基于脉搏信号的心率计算

数字信号处理课程研究报告xxxxx院电气与自动化工程学院

一、课题描述

已给定采集完毕的脉搏信号，使用MATLAB分析脉搏信号，并计算其心率。

二、课题分析

本课题的任务是根据采集的脉搏信号计算心率。首先使用MATLAB读取采集到的脉搏信号，因为脉搏信号中存在基线漂移、工频干扰与肌电干扰，所以要设计滤波器滤除干扰，得到有用的信息，得到满意的脉搏信号波形后，计算心率。

三、课题设计

脉搏信号以文本格式存储，使用MATLAB的load（）函数读取已经采集完毕的脉搏信号，应注意文件的路径与名字必须正确。

经查阅资料可知基线漂移的频率在0-0.5HZ，工频干扰在50*kHZ（k为正整数），而肌电干扰无法滤除。所以首先设计一个高通滤波器滤除基线漂移，而后再设计一个带阻滤波器滤除工频干扰。因为IIR滤波器阶数更低、滤波效果更好，所以使用IIR滤波器。又因巴特沃斯滤波器与其他几种IIR滤波器相比，在通频带内频率响应曲线最为平坦，故选用巴特沃斯滤波器。

最后使用MATLAB中的findpeaks（）函数捕获滤波后的脉搏信号的波峰，由波峰/总时间*60求得其心率。

1.MATLAB脚本

MATLAB程序如下:

clc;

clear;

x=load('F:/丑永新_pulse.txt');

nn=40;

x=x(1:nn,:)';%取出1-40行的所有数据

x=reshape(x,1,3000*nn);%重新排列

x=x./1000;%将mV化为V

fss=1000;%采样频率

ts=1/fss;

N=length(x);

m=1:N;

figure

plot(m*ts,x)

title('原始信号');

pinpu(fss,x);

axis([0 5 0 1])

title('原始信号的频谱');

%接下来设计一个IIR高通滤波器

fs=0.1;fp=0.6;wp1=2*fp/fss;ws1=2*fs/fss;%设置通带截止频率以及阻带截止频率

Rp1=3;Rs1=40;%设置通带波纹与阻带波纹

[n1,wc1]=buttord(wp1,ws1,Rp1,Rs1);

[b1,a1]=butter(n1,wc1,'high');

figure

freqz(b1,a1);%滤波器的频率响应

title('高通滤波器频率响应')

y1=filter(b1,a1,x);

figure

plot(m*ts,y1)

title('第一次滤波后时域波形')

%接下来设计一个带阻滤波器,步骤与前一个相似

fp1=47;fs1=49;fs2=51;fp2=53;

wp2=2*[fp1 fp2]/fss;

ws2=2*[fs1 fs2]/fss;

Rp2=3;Rs2=40;

[n2,wc2]=buttord(wp2,ws2,Rp2,Rs2);

[b2,a2]=butter(n2,wc2,'stop');

figure

freqz(b2,a2)

title('带阻滤波器频率响应')

y2=filter(b2,a2,y1);

figure

plot(m*ts,y2)

title('最终滤波后的波形');

%最后计算心率

%设置阈值

threshold=0.5;

%找出所有峰值,0.5*fss为间隔时间，用以去除干扰峰值

[pks,locs] = findpeaks(y2,'minpeakheight',threshold,'minpeakdistance',0.5*fss); hold on

plot(locs*ts,pks,'x');

%心率为峰值个数/总时间*60

count=length(pks)/(N*ts)*60

2.设计结果

设计结果如下所示：

3.结果分析

从原始的脉搏信号时域波形可观察出，信号的基线上下波动很大，而对比第一次滤波后的时域波形可以发现，滤波后时域波形的基线位置波动很小，滤波效果已经达到。再对它们的脉冲频谱进行观察，可以直观的发现，0-0.5HZ之间的干扰被有效的滤除。

将原始脉搏信号局部进行放大，可以观察到信号的毛刺很多，对比第二次滤波后的波形可以发现，第二次滤波后的波形明显变得光滑，毛刺少了许多，滤波效果差强人意。

得到满意的波形后，使用findpeaks（）函数捕获其波峰，在MATLAB程序中已对其电压阈值与时间间隔进行了限制，去除了多余的干扰，捕获到了理想的波峰，最后进行了计算，求出心率为90/min。

四、课题总结

通过本次课题，我对滤波器的理解更加深入了一点，更加清晰的明白了滤波器的工作原理以及实质，对相关函数的使用与了解也有了一定程度的进步，获益良多。本次课题主要考查的还是学生对滤波器的理解程度以及对MATLAB相关函数使用的熟练程度。本次课题有许多不足之处，例如滤波器的设计远非完美，但是这需要大量的练习以及大量的工程经验来积累，所以本次课题的完成度已经让我满意。