MATLAB心電信號的QRS波檢測與分析

1、燕山大學課 程 設 計 說 明 書題目：基于 matlab 的心電信號 QRS 波檢測與分析學院（系）： 電氣工程學院年級專業(yè)： 09 醫(yī)療儀器學號： 學生姓名： 指導教師： 孟輝趙勇教師職稱： 講師講師- 2 -燕山大學課程設計（論文）任務書院（系）：電氣工程學院基層教學單位：生物醫(yī)學工程系學 號學 生 姓名專業(yè)（班級）09 醫(yī)療儀器設計題目基于 matlab 的心電信號 QRS 波檢測與分析設計 技 術 參 數閾值=0.6 相對幅值的差 采樣點數 N=256 采樣頻率 f=100 Hz設計 要 求能夠準確的提取與分析 QRS 波 繪制圖表來說明檢測結果工 作 量學會使用 matlab 軟件

2、 了解人體生理信號的特征 對心電信號有個初步的認識與掌握搜集一組正常人體心電信號數據，編寫 matlab 程序，并對它進行分 析與檢測根據設計結果寫出報告工 作 計 劃1.查資料，確認題目2.編寫任務書及審定3.編寫程序及調試4.編寫說明書5.完成任務書及設計要求參 考 資 料1 周輝 數字信號處理基礎及 Matlab 實現(xiàn) 中國林業(yè)出版社 20052 肖偉 劉忠Matlab 程序設計與應用清華大學出版社20053 錢同惠編著數字信號處理.北京：機械工業(yè)出版社，2004指導教師簽 字孟輝趙勇基層教學單位主任 簽字徐永紅說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份2012 年 1

3、2 月 10 日燕山大學課程設計說明書目錄一、MATLAB 軟件介紹2二、概述3三、ECG 特征參數及分析43.1 心電信號的特點43.2 心電信號的特征參數4四、QRS 波得檢測與分析54.1 以軟件為主的方法實現(xiàn) QRS 波的檢測54.2 QRS 波檢測方法與程序5五、心得體會14六、參考文獻14- 14 -一、MATLAB 軟件介紹MATLAB 是矩陣實驗室的簡稱，是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè)數 學軟件，用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計 算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。MATLAB 是由美國 MathWo

4、rks 公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化 以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數值分析、矩陣計算、科學數 據可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于 使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾 多科學領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 式程序設計語言（如 C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟 件的先進水平。MATLAB 和 Mathematica、Maple 并稱為三大數學軟件。它在數學類科 技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB 可以進行矩陣運算、繪制 函數和數據、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶

5、界面、連接其他編程語言的程序等，主要 應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融 建模設計與分析等領域。MATLAB 的基本數據單元是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常 用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解決問題要比用 C，F(xiàn)ORTRAN 等語言 完成相同的事情簡捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點。 在新的版本中也加入了對 C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA 的支持。可以直接調 用，用戶也可以將自己編寫的使用程序導入到 MATLAB 函數庫中方便自己以 后調用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直 接進

6、行下載就可以用。二、概述2.1 ECG 處理的意義生物醫(yī)學信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，它是由復雜的生命體 發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號。作為一種對判斷人體生命狀況極其重要的生理信 號，處理心電信號就顯得很有必要，尤其在臨床診斷上的應用。應用計算機分析心電信號，已經越來越廣泛的用于心臟功能檢查(Holter 系統(tǒng))、心電監(jiān)護等方面，而心電分析中的首要的關鍵問題是 QRS 波的檢測可 靠的檢測不僅是診斷心律失常的重要依據，而且只有在 QRS 波確定之后，有 可能計算心率并進行心率變異分析，才能檢測 ST 段的參數和分析心電的其它 細節(jié)信息。進行全面綜合分析，才能對心臟的功能結構做出正確的判斷。在

7、臨床上，分析心電信號，可以確診心肌梗塞及急性冠狀動脈供血不足， 協(xié)助診斷慢性冠脈供血不足、心肌炎、心肌病及心包炎，判定有無心房、心 室肥大，從而協(xié)助某些心臟病的病因學診斷，例如風濕性、肺源性、高血壓 性和先天性心臟病等，觀察某些藥物對心肌的影響，包括治療心血管疾病的 藥物（如洋地黃、抗心律失常藥物）及可能對心肌有損害的藥物。此外，對 某些電解質紊亂（如血鉀、血鈣的過高或過低），心電信號不僅有助于診斷， 還可以對指導治療有重要參考價值。本文主要介紹心電信號的預處理和 QRS 復波檢測的方法及演示結果。三、 ECG 特征參數及分析3.1 心電信號的特點心電信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，它是由

8、復雜的生命體發(fā)出 的不穩(wěn)定的自然信號，由于受到人體諸多因素的影響，因而有著一般信號所 沒有的特點。信號弱。例如從母體腹部取到的胎兒心電信號僅為 10v,成人的心電信 號范圍也僅為 5mv.噪聲強。由于人體自身信號弱，加之人體又是一個復雜的整體，因此信 號易受噪聲的干擾。如胎兒心電混有很強噪聲，它一方面來自肌電、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，母親心電相對我 們要提取的胎兒心電則變成了噪聲。隨機性強。心電信號信號不但是隨機的，而且是非平穩(wěn)的。正是因為生 物醫(yī)學信號的這些特點，使得心電信號處理成為當代信號處理技術最可發(fā)揮 其威力的一個重要領域。3.2 心電信號的特征參數

