课题二基于MATLAB平台的心电信号分析系统设计及仿真

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1、信号与系统课程设计课题二基于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

2、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

3、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。16信号与系统课程设计为了读取简单方便

4、，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

5、,相连幅值间数据的插值根据时间进行,运算公式如下:，，，，其中是第i个数据时间点，Ai是与之对应的数据，N是两数据之间需要的插值数，是需要插值的两点数据差，，时数组依次排列,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(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

6、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

7、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16信号与系统课程设计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。4.1.5Simulink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Sim

8、ulink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