基于GUI心电监护仪的设计与实现

1、基于 gui 的心电监护仪设计 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 基于gui心电监护仪 的设计与实现 design and implementation of gui-based ecg 学 院： 计算机与信息工程学院 专 业： 通信工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 基于 gui 的心电监护仪设计 基于 gui 心电监护仪的设计与实现 摘摘要要目前心脏病的死亡率远远高于其他疾病，已成为威胁人类生命安全 的“第一杀手” 。 由于一些患者在发病时感到不适，而到医院检查时症状消失，进

2、行心电图检查时得不到明显异常的心电信号，最终延误了诊断和治疗。针对这些问 题, 开发一套携带方便、低成本的远程心电监护系统具有深远的理论研究意义和实 际应用价值。通过将采集的数据存储到.txt 文本文件中，在利用 matlab 软件读取数 据、滤波、并进行一系列的计算后，可以得出检测的结果，并将结果以文件形式保 存下来，以便随时查阅。设计充分利用 matlab 的强大分析仿真能力，使系统的完整 性和准确性得以很好的实现。 关键词关键词matlab；gui；心电信号；监护仪 design and implementation of gui-based ecg abstract: currentl

3、y heart disease mortality rate is much higher than other diseases, has become a threat to the safety of human life, the first killer. since some patients feel unwell in the disease,but not significantly abnormal ecg to the hospital when the symptoms disappear, ecg examination, eventually delayed dia

4、gnosis and treatment.to solve these problems, facilitate the development of a portable, low-cost remote ecg monitoring system has far-reaching theoretical significance and practical value.by storing the data will be collected. txt text file, using matlab software to read the data, filtering, and a s

5、eries of calculations, the test results can be obtained, and the results stored in document form down to inspection at any time .designed to take full advantage of matlabs powerful analysis and simulation capabilities, the completeness and accuracy of the system to achieve very good. key words: matl

6、ab; graphical user interface; electrocardiogram; monitor 基于 gui 的心电监护仪设计 目目 录录 1 引言 .1 1.1 研究背景和意义.1 1.2 研究现状.2 2 心电监护仪的医学基础 .3 2.1 人体心电信号的产生机理.3 2.2 心电图及心电信号的特征分析.4 2.2.1 心脏电传导过程分析.4 2.2.2 心电信号时域特征分析.4 2.2.3 心电信号频域特征分析.5 2.2.4 心电信号的特点.6 3 基于 matlab 的心电信号处理 .6 3.1 matlab 处理 ecg 的优势 .6 3.2 心电信号噪声的来源及

7、特点.7 3.3 matlab 对 ecg 信号的处理过程 .7 3.3.1 mit-bih 简介 .7 3.3.2 matlab 读取心电信号.8 3.3.3 心电信号的滤波 .8 3.3.4 心电信号频谱及功率谱的计算.11 3.3.5 心率的计算.12 3.3.6 信号的保存和回放.12 4 基于 matlab 的 gui 界面设计 .12 4.1 gui 所要实现的功能 .13 4.2 gui 界面的布局设计 .13 4.3 gui 对应函数的编写 .14 4.3.1 信号的读取模块.14 4.3.2 信号的滤波模块.15 4.3.3 信号的频谱显示.17 4.3.4 信号的心率计算模

8、块.18 4.3.5 信号保存模块.18 4.3.6 信号回放模块.19 4.4 gui 界面运行结果.19 总结 .21 参考文献 .22 基于 gui 的心电监护仪设计 致谢 .23 基于 gui 的心电监护仪设计 1 1 引言 目前市面上常见的便携式心电仪多数是采用了前后端的实现方式，前端是以单 片机为核心的心电信号采集系统，后端多数采用的是处理性能较高的嵌入式微处理 器。这种处理器性能强大，它使得心电仪在心电数据采集、处理、存储和显示等功 能的基础上，还能够实现对心电数据的分析。1然而，这种心电仪在实现多种功能 的同时，也有一些缺点：结构比较复杂、功耗较大、成本也较高。另一方面，在导

