):1:(rvalue(i)+100) if wtsig1(rvalue(i)0if (wtsig2(j)wtsig2(j-1)&(wtsig2(j)wtsig2(j-1)&(wtsig2(j)wtsig2(j+1) tempsvalue=j+10;%在小波变换域从 R 波开始向后寻找第一个极大值break; end;end;end; x1=temp

18、svalue;y1=sig(tempsvalue); x2=rvalue(i); y2=sig(rvalue(i); a0=(y2-y1)/(x2-x1); b0=-1;c0=-a0*x1+y1;%求直线公式参数 ax+by+c=0 dist=;for k=rvalue(i):tempsvalue tempdist=(abs(a0*k+b0*sig(k)+c0)/sqrt(a02+b02); dist=dist;tempdist;end;%求点到直线距离a,b=max(dist);%找到距离最大值，S 波就在附近tempsvalue=rvalue(i)+b-1;%l=rvalue(i):(te

19、mpsvalue+10);%c,d=min(sig(l);%tempsvalue=rvalue(i)+d-1;%在最大值附近修正 S 波，得到结果svalue=svalue;tempsvalue; end;%检测 QRS 起点 start=;for i=1:lenrvaluefor j=qvalue(i):-1:(qvalue(i)-100) if wtsig1(j)0start=start;j; break;end; end;end;%打印 Q,S 波信号 qrvalue=qvalue;rvalue; qrvalue=sort(qrvalue); qrsvalue=qvalue;rvalue;svalue;start; qrsvalue=sort(qrsvalue);figure(3); subplot(2,1,1),plot(1:lensig,sig,qrvalue,sig(qrvalue),r.); subplot(2,1,2),plot(1:lensig,sig,qrsvalue,sig(qrsvalue),r.);运行结果图如下：原信号及变换信号纠正及校准前后的 R 波信号Q,S 波信号五、心得体会回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得 是苦多于