【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 rvalue。 (5)心率計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)圖如圖 ： 心率計(jì)算流程圖 N Y N Y 開(kāi)始 取整個(gè)信號(hào)最大幅值 PM 設(shè)置峰值提取閾值 G 設(shè)置計(jì)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(chǔ)存峰值點(diǎn)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(hào)及其特征 心電信號(hào)的產(chǎn)生 當(dāng)心肌細(xì)胞 沒(méi)有受到外界刺激時(shí)（即靜息狀態(tài)），心肌細(xì)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(shí)，有大量帶有正電荷的陽(yáng)離子排列在心肌細(xì)胞膜外，細(xì)胞膜內(nèi)則帶有相同數(shù)量帶負(fù)電荷的陰離子，此時(shí)細(xì)胞膜外的電位高于膜內(nèi)電位，電位差約為 180mV。這種以細(xì)胞膜為界，膜外呈正電位 、 膜內(nèi)為負(fù)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(xì)胞在靜息狀態(tài)下受到外界刺激時(shí)，他的膜內(nèi)外會(huì)發(fā)生電位變化，這樣稱為動(dòng)作電位。在細(xì)胞受到刺激時(shí)，細(xì)胞膜的通透性會(huì)發(fā)生改變，膜外的陽(yáng)離子會(huì)進(jìn)入膜內(nèi)，石膜內(nèi)的電位高于膜外電位，這個(gè)過(guò)稱稱 之為除極。當(dāng)然，如果發(fā)生了去極化，細(xì)胞膜電位會(huì)恢復(fù)到以前的極化狀態(tài)，這個(gè)過(guò)稱稱為復(fù)極。 心肌細(xì)胞在靜息狀態(tài)下時(shí)，膜內(nèi) 、外電荷是不產(chǎn)生交流的，因此，并不會(huì)有電流產(chǎn)生，細(xì)胞膜外任何兩點(diǎn)間電位相等，沒(méi)有電位差。如果心肌細(xì)胞受外界刺激而發(fā)生除極和復(fù)極變化，則會(huì)產(chǎn)生電位差，而形成電流。這時(shí)把變動(dòng)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(hào)的特點(diǎn) 心電信號(hào)是屬于強(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)，由于受到人體諸多因素的影響，因而有著一般信號(hào)所沒(méi)有的特點(diǎn)。心電信號(hào)是十分微弱的，成人的心電信號(hào)范圍也僅為 5mv。由于人體自身信號(hào)弱，加上人體又是一個(gè)復(fù)雜的整體，因此信號(hào)易受噪聲的干擾。 正常心電圖由一個(gè) P波、一個(gè) QRS 波群和一個(gè) T波等組成。我們可以依照?qǐng)D 對(duì)心電信號(hào)的各個(gè)波段進(jìn)行說(shuō)明： P波：是由心房的跳動(dòng)所產(chǎn)生，代表左、右心室去極化過(guò)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(guò) ，肢體導(dǎo)聯(lián)最高幅度不超過(guò) 。 QRS 波群：反映左、右心室的電激動(dòng)過(guò)程，稱 QRS 波群的寬度為 QRS 時(shí)限，代表全部心室肌激動(dòng)過(guò)程所需要的時(shí)間，正常人最高不超過(guò) 。 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 波。由于這三個(gè)波緊密相連且總時(shí)間不超過(guò) ，因此合稱 QRS復(fù)合波。 ST 段：從 QRS 波群的終點(diǎn)到 T波起點(diǎn)的一段。此時(shí)心室全部處于去極化狀態(tài)， 無(wú)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(guò)。 PR 段：從 P波后半部分起始端至 QRS 波群起點(diǎn)。這段等待時(shí)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(kāi)始到 T波終結(jié)相隔的時(shí)間，它代表心室肌去極化和復(fù)極 化的全過(guò)程。正常情況下， QT 間期的時(shí)間不大于 。 心電信號(hào)頻域特點(diǎn) 心電信號(hào)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(hào)的主要能量集中范圍卻只在 之間。 RQS 波形是心電信號(hào)中最容易識(shí)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(hào)頻譜圖如圖 心電信號(hào)頻譜圖 由于心電信號(hào)有很多干擾，所以除了心電信號(hào)自身的頻譜外還有工頻噪聲和各級(jí)倍頻。我們用的心電數(shù)據(jù)是在 MITBIH 數(shù)據(jù)庫(kù)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?cè)谶M(jìn)行心電信號(hào)預(yù)處理時(shí)采用的是帶通濾波。這樣可以得到比較純凈的心電信號(hào)。 心電信號(hào)時(shí)域特點(diǎn) 由于我們的心跳是一種周期性的運(yùn)動(dòng)，所以我們采集的心電圖是周期性的。如圖，顯示出來(lái)的只是一個(gè)周期的心跳?？梢钥闯鲆粋€(gè)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(shí)心率圖的每個(gè)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(cè)的心率圖對(duì)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(shí)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(gè)周期的心電圖都有突變點(diǎn)即極值點(diǎn)，我們 對(duì)極值點(diǎn)的研究是十分有必要的。