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1、基于MATLAB的心电信号去噪设计报告摘要心脏是人体血液循环的动力源泉，而心脏病作为一种多发慢性疾病，却是威胁人类生命的主要疾病。心电图作为一种无创伤性的检查手段，对于心脏基本功能诊断和病理研究具有重要参考价值，在临床上的作用无可替代。研究开发具有心电信号采集、预处理、自动诊断、远程监护等功能心电监护诊断系统，可以及早发现心脏病征兆，可以给予心脏病患者实时监护，因此具有很高的临床价值和应用价值，满足人们对提高生命和生活质量的要求，是心电图设备的发展方向。心电信号在心脏疾病的诊断中具有不可替代的地位，心电信号在采集、放大、检测、记录过程会受到多种噪声的干扰，包括由电力系统引起的工频干扰，人体呼吸
2、引起的基线漂移、肌肉震颤引起的肌电干扰、电极脱落引起的电极接触噪声以及运动伪差等。由于生物电十分微弱，存在的噪声会对心电信号分析产生很大影响，所以采集心电信号后的首要任务便是滤波。心电信号相对于存在的环境是一种微弱信号，极易受到噪声的干扰。针对现有算法的不足和心电信号去噪的具体要求，本文提出了基于MATLAB的心电信号去噪算法，可以很好的去除心电信号中的高频噪声，分别利用不同滤波器处理非稳态信号的优势，算法复杂度减小，信噪比提升大，实时性好。结合小波分解与重构算法可以完美地去除心电信号中的噪声。本文对三种不同滤波器用于工频干扰、基线漂移和肌电干扰问题作了研究，重点解决工频波动和基线漂移导致ST
3、段频率重叠问题。分别使用Butterwort滤波器、切比雪夫滤波器和零相移滤波器对工频干扰、肌电干扰和基线漂移等噪声进行初步滤除。由于三种滤波器的局限性未能将噪声完全滤去，所以我们最后采取小波变换对初步滤波后的心电信号进行改善和修复，得到较为纯净的心电信号。关键词：心电信号 小波变换 Butterwort滤波器 切比雪夫滤波器 零相移滤波器一、问题的重述1.1 问题背景心电信号十分微弱，在某些采集过程中，比如运动心电，由于受到仪器、人体等多方面影响，心电信号会受到强干扰的影响，引起心电信号畸发。具有高信号质量心电信号对心电特征参数提取和进一步分析诊断具有决定性的意义，因此必须对心电信号进行预处
4、理，以便获得具有高保真度的心电数据。常见的心电信号干扰包括 50Hz/60Hz 工频干扰，由人体肌肉颤动引起的肌电干扰以及由病人在采集过程中呼吸，活动所引起的基线漂移等类型。1.2 问题的提出请根据提供的心电信号数据，使用 Matlab，设计并实现滤除所提到的噪声滤波算法。方案设计清晰明确，算法简洁高效，能滤除心电噪声，滤波过程不使心电信号产生畸发。二、研究背景和意义2.1 心电图介绍心脏规律的搏动是维持人类正常生命活动的根本，心脏的电活动是心脏规律性搏动的起因。心电图(Electrocardiogram，简称ECG)，就是在人体体表描记的体现心脏电活动的曲线自1887年，Waller用毛细血
5、管静电计描记出人类第一份心电图，到1903年荷兰莱顿大学的生理学家Willem Einthoven，用弦线性心电流计描记出满意的心电图波群HJ，并推广到临床，再到1957年Holter发明了磁带连续记录24小时动态心电图，这一次次飞跃使得心电信息学根深叶茂。心电图对于诊断心肌梗塞、心室心房肥大、冠状动脉供血不足和心律失常等疾病，有重大的价值，并且是迄今为止分析和鉴别各类心律失常最精确的方法。窦房结(SA node)是心脏电活动的起始点，它是位于右心房上壁的一组神经肌肉纤维组织。处于静息状态的细胞，细胞膜外主要分布正电荷，膜内分布负电荷，这个状态称作细胞的极化状态。当处于极化状态的细胞受到刺激，
