基于labview的心電信號分析

1、信號與線性系統(tǒng)課程設計報告課題名稱：基于LABVIEW的心電信號的分析 班級:通信102班 姓名：楊成方 學號：102140 成績： 指導教師：王寶珠 日期：2012.12.30基于LABVIEW的心電信號的分析摘要：心電信號分析系統(tǒng)是讀取心電信號文件，并對其做一定的數(shù)字信號處理，以及進行頻譜分析等。Labview是一種帶有圖形控制流結構的數(shù)據(jù)流模式,程序執(zhí)行是由數(shù)據(jù)驅動，同時也是一種圖形化的編程語言。本設計采用Labview綜合運用其豐富的VI庫來實現(xiàn)心電信號的讀取、線性插值、濾波、譜分析。該課題利用VI庫中索引數(shù)組、數(shù)組子集、字符串-數(shù)值轉換、While循環(huán)、For循環(huán)、chebyshev

2、濾波器等，得到了簡單的讀取、插值、濾波、譜分析等功能，對心電信號做簡單的數(shù)字信號處理。關鍵詞：Labview,心電信號，VI庫，譜分析1課程設計的目的、意義本課題主要研究基于Labview的數(shù)字心電信號初步分析及其各種濾波器的應用。通過完成本課題的設計，了解基于LabVIEW虛擬儀器的特點和使用方法，熟悉并掌握LabVIEW的使用及練習使用其不同的功能，了解人體心電信號的時域特征和頻譜特征，通過對心電信號的濾波處理、頻譜分析，進一步了解數(shù)字信號的分析方法，進一步加深對各種濾波器（巴特沃斯、切比雪夫、反切比雪夫)的理解。此外，通過本課題的設計，培養(yǎng)運用所學知識分析和解決實際問題的能力。心電信號分

3、析是一門比較實用的電子工程的專業(yè)課程。當今社會，心血管疾病是發(fā)病率和死亡率最高、對人類生命威脅最大的疾病。心電信號預處理就是對心電信號的時域特征、頻域特征進行了解，以便以后對心電信號的自動識別起到一定的基礎作用。另外，Labview具有強大的虛擬儀器功能和軟件開發(fā)功能，運行速度快、兼容性和移植性好、方便易用，適合于課程設計短期內完成。2 設計任務及技術指標課題所用信號是美國麻省理工學院提供的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫（一個權威性的國際心電圖檢測標準庫），近年來應用廣泛，為我國的醫(yī)學工程界所重視。MIT-BIH數(shù)據(jù)庫共有48個病例，每個病例數(shù)據(jù)長30min，總計約有116000多個心拍，包含有正常心拍

4、和各種異常心拍，內容豐富完整。為了讀取簡單方便，采用其txt格式的數(shù)據(jù)文件作為我們的源心電信號數(shù)據(jù)。利用labvIEW提供的文件I/O函數(shù)，讀取txt數(shù)據(jù)文件中的信號，并且還原實際波形。2.1設計任務設計一個基于虛擬儀器的簡單的心電信號分析系統(tǒng)，對原始心電信號做輸入后，對其做一定的數(shù)字信號處理，進行頻譜分析，根據(jù)具體設計要求完成系統(tǒng)的程序編寫及調試。 （1）對原始數(shù)字心電信號進行讀取，由數(shù)字信號數(shù)據(jù)繪制出其時域波形。 （2）對數(shù)字信號數(shù)據(jù)做一次線性插值，使其成為均勻數(shù)字信號，以便后面的信號分析。 （3）根據(jù)心電信號的頻域特征（自己查閱相關資料），設計相應的低通和帶通濾波器。 （4）編程繪制實現(xiàn)

