【文章內(nèi)容簡介】 rvalue。 (5)心率計數(shù)設(shè)計圖如圖 ： 心率計算流程圖 N Y N Y 開始 取整個信號最大幅值 PM 設(shè)置峰值提取閾值 G 設(shè)置計數(shù) t=0 是否到數(shù)據(jù)最末尾 PMX(i)Gamp。amp。 X(i)=max(x(i200:i+200)) 儲存峰值點幅度和位置t=t+1 結(jié)束 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 第二章 心電信號及其特征 心電信號的產(chǎn)生 當(dāng)心肌細胞 沒有受到外界刺激時（即靜息狀態(tài)），心肌細胞膜內(nèi)外兩側(cè)的電位差被稱為靜息電位。在靜息狀態(tài)時，有大量帶有正電荷的陽離子排列在心肌細胞膜外，細胞膜內(nèi)則帶有相同數(shù)量帶負電荷的陰離子，此時細胞膜外的電位高于膜內(nèi)電位，電位差約為 180mV。這種以細胞膜為界，膜外呈正電位 、 膜內(nèi)為負電位，并且穩(wěn)定在一種靜息電位狀態(tài)下，我們稱之為極化狀態(tài)。 當(dāng)心肌細胞在靜息狀態(tài)下受到外界刺激時，他的膜內(nèi)外會發(fā)生電位變化，這樣稱為動作電位。在細胞受到刺激時，細胞膜的通透性會發(fā)生改變，膜外的陽離子會進入膜內(nèi)，石膜內(nèi)的電位高于膜外電位，這個過稱稱 之為除極。當(dāng)然，如果發(fā)生了去極化，細胞膜電位會恢復(fù)到以前的極化狀態(tài)，這個過稱稱為復(fù)極。 心肌細胞在靜息狀態(tài)下時，膜內(nèi) 、外電荷是不產(chǎn)生交流的，因此，并不會有電流產(chǎn)生，細胞膜外任何兩點間電位相等，沒有電位差。如果心肌細胞受外界刺激而發(fā)生除極和復(fù)極變化，則會產(chǎn)生電位差，而形成電流。這時把變動的電位差記錄成曲線，我們把這種曲線稱為心電圖。健康的心電圖如下圖 圖 健康人的心電圖 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 心電信號的特點 心電信號是屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，它是 由復(fù)雜的生命體發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號，由于受到人體諸多因素的影響，因而有著一般信號所沒有的特點。心電信號是十分微弱的，成人的心電信號范圍也僅為 5mv。由于人體自身信號弱，加上人體又是一個復(fù)雜的整體，因此信號易受噪聲的干擾。 正常心電圖由一個 P波、一個 QRS 波群和一個 T波等組成。我們可以依照圖 對心電信號的各個波段進行說明： P波：是由心房的跳動所產(chǎn)生，代表左、右心室去極化過程。前一半主要是由右心房所產(chǎn)生，后一半是由左心房所產(chǎn)生。人們正常 P 波的寬度一般不超過 ，肢體導(dǎo)聯(lián)最高幅度不超過 。 QRS 波群：反映左、右心室的電激動過程，稱 QRS 波群的寬度為 QRS 時限，代表全部心室肌激動過程所需要的時間，正常人最高不超過 。 典型的 QRS 復(fù)合波包括三個相連的波動。第一個向下的波為 Q波，繼 Q波后一個狹高向上的波為 R波，與R波相連接的又一個向下的波為 S 波。由于這三個波緊密相連且總時間不超過 ，因此合稱 QRS復(fù)合波。 ST 段：從 QRS 波群的終點到 T波起點的一段。此時心室全部處于去極化狀態(tài)， 無電位差存在，所以正常人的 ST 段是接近基線的，與基線間的距離一般不超過。 PR 段：從 P波后半部分起始端至 QRS 波群起點。這段等待時間是為了讓血液充分流至心房，同樣，這一段正常人也是接近基線的。 QT 間期：從 QRS 波群開始到 T波終結(jié)相隔的時間，它代表心室肌去極化和復(fù)極 化的全過程。正常情況下， QT 間期的時間不大于 。 心電信號頻域特點 心電信號的頻率比較低，正常人的心電頻率一般在 之間。但是心電信號的主要能量集中范圍卻只在 之間。 RQS 波形是心電信號中最容易識別的部分，他占據(jù)了很大部分的能量，他的頻譜范圍集中于 1020HZ 之間 。其中 P波和 T波占的主要頻率范圍在 之間， ST段的頻率集中在 。