9、圖 2.1如圖 2.1 為完整的心電信號波形圖，分別由 P 波、PR 段、PR 間期、QRS 復合波、ST 段、T 波和 U 波組成。本文將重點講訴 QRS 波。并且對它進行相關分析。QRS 復波。代表兩個心室興奮傳播過程的電位變化。由竇房結發(fā)生的興 奮波經傳導系統(tǒng)首先到達室間隔的左側面，以后按一定路線和方向，并由內 層向外層依次傳播。隨著心室各部位先后去極化形成多個瞬間綜合心電向量， 在額面的導聯(lián)軸上的投影，便是心電圖肢體導聯(lián)的 QRS 復合波。典型的 QRS 復合波包括三個相連的波動。第一個向下的波為 Q 波，繼 Q 波后一個狹高向 上的波為 R 波，與 R 波相連接的又一個向下的波為 S

10、 波。由于這三個波緊密 相連且總時間不超過 0.10 秒，故合稱 QRS 復合波。QRS 復合波所占時間代表 心室肌興奮傳播所需時間，正常人在 0.060.10 秒之間四、 QRS 波得檢測與分析4.1 以軟件為主的方法實現(xiàn) QRS 波的檢測以軟件為主的方法實現(xiàn) QRS 波的檢測濾波之后的信號一般經過一些 變換以提高 QRS 波的份量，進而采用一系列閾值進行判別，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 其濾波后超過其閾值便會產生假陽性(FP，falsepositive)結果；另外，當心 律失?；?QRS 波幅度變小，閾值設置過高，會導致漏檢產生

11、假陰性(FN， falsenegative)結果。由于固定閾值的這些缺點，有研究者提出了用可變閾 值檢測，以提高檢測的精確率，所采用的可變閾值包括幅度閾值、斜率閾值 和時間間隔閾值等。4.2 QRS 波檢測方法與程序Q 波和 S 波通常是低幅高頻波，一般 Q 波位于 S 波之前，S 波位于 R 波之后 ，由于他們是一般向下的波，所以他們的峰值點和極值是對應的。因 次在檢測到 R 波向左和向右分別搜尋到極值點，對應的就是 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=

12、ECG(100);sig=input; lensig=length(sig); wtsig1=cwt(sig,6,mexh); lenwtsig1=length(wtsig1); wtsig1(1:20)=0;wtsig1(lenwtsig1-20:lenwtsig1)=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)thr rvalue=rvalue;sigmax(i,2);end; end;

13、rvalue_1=rvalue;%排除誤檢，如果相鄰兩個極大值間距小于 0.4，則去掉幅度較小的一個 lenvalue=length(rvalue);i=2;while i=lenvalueif (rvalue(i)-rvalue(i-1)*rateyabs(rvalue(i-1) rvalue(i-1)=;elservalue(i)=; end;end;lenvalue=length(rvalue); i=i-1;end; i=i+1;lenvalue=length(rvalue);%在原信號上精確校準 for i=1:lenvalueif (wtsig1(rvalue(i)0) k=(rv

14、alue(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;%打印糾正及校準前后的 R 波信號 figure(2);subplot(2,1,1),plot(1:lensig,wtsig1,rvalue_1,wtsig1(rvalue_1),r.);subplot(2,1,2),plot(1:lensig,sig,rvalue,sig(rvalue),r.);%檢

15、測 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)&wtsig2(j)wtsig2(j-1)&wtsig2(j)wtsig2(j+1) tempqvalue=j-10;%確定檢測窗的起點break;%倒置 R 波，取第一個正極大值 end;end; end;x1=tempqvalue; y1=sig(tempqvalue); x2=r

16、value(i); y2=sig(rvalue(i); a0=(y2-y1)/(x2-x1); b0=-1;c0=-a0*x1+y1;%求直線公式參數 ax+by+c=0 dist=;for k=tempqvalue:rvalue(i) tempdist=(abs(a0*k+b0*sig(k)+c0)/sqrt(a02+b02); dist=dist;tempdist;end;%求點到直線距離a,b=max(dist);%找到距離最大值，Q 波就在 附近tempqvalue=tempqvalue+b-1;%l=(tempqvalue-5):rvalue(i);%c,d=min(sig(l);%

17、tempqvalue=tempqvalue-6+d;%在最大值附近修正 Q 波， 得到結果qvalue=qvalue;tempqvalue; end;%檢測 S 波 svalue=;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)&(wtsig2(j)wtsig2(j+1) tempsvalue=j+10;%在小波變換域從 R 波開始向后尋找第一個極大值break; end;end;end; x1=temp

18、svalue;y1=sig(tempsvalue); x2=rvalue(i); y2=sig(rvalue(i); a0=(y2-y1)/(x2-x1); b0=-1;c0=-a0*x1+y1;%求直線公式參數 ax+by+c=0 dist=;for k=rvalue(i):tempsvalue tempdist=(abs(a0*k+b0*sig(k)+c0)/sqrt(a02+b02); dist=dist;tempdist;end;%求點到直線距離a,b=max(dist);%找到距離最大值，S 波就在附近tempsvalue=rvalue(i)+b-1;%l=rvalue(i):(te

19、mpsvalue+10);%c,d=min(sig(l);%tempsvalue=rvalue(i)+d-1;%在最大值附近修正 S 波，得到結果svalue=svalue;tempsvalue; end;%檢測 QRS 起點 start=;for i=1:lenrvaluefor j=qvalue(i):-1:(qvalue(i)-100) if wtsig1(j)0start=start;j; break;end; end;end;%打印 Q,S 波信號 qrvalue=qvalue;rvalue; qrvalue=sort(qrvalue); qrsvalue=qvalue;rvalue;svalue;start; 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.);運行結果圖如下：原信號及變換信號糾正及校準前后的 R 波信號Q,S 波信號五、心得體會回顧起此課程設計，至今我仍感慨頗多，從理論到實踐，在這段日子里，可以說得 是苦多于