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1、阿南科鞍女曇课程设计说明书课程名称 医学信号处理题目丑 MATLAB的心电信号的分析打处理设计（2）院 系医学技术与工程学院 班-级医疗器械工程111班 学生姓名指导教师 侯海燕宋卫东 日 期 2014年9月11号课程设计任务书（指导教师填写）课程设计名称医学涪号处理学生姓名 专业班级医疗器械工程111班设计题目基于MATLAB的心电信号的分析与处理设计（2）一、课程设计目的1. 熟练掌握使用MATLAB程序设计方法2. 学握数字信号处理的基本概念、理论、方法3. 学握序列离散傅里叶变换的MATLAB实现，并进行频谱分析4. 熟练学握使用MATLAB设计IIR或FIR数字滤波器5. 学会用MA
2、TLAB对信号进行分析和处理二、设计内容、技术条件和耍求一）设计内容与技术条件1. 根据给定的一段MIT-BIH心电信号（101号），画出心电信号的时域波形和频 谱图（幅频和相频）：2. 根据心电信号频率范围及其噪声的频率范围设计2个滤波器（一个IIR, 个 FIR）实现对心电信号滤波。滤波器的种类（高通，低通，带通，带阻），滤波 器性能指标（通阻带截止频率，衰减系数），滤波器的设计方法（11R有冲击响 应不变法和双线性变换法，FIR有窗潢数法及频率抽样法）等口行设计。耍求输 出所设让的滤波器的系统函数，画出滤波器的频率响应（幅频响应和相频响应） 曲线；3. 用该滤波器对心电信号进行滤波，画出
3、滤波以后心电信号的时域波形和频谱（幅频）；分析信号滤波前后心电信号的时域和频域的变化；4. 两个滤波器滤波效果界同分析；5. 运用GUI设计一个心电信号处理系统界面。（选作）二）设计要求1. 根据滤波器的性能指标耍求，设计数字滤波器；2. 程序中按照I1R滤波器的步骤一步步完成设计；尽可能的少调用MATLAB自带 的函数文件；3. 设计程序耍通用性好.整齐易懂.并耍求主耍语句有注释；4. 设计结果中的图示要美观，整齐，有标题，有纵横坐标标示：5. 课程设计报告要冇理论依据、设计过程，结果分析。报告要求实事求是、文 理 通顺、字迹端正。三、时间进度安排9月1日：查阅资料，复习医学信号处理课程的相
4、关内容，熟悉MATLAB的T作坏境, 掌握运算编程方法。9月2日5日：按照课程设计耍求，完成课程设计的程序设计部分。9月8日10日:调试并完善程序,撰写课程设计说明书。9月1T12FI：答辩。四、主耍参考文献 参考资料(1) 数字信号处理理论、算法与实现胡广书淸华人学出版社(2) 数字信号处理及MATLAB实现余成波清华大学出版社(3) MATLAB7. 0在数字信号处理中的应用罗军辉机械工业出版社(4) 数字信号处理原理及其MATLAB实现从玉良电子工业出版社(5) MATLAB帮助文件相关网站(1) 1ATLAB中国论坛http:/www. labfans, com(2) MATLAB学习
5、网http:/www mat labs, cn2014年8月25日(3) MATLAB 中文论坛 http:/www. i lovemat lab. cn指导教师签字：侯海燕目录1、设计ri的意义12、设计内容12. 1设计原理12. 2耍求12. 3内容13、计过程及分析13. 1原始心电信号分析13、2设计滤波器34、结果分析75、参考文献7附录81、设计目的意义木次课程主要达到以下儿个目的：（1）熟练掌握使用MATLAB程序设计方法（2）掌握序列离散傅里叶变换的MATLAB实现，并进行频谱分析（3）熟练荤握使用MATLAB设计IIR或FIR数字滤波器2、设计内容2. 1设计原理（1）频谱
6、分析（傅里叶变换）（2）滤波器设计I1R （冲激响应不变法，双线性变换法）详解见附录FIR （窗函数法，频率抽样法）详解见附录（3）信号滤波（时域卷积，频域相乘）2. 2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：心电数抓；（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。2.3内容（1）原始心电信号的时域波形和频谱图（幅频和相频）。（2）IIR滤波器的频率响应（幅频响应和相频响应）Illi线；原始心电信号 经HR滤波器滤波后的心电信号的时域波形和频谱图（幅频和相频）；（3）F1R滤波器的频率响应（幅频响应和相频响应）曲线；原始心电信号 经
7、F1R滤波器滤波后的心电信号的时域波形和频谱图（幅频和相频）；3、设计过程及分析3. 1原始心电信号分析用 load 函数将原心电信号导入 b = load（C:UsersAdministratorDesktopiS；fi 设i+MOlecg.txf）,并画出心电佶号的时域波形和频谱图（幅频和和频），如图1 所示:12原始心电信号的时域波形图12345678910时间t/s原始心电信号的频谱图O2 0 250100150200250300350频率/HZ原始心电信号的相频图500050qp、5g50100150200250300350频率/Hz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