6、内外的电荷分布就产生变化，膜外分布负电荷，膜内分布正电荷，这就是除极过程。此时细胞膜内外分别形成电位差，电流就沿着心脏的传导途径流向所有细胞，最后细胞复极后又恢复成原来的静息状态，准备接受下一个激动。心脏传导系统示意图，如图2-1所示。图 2-1 心脏的传导系统正常的心电图是近似周期信号，在每个心动周期呈现一定的规律性，一个心电周期的心电波形如图2-2所示，它主要由波、段、间期组成。各波依其发生的先后次序称为P波、QRS波、T波，有时一个小的U波会出现在T波后。心电图中的“段”，是前一个波终点到后一个波起点间的距离，一个正常的心电波形包含PR段和ST段各一个。各波间的距离则称作“间期”，一个正
7、常的心电波形通常包含PR间期(或PQ间期)、QT间期各一个，外加一个QRS复波。图2-2 心电图各段名称窦房结产生的电流会依次传到两个心房，首先传到右心房，再传到左心房。P波是每个心动周期出现的首个波形，是由两个心房除极形成的，持续时间一般在0.60.12s。PR段，是在心房除极后，激动传到房室结、希氏束和左右束支的这一段间期，在心电图中呈现的是一条水平线，这条水平线称之为基线。P-R间期包括P波和P-R段这两部分，它表示激动由心房传到心室所需的时间，正常的P-R间期约为0.120.20s。QRS波群是由两个心室除极形成的，正常的心室除极间期最长约为0.1s。波群中最初向上的波称为R波，它是在
8、基线之上的正向波。在R波之前的向下波称为Q波，它是在基线之下的负向波，在R波之后的负向波为S波。ST段是指S波结束到T波开始前一段波形，它是两个心室复极的早期。ST段在正常时是等电位的，即波形在静止电位基线上，一般持续时间大约为0.08s。T波是由心室快速复极产生的电位变化。Q-T间期，包括QRS波群、ST段和T波，它反映心室除极与复极过程的总时间，正常的Q-T问期大约是0.4s。U波一般被看作是浦肯野纤维的复极化产生的，在个别人的心电图中会出现。一个正常的心动周期持续时间一般在0.6-1.0s，它代表了每分钟心脏跳动的次数。因此，正常人的心跳次数一般在60-100次分范围内。2.2 心电信号
9、中的噪声干扰心电信号中噪声的分析与抑制是该学科中的关键问题之一，是心脏功能诊断之前核心环节。在心电信号的采集过程中，通常会受到以下几种噪声干扰的影响：1工频干扰工频干扰是工程设备中普遍存在的干扰，它是由人体与大地分布电容引起的位移电流。工频干扰在心电信号中主要表现为正弦信号的叠加，由于各国的工频频率不同，其频率主要集中在5060Hz及其谐波。工频干扰会使心电信号的信噪比大大下降，是心电信号分析前首要要去除的噪声。工频干扰影响的心电信号如图2-3所示。图 2-3 受工频干扰的心电信号2基线漂移基线漂移是由人体呼吸或者电极移动引起的，在心电信号的采集过程中它的幅度和频率时刻在发生着变化。基线漂移的
10、特性类似于缓慢变化的正弦曲线，频率在O052Hz之间。它的频率与心电信号中ST段的频率部分重叠，而ST段是用来判断心肌梗塞和心肌缺血的重要依据。为了避免误诊，基线漂移是心电信号分析前必须去除的噪声。受基线漂干扰影响的心电信号如图2-4所示。图 2-4 基线漂移的心电信号3肌电干扰肌电干扰是由肌肉震颤引起的，持续的时间通常为50ms左右，它的频率范围从直流可以延伸到几千Hz以上，表现为快速变化的不规则的曲线。受到肌电干扰影响的心电信号如图2-5所示。图 2-5 受肌电干扰的心电信号2.3去噪意义及难点人体的心电信号一般采用无创体表的采集方法获得，尽管心电信号经过了成千上万倍的放大，其幅度仍停留在
11、毫伏级，十分微弱。由于受人体、仪器等多方面的影响，在采集、放大、检测、记录心电信号的过程中，会引入工频干扰、基线漂移、肌电干扰和系统噪声等。微弱的心电信号受到这些噪声的影响，原来波形中含有的特征信息被淹没，对心电疾病和心脏功能的识别和诊断造成困扰。其中工频干扰会使心电信号的信噪比大大下降，尤其在采集环境较差时，工频干扰会掩盖所有有用信息。随着心电技术的不断进步，便携式以及可穿戴心电采集技术得到了很大发展，这些设备中往往存在基线漂移较严重的现象。因此必须要在心电信号特征波形分析之前对其进行去噪处理，以便获得纯净的心电信号，进行准确的心电分析和诊断，而工频干扰和基线漂移的抑制尤为重要。由于电力系统