9、联个数上，在相当长的一段时间内，心电导联系统一般仅仅具有单导或三导联同步 记录功能，市场上现在也还有很多这种产品。该类产品因为只支持少数的导联，因 而它的液晶屏幕比较小，用户观察起来很不方便，只能通过自带的打印机将心电图 打印出来之后才能较好的观察分析。另外，这种产品往往不适合复杂心脏疾病的诊 断。目前很多厂商也在竞相开发支持多导联的心电仪产品。深圳迈瑞电子就是其中 之一，它在便携式监护仪领域做出了带头作用，典型的产品如 pm- 9000express、pms000 等等1。 1.1 研究背景和意义 心脏是人体血液循环的动力泵，心脏搏动是生命存在的重要标志，心脏搏动的 节律也是人体生理状态的重

10、要标志之一。心脏的基本活动包括电活动和机械活动， 每个心动周期都是电活动在前，机械活动在后。心电信号是心脏电活动的一种客观 表示方式，是一种典型的生物电信号，具有频率、振幅、相位、时间差等特征要素， 比其他生物电信号更易于检测1，并具有一定的规律性。由于心电信号从不同方面 和层次上反映了心脏的工作状态，因此在心脏疾病的临床诊断和治疗过程中具有非 常重要的参考价值。对心电信号的采集和分析一直是生物医学工程领域研究的一个 热点，是一项复杂的工程，涉及到降低噪声和抗干扰技术，信号分析和处理技术等 不同领域，也依赖于生命科学和临床医学的研究进展。自 1903 年心电图引入医学临 床以来，无论是在生物医

11、学方面，还是在工程学方面，心电信号的记录、处理与诊 断技术均得到了飞速的发展，并积累了相当丰富的资料。当前，心电信号的检测、 处理仍然是生物医学工程界的重要研究对象之一。伴随着人们生活水平的提高，营 养过剩和运动减少，生活和工作节奏的加快，社会老龄化的加剧，心脏病等心血管 疾病的发病率明显上升。目前心脏病的死亡率远远高于其他疾病，是威胁人类生命 安全的主要疾病，心脏病己成为威胁人类生命安全的第一杀手。由于心脏病具有 病情隐蔽、发展缓慢、发病危险性高等特点，因此它对心脏病患者、特别是中老年 心脏病患者的危害性极大，因此心脏系统疾病的防治和诊断己成为当今医学界面临 的首要问题。 基于 gui 的心

12、电监护仪设计 2 另外，一些特殊的心脏病患者，在正常工作生活时发病，而到医院检查时症状 消失，导致在医院无法检测到异常心电图，无法对病情做出诊断，耽误了治疗的最 佳时机，所以心电监护是有重要意义的。随着社会老龄化的加剧，解决长期慢性病 的监护目前已经是重要的社会问题。怎样才能使病人在家庭中得到更好医疗保健， 同时又减少病人家属及社会的负担，是现在摆在有关研究人员及医生面前的一个重 要课题。心电信号是人类最早研究并应用于临床医学的生物电信号之一，与其它生 物电信号相比心电信号更易于检测并具有较直观的规律性。在医学发达的今天，心 电信号相比心电信号更易于检测并具有较直观的规律性。在医学发达的今天，

13、心电 信号的监测与处理仍是生物医学领域重要的研究对象之一，是医学上诊断心脏系统 疾病十分重要的检测依据。因此及时通过心电信号来发现并预防心脏病的发生是减 少心脏病人发病和死亡率的一个有效途径。心电学自上世纪初到现在已经发展了一 百多年。在这期间心电图检测技术本身不断发展完善，各种心电检测方法不断问世， 到目前可以说心电检测已趋于成熟。以往的检测手段基本上都需要到医院在庞大的 心电图仪器上进行检测，而心脏病人不可能每次发病时都具备到医院检测的条件， 还有一点就是一些患者在发病时感到不适，而到医院检查时症状消失，进行心电图 检查时得不到明显异常的心电信号，这将影响对患者的诊断和治疗。因此导致了许

