基于MATLAB的心電信號(hào)分析

1、計(jì)算機(jī)信息處理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目： 基于MATLAB的心電信號(hào)分析 學(xué)院（系）： 年級(jí)專(zhuān)業(yè)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)院（系）： 基層教學(xué)單位： 學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專(zhuān)業(yè)（班級(jí)）設(shè)計(jì)題目基于MATLAB的心電信號(hào)分析設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)心電信號(hào)波形、頻譜，濾波器參數(shù)，濾波后時(shí)域波形、頻譜設(shè)計(jì)要求（1）利用Matlab對(duì)MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)提供的數(shù)字心電信號(hào)進(jìn)行讀取，并還原實(shí)際波形。（2）對(duì)原始心電信號(hào)做線(xiàn)性插值。（3）對(duì)處理前后的心電信號(hào)分別做頻譜分析。利用Matlab軟件對(duì)處理前后的心電信號(hào)編程顯示其頻譜，分析比較濾波前后的頻譜，得出結(jié)論。工作量1. 學(xué)習(xí)使用Mat

2、lab軟件2. 使用Matlab軟件編寫(xiě)程序3. 完成實(shí)習(xí)報(bào)告工作計(jì)劃周一，查閱資料；周二到周四，理論設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)；周五，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)參考資料1 丁玉美.數(shù)字信號(hào)處理（第二版）.西安電子科技大學(xué)出版社，20012 吳大正. 信號(hào)與線(xiàn)性系統(tǒng)分析（第四版）. 高等教育出版社，2005,83 謝嘉奎. 電子線(xiàn)路-線(xiàn)性部分(第四版). 高等教育出版社，2003,24 陳后金. 信號(hào)分析與處理實(shí)驗(yàn). 高等教育出版社，2006，8指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說(shuō)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。2014年12月 01日 摘要心電信號(hào)是人們認(rèn)識(shí)最早、研究最早的人體生理電

3、信號(hào)之一。目前心電檢測(cè)已經(jīng)成為重要的醫(yī)療檢測(cè)手段，但是心電信號(hào)的相關(guān)試驗(yàn)及研究依然是醫(yī)學(xué)工作者和生物醫(yī)學(xué)工程人員的重要議題。信號(hào)處理的基本概念和分析方法已應(yīng)用于許多不同領(lǐng)域和學(xué)科中，尤其是數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和大規(guī)模集成技術(shù)的高度發(fā)展，有力地推動(dòng)了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。心電信號(hào)是人類(lèi)最早研究并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床的生物電信號(hào)之一，它比其他生物電信號(hào)便易于檢測(cè)，并具有較直觀(guān)的規(guī)律性，對(duì)某些疾病尤其是心血管疾病的診斷具有重要意義。它屬于隨機(jī)信號(hào)的一種，用數(shù)字信號(hào)處理的方法和Matlab軟件對(duì)其進(jìn)行分析后，可以得到許多有用的信息，對(duì)于診斷疾病有非常重要的參考價(jià)值。本課題基于matlab對(duì)心電信號(hào)做了簡(jiǎn)

4、單的初步分析。直接采用Matlab語(yǔ)言編程的靜態(tài)仿真方式、對(duì)輸入的原始心電信號(hào)，進(jìn)行線(xiàn)性插值處理，并通過(guò)matlab語(yǔ)言編程設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行時(shí)域和頻域的波形頻譜分析，根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求完成程序編寫(xiě)、調(diào)試及功能測(cè)試，得出一定的結(jié)論。關(guān)鍵詞： matlab 心電信號(hào) 線(xiàn)性插值 頻譜分析目錄一：課題的目的及意義.1二：設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟1 1心電信號(hào)的讀取.1 2對(duì)原始心電信號(hào)做線(xiàn)形插值.3 3設(shè)計(jì)濾波器.5 4對(duì)心電信號(hào)做頻譜分析.6三：總結(jié)7四：附錄8五：參考文獻(xiàn).12一：課題目的及意義心電信號(hào)是人類(lèi)最早研究并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床的生物信號(hào)之一，它比其它生物電信號(hào)更易于檢測(cè)，并且具有較直觀(guān)的規(guī)律性，因而心電圖分