8、到人体诸多因素的影响，因而冇着-般信号所没冇的特点:(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,频率为0. 05lOOIlzo例如从母体腹部收取到的胎儿心电信号仅10 / zV 50 / TV.(2) 噪声强。由于人体自身信号弱，加Z人体乂是一个复杂的系统，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。可能出现的噪声冇如下的种类：1) 工频干扰工频
9、干扰是山电力系统和人体的分布电容引起的，其频率包括5011z(MlT-Blll数 据库数拥工频因为是美国标准，所以是60啟)的基波及其各次谐波，英幅值成分 在ECG峰一蜂值的050%范围内变化。2) 引起基线漂移的干扰心电信号有时候会出现信号基线起伏不平的现彖，造成这样的现彖有很多原 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，表现为加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
10、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,其中导联开路和放人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來校E。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冀。肌电噪声的 特点是频率范围较广，频谱分布非常复杂。
11、3. 2设计滤波器(1)IIR滤波器的设计1) IIR滤波器的设计过程：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), 再按定的转换关系将H(s)转换成数字低通滤波器的系数因数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ll(s)转换成z平面一上的 H(z).2) 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名项式的因式农示H多项式因于12S2 * 1.41413(s 心* 1)4* 0.76545 + 1X2 * 184785 - 1)5(s - ix 0.61 SOj? t 1XF T 1 6180 6(十 0.517
12、6s - 1X2 - 1.41-U 十 IX-s2 十 1-93183 + 1)7(s * 1府亠 0 4450s * 1府亠 1.247$ - 1 心， 1 8022s 亠 1)8O2 * 0.39865 * 1X2 * 1 1 Ils * 1心： 1 6G30s * X 9622s - 1)3) 巴特沃斯低通滤波器的阶数公式N=log 10(10A(As/l 0)-1 )/(10A(Rp/10)-1 )/(2*log 10(ws/wp)4) 巴特沃斯低通滤波器前数由巴特沃斯低通滤波器的阶数公式和巴特沃斯滤波器分母多项式的因式表 示求出归一化巴特沃斯低通滤波器Has (s )N=7则 Has
13、(s)=l/(s+l)*(sA2+0.4450s+l)*(sA2+1.247s+l)*(sA2+1.8022s4-l)5) 巴特沃斯低通滤波器的频域特性，如图2所示：图2巴特沃斯低通滤波器的和频和幅频特性6) 经过巴特沃斯低通滤波器器后心电信号的时域波形和频谱图，如图3所示:澹波后时域波形1234567时间Vs滤波后心电信号的频谱图8910O2 0-250100150200250频率/Hz滤波后心电信号的相频持性300350o o o O5 0 5O5 0-5 PE虽忘50100150200250频率/Hz300350图3经过巴特沃斯低通滤波器器后心电信号的时域波形图和频谱图对比原始信号的时域
14、波形图和频谱图可得通过低通滤波器后的心电信号波 形图可以明显看出波形变得平滑，由工频F扰产生的毛刺被低通滤波器成功滤 除。(2) FIR滤波器的设计1) fir滤波器的设计过程:厂qc I c 给定理想的频率响应两数Hd(ejw)及技术指标& , Aw; 求出理想的单位抽样响应hd(n); 根据阻帯衰减选择窗函数w(n); 根据过渡带宽度确定N值N=A/A w; 求所设计的FIR滤波器的单位脉冲响应h(n)=hd(n)*w(n); 计算频率响应lld(ejw),验算指标是否满足要求。2) 布拉克曼窗低通滤波器的频域特性，如图4所示：100(8P)Dpmc6ew-200/、口6V YV vv00.10.20.30.40.50.60.70.80.9Normalized Frequency (xk rad/samplo)100(sas?6ap) asd-500-1000-1500-200000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Normalized Frequency (xn rad/sample)图4布拉克曼窗低通滤波器的和
