【正文】 ................................................................................................ 26 傳感器原理說明 .................................................................................................. 27 ARDUINO單片機介紹 ............................................................................................. 28 本科生畢業(yè)論文 數字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 5 第一章 本文研究目的 生理信號能夠很好的反映出人體各子系統(tǒng)的生理狀態(tài)和病理改變 ,廣泛地應用于很多種臨床病癥的檢測和診斷之中。本文主要討論如何提取出脈搏信號以及對脈搏信號的初步分析。近年來一些國外的研究人員對人體脈搏信號和中醫(yī)診脈理論的研究也發(fā)生了很深的興趣 ,他們是為了開展無創(chuàng)傷的診療技術和減少醫(yī)療資費。 脈搏波傳播的現代分析是從 20 世紀 50 年代開始的 ,之后一些國內外研究學者在動脈管段中建立了脈搏波的線性化模型 ,并發(fā)展了彈性腔模型模型。 國外學者側重于研究模型而國內學者則更傾向于信號的檢測與 分析。但是脈搏信號包含大量的信息 ,包括時域方面的信息和頻域方面信息 ,單一的波速并不能反映人體各方面的生理問題。 國內一些學者從 80 年代以來 ,致力于對脈搏信號在頻域方面進行分析 ,對脈搏信號做快速傅里葉變換 ,然后可以把脈搏信號頻譜圖畫出來，從而提取人體生理病理的信息 ,初 步取得了有意義的結果。 于是想到采用 Matlab 作為數學工具，可以把采集到的信號直接進行處理，獲得到脈博信號的參數，該軟件的功能和工具箱很豐富，可處理各種數字信號，解決實際工程問題，實現起來簡單高效。 第二章 濾波器的設計 噪聲類型 人體的脈搏信號是一種很微弱的信號，且具 有較低的信噪比，常人的脈博信號的頻率范圍是在 020Hz 之間，且大約 99%的能量分布在 010Hz 之間，在檢測和采集脈搏信號時，由于儀器、人體活動等方面存在影響，所采集到的信號中通常包括干擾信號和脈搏信號，其中最主要的干擾信號有： （ 1）基線漂移、人體呼吸等低頻干擾，頻率小于 1Hz； （ 2）工頻干擾，是固定頻率的干擾，頻率為 50Hz（可選）； （ 3）其他一些高頻干擾信號。 IIR 數字濾波器 雖然能夠用很低的階數得到較高的選擇性，而且幅頻特性也比較好，但是相位曲線卻不是嚴格的線性。綜合以上的分析我們進而選用 IIR 數字濾波器。 其中 Chebysheve I 型濾波器通帶內是等波紋的，阻帶內是單調的；ChebysheveⅡ型濾波器通帶是內單調的，然而阻帶內卻是等波紋的； Butterworth本科生畢業(yè)論文 數字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 7 濾波器在通帶內的幅頻響應曲線最為平滑，然而截止頻率的坡度變小了；橢圓濾波器雖然在阻帶和通帶內均為等波紋的，但下降的坡度很大，并且還能以更低的階數來 達到和其他兩類濾波器相同的性能指標。截止特性越好，相位失真就越嚴重，不能同時滿足以上兩種要求。 然后通過 階數 N和截止頻率 Wn 又能夠 計算 Butterworth 濾波器 的 分子 和 分母系數 的系數，其中 b為分子系數 的矩陣 ， a 為分母系數的 矩陣，可以通過設置 ftype來設置濾波器的類型，默認不寫為低通， high 為高通， bandpass 為帶通， stop為帶阻。ftype39。ftype39。 （ 5） 零相位數字濾波 調用 格式： y = filtfilt(b,a,x)； 具體受用方式為 y = filtfilt(b,a,x)，這樣就可以把 輸入信號 x做前向和反向的 處理， 就是 零相位 的 數字濾波。 本實驗中采集脈搏信號的采樣頻率為 1000Hz，可以采用以下幾種濾波器： （ 1）為了消除基線漂移、人體呼吸等低頻干擾我們需要選用 ChebysheveⅡ型高通濾波器，但是 IIR 數字濾波器本身會存在相位失真，因設計了零相位ChebysheveⅡ型高通濾波器進行去噪。 （ 2） 50Hz 的固定工作頻率在頻域中只是一個點，因而就需要帶阻濾波器應該具有好的截止特性，前面說過 ChebysheveⅡ型濾波器有良好的截止特性，并且在其通帶內也是單調的，采用零相位的 ChebysheveⅡ型濾波器濾除工作頻率的干擾。 ChebysheveⅡ帶阻濾波器的參數為： Wp=[48,52]/(fs/2)， Ws=[49,51]/(fs/2)， Rp=1,Rs=40。 （ 3）由于 Butterworth 濾波器通帶內幅頻特性比較平滑，信號經過后衰也就會相對的減小，所以選擇 Butterworth 低通濾波器用于濾除其他一些高頻干擾信號。 Butterworth 低通濾波器的參數為：本科生畢業(yè)論文 數字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 9 Wp=55/(fs/2)， Ws=80/(fs/2)， Rp=2， Rs=20。 這里所設計的 ChebysheveⅡ型高通濾波器 和 ChebysheveⅡ型帶阻濾波器還有Butterworth 型低通濾波器幅頻響應曲線 ,如圖 和 和 ： 圖 ChebysheveⅡ型高通濾波器幅頻響應 圖 Chebysheve II 型帶阻濾波器幅頻響應 本科生畢業(yè)論文 數字信號處理算法研究 基于人體脈搏信號 11 圖 Butterworth 型低通濾波器幅頻響應 將圖 ChebysheveII型高通濾波器和 Butterworth低通濾波器濾后 ，借以濾除噪聲干擾信號。 圖 去除噪聲后的脈搏信號 從時域圖 信號已經基本去除，接下來就可以對其進行進一步的時域分析。 fs = 1000。%通帶截止頻率 。%阻帶截止頻率 。%通帶波紋系數 。%阻帶波紋系數 。 [num,den]=cheby2(N,rp,wc,39。)。 plot(fs*W/(2*pi),abs(H))。頻率 39。 ylabel(39。)。ChebysheveII 型高通濾波器幅頻響應 39。 x1=filtfilt(num,den,x)。 grid on。 plot(x1)。ChebysheveII 型高通濾波器濾波后的脈搏信號 39。 xlabel(39。)。幅度 39。 grid on。 fs = 1000。%通帶截止頻率 。%阻帶截止頻率 。%通帶波紋系數 。%阻帶波紋系數 。 [num2,den2]=cheby2(N2,rp2,wc2,39。)。 plot(fs*W2/(2*pi),abs(H2))。頻率 39。 ylabel(39。)。ChebysheveII 型帶阻濾波器幅頻響應 39。 x2=filtfilt(num2,den2,x1)。 grid on。 plot(x2)。ChebysheveII 型帶阻濾波器濾波后的脈搏信號 39。 xlabel(39。)。幅度 39。 grid on。 fs=1000。%設置通帶截止頻率 。%設置阻帶截止頻率 。%通帶波紋系數 。%阻帶波紋系數 。 [num3,den3]=butter(N3,wc3)。 figure。 title(39。)。頻率 39。 ylabel(39。)。 x3=filtfilt(num3,den3,x2)。 figure。 title(39。)。時間 /ms39。 ylabel(39。)。 脈搏信號時域特征 脈搏信號的特征點 我們可以通過對采集到的脈搏信號進行深入的波形分析 ,這樣就需了解標準的脈搏信號所表現出來的出的標準的