在后面心率計(jì)算中，就是找出每個(gè)周期信號(hào)中的一個(gè)極大值點(diǎn)來(lái)計(jì)算心率。這次心率檢測(cè)研究的主要是 RQS波群， RQS 波群的持續(xù)時(shí)間一般在 之間。 第三章 心電信號(hào)的預(yù)處理 心電信號(hào)預(yù)處理的意義 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)話呼吸，常常會(huì)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(kù)數(shù)據(jù)工頻因?yàn)槭敲绹?guó)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?duì)心電信號(hào)進(jìn)行分析必須要進(jìn)行預(yù)處理，這樣才能對(duì)心電數(shù)據(jù)作出正確判斷。 濾波方案的設(shè)計(jì)與分析 綜合上述分析，我們可以知道要對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行分析必須經(jīng)過(guò)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(hào)的特點(diǎn)而謹(jǐn)慎的選擇濾波函數(shù)。下面我從心電數(shù)據(jù)庫(kù)中選了兩組心電信號(hào)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(duì)心電信號(hào)分析時(shí)，應(yīng)了解心電信號(hào)的頻譜圖才能正確的設(shè)計(jì)濾波器。如圖 是正常心電信號(hào)的頻譜圖。 圖 正常心電信號(hào)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?yàn)榇昂瘮?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(huì)使原始的心電低頻信號(hào)削弱，影響對(duì)心電信號(hào)的分析。因?yàn)檎Ｐ盘?hào)沒(méi)出現(xiàn)基線漂移，所以用低通濾波器對(duì)正常心電信號(hào)濾波時(shí)并沒(méi)有太大差別。但異常心電信號(hào)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(méi)有解決基線漂移問(wèn)題。 帶通配合窗函數(shù)濾波 帶通濾波器 是指能通過(guò)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(gè)理想的帶通濾波器應(yīng)該有一個(gè)完全平坦的通帶，在通帶內(nèi)沒(méi)有放大或者衰減。實(shí)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(gè)被衰減但是沒(méi)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(lái)表示。通常，濾波器的設(shè)計(jì)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(jì)更加接近。然而，隨著滾降范圍越來(lái)越小，通帶就變得不再平坦，開(kāi)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(hào)濾波中寫(xiě)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(hào)通過(guò)帶通濾波器，如圖 圖 帶通濾波器濾波后心電圖 與異常信號(hào)心電圖 ，可以看到帶通濾波器解決了基線漂移問(wèn)題。這樣才能為后面 R波檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)我采用的是第二種方案。先將心電信號(hào)用 textread 函數(shù)進(jìn)行讀取，然后通過(guò)編程將原心電信號(hào)顯示，再通過(guò)一個(gè)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(hào)中存在噪聲的特點(diǎn)，基線漂移和呼吸等低頻干擾在 1Hz 以下，而脈搏信號(hào)主要在低頻范圍，所以可以設(shè)計(jì)讓信號(hào)先通過(guò)一個(gè)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(hào)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(zhǎng)度，其中 wc 為對(duì)π歸一化的數(shù)字頻率， 0≤ wc≤ 1。這里因?yàn)槿笔?window 參數(shù)，那么 firl 函數(shù)會(huì)默認(rèn)為 hamming 窗。 用 textread命令讀取脈搏信號(hào)的 TXT 文件 去除基線漂移 通過(guò) Buttord 和 butter 命令組成的巴特沃斯帶通濾波器 通過(guò)哈明窗函數(shù)濾波 濾波信號(hào) 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(hào)及濾波后信號(hào)的局部放大 圖。 圖 原信號(hào)局部心電圖 圖 濾波后的局部心電圖 對(duì)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(shuō)明用帶通濾波加上 hamming 窗濾波實(shí)現(xiàn)了對(duì)心電信號(hào)的預(yù)處理。 當(dāng)然，這次設(shè)計(jì)的心電信號(hào)預(yù)處理可能并不是最好的選擇，也存在一定的缺陷，但對(duì)于這次畢設(shè)完全可以達(dá)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(hào) RQS 波的復(fù)檢 RQS 波的檢測(cè)方案與分析 要對(duì) RQS波進(jìn)行檢測(cè) 就必須先了解 RQS 波的特點(diǎn)。由圖 可知，心電信號(hào)中變動(dòng)最強(qiáng)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(gè)心率之間是不能大于 的。這對(duì)我們判