5、信號處理前后的頻譜，做頻譜分析，得出相關結論。 （5）對系統(tǒng)進行綜合測試，整理數(shù)據(jù)。2.2技術指標：一個帶通濾波器低截止平率設置為0.0001,高截止頻率設置為99來分別濾除低頻干擾和高頻干擾?；蛘咭粋€高頻濾波器，低截止頻率設置為0.25,來濾波低頻信號；對于高頻信號干擾，可以讓信號再通過一個低頻濾波器，其中截止頻率設置為99Hz。開始讀取心電信號用For循環(huán)線性插值反切比雪夫低通、高通濾波巴特沃斯帶通濾波切比雪夫帶通濾波波形、頻譜顯示結束2.3流程圖：3 設計方案論證3.1 心電信號讀取設計方案論證與選擇課題所用信號是美國麻省理工學院提供的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫，為了讀取簡單方便，采用其txt

6、格式的數(shù)據(jù)文件作為我們的原心電信號數(shù)據(jù)。利用labVIEW提供的文件I/O函數(shù)，讀取txt數(shù)據(jù)文件中的信號，并且還原實際波形。此數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)文件的前兩行為解釋說明文字，不是真正的信號數(shù)據(jù)，讀取信號程序需要自動忽略前兩行文字，只讀取真正的數(shù)字信號數(shù)據(jù)。另外labvIEW默認的從文本文件中讀取的數(shù)據(jù)都是字符串，因此在使用心電信號數(shù)據(jù)前需要將其轉換為數(shù)值才可以。第一列時間數(shù)據(jù)均為0:00.001這種格式，因此需要將字符串0:00.001先轉化為字符串0.001，即去除字符串中冒號以前的部分，然后再將其轉為數(shù)值。最后利用已經轉為數(shù)值的分別代表心電信號時間和幅值的兩個一維數(shù)組，圖形化還原原始心電信號波形

7、，圖形化時可使用控件XY圖。3.2 線性插值的設計方案論證與選擇由于原始心電信號數(shù)據(jù)不是通過等間隔采樣得到的，也就是說原始的心電數(shù)據(jù)并不是均勻的，而用Matlab中提供的數(shù)字濾波器處理數(shù)據(jù)時，要求數(shù)據(jù)是等間隔的。因此設計的系統(tǒng)首先應對原始心電信號做線性插值處理，使其變?yōu)榈乳g隔的數(shù)字信號，否則直接處理后會出現(xiàn)偏差，根據(jù)心電信號的特點, 把時間分隔成0.001s。添加的幅值點采用一次線性插值。對二維數(shù)據(jù)進行插值,相連幅值間數(shù)據(jù)的插值根據(jù)時間進行,運算公式如下: ，其中是第i個數(shù)據(jù)時間點，Ai是與之對應的數(shù)據(jù)，N是兩數(shù)據(jù)之間需要的插值數(shù)，是需要插值的兩點數(shù)據(jù)差，時數(shù)組依次排列，即得到了插值后等間隔的

8、新數(shù)據(jù)。3.3 濾波器的設計方案論證與選擇一般正常人的心電信號頻率在0.7100HZ范圍內，幅度為10v(胎兒)5mv(成人)。人體心電信號微弱，信噪比小，因此，在采集心電信號時，易受到儀器、入體活動等因素的影響，而且所采集的心電信號常伴有干擾。采集心電數(shù)據(jù)時，由于人的說話呼吸，常常會混有約為0.1Hz到0.25Hz頻段的干擾。對于這些低頻干擾，可以讓信號通過一個高頻濾波器，低截止頻率設置為0.25,來濾波低頻信號；對于高頻信號干擾，可以讓信號再通過一個低頻濾波器，其中截止頻率設置為99Hz。通過嘗試比較幾種濾波器的效果，我采用反切比雪夫濾波器進行濾波。根據(jù)以上說明，利用labvIEW中的信號

