基于matlab的心電信號(hào)QRS波檢測(cè)與分析

1、燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書題目：基于 matlab的心電信號(hào) QRS波檢測(cè)與分析學(xué)院（系）：電氣工程學(xué)院年級(jí)專業(yè)：10生物醫(yī)學(xué)工程1班學(xué) 號(hào):10010304xxxx學(xué)生姓名：XXX指導(dǎo)教師：XX教師職稱：副主任燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書院（系）：電氣工程學(xué)院基層教學(xué)單位：生物醫(yī)學(xué)工程系學(xué)號(hào)10010304xxxx學(xué)生姓名XXX專業(yè)（班級(jí)）10生物醫(yī)學(xué)工程1班設(shè)計(jì)題目基于 matlab的心電隹T號(hào)QRS波檢測(cè)與分析設(shè)計(jì)技閾值=0.6相對(duì)幅值的差術(shù)采樣點(diǎn)數(shù)N=256參米樣頻率f=100 Hz數(shù)設(shè) 計(jì)要 求能夠準(zhǔn)確的提取與分析QRS波繪制圖表來(lái)說(shuō)明檢測(cè)結(jié)果工 作 量學(xué)會(huì)使用matlab軟件了解人體

2、生理信號(hào)的特征對(duì)心電信號(hào)有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)與掌握搜集一組正常人體心電信號(hào)數(shù)據(jù)，編寫 matlab程序，并對(duì)它進(jìn)行分析與檢測(cè)根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果寫出才給工作計(jì) 劃1.查資料，確認(rèn)題目 2.編寫任務(wù)書及審定 3.編寫程序及調(diào)試4.編寫說(shuō)明書 5.完成任務(wù)書及設(shè)計(jì)要求參考資料1周輝數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)及Matlab實(shí)現(xiàn)中國(guó)林業(yè)出版社20052肖偉劉忠 Matlab程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用清華大學(xué)出版社20053錢同惠編著 數(shù)字信號(hào)處理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004指導(dǎo)教師簽字XX基層教學(xué)單位主任簽字XXX說(shuō)明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份2013年12月5日word資料目錄MATLAB軟件介紹2、

3、 概述33、 ECG特征參數(shù)及分析4 3.1 心電信號(hào)的特點(diǎn)4 3.2 心電信號(hào)的特征參數(shù)44、 QRS波得檢測(cè)與分析5 4.1 以軟件為主的方法實(shí)現(xiàn) QRS波的檢測(cè)54.2 QRS波檢測(cè)方法與程序55、 心得體會(huì)146、 參考文獻(xiàn)14一、 MATLAB軟件介紹MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)稱，是美國(guó) MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是由美國(guó)MathWorks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)

4、算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于 使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾 多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互 式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如 C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟 件的先進(jìn)水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科 技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制 函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要 應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融 建模

5、設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單元是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用 的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解決問(wèn)題要比用C, FORTRAN等語(yǔ)言完成 相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且 MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)。在新 的版本中也加入了對(duì) C, FORTRAN, C+, JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用，用 戶也可以將自己編寫的使用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛(ài)好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn) 行下載就可以用。概述2.1 ECG處理的意義生物醫(yī)學(xué)信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，它是由復(fù)雜的生命體 發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號(hào)

6、。作為一種對(duì)判斷人體生命狀況極其重要的生理信 號(hào)，處理心電信號(hào)就顯得很有必要，尤其在臨床診斷上的應(yīng)用。應(yīng)用計(jì)算機(jī)分析心電信號(hào)，已經(jīng)越來(lái)越廣泛的用于心臟功能檢查（Holter系統(tǒng)）、心電監(jiān)護(hù)等方面，而心電分析中的首要的關(guān)鍵問(wèn)題是 QRS波的檢測(cè)可靠的檢測(cè)不僅是診斷心律失常的重要依據(jù)，而且只有在QRS波確定之后，有可能計(jì)算心率并進(jìn)行心率變異分析，才能檢測(cè)ST段的參數(shù)和分析心電的其它細(xì)節(jié)信息。進(jìn)行全面綜合分析，才能對(duì)心臟的功能結(jié)構(gòu)做出正確的判斷。在臨床上，分析心電信號(hào)，可以確診心肌梗塞及急性冠狀動(dòng)脈供血不足， 協(xié)助診斷慢性冠脈供血不足、心肌炎、心肌病及心包炎，判定有無(wú)心房、心 室肥大，從而協(xié)助某些心

