脉搏信号处理课程设计

目录

摘要.......................................................................................... 错误!未定义书签。第一章绪论.. (2)

第二章滤波器的设计 (3)

第三章时域分析 (5)

第四章频域分析 ............................................................... 错误!未定义书签。第五章程序及图形 ............................................................. 错误!未定义书签。第六章结果分析 ............................................................... 错误!未定义书签。心得体会、致谢 ..................................................................... 错误!未定义书签。参考文献.................................................................................. 错误!未定义书签。

摘要

脉搏是人体重要的动力学信号之一,它能反映人体心脏器官和血液循环系统的生理变化,在临床健康观察和疾病诊断中十分重要。随着电子技术与计算机技术的发展,将人体脉搏信号转化为电信号进行检测与分析,实现智能化的脉搏检测与分析技术,已是生物医学工程领域的发展方向。

数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术。数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。

数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器实现的。

第一章绪论

1.1 设计内容及要求

1．睡意检测实验与数据采集

2. 脉搏信号分析

（1）设计滤波器，实现对脉搏信号的噪声抑制。

（2）时域分析：波形特征检测。

（3）功率谱分析：对消噪后的信号进行功率谱分析。要求计算信号的功率谱、功率谱峰值、峰值频率。

3.信号特征分析。

1.2 课题意义

睡意是伴随着体力疲劳或精神疲劳而出现的一种状态。睡意会大大降低人的警觉度、决策能力和记忆力。在许多危险性操作和对精度要求比较高的作业环境，如车辆驾驶、航空航天、内外科手术、高空风险作业等，如果操作人员跌入睡意状态，后果将不堪设想。因此，对睡意状态的准确检测和实时估计具有重要的科学意义和迫切的现实需求。

生理信号可以很好的反映出身体各子系统的生理状态和病理变化，广泛地应用于各种临床病症的检测和诊断之中。通过生理记录仪采集脉搏、心电等信号，采用数字滤波、特征提取、分类等方法，对受试者在清醒状态和睡意状态下的脉搏信号进行分析，探讨睡意对脉搏心电信号的影响，以期为睡意检测和评估奠定基础。

第二章滤波器的设计

2.1 噪声类型

人体的脉搏信号是一种微弱的信号，信噪比比较的低，正常人的脉象信号在0~20Hz的频率范内，且大约99%的能量分布在0~10Hz，在检测和采集时，由于受到仪器，人体方面的影响，所采集的信号中通常包括干扰信号,如图2.1中的脉搏信号，其中最主要的干扰信号有：

（1）基线漂移、人体呼吸等低频干扰，频率小于1Hz；

（2）工频干扰，是固定频率的干扰，频率为50Hz；

（3）其他一些干扰信号，主要是高频干扰。

所以，为了对信号做准确的分析，在分析处理之前必须做一些必要的预处理。

2.2 滤波器的性能比较

利用Butterworth滤波器、Chebysheve I型滤波器、Chebysheve Ⅱ型滤波器、椭圆滤波器都可以进行低通、高通、带通、带阻滤波器的设计，但是各有特点。

其中Butterworth滤波器通带内的幅频响应曲线能得到最大限度的平滑，但牺牲了截止频率的坡度；Chebysheve I型滤波器通带内等波纹，阻带内单调；ChebysheveⅡ型滤波器通带内单调，然而阻带内等波纹；椭圆滤波器阻带和通带内都是等波纹的，但下降的坡度更大，而且可以以更低的阶数实现和其他两类滤波器一样的性能指标。

设计滤波器时要根据实际情况综合考虑截止特性和相位失真的要求等要求。截止特性好的，相位失真就严重，两者不可兼得。

2.3 滤波器的设计

ChebysheveⅡ型滤波器通带内单调，然而阻带内等波纹，因此我们选用ChebysheveⅡ高通滤波器来消除基线漂移、人体呼吸等低频干扰，但由于IIR滤波器本身固有的缺点，信号通过ChebysheveⅡ高通滤波器后相位会失真，故我们可设计零相位ChebysheveⅡ高通滤波器去噪。

本设计中设计的高通滤波器的参数为Wp=1.4/(fs/2)，Ws=0.8/(fs/2)，Rp=0.8，Rs=20。

50Hz固定工频在频域中是一个点，因而要求设计的带阻滤波器有好的截止特性，而切比雪夫II型滤波器有较好的截止特性，并且在其通带内单调，故而设计零相位切比雪夫II型滤波器滤除工频

干扰。跟前面一样设计零相位滤波器去噪。

本设计中设计的带阻滤波器的参数为：Wp=[48,52]/(fs/2)，

Ws=[49,51]/(fs/2)，Rp=1,Rs=40。

由于Butterworth滤波器通带内有最大的平滑特性，信号经过后衰减小，因此我们选用Butterworth低通滤波器滤除其他一些干扰信号等引起的干扰。跟前面一样设计零相位滤波器去噪。

本设计中设计的低通滤波器的参数为：Wp=55/(fs/2)，Ws=80/(fs/2)，

Rp=2，Rs=20。

第三章时域分析

3.1 脉搏信号的时域特征提取

脉搏信号的特征提取是脉搏信号分析中的关键，能不能准确的提取出来脉搏信号的特征关系到能不能准确的分析脉搏信号，其时域中提取的主要特征有脉搏的峰值、谷值、周期等。而在这其中最重要的是峰值的提取，准确的提取出来峰值，可为进一步分析其周期等其他参数打下基础。

提取信号的峰值基本思想是基于阈值的方法，统计分析采集到得脉搏信号发现，虽然每个脉搏波的波峰值大小并不相同，但他们总在一个范围内波动，波动的范围基本上不超过最大波形高度的0.3倍，为了更为可靠的检测波峰，以0.4倍为参考。因此可以认为波峰点是在每个脉搏周期中波形的最大值附近，大于其邻域内所有点的点。由