14、多心脏病人病情不能得到及时诊断和治疗，延误了病情甚至导致死亡等严重后果。 因此，开发一套携带方便、低成本的远程心电监护系统具有深远的理论研究意义和 实践应用价值2。 其具体意义如下： （1）使患者或医护人员减少了路途奔波，节省了时间和社会的医疗资源； （2）把患者的监护在家中完成，既为患者节省了开支，又为医院节省了床位； （3）使患者在熟悉的环境中进行检测，减少了患者的心理压力，提高诊断的 准确性； （4）对于自理能力较差的老年人和行动不便的病人的实施远程监护，可以随 时了解监护对象的健康状况在患者病情突变恶化时报警，为患者提供及时的救助。 1.2 研究现状 随着电子与信息技术的不断发展及其在

15、医疗系统中应用的深入，世界各地尤其 是欧美国家相继提出了心电检测设备的小型化、家用化要求和建立远程医疗体系的 设想。从 1980 年代开始，国外开始建立以电话线路传输心电信号的心电图监测中心， 随后又出现了以数字式电话传输心电图信号的研究。英国牛津大学的 johnson 教授 采用远程监护的方法让孕妇和胎儿在放松的状态下在家中检测血压、血氧、心电图 等重要生理指标；德国的一个研究小组则通过宽带视频通信远程监护家中老人的各 种生理参数，以便在必要的时刻提供救治和帮助。进入 21 世纪后，美国和欧盟在 基于 gui 的心电监护仪设计 3 20002005 年期间各投入 150 亿美元和 17.5

16、亿美元用来进行远程医疗的研究工作， 与此同时，国外各大公司也纷纷跟进，进行心电监护产品的研究开发工作，亚洲的 日本在这方面也做了较大的投入，其中 sony，东芝已有类似的监护设备上市，但 都价格不菲。国内在这方面的研究晚于西方国家，一个总的特点是起步晚，起点高。 但随着中国经济的快速发展，人们对健康的重视程度越来越高，对健康监护产品的 需求量也稳步提升，产品的应用范围从危重病人监护，发展到如今普通病房的监护， 目前，很多家庭对此也提出了一定的应用需求。国内早期在此方面研究的一个比较 典型的案例是清华大学在 1994 年研制成功的家庭心电/血压监护网系统，该系统在 病人不适时具有手动按键报警功能

17、和类似 holter 的心电图长时间记录发送功能3。 2005 年 6 月，山东大学齐鲁医院建成了国内首家心脏远程监护中心，该中心实 行 24 小时监护，只要患者携带的微型发射机处于工作状态，就会将心电的异常变化 传输到该中心，监护中心便可以进行相应处理和预警。目前，国内生产便携式心电 监护设备的厂家有很多，产品也进入了实用化，但是大多数是以 oem 方式进行组 装的，具有自主开发能力的较少。总的来说，目前国内心电监护产品主要特点为： 市场需求越来越大；技术水平和产品质量在不断提高；生产厂家多，但核心技术掌 握不足。1随着中国经济水平的不断发展及与国际社会融入程度的不断加深，在这 面有着巨大的

18、发展潜力。综上所述，无论国内还是国外都对心电监护设备的研究投 入了巨大的人力与物力。伴随着电子技术的飞速发展，其前景必定相当广阔。 2 心电监护仪的医学基础 心电信号有着医学上的重要意义，我们对心电信号进行处理分析以及对心电监 护仪的设计模拟都必须在了解心电信号的医学基础上进行，它主要包括心电信号的 产生机理，心电信号的时域和频域特征等6。 2.1 人体心电信号的产生机理 心电是心脏的无数心肌细胞电活动的综合反映6，心电的产生与心肌细胞的除 极和复极过程密不可分。心肌细胞在静息状态下，细胞膜外带有正电荷，细胞膜内 带有同等数量的负电荷，此种分布状态称为极化状态，这种静息状态下细胞内外的 电位差