7、臟病的病因?qū)W診斷，例如風(fēng)濕性、肺源性、高血壓 性和先天性心臟病等，觀察某些藥物對(duì)心肌的影響，包括治療心血管疾病的 藥物（如洋地黃、抗心律失常藥物）及可能對(duì)心肌有損害的藥物。此外，對(duì) 某些電解質(zhì)紊亂（如血鉀、血鈣的過(guò)高或過(guò)低），心電信號(hào)不僅有助于診斷， 還可以對(duì)指導(dǎo)治療有重要參考價(jià)值o本文主要介紹心電信號(hào)的預(yù)處理和 QRS復(fù)波檢測(cè)的方法及演示結(jié)果。三、ECG特征參數(shù)及分析3.1 心電信號(hào)的特點(diǎn)心電信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，它是由復(fù)雜的生命體發(fā)出 的不穩(wěn)定的自然信號(hào)，由于受到人體諸多因素的影響，因而有著一般信號(hào)所 沒(méi)有的特點(diǎn)。信號(hào)弱。例如從母體腹部取到的胎兒心電信號(hào)僅為 10 M成人的心

8、電信號(hào) 范圍也僅為5mv.噪聲強(qiáng)。由于人體自身信號(hào)弱，加之人體又是一個(gè)復(fù)雜的整體，因此信 號(hào)易受噪聲的干擾。如胎兒心電混有很強(qiáng)噪聲，它一方面來(lái)自肌電、工頻等 干擾，另一方面，在胎兒心電中不可避免地含有母親心電，母親心電相對(duì)我 們要提取的胎兒心電則變成了噪聲。隨機(jī)性強(qiáng)。心電信號(hào)信號(hào)不但是隨機(jī)的，而且是非平穩(wěn)的。正是因?yàn)樯?物醫(yī)學(xué)信號(hào)的這些特點(diǎn)，使得心電信號(hào)處理成為當(dāng)代信號(hào)處理技術(shù)最可發(fā)揮 其威力的一個(gè)重要領(lǐng)域。3.2 心電信號(hào)的特征參數(shù)圖2.1如圖2.1為完整的心電信號(hào)波形圖，分別由P波、PR段、P- R間期、QRS波。并且對(duì)QRS復(fù)合波、S T段、T波和U波組成。本文將重點(diǎn)講訴進(jìn)行相關(guān)分析QR

9、S復(fù)波。代表兩個(gè)心室興奮傳播過(guò)程的電位變化。由竇房結(jié)發(fā)生的興 奮波經(jīng)傳導(dǎo)系統(tǒng)首先到達(dá)室間隔的左側(cè)面，以后按一定路線和方向，并由內(nèi) 層向外層依次傳播。隨著心室各部位先后去極化形成多個(gè)瞬間綜合心電向量， 在額面的導(dǎo)聯(lián)軸上的投影，便是心電圖肢體導(dǎo)聯(lián)的QRS復(fù)合波。典型的QRS復(fù)合波包括三個(gè)相連的波動(dòng)。第一個(gè)向下的波為Q波，繼Q波后一個(gè)狹高向 上的波為R波，與R波相連接的又一個(gè)向下的波為 S波。由于這三個(gè)波緊密 相連且總時(shí)間不超過(guò)0.10秒，故合稱QRS復(fù)合波。QRS復(fù)合波所占時(shí)間代表 心室肌興奮傳播所需時(shí)間，正常人在 0.060.10秒之間四、QRS波得檢測(cè)與分析4.1 以軟件為主的方法實(shí)現(xiàn)QRS波

