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1、*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：专业班级 ：ECG信号分析与处理系统设计通信工程姓名：学号：指导教师 ：成绩：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
2、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I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
3、 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 18一、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 Willem Einthoven 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
4、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
5、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
6、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。1二、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:UsersData.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 10pV5mV，频率范围在 0.05-100Hz 以内，而 90的 ECG频谱能量集中 0.25-
7、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2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 0.05-100 Hz，而 90的心电信号 (
8、ECG)频谱能量集中在 0.25-35 Hz 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50 Hz 工频干扰是由人体的分布电容所引起，工频干扰的模型由50 Hz 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
9、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 30-300 Hz 范围内。(5) 基线漂移和呼吸时 ECG幅值的变化基线漂移和呼
10、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 5 Hz ；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 (commonmode signal)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3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 100 Hz 以上的高频成分（带通滤波）；为了消除 50 Hz 工频干扰，设置 50 Hz 陷波器。2.3 系统总体设计框图Load 命令读取心电信号心电信号时域分析心电信号频域信号Butterworth
