ECG信号分析与处理系统设计

*****************实践教学*******************某某理工大学计算机与通信学院2015年春季学期信号处理课程设计题目：ECG信号分析与处理系统设计专业班级：通信工程姓名：学号：指导教师：成绩：I摘要系统的研究心电信号处理对疾病的早期预测及家庭医疗保健具有十分重要的意义，一直是生物医学工程领域的研究热点。心血管疾病是人类生命的最主要威胁之一，而心电(Electrocardiogram)，ECG信号是诊断心血管疾病的主要依据，心电信号是心脏电生理活动在体表的表现，提供了心脏功能等生理状况的有重要价值的临床医学信息，是临床心脏病诊断的基础。因此，设计心电信号处理系统具有重要意义。本论文综合运用数字信号处理的理论知识对心电信号进行分析与处理，实现ECG信号的频谱分析，基线漂移检测等，设计滤波器实现心电信号的滤波，滤去高频和低频干扰，实现ECG信号的增强。同时使用陷波器对50Hz的工频干扰进一步滤除，得到比较纯净的心电信号。关键词:心电信号，工频干扰，基线漂移目录摘要····································I一、前言··································1二、心电信号································22.1原始心电信号分析··························22.2心电信号中的噪声··························32.3系统总体设计框图··························4三、设计原理及方法·····························53.1数字滤波器简介···························53.2IIR滤波器的设计原理························53.3IIR滤波器的设计··························53.3.1IIR数字低通滤波器设计过程··················53.3.2IIR数字带通滤波器设计过程··················93.4FIR滤波器····························103.4.1FIR滤波器的设计······················113.4.2FIR数字低通滤波器设计过程·················113.5陷波器······························133.5.1陷波器的基本原理及作用···················133.5.2双T法设计陷波器······················13四、MATLAB简述·····························15五、总结·································16参考文献·································17附录···································181一、前言心电图(ECG)是用来捕捉心脏在一段时间内情况的反映，它通过外部电极连接到皮肤转换成电信号来采集。心脏外面形成的每个细胞膜都有一个关联电荷，它在每次心跳期间去极化。它以微小电信号的形式出现在皮肤上，可以通过心电图探测到并放大显示。早在1900年WillemEinthoven就发明了第一台实用的心电图。该系统很笨重，需要很多人去操纵它。病人需要把他的胳膊和腿放到含有电解液的大型电极中。今天的心电监护设备结构紧凑，携带方便，这样病人走动时也可以带着。家用十二导联心电图可以装在口袋里。目前，心电信号的采集与处理在医用方面也有了重要地位。同时，在处理信号时也存在着诸多问题。在信号采集时，身体的任一微小运动都会产生“基线漂移”，这是一种低频干扰，同时，由于肌电的存在又产生了高频的肌电噪声，由于空间电磁场的存在又使心电信号中混有50Hz的工频干扰。这些噪声不去除，就会影响下一步的信号处理。综合运用数字信号处理的理论知识进行生物医学信号分析与处理，实现ECG信号的频谱分析，基线漂移检测等，设计滤波器实现心电信号的滤波，滤去高频和低频干扰，实现ECG信号的增强。信号处理是一项巨大的挑战，因为实际的信号为0.5MV，它处在一个300mv偏移量环境里。其他因素如交流电的干扰，外科设备的射频干扰，手术植入的的设备如起搏器和生理检测系统也会影响精度。心电图里噪声的主要来源是基线漂移（低频噪声）电力线干扰（来自电力线的50Hz或60Hz噪声）肌肉噪声（这种噪声是很难被清除，因为它是在同一地区的实际信号。它通常在软件里纠正。）其他干扰（例如，来自其他设备的射频噪声）。信号采集以后，存在许多软件算法来去除噪声。基线漂移也是目前存在的比较突出的问题，它是一种存在于心电图系统的低频噪声。是由于点击，呼吸和身体运动的偏置电压造成的。这可能会在分析心电图波形是造成问题。这种噪声可以通过使用硬件实现高通滤波。本文主要介绍了关于几种噪声去除方法以及相应滤波器的介绍。其中着重介绍了IIR滤波器和FIR滤波器。2二、心电信号2.1原始心电信号分析用load函数将原心电信号导入b=load('D:\Users\Data.txt')，并画出心电信号的时域波形和频谱图（幅频和相频），如图1所示:图1原始心电信号的时域波形图及频谱图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10pV～5mV，频率范围在0.05-100Hz以内，而90％的ECG频谱能量集中0.25-35Hz之间，心电信号频率较低，大量的是直流成分，去掉直流，它的主要频率范围是0.05-100Hz，大部分能量集中在0.05-40Hz。(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3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。