9、處理函數(shù)設計反切比雪夫濾波器，濾除數(shù)字信號中的干擾信號，來獲取預想的信號。4 設計內容4.1心電信號的讀取根據(jù)txt格式的數(shù)據(jù)文件特點，利用labvIEW提供的I/O文件函數(shù)，在本課題中，主要是圍繞LabVIEW中的讀取電子表格文件函數(shù)來設計心電信號的讀取部分的VI，并利用XY 圖來對數(shù)據(jù)做圖形化顯示。讓心電數(shù)據(jù)文件中的第一列時間數(shù)據(jù)作為x軸，對應的MLII方式的幅值作為y軸，以此得到繪制的源心電波形。此步驟主要是心電信號的字符串數(shù)值轉換部分比較復雜。圖1 讀取心電信號心電信號的讀取VI圖：如圖1所示：4.2 對原始心電信號線性插值根據(jù)上文中提到的插值公式，以此為原理，設計labvIEW程序，

10、對心電信號數(shù)據(jù)做線性插值處理。插值完以后的數(shù)據(jù)應該是時間均勻的、以0.001秒為間隔的。此步驟的實現(xiàn)主要是基于labvIEW中的數(shù)組操作函數(shù)（索引數(shù)組，數(shù)組子集等）來實現(xiàn)，插值方法的思路是：第一步中讀取的心電信號數(shù)據(jù)的時間數(shù)據(jù)和幅值數(shù)據(jù)分別存放在一個一維數(shù)組中。然后利用For循環(huán)結構把所有數(shù)據(jù)依次讀取進來。判斷時間數(shù)據(jù)數(shù)組中前后兩個相鄰的數(shù)據(jù)間隔是否為0.001s，如果是則判斷下一對相鄰兩個數(shù)據(jù)；如果間隔大于0.001s則在一個CASE條件結構里面做插值處理。對幅值數(shù)據(jù)同樣做插值處理，時間數(shù)據(jù)和幅值數(shù)據(jù)一定是相互對應的。線性插值相應的VI圖，如圖2所示：圖2 線性插值4.3設計相應的低通高通濾

11、波器及其譜分析源心電信號里面是包含有噪聲的，需要對數(shù)字心電信號做一定濾波處理。由于心電信號是無限信號，只能用IIR濾波器。LabVIEW提供的IIR濾波器類型有Butterworth、Chebyshev、Inverse Chebyshev、Elliptic和Bessel濾波器。它們都有各自的特點，用途也不盡相同。我采用Inverse chebyshev濾波器。由于時間間隔是0.001s，所以采樣頻率大于等于1000hz即可。高通濾波器截止頻率0.25hz,低通濾波器截止頻率99hz。濾波器和譜分析相應的VI圖,如圖3所示：圖3 濾波器的設計4.4選作部分：4.4.1.三種濾波器設計分別設計Bu

12、tterworth、Chebyshev、Inverse Chebyshev三種濾波器，并對濾波后的信號分別做頻譜分析，比較幾種濾波器的差別（其中Inverse Chebyshev濾波器已在上一部分設計過，此處不再重復）。設計原理圖如圖4：圖4 巴特沃斯與切比雪夫濾波器的設計4.4.2.設計50HZ工頻陷波器由于電子設備采集到的信號經常會混有電源線干擾。電源線干擾是以50 Hz為中心的窄帶噪聲，帶寬小于1Hz。設計相應濾波器濾除電源線干擾，并對處理后的信號做頻譜分析。原理圖如圖5：圖5 50HZ工頻陷波器的設計 4.5整體的程序框圖及前面板程序框圖： 前面板：5 實驗結果與分析5.1讀取心電信號

