基于MATLAB-的脉搏信号处理软件系统

基于MATLAB 的脉搏信号处理软件系统

摘要: 本文根据在实验室里测得的脉搏数据，基于MATLBA设计一个脉搏信号的GUI处理界面，并利用MATLAB强大数字信号处理功能还原脉搏波形，并对波形的特征信息进行提取及存储。原始信号进行了去除基线漂移、通过巴特沃斯带通滤波器以及二阶切比雪夫滤波器去除50HZ工频干扰，并且能计算实时的脉率并更新，显示脉率变化趋势曲线，进行频谱分析和输出文档。

此软件有两个GUI界面，第一个为密码登陆界面，第二个为脉搏信号处理系统GUI界面。第二个GUI界面主要分为五大模块:1.打开与退出模块包括打开数据和退出系统;2.信号回放模块包括对原信号和滤波信号的回放、暂停回放、继续回放、关闭窗口;3.信号放大与缩小模块包括对信号的X轴和Y轴的放大、缩小处理;信号快进退模块包括对信号的快进、慢进、快退、慢退处理;4.脉率实时处理模块包括输出脉率曲线、暂停回放、输出脉搏信息、脉搏频谱分析、清除波形、输出文档;5.脉率信号输出模块包括输出实时的脉率更新、以及脉搏数据的信息，诸如脉搏采样频率、采样时间、最大脉率值、最小脉率等。

关键词：脉搏;脉率;Matlab ;GUI ;

1 引言

人体内部各个生理系统之间(如循环系统、呼吸系统等)是相互耦合的。反映人身体健康状态相对最重要、最全面的是心脏血液循环系统,因此通过采集脉搏波进而分析心脏循环系统功能,能从一个方面较全面反映人体的健康情况。从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(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许多生理病理的血流特征,因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。目前脉搏信息的研究已经应用于以下几个方面:(1)中医脉象信息的检测与识别;(2)血压的临床检测;(3)心率稳定性的一种简便估计方法;(4)心输出量的一种测量方法;(5)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,覆盖面包括控制、通讯、金融、图像处理、建筑、生物学等几乎所有的行业与科学领域。除了经典的一些算法外,MATLAB 还提供了丰富的数据分析和处理功能模块,如神经网络、小波分析、信号处理、图

像处理、自动控制、模糊控制、系统仿真等,因此MATLAB是一种高效的编程软件。

本文介绍利用MATLAB软件作为技术平台,实现对统脉搏波快速、准确实时显示,而

且实现方法简单有效,有一定的实用性。

2 软件总体界面与总体设计思路

2.1密码登陆系统

图2.1 未运行前密码登陆界面

图2.2 运行后输入错误的密码登陆界面

图2.3 运行后输入正确的密码登陆界面

2.2 脉搏信号处理系统界面

图2.4 未运行前的脉搏信号处理系统界面

图2.4运行后的脉搏原信号与滤波信号回放

图2.6运行后的脉率曲线回放与判断脉率正常、输出脉搏信息

图2.7运行后的频谱分析

2.3 软件总体设计思路

3.1 脉搏波信号滤波

脉搏信号是强干扰下的微弱信号，脉搏信号幅度很小，大约是微伏到毫伏的数量级范围，其主要频带范围在0～20Hz之间。一般情况下为1Hz左右，脉搏信号可看成一个准直流信号，也可看成是一个甚低频交变信号。根据脉搏功率谱能量分析，健康人脉搏能量绝大多数分布于0.5～5Hz，而病人脉搏在1Hz以下和较高频段(如5Hz以上或10Hz以上)仍有相当一部分的能量分布。脉搏信号极容易引入干扰，一般情况下，由体表检测到的脉搏波主要有三种干扰：基线漂移，高频随机干扰和运动伪差噪声，还有一些干扰，比如工频干扰，等，这些干扰较之前三种干扰比较小，而且很容易去掉]。

1).基线漂移：这种噪声是由于被测对象的呼吸运动和身体移位而产生的，呼吸的频率分量通常在0.8Hz以下，每个人的呼吸频率也不同；身体移位也可以用低频分量来表征，因此基线漂移基本上都是趋势分量和低频分量。

2).高频随机干扰：脉搏信号的采集过程中有好多随机噪声和环境干扰的影响，这些噪声都表现为高频噪声，在5Hz以上。

3).运动伪差噪声：由于对病人进行血氧检测时，病人手指(或脚趾)经常会发生运动，使手指(或脚趾)与传感器之间的距离发生位移，从而得到导致测量的病人脉搏波形很不稳定的一种噪声，这种噪声和信号在同一个频带范围内，是脉搏信号去噪的一个重点和难点。

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。针对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），如图3.2，然后再通过一个切比雪夫二型滤波器滤除固定的工频干扰（通带截止频率设置为Wp=[30,65],阻带截止频率Ws=[45,55],通带波纹系数Rp=3,阻带波纹系数Rs=60），如图3.3。

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带通滤波器滤除基线漂移和呼吸等引起的干扰，但由于IIR 滤波器本身固有的缺点，信号通过Butterworth带通滤波器后相位会失真，故我们可设计零相位Butterworth带通滤波器去噪。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。流程图如下：