5、析技術(shù)促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展。然而，心電圖自動(dòng)診斷還未廣泛應(yīng)用于臨床，從國(guó)內(nèi)外的心電圖機(jī)檢測(cè)分析來(lái)看，自動(dòng)分析精度還達(dá)不到可以替代醫(yī)生的水平，僅可以為臨床醫(yī)生提供輔助信息。其主要原因是心電波形的識(shí)別不準(zhǔn)，并且心電圖診斷標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。因此，探索新的方法以提高波形識(shí)別的準(zhǔn)確率，尋找適合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)又具診斷價(jià)值的診斷標(biāo)準(zhǔn)，是改進(jìn)心電圖自動(dòng)診斷效果，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的根本途徑。如何把心電信號(hào)的特征更加精確的提取出來(lái)進(jìn)行自動(dòng)分析，判斷出其異常的類(lèi)型成了亟待解決的焦點(diǎn)問(wèn)題。本課題通過(guò)matlab語(yǔ)言編程，對(duì)原始心電信號(hào)進(jìn)行一定的分析處理。二：設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟1.心電信號(hào)讀取美國(guó)麻省理工學(xué)院提供的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)是一

6、個(gè)權(quán)威性的國(guó)際心電圖檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，近年來(lái)應(yīng)用廣泛，為我國(guó)的醫(yī)學(xué)工程界所重視。MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)共有48個(gè)病例，每個(gè)病例數(shù)據(jù)長(zhǎng)30min，總計(jì)約有116000多個(gè)心拍，包含有正常心拍和各種異常心拍，內(nèi)容豐富完整。為了讀取簡(jiǎn)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(hào)數(shù)據(jù)。利用matlab提供的文件textread或textscan函數(shù)，讀取txt數(shù)據(jù)文件中的信號(hào)，并且還原實(shí)際波形。Txt格式的心電數(shù)據(jù)文件如下：其中文件的第一列為采樣時(shí)間，第二列是在以MLII這種導(dǎo)聯(lián)方式所得到的采樣數(shù)據(jù)，第三列式以V5這種導(dǎo)聯(lián)方式所得到的采樣數(shù)據(jù)，全文件記錄了約為10s的心電數(shù)據(jù)，3600個(gè)采樣數(shù)據(jù)，每

7、一行數(shù)據(jù)之間用Tab符分隔。 由于數(shù)據(jù)文件中后兩列數(shù)據(jù)是對(duì)同一種心電信號(hào)進(jìn)行不同的導(dǎo)聯(lián)方式所得到的采樣數(shù)據(jù)，所以可以只采用其中的一種采樣數(shù)據(jù)，摒棄另外一種，即可完成對(duì)此心電信號(hào)的分析。全部的心電文件記錄時(shí)間約為10s，共計(jì)12個(gè)左右周期的心電信號(hào)。實(shí)際設(shè)計(jì)心電信號(hào)數(shù)據(jù)文件時(shí)應(yīng)注意：（1）數(shù)據(jù)文件的前兩行為解釋說(shuō)明文字，不是真正的信號(hào)數(shù)據(jù)，讀取信號(hào)程序要能夠自動(dòng)忽略前兩行文字，只讀取真正的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)（嚴(yán)禁自己手動(dòng)刪除源心電數(shù)據(jù)文件中的前兩行數(shù)據(jù)，必須通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)忽略前兩行文字的目的）。 （2）利用數(shù)組函數(shù)分別將文件的前兩個(gè)列分別讀入一個(gè)一維數(shù)組。（3）最后利用已經(jīng)轉(zhuǎn)為數(shù)值的分別代表心電信號(hào)時(shí)

8、間和幅值的兩個(gè)一維數(shù)組，圖形化還原原始心電信號(hào)波形，在此推薦利用利用plot(x,y)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)做圖形化顯示。2.對(duì)原始心電信號(hào)做線(xiàn)性插值由于原始心電信號(hào)數(shù)據(jù)并不是由等間隔采樣而得到的，也就是說(shuō)原始的心電數(shù)據(jù)并不是均勻的，但是后面肯定要用到數(shù)字濾波器對(duì)心電信號(hào)做處理，而MATLAB中用數(shù)字濾波器被處理的數(shù)據(jù)應(yīng)該都是等間隔的，否則處理后會(huì)出現(xiàn)偏差，因此首先對(duì)原始心電信號(hào)要做的就是做一個(gè)線(xiàn)性插值處理，使其變?yōu)榈乳g隔的數(shù)據(jù)。根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn), 把時(shí)間分隔成0.001s。添加的幅值點(diǎn)采用一次線(xiàn)性插值。對(duì)二維數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,相連幅值間數(shù)據(jù)的插值根據(jù)時(shí)間進(jìn)行。其中：時(shí)數(shù)組 依次排列，即得到了插值后等間隔的