19、称为静息电位，其值保持相对的恒定。当心肌细胞一端的细胞膜受到一定程 度的刺激(或阈刺激)时，对钾、钠、氯、钙等离子的通透性发生改变，引起膜内外 的阴阳离子产生流动，使心肌细胞除极化和复极化，并在此过程中与尚处于静止状 态的邻近细胞膜构成一对电偶，此变化过程可用置于体表的一定检测出来。由心脏 内部产生的一系列非常协调的电刺激脉冲，分别使心房、心室的肌肉细胞兴奋，使 之有节律地舒张和收缩，从而实现“血液泵”的功能，维持人体循环系统的正常运 转。心电信号从宏观上记录心脏细胞的除极和复极过程，在一定程度上客观反映了 基于 gui 的心电监护仪设计 4 心脏各部位的生理状况，因而在临床医学中有重要意义。

20、 2.2 心电图及心电信号的特征分析 2.2.1 心脏电传导过程分析 心电生理学资料表明9，心脏不断的进行有节奏的收缩和舒张运动。由心肌激 动产生的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液，反映到身体表面上来，使身 体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化活动。在每个心动周期中，窦 房结是心脏的最高起博点(也叫一级起搏点)，它发出的激动命令经结间束首先传给 房室结(也称第二级起搏点)。房室结向下发出一条传导路，称房室束，它位于室间 隔内。房室束往下又不断发左右两个束支，越分越细，最后分别形成互相交织得像 网一样的结构，称普肯耶纤维，终止于心肌内。此生物电传递变化十分复杂，呈混 沌态，其有序

21、结果通过周围组织传遍全身，使身体各部位出现有规律而各向异性的 电变化。将测量电极放置在人体表面的一定部位记录出来的心电信号变化曲线，就 是目前临床上常规记录的心电图。 2.2.2 心电信号时域特征分析 图 2-1 典型的心电信号 如图 2-1 所示的正常心电图由一系列波群组成，各段波群反映不同阶段的心电 信号变化，由于 qrs 波变化比较集中，所以给出了分解图。下面对每个波形点作详 细的介绍： (1) p 波：最初产生的偏离的波被命名为 p 波，它反映心房除极过程的电位变化， 代表了两个心房的去极。心脏的兴奋发源于窦房结，最先传至心房，故心电图各波 中最先出现的是代表左右两心房兴奋过程的 p

22、波。兴奋在向两心房传播过程中，其 心电去极化的综合向量先指向左下肢，然后逐渐转向左上肢。如将各瞬间心房去极 的综合向量连结起来，便形成一个代表心房去极的空间向量环，简称 p 环。p 环在 基于 gui 的心电监护仪设计 5 各导联轴上的投影即得出各导联上不同的 p 波。p 波形小而圆钝，随各导联而稍有 不同。p 波的宽度一般不超过 0.11 秒，电压（高度）不超过 0.25 毫伏。 (2) qrs 波群：心室激活产生的最大波，它反映心室肌除极过程的电位变化。正 常间隔 0.08-0.12 秒。典型的 qrs 波群是指三个紧密相连的波；第一个向下的波为 q 波，这波不一定总是出现。qrs 波的第

23、一个向上的波为 r 波，继 r 波后第一个向 下的波为 s 波，发生在 s 波后的向上的波称为 r。qrs 是广义的代表心室肌的除极 波，并不是每一个 qrs 波群都具有 q、r、s 三个波，一个单相的负 qrs 复合波被 称为 qs 波。 (3) p-r 间期：从 p 波开始到 qrs 复合波开始，它代表心房肌开始除极到心室 肌开始除极的时限。正常间期是 0.12-0.20 秒，测量是从 p 波的起点到 qrs 复合波 的起点，不管初始波是 q 波还是 r 波。它是房室传导时间的一种度量，由于这个原 因，它在临床诊断上很有用。基线是由波的 tp 段建立的(t 波末端到下一个 p 波开 始。