12、不稳定，工频干扰一般会在主频周围出现1Hz的波动，并且由于各地电力系统的差异，波动范围甚至会达到+3Hz。当工频干扰的频率产生波动时，常用的工频干扰滤波器，就失去了作用，这时工频干扰将会掩盖心电信号中的有用信息，对工频干扰波动的去除是心电信号去噪中的难点。虽然滤除基线漂移的方法众多，但是对于ST段和基线漂移频率重叠这个现象，还没有较好的滤波方法。而心电信号中的ST段，是诊断心肌缺血等疾病的重要依据，所以怎样较好的滤除基线漂移，同时又不对ST段产生影响，一直是心电信号滤波中的热点和难点。没有较好的滤波方法。而心电信号中的ST段，是诊断心肌缺血等疾病的重要依据，所以怎样较好的滤除基线漂移，同时又不
13、对ST段产生影响，一直是心电信号滤波中的难点。三、心电信号去噪的研究现状3.1 传统去噪方法1工频干扰从心电信号出现，工频干扰去除就一直是心电信号滤波中的热点。去除工频干扰的方法主要有以下几种：(1)平滑滤波虽然平滑滤波算法简单，并且处理速度较快，但是对于QRS波有比较大的削峰作用，会使心电信号出现较大衰减，无法达到临床诊断的要求。(2)陷波滤波器陷波滤波器即带阻滤波器，为了尽量减少滤波器对心电信号本身的影响，陷波滤波器通常具有很窄带宽、尖锐特性，但是尖锐特性必然导致延时较大。(3)小波变换法小波变换能够将频率细化，通过对细化后的频率进行处理，达到去除噪声的目的。小波变换能较好的去除心电信号中
14、的工频干扰，但是计算量较大，运行时间较长。（4)Levkov滤波法Levkov滤波是1984年由Levkov提出的，在1988年CHristov对其进行了改进。Levkov滤波法能够跟随噪声频率的变化，便于实时处理。但Levkov滤波算法，要求心电信号的采样频率是工频频率的整数倍，以及要求在一个工频采样周期内工频干扰采样点幅值的代数和为0，而一般的心电信号都达不到这些要求，此外Levkov滤波法对QRS波也有削峰影响，会造成信号失真。(5)自适应滤波器自适应滤波不会使心电信号产生失真，对工频干扰波动有一定作用，滤波后能有较高的信噪比。但是自适应滤波的缺点是需要参考信号、算法较复杂。2基线漂移由
15、于基线漂移会使心电信号中ST段有较大的改变，对于心电信号中基线漂移噪声的研究也一直都层出不穷，方法主要有以下几种：(1)高通滤波通常采用的滤除基线漂移的高通滤波器，截止频率设定在0.7Hz左右，对0.7-2Hz的基线漂移没有效果，但若将截止频率的值设定的较高，则会对ST段产生影响。(2)中值滤波中值滤波去基线漂移法是通过利用一定窗宽的中值滤波器来提取基线漂移，然后用受污染的心电信号减去提取的基线漂移，从而得到纯净的心电信号。中值滤波算法简单，计算速度快，效果明显，对ST段有一定的保护作用，但只适用于精度要求较低的场合。(3)曲线拟合法一般用曲线拟合的方法是从心电信号中拟合出基线漂移，效果取决于拟合方法的选取和拟合的基准点选择。滤波的效果与信号的长度有关，处理的信号长度越长，效果越好。(4)形态学滤波形态学运算是在形态学开、闭运算，以及由这两种运算组合成的腐蚀、膨胀的基础上，用不同的结构元素，对ECG信号产生削峰、补谷的作用，从而实现从ECG中去除基线漂移或者提取基漂移的作用。形态学滤波对基线漂移有较好的抑制作用，缺点是结构元素固定，会使ST段产生抬高的现象。(5)小波变换小波变换去除基线漂移的原理与前面去除工频干扰的相同，即利用小波基函数将待处理信号分解成不同尺度上的近似信号与细节信号，基线漂移集中于低频部分，所