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 下面是具體的心電信號頻譜圖如圖 心電信號頻譜圖 由于心電信號有很多干擾，所以除了心電信號自身的頻譜外還有工頻噪聲和各級倍頻。我們用的心電數(shù)據(jù)是在 MITBIH 數(shù)據(jù)庫中獲得的正常人數(shù)據(jù)，所以存在的主要干擾是基線漂移噪聲?；€漂移噪聲頻率一般在 之間，因此，我們在進行心電信號預(yù)處理時采用的是帶通濾波。這樣可以得到比較純凈的心電信號。 心電信號時域特點 由于我們的心跳是一種周期性的運動，所以我們采集的心電圖是周期性的。如圖，顯示出來的只是一個周期的心跳?？梢钥闯鲆粋€正常的心率周期是包含 P 波 、 PR波段、 RQS 波群、 ST波段、 T 波等幾部分組成。其實心率圖的每個波段都有一定的生理意義，比如， RQS 波群可以看出左右心室是否正常。如果，我們檢測的心率圖對比正常的心率圖有畸變，那么可以看出心臟可能發(fā)生了病變。 體表的心電波形時域幅度一般在 之間，最具有代表性的是 1mV上下。南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 每個周期的心電圖都有突變點即極值點，我們 對極值點的研究是十分有必要的。在后面心率計算中，就是找出每個周期信號中的一個極大值點來計算心率。這次心率檢測研究的主要是 RQS波群， RQS 波群的持續(xù)時間一般在 之間。 第三章 心電信號的預(yù)處理 心電信號預(yù)處理的意義 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、人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 到 頻段的低頻干擾。還有 由電力系統(tǒng)和人體的分布電容引起的工頻干擾，其頻率包括 50Hz（ MITBIH 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)工頻因為是美國標(biāo)準(zhǔn)，所以是 60Hz)的基波及其各次諧波，其幅值成分在 ECG 峰一峰值的 0— 50％范圍內(nèi)變化。 因此，我們?nèi)绻獙π碾娦盘栠M行分析必須要進行預(yù)處理，這樣才能對心電數(shù)據(jù)作出正確判斷。 濾波方案的設(shè)計與分析 綜合上述分析，我們可以知道要對心電信號進行分析必須經(jīng)過濾波處理。而matlab 本身包含了很多濾波函數(shù)，所以，要想準(zhǔn)確分析心電數(shù)據(jù)就要利用心電信號的特點而謹慎的選擇濾波函數(shù)。下面我從心電數(shù)據(jù)庫中選了兩組心電信號分析。如圖。 圖 正常的心電圖 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 如圖 是異常的心電圖。 圖 異常的心電圖 對心電信號分析時，應(yīng)了解心電信號的頻譜圖才能正確的設(shè)計濾波器。如圖 是正常心電信號的頻譜圖。 圖 正常心電信號頻譜圖 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 低通配合窗函數(shù)濾波 因為窗函數(shù)的主要作用是改善濾波器的阻帶衰減，所以我們主要研究低通濾波器的作用。 首先，我們必須了解低通濾波器的特性。如圖 Butterworth 低通濾波器的幅頻特性。 圖 Butterworth低通濾波器的幅頻特性 我用的低通濾波 matlab 代碼如下： wp=2*pi*20/400。 ws=2*pi*25/400。 rp=3。 rs=10。 [N,wc]=buttord(wp,ws,rp,rs,39。s39。)。 [Bz,Az]=butter(N,wc)。 y1=filter(Bz,Az,b)。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 通帶截止頻率為 2*pi*20Hz,阻帶截止頻率 約為 2*pi*25Hz。通帶最大衰減為 3db,阻帶最小衰減為 10db。用這種低通濾波器可以濾去幅度上的 50Hz 以上的波段。但是這樣會使原始的心電低頻信號削弱，影響對心電信號的分析。因為正常信號沒出現(xiàn)基線漂移，所以用低通濾波器對正常心電信號濾波時并沒有太大差別。但異常心電信號出現(xiàn)了基線漂移，用低通濾波器濾波后如圖 。 圖 低通濾波后的異常心電圖 從濾波后圖形可以看出低通濾波器沒有解決基線漂移問題。 