24、(4) s-t 间期：是在 qrs 波群以后，t 波以前的一段平线。代表左、右心室全部 除极完毕到复极开始以前的一段时间。该段在确定病理学上比如心肌梗塞(升高)和 局部缺血(降低)上是很重要的。在正常情况下，它用作测量其它波形幅度的等电势 线。 (5) t 波：代表心室肌复极过程引起的电位变化。 (6) q-t 间期：代表整个心室肌自开始除极至复极完毕的总时间。qt 间期代表 体现了心室肌肉激活间期和恢复。这个持续时间和心率的变化相反。但通常不采用 qt，而采用修正 qt，称为 qtc：qtc=qt+1.75(心室率60)。体表心电图反映的 是心电信号的时域特性，经分析可以看出 ecg 信号的

25、特征段的分界处是波形上的拐 点。 2.2.3 心电信号频域特征分析 心电图是心电信号的一种时域描述8。心电信号经傅立叶变换可用域表示。心 电图对多种心脏病有诊断意义，据而推论频域分析对心功能了解和疾病的诊断可能 更有价值，但必须寻找心电信号时域和频域间的对应关系和进行更精确的分析。用 数字信号处理方法,将心电信号通过不同频率的滤波器，分析滤波后图形的变异,可 以明了心电图各主波的频率组成,时域和频域参数的对应关系。 基于 gui 的心电监护仪设计 6 图 2-2 正常人心电图自功率谱 图 2-2 为心电信号的自功率谱图,约有 26,甚至 30 个谱峰,自低频起,最初 5 个 谱峰占能量 506

26、0%,其中第 1 谱峰幅度常最大,约占总能量 1/3,以后与其后依次谱 峰的关系,约为 fnf0n,例如第 1 谱峰为 0.976hz,第 8 谱峰则约为 2.930hz ,依 此类推。 心电图波形可用一时间函数表示，周期的时间函数可分解成许多不同频率正弦 信号的叠加，各正弦波都有其振幅和相位，按频率高低，表示此不同频率正弦波振 幅和相位大小的图形即为信号的频谱9。1965 年后出现快速傅里叶变换(fft)的高效 算法， 以后又有多种具 fft 分析功能的硬件问世，开始了生物信号与图象的数字 处理新阶段。sher 等用扫频仪进行心电图频率分析，指出高于 100hz 的频率对电压 振幅无大作用。

27、golden 等10用 fft 技术对正常人静止心电图进行谱分析，指出谱的 最大值发生于基频。过去进行的频率分析工作大多着眼于与心电图仪器设计有关的 频带宽度参数问题，近年虽开始注意到其可能的临床意义，但对心电信号时域与频 域参数间的对应关系尚未给以应有的注意。常规心电图在临床应用上有一定的限制 性6，因此寻找更敏感和更精细反映心脏信号改变的方法则很有意义，将心电信号 变换为频域描述提供了这种前景。 2.2.4 心电信号的特点 心电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，它是由复杂的生命体发出的不稳 定的自然信号，由于受到人体诸多因素的影响，因而有着一般信号所没有的特点。 (1)属低频信号，且能量

28、主要在几百赫兹以下。 (2)信号弱。例如从母体腹部取到的胎儿心电信号仅为 10v 成人的心电信号范 围也仅为 5mv。 (3)噪声强。由于人体自身信号弱，加之人体又是一个复杂的整体，因此信号易 受噪声的干扰。如胎儿心电混有很强噪声，它一方面来自肌电、工频等干扰，另一 方面，在胎儿心电中不可避免地含有母亲心电，母亲心电相对我们要提取的胎儿心 电则变成了噪声。 (4)随机性强。心电信号信号不但是随机的，而且是非平稳的。正是因为生物医 学信号的这些特点，使得心电信号处理成为当代信号处理技术最可发挥其威力的一 基于 gui 的心电监护仪设计 7 个重要领域。 3 基于 matlab 的心电信号处理 心

29、电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，要对其进行分析，就必须经过去 噪处理，而 matlab 作为数字信号处理的专业软件能够帮助我们很好的完成去噪分析 的功能。 3.1 matlab 处理 ecg 的优势 1. 友好的工作平台和编程环境。matlab 由一系列工具组成4。这些工具方 便用户使用 matlab 的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括 matlab 桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户 浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。 2.简单易用的程序语言。matlab 拥有一个高级的矩阵/阵列语言3，它包含控 制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向

