毕业设计(论文)-基于matlab的心率检测系统Word格式.docx
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对心电数据的显示可以用matlab中的textread函数。
在滤波中更是可以用到众多的滤波函数如buttord函数、butter函数及blackman函数等。
在这次毕设中，对心电信号的滤波采用的是带通滤波器加上hamming窗滤波器，这样可以有效的减少噪声的干扰。
对RQS波的检测采用的是动态阈值法。
这种方法在实际运用中成功率很高，并且算法思路清晰简明。
对于心率的检测，在用动态阈值法找到R波后，就可以同过编程来计算心率。
关键词：
matlab、心率检测、RQS波检测、滤波
指导老师签名：
Heartratedetectionbasedonmatlab
Studentname:
ZhongWeiQiao Class:
12041440
Supervisor:
YangSuHua
Abstract:
In1984,theUnitedStatesMathWorkscompanyofficiallylaunchedthecommercialmathematicalsoftwarematlab.thisisahightechnologycomputinglanguageandinteractiveenvironmentforthedevelopmentofalgorithms,datavisualization,dataanalysisandnumericalcalculation.intheinternationalacademic.matlabhasbeenrecognizedasaconvenient,accurateandreliablescientificcomputingstandardsoftware.inR&
Ddepartment.matlabisrecognizedasaneffectiveresearchanddevelopmentofthefirstsoftware.now,matlabisalreadypenetratedintoallwalksoflifeinourlives.
Thedetectionofheartratealsousedapowerfulmatlabinthistime.becausematlabcontainsalargenumberoffunctions,wecanusethesefunctionstodealwiththeECGsignaldisplay,filterandRQSwavedetection.thedesignisappliedtotheGUI,thiscanbeveryconvenientandintuitivedisplayweneedthewaveformandmoreefficienttocarryoutaseriesofoperationofthewaveform.thedisplayofECGdatacanbeusedintextreadmatlabfunction.inthefilteristousealargenumberoffilterfunctionssuchasbuttordfunction,Blackmanfunctionandbutterfunctionandsoon.inthiscompleteset,theECGsignalfilteringusingaband-passfilterandHammingwindowfilter,whichcaneffectivelyreducethenoiseinterference.thedynamicthresholdmethodisusedtodetecttheRQSwave.thismethodinpracticalapplicationsuccessrateisveryhigh,andthealgorithmisclearandconcise.forheartratedetection,afterusingthedynamicthresholdmethodtofindtheRwave,youcanusetheprogramtocalculatetheheartrate.
Keyword：
matlab,heartratedetection,RQSwavedetection,filter
SignatureofSupervisor:
目 录
1
前言
1.1
课题的背景及意义∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙3
1.2
国内外研究概况及发展趋势∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙3
1.3
研究的内容及实验方案∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙4
2
