心电数据处理与去噪

1、燕山大学课程设计说明书题目心电数据处理与去噪学院（系）:电气工程学院年级专业：11级仪表一班学 号：学生姓名：指导教师：谢平杜义浩教师职称：教授讲师燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：自动化仪表系学号110103020029学生姓名张钊专业（班级）仪表1班设计题目心电信号的分析及降噪设 计 技 术 参 数工频干扰：50HZ左右心电信号频率范围：0.05-100 Hz心电信号的主要频分布：0.2535HZ用Mat lab对心电信号进行分析设计要求利用Matlab软件对心电信号进行时域分析和频域分析，并对信号进行滤波处理 其中涉及的参数根据需要自主选择工 作 量1，时

2、域分析2，频域分析3，小波滤波4，50HZ滤波工作计划第1-2天 根据任务书及设计题目的要求查阅相关资料文献，确定总体设计思路第3-4天 具体的分析设计题目，理解原理同时寻求相关的实现算法第5-8天编写程序代码，并上机进行调试第9-10天整理方法和结果，撰写课程设计报告书，进行答辩参考资 料1信号处理原理及应用谢平林洪彬王娜编著机械工业出版社Matlab通信仿真与应用刘敏魏玲编著国防工业出版社基于Matlab7.x的系统分析与设计楼顺天等编著西安电子科技大学基于声卡和MATLAB的语音信号采集和处理陈宇锋著中国现代教育装备数字信号处理孙洪等译电子工业出版社指导教师签字基层教学单位主任签字说明：

3、此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、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章设计目的、意义31.1设计目的3 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 1.2设计内容3第2章 心电信号的频域处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工频滤波分析10 HYPERLINK l bookmark80 o Current Documen

4、t 第3章GUI界面可视化14 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 学习心得15 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 参考文献15燕山大学数字信号处理课程设计摘要信号处理的基本概念和分析方法已应用于许多不同领域和学科中，尤其 是数字计算机的出现和大规模集成技术的高度发展，有力地推动了数字信号 处理技术的发展和应用。心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一 个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的 总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差，也

5、有很多点彼此之间无 电位差是等电的。心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着生 物电的变化，这些生物电的变化称为心电它属于随机信号的一种，用数字信号处理的方法和Matlab软件对其进行 分析后，可以得到许多有用的信息，对于诊断疾病有非常重要的参考价值。关键字：信号处理 心电信号 Matlab燕山大学数字信号处理课程设计第一章设计目的、意义设计目的进行改革，增大学生的自主选择权，让学生发展自己的兴趣，塑造自己 未来的研究发展方向。课程设计的主要目的：（1）培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资 料。（2）培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性

6、的思维方式以及创造能 力。（3）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。（4）培养学生用maltab处理图像与数据的能力。设计内容2.1设计要求：要求设计出心电数据处理的处理与分析程序。（1）处理对象：心电数据；（2）内容：心电数据仿真，心电数据处理（仿真数据，真实数据）；（3）结果：得到处理结果。2.2设计内容：（1）心电数据仿真；（2）心电数据处理；（3）分析处理结果。（4）可视化界面设计2.3实验原理2.3.1心电产生原理我们常说的心电图一般指体表心电图，反映了心脏电兴奋在心脏传导系 统中产生和传导的过程。正常人体的每一个心动周期中，各部分兴奋过程中燕山大学数字信号处理课程设计

7、出现的电变化的方向、途径、次序和时问都有一定的规律，这种生物电变化 通过心脏周围的导电组织和体液，反映到身体表面，使身体各部位在每一心 动周期中也出现有规律的电变化。在人体不同部位放置电极，并通过电联线 与心电图机的正负极相连，在心电图机上便可以记录到周期变化的心电图。 心电图是通过二次投影形成的。整体心肌细胞的除极和复极所产生的每一瞬 l日J的除极、复极综合向量轨迹，在立体心脏的三维空日J内按时问顺 序将其顶端相连，便构成立体心向量环。立体心向量环在额面和横面的投影， 形成平面的心向量环；将平面向量环在导联轴上进行二次投影，就形成相应 的心电图。对于标准的12导联来说，额面心向量环在肢体导联

8、上的投影，形 成I、II、Ill、avR、avL、avF导联心电图，而横面心向量环在胸导联轴上 的投影便形成了 V1V6导联心电图m。不同导联记录到的心电图，在波形上 有所不同，但基本上都包括一个P波，一个QRS波和一个T波，有时候在T 波后还出现一个小u波。第二章 心电信号的时域处理及其分析方法小波分析理论传统的信号分析建立在傅里叶变换基础之上，它运用数学言将信号表示为 一组正弦函数或余弦函数之和并把信号分解众多的频率成分，这些频率又可 以重构原来的信号，而且这种变换能量不变，因此她把它在信号处理领域长 期处于统治地位。但它是一种纯频域的分析方法，反映信号在整个时间轴上 的频域特性，并且只适

9、合时不变信号，对于非平稳信号有局限性。在实际工程应用中，通常所分析的信号具有非线性，非平稳，并且奇异点 较多的特点。含噪的一维信号模型可表示为：s。)二 /()+ b* e()t = 0,1, , n _1为噪声标其中，f(t)为真实信号，s(t)为含噪信号，e(t)为噪声， 准偏差。1.2小波去噪理论有用信号通常表现为低频信号或是相对比较平稳而噪声信号通常现为 高频信号。利用小波对含噪的原始信号分解后，含噪部分主要集中在高频 小波系数中，并且，包含有用信号的小波系数幅值较大，但数目少；而噪声 对应的小波系数幅值小，数目较多。基于上述特点，可以应用门限阈值法对小波系数进行处理。（即对较小的小波