2.2心电信号中的噪声人体心电信号是一种弱电信号，信噪比低。一般正常的心电信号频率范围为0.05-100Hz，而90％的心电信号(ECG)频谱能量集中在0.25-35Hz之间。采集一种电信号时，会受到各种噪声的干扰，噪声来源通常有下面几种：(1)工频干扰50Hz工频干扰是由人体的分布电容所引起，工频干扰的模型由50Hz的正弦信号及其谐波组成。幅值通常与ECG峰峰值相当或更强。(2)电极接触噪声电极接触噪声是瞬时干扰，来源于电极与肌肤的不良接触，即病人与检侧系统的连接不好。其连接不好可能是瞬时的，如病人的运动和振动导致松动；也可能是检测系统不断的开关、放大器输入端连接不好等。电极接触噪声可抽象为快速、随机变化的阶跃信号，它按指数形式衰减到基线值，包含工频成分。这种瞬态过渡过程可发生一次或多次、其特征值包括初始瞬态的幅值和工频成分的幅值、衰减的时间常数；其持续时间一般的1s左右，幅值可达记录仪的最大值。(3)人为运动人为运动是瞬时的(但非阶跃)基线改变，由电极移动中电极与皮肤阻抗改变所引起。人为运动由病人的运动和振动所引起，造成的基线干扰形状可认为类似周期正弦信号，其峰值幅度和持续时间是变化的，幅值通常为几十毫伏。(4)肌电干扰(EMG)肌电干扰来自于人体的肌肉颤动，肌肉运动产生毫伏级电势。EMG基线通常在很小电压范围内。所以一般不明显。肌电干扰可视为瞬时发生的零均值带限噪声，主要能量集中在30-300Hz范围内。(5)基线漂移和呼吸时ECG幅值的变化基线漂移和呼吸时ECG幅值的变化一般由人体呼吸、电极移动等低频干扰所引起，频率小于5Hz；其变化可视为一个加在心电信号上的与呼吸频率同频率的正弦分量，在O.015-O.3Hz处基线变化变化幅度的为ECG峰峰值的15％。(6)信号处理中用电设备产生的仪器噪声心电信号是由人体心脏发出的极其精密、相当复杂并且有规律的微弱信号，外界干扰以及其它因素的存在都会使其变得更为复杂，要准确地对其进行自动检测、存储、分析却是一项十分艰巨的任务。例如，工频干扰信号对心电图的影响会使心电信号的特征点定位变得十分困难。因此，心电信号的监视、分析必须在建立在有效抑制各种干扰、检测出良好的心电信号的基础之上。(7)共模信号(commonmodesignal)从体表采集到的信号除了人体心脏产生的电信号外，还包含许多与心电无关的电信4号。由于体表各个导联均可看到这些信号，故称为共模信号。共模信号强度可以远远大于心电信号，从而干扰心电图分析。为了抑制基线漂移，设置了0.5Hz高通滤波；由于心电信号属于低频信号，设置了二阶低通巴特沃斯滤波器，消除100Hz以上的高频成分（带通滤波）；为了消除50Hz工频干扰，设置50Hz陷波器。2.3系统总体设计框图图2系统总体设计框图心电信号频域信号心电信号时域分析Load命令读取心电信号Butterworth高通滤波器去除基线漂移Butterworth低通滤波器去除工频干扰产生的毛刺Butterworth带通滤波器去除肌电噪声陷波器去除50Hz工频干扰布拉克曼窗低通滤波器去除工频干扰产生的毛刺5三、设计原理及方法3.1数字滤波器简介数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统，通过对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。可以设计系统的频率响应，让它满足一定的要求，从而对通过该系统的信号的某些特定的频率成分进行过滤，这就是滤波器的基本原理。如果系统是一个连续系统，则滤波器称为模拟滤波器。如果系统是一个离散系统，则滤波器称为数字滤波器。信号通过线性系统后，其输出就是输入信号和系统冲激响应的卷积。从频域分析来看，信号通过线性系统后，输出信号的频谱将是输入信号的频谱与系统传递函数的乘积。除非为常数，否则输出信号的频谱将不同于输入信号的频谱，某些频率成分较大的模，因此，中这些频率成分将得到加强，而另外一些频率成分的模很小甚至为零，中这部分频率分量将被削弱或消失。因此，系统的作用相当于对输入信号的频谱进行加权。3.2IIR滤波器的设计原理IIR数字滤波器的设计一般是利用目前已经很成熟的模拟滤波器的设计方法来进行设计，通常采用模拟滤波器原型有butterworth函数、chebyshev函数、bessel函数、椭圆滤波器函数等。IIR数字滤波器的设计步骤：(1)按照一定规则把给定的滤波器技术指标转换为模拟低通滤波器的技术指标；(2)根据模拟滤波器技术指标设计为响应的模拟低通滤波器；(3)根据脉冲响应不变法和双线性不变法把模拟滤波器转换为数字滤波器；如果要设计的滤波器是高通、带通或带阻滤波器，则首先把它们的技术指标转化为模拟低通滤波器的技术指标，设计为数字低通滤波器，最后通过频率转换的方法来得到所要的滤波器。3.3IIR滤波器的设计3.3.1IIR数字低通滤波器设计过程IIR滤波器系统函数的极点可以在单位圆内的任何位置，实现IIR滤波器的阶次较低，所用的存储单元少，效率高，又由于IIR数字滤波器能够保留一些模拟滤波器的优良的特6性，因此应用很广。设计数字滤波器的方法主要有基于冲激响应不变法的IIR数字滤波器设计，基于双线性Z变换的IIR数字滤波器设计，数字高通，带通及带阻IIR滤波器设计。我们所使用的方法是基于双线性Z变换的IIR数字滤波器设计。按照技术要求设计一个模拟滤波器，得到模拟低通滤波器的传输函数H（s），再按一定的转换关系将H(s)转换成数字低通滤波器的系数函数H(z)。这样设计的关键问题就是找到这样的转换关系，将s平面上的H(s)转换成z平面上的H(z)。(1)巴特沃斯滤波器分母多项式的因式表示，如表1所示：表1巴特沃斯滤波器分母多项式的因式表示(2)巴特沃斯低通滤波器的阶数公式N=log10((10^(As/10)-1)/(10^(Rp/10)-1))/(2*log10(ws/wp