30、对象编程特点。用户可以在命令窗口 中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（m 文 件）后再一起运行。 3.出色的图形处理功能。matlab 自产生之日起就具有方便的数据可视化功能 7，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的 作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和 工程绘图。另外新版本的 matlab 还着重在图形用户（gui）的制作上作了很大 的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。 4.应用广泛的模块集合工具箱。matlab 对许多专门的领域都开发了功能强大 的模块集和工具箱4。一般来说，它们

31、都是由特定领域的专家开发的，用户可以直 接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。 3.2 心电信号噪声的来源及特点 心电信号在经过采集、数模转换过程中，不可避免的受到各种类型的噪声干扰， 这些干扰使得得到的心电信号的信噪比较低,甚至淹没了心电信号。通常心电信号中 主要包括以下 3 种噪声： 1.工频干扰 主要包括 50hz 电源线干扰及高次谐波干扰。由于人体分布电容的存在使入体 具有天线效应以及较长的导联线暴露在外，50hz 的工频干扰在心电信号中是常见的， 依情况不同，其干扰幅度达心电信号峰一峰值的 050%。 2.肌电干扰 由于病人的紧张或寒冷刺激，以及因某些疾病如甲状

32、腺机能亢进等，都会产生 基于 gui 的心电监护仪设计 8 高频肌电噪声，其产生是众多肌纤维分时随机收缩时引起的，频率范围很广(dc- 1000v), 谱特性接近白噪声，其频率一般在 5hz2khz 之间。 3.基线漂移 这种噪声是因呼吸、肢体活动或运动心电图测试所引起的。稍微剧烈的肢体运 动将引起心电信号波形发生改变，严重地破坏了心电信号分析的准确性。上下波动 和扭曲的心电图也令医师眼花缭乱，影响诊断，其频率一般在 0.05hz2hz 之间。 3.3 matlab 对 ecg 信号的处理过程 3.3.1 mit-bih 简介 mit-bih 是由美国麻省理工学院提供的研究心律失常的数据库。目

33、前国际上公 认的可作为标准的心电数据库有三个，分别是美国麻省理工学院提供的 mit-bih 数据库，美国心脏学会的 aha 数据库以及欧洲 at-t 心电数据库。其中 mit-bih 数据库近年来应用比较广泛6。 mit-bih 的数据可以从 /cgi-bin/chart 直接下载，我们可 以选择文档格式的数据进行下载。 3.3.2 matlab 读取心电信号 matlab 中有直接读取.txt文件的函数 textread ,它的基本语法是： a,b,c = textread（filename,format） a,b,c = textread（fi

34、lename,format,n） 其中 filename 就是文件名，format 就是要读取的格式，a,b,c 就是从文件中读 取到的数据。 从 mit-bih 中下载的文档直接是数字格式的直接用语句 a= textread(filename)就 可以读取信号，并将信号存变量 a 中。mit-bih 中的数据采样频率为 360hz，10 秒 钟对应 3600 个点，数据读取之后会形成一个 3600*2 的矩阵，第一列保存的是时间， 第二列保存的是信号值。 文件读取后就可以在 matlab 中进行一系列的处理工作了。 3.3.3 心电信号的滤波 心电信号作为一种人体的基本生理信号，是心脏电活动

35、在人体体表的表现，信 号一般比较微弱，频率在 0.05hz100hz 范围内，幅度为 10v（胎儿） 5mv（成人） ，心电信号信噪比和频率都较低，在心电的采集、放大、检测等过程 中，易受到外界的各种干扰。常见的噪声干扰有：第一是基线漂移，一般是由人体 呼吸和心肌兴奋所引起的，它的频率低于 0.5hz，属于低频干扰；其次是肌电干扰， 它是由人体肌肉颤动所致，它的发生频率具有随机性，范围在 5hz2000hz 之间； 第三是工频干扰，它是由室内照明及动力设备影响到人体的分布电容所引起的，频 基于 gui 的心电监护仪设计 9 率为 50hz。6消除或减少这些干扰时识别心电信号特征和参数的前提。心