帶通配合窗函數(shù)濾波 帶通濾波器 是指能通過某一頻率 范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器。一個理想的帶通濾波器應(yīng)該有一個完全平坦的通帶，在通帶內(nèi)沒有放大或者衰減。實際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度的 dB數(shù)來表示。通常，濾波器的設(shè)計盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 設(shè)計更加接近。然而，隨著滾降范圍越來越小，通帶就變得不再平坦，開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣 處尤其明顯，這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。 如圖 。 圖 帶通濾波器的幅頻特性圖 在這次的心電信號濾波中寫的 matlab 帶通代碼如下： wp=[ 50]/400。 ws=[ 100]/400。 rp=3。 rs=10。 [N,wc]=buttord(wp,ws,rp,rs,39。s39。)。 [Bz,Az]=butter(N,wc)。 [H,w]=freqz(Bz,Az)。 y=filter(Bz,Az,b)。 通帶頻率范圍為 ,阻帶頻率范圍是 ，通帶衰減系數(shù)是 3db,阻帶衰減系數(shù)是 10db。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 現(xiàn)在將異常的心電信號通過帶通濾波器，如圖 圖 帶通濾波器濾波后心電圖 與異常信號心電圖 ，可以看到帶通濾波器解決了基線漂移問題。這樣才能為后面 R波檢測提供有利條件。 最終方案的選擇 綜合上述濾波分析，這次的心率檢測系統(tǒng)我采用的是第二種方案。先將心電信號用 textread 函數(shù)進行讀取，然后通過編程將原心電信號顯示，再通過一個帶通濾波器及窗函數(shù)濾波器。這樣可以有效的去除基線漂移及毛刺的影響。由于信號中存在噪聲的特點，基線漂移和呼吸等低頻干擾在 1Hz 以下，而脈搏信號主要在低頻范圍，所以可以設(shè)計讓信號先通過一個巴特沃斯帶通濾波器，借以濾除基線漂移、呼吸引起的干擾，通帶截止頻率設(shè)置為 Wp=[,50]，阻帶截止頻率設(shè)置為 Ws=[,100],通帶波紋系數(shù) Rp=3,阻帶波紋系數(shù) Rs=10。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 心電信號濾波流程圖如下 ： 濾波流程圖 心電濾波窗函數(shù)代碼如下： N=50。 wc=。 window=blackman(N)。 hn=fir1(N1,wc,window)。 y1=filter(hn,1,y)。 N為定義的窗函數(shù)的長度，其中 wc 為對π歸一化的數(shù)字頻率， 0≤ wc≤ 1。這里因為缺省 window 參數(shù)，那么 firl 函數(shù)會默認為 hamming 窗。 用 textread命令讀取脈搏信號的 TXT 文件 去除基線漂移 通過 Buttord 和 butter 命令組成的巴特沃斯帶通濾波器 通過哈明窗函數(shù)濾波 濾波信號 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 如圖 及圖 分別為原信號及濾波后信號的局部放大 圖。 圖 原信號局部心電圖 圖 濾波后的局部心電圖 對比局部圖我們更容易發(fā)現(xiàn)濾波后毛刺明顯減少，心電圖更加平滑。說明用帶通濾波加上 hamming 窗濾波實現(xiàn)了對心電信號的預(yù)處理。 當(dāng)然，這次設(shè)計的心電信號預(yù)處理可能并不是最好的選擇，也存在一定的缺陷，但對于這次畢設(shè)完全可以達到要求。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 第四章 心電信號 RQS 波的復(fù)檢 RQS 波的檢測方案與分析 要對 RQS波進行檢測 就必須先了解 RQS 波的特點。由圖 可知，心電信號中變動最強烈的就是 RQS 波群。 RQS 波群的能量集中在 035Hz 之間，其中 RQS 波峰主要集中在 915Hz 之間 ,它的中心頻率是 12Hz。其次，我們需要知道的是正常人的兩個心率之間是不能大于 的。這對我們判