10、的檢測(cè)以軟件為主的方法實(shí)現(xiàn)QRS波的檢測(cè)濾波之后的信號(hào)一般經(jīng)過(guò)一些 變換以提高QRS波的份量，進(jìn)而采用一系列閾值進(jìn)行判別，這些閾值有固定 閾值法，也有可變閾值法。前者由于可能的干擾或高P、高T波的存在，若其濾波后超過(guò)其閾值便會(huì)產(chǎn)生假陽(yáng)性(FP, falsepositive)結(jié)果；另外，當(dāng)心 律失?；騋RS波幅度變小，閾值設(shè)置過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致漏檢產(chǎn)生假陰性(FN,falsenegative)結(jié)果。由于固定閾值的這些缺點(diǎn)，有研究者提出了用可變閾 值檢測(cè)，以提高檢測(cè)的精確率，所采用的可變閾值包括幅度閾值、斜率閾值 和時(shí)間問(wèn)隔閾值等。4.2 QRS波檢測(cè)方法與程序Q波和S波通常是低幅高頻波，一般 Q波位于

11、S波之前，S波位于R 波之后，由于他們是一般向下的波，所以他們的峰值點(diǎn)和極值是對(duì)應(yīng)的。因 次在檢測(cè)到R波向左和向右分別搜尋到極值點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的就是 Q波和S波。具體程序如下：clear all;clc;z=textread('ECG.txt');ECG=z(:,1);input=ECG(1:256);rate=ECG(100);sig=input;lensig=length(sig);wtsig1=cwt(sig,6,'mexh');lenwtsig1=length(wtsig1);wtsig1(1:20)=0;wtsig1(lenwtsig1-20:lenwtsi

12、g1)=0;y=wtsig1;yabs=abs(y);%?sigtemp=y;siglen=length(y);sigmax=;for i=1:siglen-2if (y(i+1)>y(i)&y(i+1)>y(i+2)|(y(i+1)<y(i)&y(i+1)<y(i+2)sigmax=sigmax;abs(sigtemp(i+1),i+1;end;end;%丁印原信號(hào)及變換信號(hào)figure(1)；subplot(2,1,1),plot(sig);subplot(2,1,2),plot(wtsig1);蛆閾值，閾值為相對(duì)幅值的差的60%thrtemp=so

13、rt(sigmax);thrlen=length(sigmax);thr=0;for i=(thrlen-7):thrlenthr=thr+thrtemp(i);end;thrmax=thr/8;%1大幅度平均值，8個(gè)最大幅值點(diǎn)的平均值z(mì)erotemp=sort(y);zerovalue=0;fo門=1:100zerovalue=zerovalue+zerotemp(i);end;zerovalue=zerovalue/100;%1小幅度平均值,對(duì)消幅度，100個(gè)最小幅值點(diǎn)的平均值thr=(thrmax-zerovalue)*0.3; %最大、最小幅度的差值的 30%判別R波的閾值rvalue

14、=;for i=1:thrlenif sigmax(i,1)>thrrvalue=rvalue;sigmax(i,2);end;end;rvalue_1=rvalue;麻卜除誤檢，如果相鄰兩個(gè)極大值間距小于0.4,則去掉幅度較小的一個(gè)lenvalue=length(rvalue);i=2;while i<=lenvalueif (rvalue(i)-rvalue(i-1)*rate<0.4if yabs(rvalue(i)>yabs(rvalue(i-1)rvalue(i-1)二口；elservalue(i)=;end;lenvalue=length(rvalue);i

15、=i-1;end;i=i+1;end;lenvalue=length(rvalue);前原信號(hào)上精確校準(zhǔn)for i=1:lenvalueif (wtsig1(rvalue(i)>0)k=(rvalue(i)-5):(rvalue(i)+5);a,b=max(sig(k);rvalue(i)=rvalue(i)-6+b;elsek=(rvalue(i)-5):(rvalue(i)+5);a,b=min(sig(k);rvalue(i)=rvalue(i)-6+b;end;end;word資料%丁 ER糾正及校準(zhǔn)前后的R波信號(hào)figure(2);subplot(2,1,1),plot(1:l