36、电信号噪 声来源不同，频率也存在差异，正是由于这些差异，对不同的信号干扰其滤波方法 也不同，滤波可以用硬件实现，但实现过程相对困难，也可以用软件编程方法实现， 数字滤波技术成为目前滤除心电干扰的有效手段8。 1.巴特沃斯滤波器 用 matlab 信号处理工具箱函数设计巴特沃斯滤波器，其中有五种格式，在 本次设计任务中，用到的是格式之一的n,wn=butterod(wp,ws,rp,rs)和b,a =butter(n,wn,type)10。其中，n,wn=butterod(wp,ws,rp,rs)用于计算巴特沃斯数字 滤波器的阶数 n 和 3db 截止频率 wc。调用参数 wp，ws 分别为数字

37、滤波器的通带、 阻带截止频率的归一化值，要求：0wp1，0ws1。rp，as 分别为通带最大衰减 和组带最小衰减(db)。当 wswp 时，为高通滤波器；当 wp 和 ws 为二元矢量时， 为带通或带阻滤波器，这时 wc 也是二元向量。n，wc 作为 butter 函数的调用参数。 2.滤波过程 (1)选择工频干扰滤波，选取带阻滤波器，参数设置为： fs=360hz，wp1=49hz，wp2=51hz，ws1=46hz，ws2=54hz，rp=3db，rs=30db。 (2)选择基线漂移滤波，选取高通滤波器，参数设置为： fs=360hz，wp=1hz，ws=0.05hz，rp=3db，rs=

38、30db。 (3)选择肌电干扰滤波，选取低通滤波器，参数设置为：fs=360hz， wp=80hz，ws=100hz，rp=3db，rs=30db。 3. 程序设计与实现 （1）高通滤波器 对原信号滤波后仿真结果如图 3-1 所示。 基于 gui 的心电监护仪设计 10 图 3-1 去除基线漂移 可以看出经过高通滤波后抑制了基线漂移。 （2）低通滤波器 对原信号滤波后仿真结果图 3-2 所示。 图 3-2 去除肌电干扰 可以看出经过低通滤波后抑制了肌电干扰。 （3）带阻滤波器 对原信号滤波后仿真结果如上图 3-3 所示。可以看出经过带阻滤波后抑制了工 基于 gui 的心电监护仪设计 11 频干

39、扰。 图 3-3 去除工频干扰 总体的滤波前后信号对比如图 3-4 所示。 图 3-4 滤波后信号与原始信号对比 带噪声的心电信号经三次滤波后，噪声被滤除，效果良好。设计的滤波器能够 有效地滤除心电信号中的低频干扰、高频干扰及 50hz 工频干扰，利用 matlab 强大 的计算功能及丰富的工具箱函数可以快速有效地设计滤波器10，大大简化了计算量。 基于 gui 的心电监护仪设计 12 3.3.4 心电信号频谱及功率谱的计算 心电图是心电信号的一种时域描述。心电信号经傅立叶变换可用频域表示。心 电图对多种心脏病有诊断意义。据而推论频域分析对心功能了解和疾病的诊断可能 更有价值。 心电信号是心电

40、电压振幅随时间变化的信号，称为时域函数。按照函数傅里叶 展开理论。任何时间函数均可分解成许多不同频率的正弦波，各正弦波都有其振幅 和位相，按频率的高低。表示此不同频率正弦波振幅和位相大小的图形即为信号频 谱。5任何实际信号均可通过一系列不同频率和振幅的正弦波精确叠加而体现出来。 其最低频率的正弦波称为基频,较高频率的正弦波(谐波)均为基频的整数倍的频率, fft 分析基于计算机数学演算,可实现时域与频域的相互转换，在时域与频域之间提 供最直接的联系12。 对处理过后的信号进行频谱分析，程序运行结果如图 4-5 所示。 图 3-5 心电信号频谱图 通过对信号进行频谱分析，能够更好的把握心电信号的

