MATLAB心電信號(hào)的QRS波檢測與分析

1、燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書題目：基于 matlab 的心電信號(hào) QRS 波檢測與分析學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院年級(jí)專業(yè)： 09 醫(yī)療儀器學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 孟輝趙勇教師職稱： 講師講師- 2 -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：生物醫(yī)學(xué)工程系學(xué) 號(hào)學(xué) 生 姓名專業(yè)（班級(jí)）09 醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)題目基于 matlab 的心電信號(hào) QRS 波檢測與分析設(shè)計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù)閾值=0.6 相對(duì)幅值的差 采樣點(diǎn)數(shù) N=256 采樣頻率 f=100 Hz設(shè)計(jì) 要 求能夠準(zhǔn)確的提取與分析 QRS 波 繪制圖表來說明檢測結(jié)果工 作 量學(xué)會(huì)使用 matlab 軟件

2、 了解人體生理信號(hào)的特征 對(duì)心電信號(hào)有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)與掌握搜集一組正常人體心電信號(hào)數(shù)據(jù)，編寫 matlab 程序，并對(duì)它進(jìn)行分 析與檢測根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果寫出報(bào)告工 作 計(jì) 劃1.查資料，確認(rèn)題目2.編寫任務(wù)書及審定3.編寫程序及調(diào)試4.編寫說明書5.完成任務(wù)書及設(shè)計(jì)要求參 考 資 料1 周輝 數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)及 Matlab 實(shí)現(xiàn) 中國林業(yè)出版社 20052 肖偉 劉忠Matlab 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用清華大學(xué)出版社20053 錢同惠編著數(shù)字信號(hào)處理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004指導(dǎo)教師簽 字孟輝趙勇基層教學(xué)單位主任 簽字徐永紅說明：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2012 年 1

3、2 月 10 日燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書目錄一、MATLAB 軟件介紹2二、概述3三、ECG 特征參數(shù)及分析43.1 心電信號(hào)的特點(diǎn)43.2 心電信號(hào)的特征參數(shù)4四、QRS 波得檢測與分析54.1 以軟件為主的方法實(shí)現(xiàn) QRS 波的檢測54.2 QRS 波檢測方法與程序5五、心得體會(huì)14六、參考文獻(xiàn)14- 14 -一、MATLAB 軟件介紹MATLAB 是矩陣實(shí)驗(yàn)室的簡稱，是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù) 學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì) 算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。MATLAB 是由美國 MathWo

4、rks 公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化 以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù) 據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于 使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾 多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互 式程序設(shè)計(jì)語言（如 C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟 件的先進(jìn)水平。MATLAB 和 Mathematica、Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科 技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制 函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶

5、界面、連接其他編程語言的程序等，主要 應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測、金融 建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單元是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常 用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解決問題要比用 C，F(xiàn)ORTRAN 等語言 完成相同的事情簡捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點(diǎn)。 在新的版本中也加入了對(duì) C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA 的支持?？梢灾苯诱{(diào) 用，用戶也可以將自己編寫的使用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以 后調(diào)用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直 接進(jìn)

6、行下載就可以用。二、概述2.1 ECG 處理的意義生物醫(yī)學(xué)信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，它是由復(fù)雜的生命體 發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號(hào)。作為一種對(duì)判斷人體生命狀況極其重要的生理信 號(hào)，處理心電信號(hào)就顯得很有必要，尤其在臨床診斷上的應(yīng)用。應(yīng)用計(jì)算機(jī)分析心電信號(hào)，已經(jīng)越來越廣泛的用于心臟功能檢查(Holter 系統(tǒng))、心電監(jiān)護(hù)等方面，而心電分析中的首要的關(guān)鍵問題是 QRS 波的檢測可 靠的檢測不僅是診斷心律失常的重要依據(jù)，而且只有在 QRS 波確定之后，有 可能計(jì)算心率并進(jìn)行心率變異分析，才能檢測 ST 段的參數(shù)和分析心電的其它 細(xì)節(jié)信息。進(jìn)行全面綜合分析，才能對(duì)心臟的功能結(jié)構(gòu)做出正確的判斷。在

7、臨床上，分析心電信號(hào)，可以確診心肌梗塞及急性冠狀動(dòng)脈供血不足， 協(xié)助診斷慢性冠脈供血不足、心肌炎、心肌病及心包炎，判定有無心房、心 室肥大，從而協(xié)助某些心臟病的病因?qū)W診斷，例如風(fēng)濕性、肺源性、高血壓 性和先天性心臟病等，觀察某些藥物對(duì)心肌的影響，包括治療心血管疾病的 藥物（如洋地黃、抗心律失常藥物）及可能對(duì)心肌有損害的藥物。此外，對(duì) 某些電解質(zhì)紊亂（如血鉀、血鈣的過高或過低），心電信號(hào)不僅有助于診斷， 還可以對(duì)指導(dǎo)治療有重要參考價(jià)值。本文主要介紹心電信號(hào)的預(yù)處理和 QRS 復(fù)波檢測的方法及演示結(jié)果。三、 ECG 特征參數(shù)及分析3.1 心電信號(hào)的特點(diǎn)心電信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，它是由