16、ensig,wtsig1,rvalue_1,wtsig1(rvalue_1),'r.');subplot(2,1,2),plot(1:lensig,sig,rvalue,sig(rvalue),'r.');%僉測(cè)Q波wtsig2=cwt(sig,8,'mexh');lenrvalue=length(rvalue);qvalue=;for i=1:lenrvaluefor j=rvalue(i):-1:(rvalue(i)-30)if wtsig1(rvalue(i)>0if wtsig2(j)<wtsig2(j-1)&wtsi

17、g2(j)<wtsig2(j+1)tempqvalue=j-10;%!定檢測(cè)窗的起點(diǎn)break;%£向波，取第一個(gè)負(fù)極大值end;elseif wtsig2(j)>wtsig2(j-1)&wtsig2(j)>wtsig2(j+1)tempqvalue=j-10;碗定檢測(cè)窗的起點(diǎn)break;%到置R波，取第一個(gè)正極大值end;end;end;x1=tempqvalue;y1=sig(tempqvalue);x2=rvalue(i);y2=sig(rvalue(i);a0=(y2-y1)/(x2-x1);b0=-1;c0=-a0*x1+y1;就直線公式參數(shù) ax

18、+by+c=0dist=;for k=tempqvalue:rvalue(i)tempdist=(abs(a0*k+b0*sig(k)+c0)/sqrt(a0A2+b0A2);dist=dist;tempdist;end;球點(diǎn)到直線距離a,b=max(dist);%ffi到距離最大值，Q波就在附近tempqvalue=tempqvalue+b-1;%l=(tempqvalue-5):rvalue(i);%c,d=min(sig(l);%tempqvalue=tempqvalue-6+d;%ft 最大值附近修正Q波，得到結(jié)果qvalue=qvalue;tempqvalue;end;%僉測(cè)S波sv

19、alue=;for i=1:lenrvalue-1for j=rvalue(i):1:(rvalue(i)+100)if wtsig1(rvalue(i)>0if (wtsig2(j)<wtsig2(j-1)&(wtsig2(j)<wtsig2(j+1)tempsvalue=j+10;%在小波變換域從R波開(kāi)始向后尋找第一個(gè)極小值break;end;elseif (wtsig2(j)>wtsig2(j-1)&(wtsig2(j)>wtsig2(j+1)tempsvalue=j+10;%t小波變換域從R波開(kāi)始向后尋找第一個(gè)極大值break;end;en

20、d;end;x1=tempsvalue;y1=sig(tempsvalue);x2=rvalue(i);y2=sig(rvalue(i);a0=(y2-y1)/(x2-x1);b0=-1;c0=-a0*x1+y1;%Jt直線公式參數(shù) ax+by+c=0dist=;for k=rvalue(i):tempsvaluetempdist=(abs(a0*k+b0*sig(k)+c0)/sqrt(a0A2+b0A2);dist=dist;tempdist;end;%求點(diǎn)到直線距離a,b=max(dist);%fe到距離最大值，S波就在附近tempsvalue=rvalue(i)+b-1; % l=rv

21、alue(i):(tempsvalue+10); % c,d=min(sig(l);tempsvalue=rvalue(i)+d-1;%在最大值附近修正S波，得到結(jié)果svalue=svalue;tempsvalue;end;%僉測(cè)QRS起點(diǎn)start=;for i=1:lenrvaluefor j=qvalue(i):-1:(qvalue(i)-100)if wtsig1(j)>0start=start;j;break;end;end;end;%丁印Q,S波信號(hào)qrvalue=qvalue;rvalue;qrvalue=sort(qrvalue);qrsvalue=qvalue;rvalue;svalue;start;word資料qrsvalue=sort(qrsvalue);figure(3);subplot(2,1,1),plot(1:lensig,sig,qrvalue,sig(qrvalue),'r.');subplot(2,1,2),plot(1:lensig,sig,qrsvalue,sig(qrsvalue),'r.');運(yùn)行結(jié)果圖如下：原信號(hào)及變換信號(hào)word資料0.40.20-0.2-0.41002003004005006000.50-0.5100200300400500600-1 L 010020030040050