9、新數(shù)據(jù)。根據(jù)上文中提到的插值公式，以此為原理，設(shè)計(jì)matlab程序，對(duì)心電信號(hào)數(shù)據(jù)做線(xiàn)性插值處理。插值完以后的數(shù)據(jù)應(yīng)該是時(shí)間均勻的、以0.001秒為間隔的。此步驟的實(shí)現(xiàn)主要是基于matlab中的數(shù)組操作函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 其中一種插值方法的思路是：將第一步中讀取的心電信號(hào)數(shù)據(jù)的時(shí)間數(shù)據(jù)和幅值數(shù)據(jù)分別存放在一個(gè)一維數(shù)組中。然后利用for循環(huán)結(jié)構(gòu)把所有數(shù)據(jù)依次讀取進(jìn)來(lái)。判斷時(shí)間數(shù)據(jù)數(shù)組中前后兩個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)間隔是否為0.001s，如果是則判斷下一對(duì)相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)；如果間隔大于0.001s則進(jìn)行一維插值做處理。 注意：對(duì)時(shí)間數(shù)據(jù)做插值的同時(shí)一定不要忘記對(duì)幅值數(shù)據(jù)同樣做插值處理，時(shí)間數(shù)據(jù)和幅值數(shù)據(jù)一定是相互對(duì)應(yīng)

10、的。3.設(shè)計(jì)濾波器一般正常人的心電信號(hào)頻率在0.7100HZ范圍內(nèi)，幅度為10v(胎兒)5mv(成人)。人體心電信號(hào)微弱，信噪比小，因此，在采集心電信號(hào)時(shí)，易受到儀器、人體活動(dòng)等因素的影響，而且所采集的心電信號(hào)常伴有干擾。采集心電數(shù)據(jù)時(shí)，由于人的說(shuō)話(huà)呼吸，常常會(huì)混有約為0.1Hz到0.25Hz頻段的干擾，對(duì)于這些低頻干擾，可以讓信號(hào)通過(guò)一個(gè)高頻濾波器，低截止頻率設(shè)置為0.25,來(lái)濾波低頻信號(hào)，對(duì)于高頻信號(hào)干擾，可以讓信號(hào)再通過(guò)一個(gè)低頻濾波器，其中截止頻率設(shè)置為99Hz。4.對(duì)心電信號(hào)做頻譜分析利用MATLAB軟件對(duì)處理前后的心電信號(hào)編程顯示其頻譜，分析比較濾波前后的頻譜，得出結(jié)論。如果分析頻譜

11、，濾波效果不明顯，則需變動(dòng)濾波器參數(shù)指標(biāo)，重新設(shè)計(jì)濾波器。通過(guò)頻譜分析，多次試驗(yàn)確定最合適的濾波器。三：總結(jié)通過(guò)一周的計(jì)算機(jī)信號(hào)處理的課程設(shè)計(jì)，我先在圖書(shū)館里查找了相關(guān)的書(shū)籍，如MATLAB類(lèi)的編程書(shū)籍，各類(lèi)數(shù)據(jù)處理類(lèi)的書(shū)籍，即豐富了自己的知識(shí)范圍，又對(duì)與自己所學(xué)的知識(shí)有了更深的了解和認(rèn)識(shí)，同時(shí)也對(duì)它的應(yīng)用有了一個(gè)大體的認(rèn)識(shí)。這樣將會(huì)更加激勵(lì)我好好學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)，不斷的將所學(xué)的知識(shí)用于實(shí)踐。于實(shí)踐中牢牢的掌握它。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我也認(rèn)識(shí)到了自己所學(xué)知識(shí)的不足。這也讓我再次認(rèn)識(shí)到知識(shí)是無(wú)盡的，只有不斷的充實(shí)自己、完善自己的知識(shí)理論體系，才能夠更好的勝任自己以后的工作。設(shè)計(jì)過(guò)程中知識(shí)的不足也讓我更

12、加堅(jiān)定了終身學(xué)習(xí)的決心。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我也得到了很多同學(xué)和老師的幫助。這也加強(qiáng)了我與其他同學(xué)合作的能力。查找資料的過(guò)程中我也增強(qiáng)自己學(xué)習(xí)的能力，這些都將讓我在以后的學(xué)習(xí)、生活和工作中受益匪淺。總之，對(duì)于這樣的課程設(shè)計(jì)活動(dòng)，我收獲了很多東西，也將使我在以后的學(xué)習(xí)、工作中更加輕松和積極。這也正是參加這次活動(dòng)的目的和意義。四：附錄（程序）function t,Xn=duquexinhao1(w)fid=fopen(w);C=textscan(fid,%8c %f %*f,headerlines,2);%去除前兩行fclose(fid);a=C2;b=C1;k=length(b);for i=1:k