心电信号及其特征
2.1 心电信号的产生∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8
2.2 心电信号的特点∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙9
2.2.1心电信号频域特点∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙9
2.2.2心电信号时域特点∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙10
3心电信号的预处理
3.1 心电信号预处理的意义∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙11
3.2 滤波方案的设计与分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙13
3.2.1低通配合窗函数滤波∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙14
3.2.2带通配合窗函数滤波∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙14
3.3 最终方案的选择∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙16
4心电信号RQS波的复检
4.1 RQS波的检测方案与分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙19
4.2 方案选择与处理∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙21
5心电信号的心率检测
5.1 心率计算∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙23
6系统软件设计
6.1 GUI结构设计∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙24
6.2 模块实现∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙26
7 总结∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙27
36
参考文献∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙28致谢∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙29附录∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙30
第一章 前言
1.1课题的背景及意义
当前，我国的心脑血管疾病仍呈逐年上升趋势。
它的发病率和死亡率均居各种疾病之首，是人类死亡的主要原因之一。
因此，认识、预防及早期发现这些疾病是十分必要的，而人体内部各个生理系统之间是相互耦合的。
它能间接的反映出人们当前的身体状况，因此人们可以通过对心率波的分析来提前预防疾病。
在以前，几乎全世界上所有民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。
心率波所表现出的形态
（波形）、强度（波幅）、及节律（周期）等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中很多生理病理的特征,所以对心率波的处理具有很高的医学价值和应用前景。
目前心率信息已经应用于以下几个方面的研究:
（1）中医脉象信息的检测与识别系统;
（2）血压的临床检测实验;
（3）心率稳定性的一种简便估计方法;
（4）血管功能的一种早期、无创检测方法。
MATLAB（Matrix Laboratory,矩阵实验室）是由美国MathWorks公司开发的一种功能强、效率高、简单易学的可视化软件,其覆盖面包括控制、金融、图像处理、生物学等几乎所有的行业及科学领域。
除了一些经典的算法外,MATLAB还提供了丰富的数据分析及处理功能模块,例如神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、模糊控制、系统仿真等,因此MATLAB是一种高效的编程软件。
本文就介绍利用MATLAB软件作为技术平台,从而实现对心率波准确实时的显示,并且实现的方法简单而有效,并且具有一定的实用性。
1.2国内外研究概况及发展趋势
随着科学技术的发展，心率测量技术也越来越先进，对心率的测量精度也越来越高，国内外先后研制了不同类型的心率测量仪。
目前心率测量仪在多个领域被广泛应用，除了应用于医学领域，如无创心血管功能检测，妊高症检测、中医脉象，脉率检测等等，商业应用也不断拓展，如运动，健身器材中心的心率测试都用到。
