心电数据处理与去噪.pdf

燕山大学课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书题目题目 心心电数据处理与去噪电数据处理与去噪 学院（系）：学院（系）：电气工程学院电气工程学院年级专业：年级专业：1111 级仪表一班级仪表一班学学 号：号：110103020036110103020036学生姓名：学生姓名：张钊张钊 指导教师：指导教师：谢平谢平 杜义浩杜义浩教师职称：教师职称：教授教授 讲师讲师 燕山大学课程设计（论文）任务书燕山大学课程设计（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 Matlab 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2 Matlab 通信仿真与应用 刘敏 魏玲编著 国防工业出版社3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4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5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：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 燕山大学数字信号处理课程设计1目目 录录摘要 2第 1 章设计目的、意义31.1 设计目的31.2 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 42.2 50hz 工频滤波分析10第3章 GUI界面可视化 14学习心得15参考文献 15燕山大学数字信号处理课程设计2摘摘 要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3第一章第一章设计目的、意义设计目的、意义1 1 设计目的设计目的进行改革，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。2 2 设计内容设计内容2.12.1 设计要求：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。2.22.2 设计内容：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2.32.3 实验原理实验原理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燕山大学数字信号处理课程设计4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。第二章第二章心电信号的时域处理及其分析方法心电信号的时域处理及其分析方法1.小波分析理论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：其中，f(t)为真实信号，s(t)为含噪信号，e(t)为噪声，为噪声标)(*)()(tetfts+=1_,1,0ntK=燕山大学数字信号处理课程设计5准偏差。1.2 小波去噪理论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。（即对较小的小波系数置为，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的结构示意图CD3CD2CA3CA2sCA1CD1燕山大学数字信号处理课程设计6小波分解系数示意图小波分解系数示意图1.3 小波变换去噪的流程示意图小波变换去噪的流程示意图预处理小波变换多尺度分解各尺度小波系数除噪小波逆变换重构信号除噪后的信号含噪信号1.4 小波去噪小波去噪 matlab 程序程序燕山大学数字信号处理课程设计7clear;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)n,高通重建滤波器 if(mod(i_high,2)=0);coefficient=-1;else coefficient=1;end high_construct(1,i_high)=low_decompose(1,i_high)*coefficient;end high_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);燕山大学数字信号处理课程设计8title(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 小波分析结果小波分析结果燕山大学数字信号处理课程设计9燕山大学数字信号处理课程设计102.2.50hz50hz 工频滤波分析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2.12.1 心电信号噪声分析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：(1)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 005100Hz。例如从母体腹部收取到的胎儿心电信号仅10zV50IV。(2)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。(3)随机性强，心电信号不仅是随机的，而且是非平稳的。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：(1)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。(2)引起基线漂移的干扰燕山大学数字信号处理课程设计11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，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，此时对这些数据分析已无太大意义。所以一般跳过此段数据。(3)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。2.22.2 50HZ50HZ 陷波器陷波器 matlabmatlab 程序程序生成一个 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=sin(wc*m)./(pi*m);%用 Sinc 函数产生冲击响应将 ideal_lp.m 文件放在 matlabwork 里燕山大学数字信号处理课程设计12ECG=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);燕山大学数字信号处理课程设计13title(含噪心电信号);xlabel(t);ylabel(x);燕山大学数字信号处理课程设计14第三章第三章 GUI界面可视化界面可视化GUI界面：界面：学习心得学习心得 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。燕山大学数字信号处理课程设计15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关键，在交流中，不仅强化了自己原有的知识体系，也扩展了自己的思维。课设是一个通过思考、发问、自己解惑并动手、提高的过程。我会在以后的学习中不断学习，积累经验，完善自己。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会。我想说，确实很累，但当我看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋；正所谓“三百六十行，行行出状元”。心里的愉悦感已经远远超过身体的疲惫。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义.参考文献参考文献1.谢平、王娜、林洪斌等主编，信号处理原理及应用。北京：机械工业出版社，2008.102.宋爱国、刘文波等主编，测试信号分析与处理。北京：机械工业出版社，2005,93.聂祥飞、王海宝、谭泽富主编，Matlab 程序设计及其在信号处理中的应用。成都：西南交通大学出版社，20054.吴大正、高西全等主编，Matlab 及在电子信息课程中的应用。北京：电子工业出版社，2006.35.李培芳、孙晖、李江主编，信号与系统分析基础。北京：清华大学出版社，2006.12燕山大学数字信号处理课程设计16燕山大学课程设计评审意见表燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：工作态度认真较认真不认真理论分析正确完善较为合理一般较差方法设计完善合理一般较差成绩：指导教师：年 月 日答辩小组评语：工作态度认真较认真不认真理论分析正确完善较为合理一般较差方法设计完善合理一般较差成绩：组长：年 月 日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：年 月 日