13、 c(i)=strread(b(i,:),%*s %f,delimiter,:);endc=c;d=c,a;t=d(:,1); %時(shí)間Xn=d(:,2); %幅度%線(xiàn)性插值function t3,Xn3=xianxingchazhi(t,Xn)m=max(t);t3=0:0.001:m;t3=t3;Xn3=interp1(t,Xn,t3);%保存插值前的信號(hào)function baocun1(t,Xn)fid = fopen(t.txt,wt);fprintf(fid,%gn,t); fclose(fid);fid = fopen(Xn.txt,wt);fprintf(fid,%gn,Xn);

14、fclose(fid);%保存插值后的信號(hào)function baocun2(t1,Xn1)fid = fopen(t1.txt,wt);fprintf(fid,%gn,t1); fclose(fid);fid = fopen(Xn1.txt,wt);fprintf(fid,%gn,Xn1); fclose(fid); %畫(huà)初始信號(hào)和即插值后信號(hào)頻譜function keshehuatu(t,Xn,t1,Xn1)f=1000;T=1/f;m=1:length(Xn);k1=length(Xn1);m1=1:k1;q=f*m/length(Xn);q1=f*m1/k1;subplot(2,2,1)

15、plot(t,Xn)title(初始信號(hào)時(shí)域波形)subplot(2,2,2)Y=fft(Xn);plot(q,abs(Y)title(初始信號(hào)頻譜)subplot(2,2,3)axis(0,1000,0,1000)plot(t1,Xn1)title(插值信號(hào)時(shí)域波形)Y1=fft(Xn1);subplot(2,2,4)axis(0,1000,0,5000)plot(q1,abs(Y1)title(插值信號(hào)頻譜)%低通濾波器function H,f=kesheditonglvboqi(wp,ws,Rp,As,Xn1)T=0.001;f=1/T;N,Wc=buttord(wp,ws,Rp,As,

16、s);b,a=butter(N,Wc,s);f=(0:length(Xn1)-1)*f/length(Xn1);w=f*2*pi;H=freqs(b,a,w);%高通濾波器function H,f=keshegaotonglvboqi(wp,ws,Rp,As,Xn1)T=0.001;fs=1/T;N,Wc=buttord(wp,ws,Rp,As,s);b,a=butter(N,Wc,high,s);f=(0:length(Xn1)-1)*fs/length(Xn1);w=f*2*pi;H=freqs(b,a,w);%帶阻濾波器function H,f=keshedaizulvboqi(wp,w

17、s,p,s,Xn1)T=0.001;f=1/T;N,Wc=buttord(wp,ws,p,s,s);b,a=butter(N,Wc,stop,s);f=(0:length(Xn1)-1)*f/length(Xn1);w=f*2*pi;H=freqs(b,a,w);主函數(shù)如下將信號(hào)通過(guò)低通、高通、帶阻濾波器程序t,Xn=duquexinhao1(117.txt);baocun1(t,Xn) %保存讀取信號(hào)t1,Xn1=xianxingchazhi(t,Xn);baocun2(t1,Xn1)%保存插值后信號(hào)xy=t1,Xn1; %仿真輸入二維數(shù)組figure(1)keshehuatu(t,Xn,t

18、1,Xn1) %畫(huà)原始信號(hào)和插值后信號(hào)波形和頻譜wp=90*2*pi; %低通濾波器濾波ws=99*2*pi;p=1;s=35;H1,f=kesheditonglvboqi(wp,ws,p,s,Xn1); wp=4*2*pi; %高通濾波器濾波ws=0.25*2*pi;p=1;s=35;H2,f=keshegaotonglvboqi(wp,ws,p,s,Xn1);wp=58,62*2*pi; %帶阻濾波器ws=59.9,60.1*2*pi;H3,f=keshedaizulvboqi(wp,ws,p,s,Xn1);H=abs(H1).*abs(H2).*abs(H3); %低通和高通和帶阻組合的濾波器Y=H.*abs(fft(Xn1); %經(jīng)過(guò)濾波后心電信號(hào)頻譜y=ifft(Y); %濾波后心電信號(hào)時(shí)域波形figure(2)subplot(2,2,1)plot(f,abs(H1)axis(0,150,0,1.5)title(低通濾波器)subplot(2,2,2)plot(f,abs(H2)axis(0,50,0,1.5)title(高通濾波器)subplot(2,2,3)plot(f,abs(H3)axis(0,150,0,1.5)title(帶阻濾波器)subplot(2,2,4)plot(f,abs(H)axis(0,100,0,1.