10、系数置为0,较大的保留或削弱）， 然后对信号重构即可达到消噪的目的。小波分解的结构示意图小波分解系数示意图1磷信号C 项 10J8J：1 叮项口 141 1E0： WD 2C0：0.1C 2CO 皿 迎 EO3 1O3C 1 亚111.3小波变换去噪的流程示意图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(时间(s);ylabel(被测变量y);title(原始信号(时域)；% mallet_wavelet.m% 此函数

11、用于研究Mallet算法及滤波器设计%此函数仅用于消噪a=pi/8;%角度赋初值b=pi/8;%低通重构FIR滤波器h0(n)冲激响应赋值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;%滤波器长度low_decompose=low_construct(end:-1:1);%确定 h0(-n)，低通分解滤波器for i_high=1:L_fre;% 确定 h1(n)=(-1)An,高通重建滤波器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); %高通分解滤波器 h1(-n)L_signal=100;%信号长度n=1:L_signal;%信号赋值f=10;a=load(D:DocumentsDesktopECGECG_A.txt);data=a(1:200,3);figure,plot(data);xlabel(时间(s);ylabel(被测变量y);title

13、(原始信号(时域)；figure(1);plot(data);title(原信号);check1=sum(high_decompose);%h0(n )性质校验check2=sum(low_decompose);check3=norm(high_decompose);check4=norm(low_decompose);l_fre=conv(data,low_decompose); % 卷积l_fre_down=dyaddown(l_fre);% 抽取，得低频细节h_fre=conv(data,high_decompose);h_fre_down=dyaddown(h_fre);% 信号高频细

14、节figure(2);subplot(2,1,1)plot(l_fre_down);title(小波分解的低频系数);subplot(2,1,2);plot(h_fre_down);title(小波分解的高频系数);1.5小波分析结果峥始信号（时域）小波分解的低频系数小波分解的高频系数崎|曰50hz 工频滤波分析陷波器也称带阻滤波器(窄带阻滤波器)，它能在保证其他频率的信号 不损失的情况下，有效的抑制输入信号中某一频率信息。所以当电路中需要 滤除存在的某一特定频率的干扰信号时，就经常用到陷波器。在我国采用的是50hz频率的交流电，所以在平时需要对信号进行采集处理和 分析时，常会存在50hz的工

15、频干扰，对我们的信号处理造成很大干扰，因此 50Hz陷波器在日常成产生活中被广泛应用，其技术已基本成熟。工频陷波器不仅在通信领域里被大量应用，还在自动控制、雷达、声纳、人 造卫星、仪器仪表测量及计算机技术等领域有着广泛的应用2.1心电信号噪声分析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有的特点. ：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0.05100Hz。例如从母体腹部收取到的胎儿心电信号仅10/zV50 / IV。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。随机性强，心电信号不仅是随机的，而且是

16、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：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。引起基线漂移的干扰燕山大学数字信号处理课程设计 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

17、，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

18、这些数据分析已无太大意义。所以一般跳过此段数据。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。2.2 50HZ陷波器matlab程序生成一个ideal_lp.m文件function hd=ideal_lp(wc,M)alpha=(M-1)/2;n=0:M-1;m=n-alpha+eps;%eps为很小的数，避免被0除hd二sin(wc*m)./(pi*m);%用Sinc函数产生冲击响应 将 ideal_lp.m 文件放在 matlabwork 里燕山大学

19、数字信号处理课程设计 ECG=load(ECG.txt);a=length(ECG);t=1/(a):1/(a):1;y=ECG(:,1);plot(t,y);%其中，具有线性相位的FIR低通滤波器由如下函数实现：%理想低通滤波器%截止角频率wc，阶数M% 50Hz工频干扰陷波器%50Hz陷波器：由一个低通滤波器加上一个高通滤波器组成%而高通滤波器由一个全通滤波器减去一个低通滤波器构成M=800;%滤波器阶数L=800;%窗口长度beta=8;%衰减系数Fs=400;wc1=51/(Fs/2)*pi;%wc1为高通滤波器截止频率，对应51Hzwc2=49/(Fs/2)*pi;%wc2为低通滤波

20、器截止频率，对应49Hzh=ideal_lp(pi,M)-ideal_lp(wc1,M)+ideal_lp(wc2,M); %h 为陷波器冲击响应w=kaiser(L,beta);b=h.*rot90(w);%b为50Hz陷波器冲击响应序列x=filter(b,1,y);%滤除50Hz工频干扰的心电信号 plot(t,x);title（含噪心电信号）;xlabel(t);ylabel(x);8 6 4 o o onl一 里-0.220804060频率伯卫100第三章GUI界面可视化GUI界面:出穹曲诅日回株A学习心得经过接近两周的努力，顺利的完成了课设内容。这是一个磨练意志的过程。 从课题的选

21、择开始，matlab软件的熟悉过程，信号的拾取部分，线性插值部分， 及信号的处理分析部分，到最后形成一个比较简单的前面板，这其中经历了很 多困难，但更重要的是在这个过程中我得到了很大的锻炼。一方面通过matlab 对信号的处理分析，是我对以前所学的数字信号处理、信号与线性系统分析知 识得到综合认识与运用；另一方面用matlab软件编程、转换成一维的WORD中进 行编辑时，让我对计算机软件有更进一步的认识与理解。当然，这是一个需要 不断的尝试，不断的校核，不断的修改，最后完成一个合理的设计的过程。需 要的是细心和耐心。在很大程度上培养了我拼搏的工作精神。使我受益匪浅， 更加明确了自己专业的方向。如何有效和快速的找到资料也是课设给我的启发， 利用好图书馆和网络，是资源得到最好的利用。文件检索能力是这次课设最大 的提高。与他人交流思想是取得成功的