心跳（脉搏）测试仪是用来测量一个人心率跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分，因此，在现代医学上具有重要的作用。
当前检测脉搏的仪器种类虽然很多，但是能实现精确测量、精确显示且计时功能准确等多种功能的便携式全
数字脉搏测量装置却是很少。
随着人们生活环境及经济条件的改善，以及文化素质的提高，人们的生活方式，保健需求以及疾病控制，治疗措施等发生了明显的变化。
在国外到06年低，就已经开始研究可佩戴的心率计及植入人体式心率计。
而国内的心率计产品起步相对较晚，但随着市场的需求一些公司也逐步开始研究心率计。
到现今，也取得了不小的成果如手环运动表等产品都有了心率计的功能。
但这种单一的心率计并不能有效的预防疾病，因此，在未来的心率自动监测中它的功能及内容会更加详细，自动分析诊断的功能也会更强大。
并且计算心率的算法也会更优化受干扰能力会更强。
所以我坚信在未来心率测量仪的集成度会更高，更便于携带，更会大众化。
数字信号处理的运用将会使干扰更小，测量更加准确，功能更加突出。
1.3研究内容及实验方案
1.设计要求
设计一个简单的心电信号分析系统。
对输入的原始心电信号，进行一定的数字信号处理，进行频谱分析。
采用Matlab语言设计。
实现心电信号的基本处理功能。
该系统包括
1、心电信号的读取、显示、保存；
2、心电信号的滤波；
3、心电信号QRS复波检测；
4、心率检测；
2.设计方案
（1）为了心电数据的读取简单方便，我采用其txt格式的数据文件作为我们的原心电信号数据。
再利用Matlab提供的文件textread或textscan函数，读取
txt数据文件中的信号，并且还原实际波形。
（2）为了对信号做出更准确的分析，在分析处理之前我们要做一些必要的预处理。
由于信号中存在噪声的特点，基线漂移和呼吸等低频干扰在1Hz以下，而脉搏信号主要在低频范围，所以可以设计让信号先通过一个巴特沃斯带通滤波器，借以滤除基线漂移、呼吸引起的干扰（考虑到不丢失太多的其他信息，通带截止频率设置为Wp=[0.9,50]，阻带截止频率设置为Ws=[0.3,140],通带波纹系数Rp=3,阻带波纹系数Rs=10。
再通过一个窗函数滤波。
流程图如下1.1：
用textread命令读取脉搏信号的TXT文件
去除基线漂移
通过Buttord和butter命令组成的巴特沃斯带通滤波器
通过哈明窗函数滤波
滤波信号
1.1滤波流程图
（4）QRS复波是代表两个心室之间兴奋传播过程的电位变化。
是由窦房结发生的兴奋波经过传导系统首先到达室间隔的左侧面，以后按一定路线和方向，并由内层向外层依次传播。
随着心室各部位先后去极化形成多个瞬间综合心电向量，在额面的导联轴上的投影，便是心电图肢体导联的QRS复合波。
典型的QRS复合波包括三个相连的波动。
第一个向下的波为Q波，继Q波后一个狭高向上的波为R波，与
R波相连接的又一个向下的波为S波。
由于这三个波紧密相连且总时间不超过0.10秒，故合称QRS复合波。
QRS复合波所占时间代表心室肌兴奋传播所需时间，正常人的在0.06～0.10秒之间。
我们使用的是R波检测算法（基于极值的动态自适应阈值法）
我们利用阈值进行QRS波检测时，如果固定阈值，就会造成阈值设置过高导致漏检，从而产生假阴性，如果阈值设置过低会导致多测，又会产生假阳性。
所以本文提出基于待测信号的可变阈值，从而提高检测的精确率，所采用的可变阈值包括幅度阈值和时间间隔阈值等。
基本原理：
基于R波的幅值为最大的特点，根据极值的定义，筛选出所以的极大值点，这些点即可能是R波的点，然后根据心电学原理知识，确定R波的阈值，计算待测的ECG数据最大值并与阈值进行比较，若超过或达到阈值，则初步判断已检测到一个R波，然后根据制定的规则确定R波。
具体设计思路如下图1.2
信号预处理：
小波去噪
阈值处理
R波判定
检测误检
1.2R波检测流程图
Step1:
即对待测ECG的滤波处理，基于第一部分对心电信号的说明，QRS波检测中的信号预处理主要是针对0~38Hz的频率范围，采数据进行滤波处理，得到的待测信号基本不含噪声干扰；
Step2：
根据QRS波波形，首先利用极值点判断，一次筛选得到可能存在R波的点，记为sigmax：
一次筛选 y（i）>
y（i-1）;
y（i）>
y（i+1）成立则可以有R波，否则没有R波。
结合心电信号原理，确定阈值：
Step3:
二次筛选：
对于sigmax中数据，若出现大于阈值的数据，则在该数据处和其后50ms的范围内查找，将找到的最大值作为一个R波；
接着在此R波后150ms处继续进行二次筛选，直至查找完全部数据，将二次筛选得到的R波记为
rvalue。
Step4：
可能存在的误差：
a.两次心率的时间间隔大于400ms，因此，若两个R波的间隔小于0.4s，则两个极小点中必定存在噪声，利用复检消除此噪声。