8、復(fù)雜的生命體發(fā)出 的不穩(wěn)定的自然信號(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。例如從母體腹部取到的胎兒心電信號(hào)僅為 10v,成人的心電信 號(hào)范圍也僅為 5mv.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)雜的整體，因此信 號(hào)易受噪聲的干擾。如胎兒心電混有很強(qiáng)噪聲，它一方面來自肌電、工頻等 干擾，另一方面，在胎兒心電中不可避免地含有母親心電，母親心電相對(duì)我 們要提取的胎兒心電則變成了噪聲。隨機(jī)性強(qiáng)。心電信號(hào)信號(hào)不但是隨機(jī)的，而且是非平穩(wěn)的。正是因?yàn)樯?物醫(yī)學(xué)信號(hào)的這些特點(diǎn)，使得心電信號(hào)處理成為當(dāng)代信號(hào)處理技術(shù)最可發(fā)揮 其威力的一個(gè)重要領(lǐng)域。3.2 心電信號(hào)的特征參數(shù)

9、圖 2.1如圖 2.1 為完整的心電信號(hào)波形圖，分別由 P 波、PR 段、PR 間期、QRS 復(fù)合波、ST 段、T 波和 U 波組成。本文將重點(diǎn)講訴 QRS 波。并且對(duì)它進(jìn)行相關(guān)分析。QRS 復(fù)波。代表兩個(gè)心室興奮傳播過程的電位變化。由竇房結(jié)發(fā)生的興 奮波經(jīng)傳導(dǎo)系統(tǒng)首先到達(dá)室間隔的左側(cè)面，以后按一定路線和方向，并由內(nèi) 層向外層依次傳播。隨著心室各部位先后去極化形成多個(gè)瞬間綜合心電向量， 在額面的導(dǎo)聯(lián)軸上的投影，便是心電圖肢體導(dǎo)聯(lián)的 QRS 復(fù)合波。典型的 QRS 復(fù)合波包括三個(gè)相連的波動(dòng)。第一個(gè)向下的波為 Q 波，繼 Q 波后一個(gè)狹高向 上的波為 R 波，與 R 波相連接的又一個(gè)向下的波為 S

10、 波。由于這三個(gè)波緊密 相連且總時(shí)間不超過 0.10 秒，故合稱 QRS 復(fù)合波。QRS 復(fù)合波所占時(shí)間代表 心室肌興奮傳播所需時(shí)間，正常人在 0.060.10 秒之間四、 QRS 波得檢測與分析4.1 以軟件為主的方法實(shí)現(xiàn) QRS 波的檢測以軟件為主的方法實(shí)現(xiàn) QRS 波的檢測濾波之后的信號(hào)一般經(jīng)過一些 變換以提高 QRS 波的份量，進(jìn)而采用一系列閾值進(jìn)行判別，這些閾值有固定 閾值法，也有可變閾值法。前者由于可能的干擾或高 P、高 T 波的存在，若 其濾波后超過其閾值便會(huì)產(chǎn)生假陽性(FP，falsepositive)結(jié)果；另外，當(dāng)心 律失?；?QRS 波幅度變小，閾值設(shè)置過高，會(huì)導(dǎo)致漏檢產(chǎn)生

11、假陰性(FN， falsenegative)結(jié)果。由于固定閾值的這些缺點(diǎn)，有研究者提出了用可變閾 值檢測，以提高檢測的精確率，所采用的可變閾值包括幅度閾值、斜率閾值 和時(shí)間間隔閾值等。4.2 QRS 波檢測方法與程序Q 波和 S 波通常是低幅高頻波，一般 Q 波位于 S 波之前，S 波位于 R 波之后 ，由于他們是一般向下的波，所以他們的峰值點(diǎn)和極值是對(duì)應(yīng)的。因 次在檢測到 R 波向左和向右分別搜尋到極值點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的就是 Q 波和 S 波。具體程序如下： 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;%排除誤檢，如果相鄰兩個(gè)極大值間距小于 0.4，則去掉幅度較小的一個(gè) 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);%在原信號(hào)上精確校準(zhǔn) 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;%打印糾正及校準(zhǔn)前后的 R 波信號(hào) 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.);%檢

15、測 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;%確定檢測窗的起點(diǎn)break;%倒置 R 波，取第一個(gè)正極大值 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;%求直線公式參數(shù) 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;%求點(diǎn)到直線距離a,b=max(dist);%找到距離最大值，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， 得到結(jié)果qvalue=qvalue;tempqvalue; end;%檢測 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;%在小波變換域從 R 波開始向后尋找第一個(gè)極大值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;%求直線公式參數(shù) 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;%求點(diǎn)到直線距離a,b=max(dist);%找到距離最大值，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，得到結(jié)果svalue=svalue;tempsvalue; end;%檢測 QRS 起點(diǎn) 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 波信號(hào) 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.);運(yùn)行結(jié)果圖如下：原信號(hào)及變換信號(hào)糾正及校準(zhǔn)前后的 R 波信號(hào)Q,S 波信號(hào)五、心得體會(huì)回顧起此課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在這段日子里，可以說得 是苦多于