课题二基于MATLAB平台的心电信号分析系统设计与仿真

课题二基于MATLABDE的心电信号分析系统的设计与仿真

一、本课题的目的

本设计课题主要研究数字心电信号的初步分析及滤波器的应用。通过完成本课题的设计，拟主要达到以下几个目的：

(1)了解MATLAB软件的特点和使用方法，熟悉基于Simulink的动态建模和仿真的步骤和过程；

(2)了解人体心电信号的时域特征和频谱特征；

(3)进一步了解数字信号的分析方法；

(4)通过应用具体的滤波器进一步加深对滤波器理解；

(5)通过本课题的设计，培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力。

二、课题任务

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，要求分别采用两种方式进行仿真，即直接采用Matlab 语言编程的静态仿真方式、采用Simulink进行动态建模和仿真的方式。根据具体设计要求完成系统的程序编写、调试及功能测试。

(1)对原始数字心电信号进行读取，由数字信号数据绘制出其时域波形。

(2)对数字信号数据做一次线性插值，使其成为均匀数字信号，以便后面的信号分析。

(3)根据心电信号的频域特征（自己查阅相关资料），设计相应的低通和高通滤波器。

(4)编程绘制实现信号处理前后的频谱，做频谱分析，得出相关结论。

(5)对系统进行综合测试，整理数据，撰写设计报告。

三、主要设备和软件

(1)PC机一台。

(2) MATLAB6.5以上版本软件，一套。

四、设计内容、步骤和要求

4.1必做部分

4.1.1利用Matlab对MIT-BIH数据库提供的数字心电信号进行读取，并还原实际波形

美国麻省理工学院提供的MIT-BIH数据库是一个权威性的国际心电图检测标准库，近年来应用广泛，为我国的医学工程界所重视。MIT-BIH数据库共有48个病例，每个病例数据长30min，总计约有116000多个心拍，包含有正常心拍和各种异常心拍，内容丰富完整。

为了读取简单方便，采用其txt 格式的数据文件作为我们的原心电信号数据。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。

4.1.2对原始心电信号做线性插值

由于原始心电信号数据不是通过等间隔采样得到的，也就是说原始的心电数据并不是均匀的，而用Matlab 中提供的数字滤波器处理数据时，要求数据是等间隔的。因此设计的系统首先应对原始心电信号做线性插值处理，使其变为等间隔的数字信号，否则直接处理后会出现偏差，根据心电信号的特点, 把时间分隔成0.001s 。添加的幅值点采用一次线性插值。对二维数据进行插值,相连幅值间数据的插值根据时间进行,运算公式如下:

1--=∆i i t t t ，001.0/t N ∆=，1--=∆i i A A A ，001.01+=-j j t t ，N A A A j j /1∆+=- 其中i t 是第i 个数据时间点，A i 是与之对应的数据，N 是两数据之间需要的插值数，A ∆是

需要插值的两点数据差，，

，，，，，，，1321321-==N j arraysize i 1111----==i j i j A A t t ，， 1=j i ，时数组j j A t ,依次排列,即得到了插值后等间隔的新数据。

将插值后的幅值数据另存为txt 文件，以供后续程序调用。

4.1.3根据心电信号的频域特征，设计相应的低通和带通滤波器

一般正常人的心电信号频率在0.7～100HZ 范围内，幅度为V 10μ(胎儿)～5mV (成人)。人体心电信号微弱，信噪比小，因此，在采集心电信号时，易受到仪器、人体活动等因素的影响，而且所采集的心电信号常伴有干扰。采集心电数据时，由于人的说话呼吸，常常会混有约为0.1Hz 到0.25Hz 频段的干扰，对于这些低频干扰，可以让信号通过一个高频滤波器，低截止频率设置为0.25,来滤除低频信号，对于高频信号干扰，可以让信号再通过一个低频滤波器，其中截止频率设置为99Hz 。也可以直接应用带通滤波器设计。

（1）根据以上指标，设计模拟巴特沃斯（切比雪夫）低通、高通或带通滤波器，画出幅频特性（模拟滤波器幅频特性freqs ）。

（2）根据心电信号频谱范围设计一个3阶以上模拟滤波器对心电信号进行预滤波；

（3）采用直接、级联或并联方式，实现该系统，并画出系统的信号流图；

（4）分析系统的时域特性（阶跃响应、冲击响应等），并用Matlab 绘出相关波形；

（5）用Matlab 分析幅频特性，并绘出相关波形；

（6）分析系统函数零极点与幅频特性的关系。

4.1.4对处理前后的心电信号分别做频谱分析

利用Matlab 软件对处理前后的心电信号编程显示其频谱，分析比较滤波前后的频谱，得出结论。

如果分析频谱，滤波效果不明显，则需变动滤波器参数指标，重新设计滤波器。通过频谱分析，多次试验确定最合适的滤波器。

4.1.5 Simulink仿真

根据前面的设计，进行基于Simulink的动态仿真设计。实现心电信号的分析和处理。给出系统的基于Simulink的动态建模和仿真的系统方框图，同时记录系统的各个输出点的波形和频谱图。

4.2 选作部分

4.2.1减少分析数据的工作量试验

（1）只截取大约2.5s，三个周期左右，大约800个采样数据进行分析；

（2）利用Matlab编程实现对10s原始心电信号数据二次采样并进行结果分析。

4.2.2 simulink仿真设计

（1）将Matlab语言编程进行线性插值后的心电信号结果，直接输入到simulink模块中进行滤波处理及系统仿真；

（2）在仿真环境下，自己设计simulink的线性插值模块，直接输入原始心电信号，进行插值处理再进行系统的功能仿真。

4.2.3 50Hz工频陷波器设计

由于电子设备采集到的信号经常会混有电源线干扰。电源线干扰是以50 Hz为中心的窄带噪声，带宽小于1Hz。设计相应的带阻滤波器滤除电源线干扰，并对处理后的信号做频谱分析。

五、课程设计报告要求

（1）设计报告书包括内容：课程设计题目，课程设计目的和意义，设计方案，详细设计步骤，设计结果（原理图等），测试和仿真结果（图形或数据）及其分析，其它有明确要求的设计内容，结论，参考文献等。

（2）提交课程设计报告时应同时提交相关设计和仿真分析材料（程序、结果等）的电子版。

六、参考文献

[1] 北京迪阳正泰科技发展公司.综合通信实验系统——信号与系统指导书（第二版）. 2006,6

[2] 丁玉美.数字信号处理（第二版）.西安电子科技大学出版社，2001

[3] 吴大正. 信号与线性系统分析（第四版）. 高等教育出版社，2005,8

[4] 谢嘉奎. 电子线路--线性部分(第四版). 高等教育出版社，2003,2

[5] 陈后金. 信号分析与处理实验. 高等教育出版社，2006，8