b.在平均RR峰间隔的166%的时间间隔内，如果没有发现QRS波群，则应取原阈值的1/2进行复检，以免漏检。
这里的166%是根据生理的特性选取的经验参数。
c.计算找出的R波的幅度，如果R波不在前一个R波幅度的40%-160%之内，则说明这个波峰是个强干扰，应该删除。
d.根据采样频率，每隔一定的时间间隔，重新利用最新检测的R波对阈值进行实时更新，以此消除基线漂移对检测精度的影响
综上，我们采用以下规则检测误检：
1.判断rvalue中前后两R波间隔是否小于400ms，若小于400ms则消去较小值，留下较大值，直至查找全部数据，得到新的R波，刷新rvalue。
2.判断rvalue中前后两波间隔是否大于1.2s,若大于1.2s,则针对两R波间进行复检，选取其中幅值最大的点作为R波，并标记该R波为病变R波，直至查找全部数据，得到新的R波，刷新rvalue。
（5）心率计数设计图如图1.3：
开始
取整个信号最大幅值PM
Y
是否到数据最末
PM-X（i）<
G&
&
X（i）=max（x（i-200:
i+200））
结束
储存峰值点幅度和位置
cnt=cnt+1
设置峰值提取阈值G
设置计数cnt=0
1.3心率计算流程图
第二章 心电信号及其特征
2.1心电信号的产生
当心肌细胞没有受到外界刺激时（即静息状态），心肌细胞膜内外两侧的电位差被称为静息电位。
在静息状态时，有大量带有正电荷的阳离子排列在心肌细胞膜外，细胞膜内则带有相同数量带负电荷的阴离子，此时细胞膜外的电位高于膜内电位，电位差约为180mV。
这种以细胞膜为界，膜外呈正电位、膜内为负电位，并且稳定在一种静息电位状态下，我们称之为极化状态。
当心肌细胞在静息状态下受到外界刺激时，他的膜内外会发生电位变化，这样称为动作电位。
在细胞受到刺激时，细胞膜的通透性会发生改变，膜外的阳离子会进入膜内，石膜内的电位高于膜外电位，这个过称称之为除极。
当然，如果发生了去极化，细胞膜电位会恢复到以前的极化状态，这个过称称为复极。
心肌细胞在静息状态下时，膜内、外电荷是不产生交流的，因此，并不会有电流产生，细胞膜外任何两点间电位相等，没有电位差。
如果心肌细胞受外界刺激而发生除极和复极变化，则会产生电位差，而形成电流。
这时把变动的电位差记录成曲线，我们把这种曲线称为心电图。
健康的心电图如下图2.1
图2.1 健康人的心电图
2.2心电信号的特点
心电信号是属于强噪声背景下的低频微弱信号，它是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号，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。
心电信号是十分微弱的，成人的心电信号范围也仅为5mv。
由于人体自身信号弱，加上人体又是一个复杂的整体，因此信号易受噪声的干扰。
正常心电图由一个P波、一个QRS波群和一个T波等组成。
我们可以依照图
2.1对心电信号的各个波段进行说明：
P波：
是由心房的跳动所产生，代表左、右心室去极化过程。
前一半主要是由右心房所产生，后一半是由左心房所产生。
人们正常P波的宽度一般不超过0.11s，肢体导联最高幅度不超过2.5mm。
QRS波群：
反映左、右心室的电激动过程，称QRS波群的宽度为QRS时限，代表全部心室肌激动过程所需要的时间，正常人最高不超过0.l0s。
第一个向下的波为Q波，继Q波后一个狭高向上的波为R波，与R波相连接的又一个向下的波为S波。
由于这三个波紧密相连且总时间不超过0.10s，因此合称QRS复合波。
S-T段：
从QRS波群的终点到T波起点的一段。
此时心室全部处于去极化状态，
无电位差存在，所以正常人的S-T段是接近基线的，与基线间的距离一般不超过
0.05mm。
P-R段：
从P波后半部分起始端至QRS波群起点。
这段等待时间是为了让血液充分流至心房，同样，这一段正常人也是接近基线的。
Q-T间期：
从QRS波群开始到T波终结相隔的时间，它代表心室肌去极化和复
极
化的全过程。
正常情况下，Q-T间期的时间不大于0.04s。
2.2.1心电信号频域特点
心电信号的频率比较低，正常人的心电频率一般在0.5-100HZ之间。
但是心电信号的主要能量集中范围却只在0.5-45HZ之间。
RQS波形是心电信号中最容易识别的
部分，他占据了很大部分的能量，他的频谱范围集中于10-20HZ之间。
其中P波和
T波占的主要频率范围在0.5-10HZ之间，S-T段的频率集中在0.2-2HZ。
下面是具体的心电信号频谱图如图2.2
2.2 心电信号频谱图
由于心电信号有很多干扰，所以除了心电信号自身的频谱外还有工频噪声和各级倍频。
我们用的心电数据是在MIT-BIH数据库中获得的正常人数据，所以存在的主要干扰是基线漂移噪声。
基线漂移噪声频率一般在0.05-2HZ之间，因此，我们在进行心电信号预处理时采用的是带通滤波。
这样可以得到比较纯净的心电信号。
2.2.2
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