13、文件的運行結果：簡要分析：根據(jù)運行結果，很顯然，所讀取的原始的心電信號時間數(shù)組是不均勻的，原始的時間序列和幅值序列大小為3600；觀察波形圖可以發(fā)現(xiàn)，原始的心電信號中帶有一定的噪聲。5.2線性插值的運行結果：簡要分析：差值過程主要是利用For循環(huán)和移位寄存器，用兩個For循環(huán)相嵌套結構，外層循環(huán)用來讀取原始數(shù)組中的數(shù)據(jù)，內部循環(huán)用來對數(shù)據(jù)進行插值。將依次讀入數(shù)組中的數(shù)據(jù)。從程序的運行結果可以看出，時間間隔等分成0.001s，幅值也相應成為期望值。5.3反切比雪夫 先通過低通，再通過高通濾波的運行結果：簡要分析：由于心電信號中普遍存在直流分量的干擾，并且他對譜分析有一定的影響，所以，濾波過程首先

14、都進行了直流分量的去除。通過逐個嘗試濾波器類型，發(fā)現(xiàn)反切比雪夫濾波器效果比較好，低通濾波器的階數(shù)調節(jié)至5，截止頻率設定為99Hz，高通濾波器階數(shù)調節(jié)至2，截止頻率設定在0.25Hz，此時濾波效果較好。觀察波形及頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)，相對于濾波前的信號，此時的信號，毛刺有所減少，波形也略為平穩(wěn)，并且基線漂移減少，得到了較好的濾波。5.4選作部分1 巴特沃斯與切比雪夫濾波器的運行結果：簡要分析：該部分分別嘗試使用了巴特沃斯和切比雪夫濾波器進行濾波，均選擇帶通形勢，設定參數(shù)相同，采樣頻率為3000，高截止頻率99Hz，低截止頻率0.0001hz，通過調節(jié)比較，發(fā)現(xiàn)，此處設計中，兩種濾波器對于階數(shù)的改變，頻

15、譜變化不明顯，基本選定階數(shù)為5階時，效果略為好些。觀察頻譜，并與反切比雪夫濾波器濾波后的頻譜相比較發(fā)現(xiàn)，效果不如切比雪夫好，驗證了上一部分的選擇是正確的。5.5選作部分2的運行結果：簡要分析：電源線干擾是以50 Hz為中心的窄帶噪聲，帶寬小于1Hz，采用反切比雪夫帶阻濾波，采樣頻率設定為1000，高低截止頻率分別為60.5Hz和59.5Hz，觀察頻譜圖發(fā)現(xiàn)，信號得到了一定程度的濾波。6 總結（只對設計課題內容進行總結并給出結論）本次課程設計對心電信號進行了讀取、插值、去直流分量、鋁箔、波形及頻譜顯示，根據(jù)頻譜顯示，該病例每分鐘心跳大概66次，由于心電信號本身噪聲很多，信噪比小，加之濾波效果并不

16、是很明顯，不能看出具體病態(tài)特征，但是通過嘗試各種濾波器類型和濾波方式，可以發(fā)現(xiàn)用反切比雪夫濾波器進行先低通再高通濾波效果比較好。參考文獻1 高西全.數(shù)字信號處理（第三版）.西安電子科技大學出版社，2008.82 吳大正. 信號與線性系統(tǒng)分析（第四版）. 高等教育出版社，2005.83 零點工作室. LabVIEW 8.20中文版編程及應用.電子工業(yè)出版社, 2008.14 黃進文.虛擬儀器心電信號自動分析系統(tǒng)設計：現(xiàn)代虛擬測試分析系統(tǒng)設計方法研究，2009.025 丁玉美.數(shù)字信號處理（第二版）.西安電子科技大學出版社，2001課程設計的收獲、體會、意見、建議經過幾天的努力，終于把濾波器和設計報告完成，在這次課程設計中，通過上網查找資料和不斷摸索，在圖書館借閱資料，和不斷練習，我學會了簡單的使用labview軟件，并且對數(shù)字信號處理有了進一步的認識，也對心電信號的特征分析有了一定認識，同時對課程設計和撰寫論文有了一定的思路。可以說受益匪淺，收獲頗多。作為通信工程的學生，數(shù)字信號處理課程對我們非常重要，matlab軟件