41、特征，从而更有利于对 患者情况的判断。 3.3.5 心率的计算 由于心电信号的 r 波算是一个波峰，我们只需要抓住波峰所在位置就能很容 易算出心率，下面的程序找到了第一个波峰出现的时间 t1，以及第 n 个波峰出现的 时间 t2，然后通过公式 xinlv=60*n/(t2-t1),就可以算出一分钟心跳的数。 基于 gui 的心电监护仪设计 13 进行心率的计算是对心电信号一个基本而重要的环节，通过 matlab 编程实 现使得该过程简单而精确。 3.3.6 信号的保存和回放 matlab 中用 fprintf 函数可以对数据进行保存；回放过程只需要再次将 result.txt 进行读取即可。

42、4 基于 matlab 的 gui 界面设计 matlab 为用户开发图形界面提供了一种方便高效的集成环境：matlab 图 形用 户界面开发环境 guide( graphical user interface development environment ), 因此用户界面所有开发工作都能利用 guide 方便地实现 guide 主要是一个界面设 计工具集,将所有支持的用户控件都集中在这个环境中并提供界面外观、属性和行为 响应方式的设置方法。guide 将用户保存设计好的 guide 界面保存一个 fig 资源 文件中,同时还能够生成包含 gui 初始化和组件界面布局控制代码的 m 文件。

43、这个 m 文件为实现回调函数(当用户激活 gui 某一组件时执行的函数)提供了一个参考框 架。虽然也可以使用用户自己编写的、包含 gui 所有发布命令的 m 文件也能够实 现一个 gui,但是使用 guide 执行效率更高,不但能够交互式地进行组件界面布局, 而且能够生成一个用来保存和发布 gui 的文件。 4.1 gui 所要实现的功能 1.心电信号读取。 2.心电信号滤波。包括去肌电干扰滤波；去工频干扰滤波；去基线漂移滤波。 3.心电信号的频谱显示。 4 心电信号心率的计算。 5.心电信号的保存和回放。 4.2 gui 界面的布局设计 1.设计 4 个输出窗口：分别显示输入信号，输出信号，

44、信号频谱及功率谱，以 及滤波器的特性。 2.设计选择框：包括文件的选择，滤波处理过程的选择，以及查看频谱对象的 选择。 3.设计提示框：包括当前操作，心率计算结果。 4.设计保存和回放功能：调用保存、读取对话框。 具体布局如图 4-1 所示。 基于 gui 的心电监护仪设计 14 图 4-1 gui 界面的布局图 从图中可以看出，matlab 中许多工具采用的是图形用户界面，包括 matlab 桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索、浏览器等。 这些工具使用户更方便直观地使用 matlab 的函数和文件。 4.3 gui 对应函数的编写 4.3.1 信号的读取模块 先清空所有图

45、片，然后根据文件选择的情况给变量 name 赋值，并修改提示窗 口的显示内容，最后调用 duqu 函数。 在文件选择模块中选择所要处理的文本文件后点击“信号读取”后程序运行结果 如图 4-2 所示。此过程实现的是对信号的读取。 基于 gui 的心电监护仪设计 15 图 4-2 信号读取 4.3.2 信号的滤波模块 在读取被保存的数据后根据滤波选择框中选择的情况调用不同的滤波器函数进 行滤波，并将滤波前后的波形显示。最后将滤波后的信号数据保存到变量空间。选 择滤波过程并点击“滤波”后，程序运行结果如图 4-3、4-4、4-5、4-6 所示。 图 4-3 去除基线漂移 基于 gui 的心电监护仪设

46、计 16 图 4-4 去除工频干扰 图 4-5 去除肌电干扰 基于 gui 的心电监护仪设计 17 图 4-6 整体滤波 进行工频干扰滤波时，因其频率一般在 50hz 左右，选取带阻滤波器进行滤除； 进行肌电干扰滤波时，因其频率一般在 5hz2khz 之间，选取低通滤波器进行滤除； 进行基线漂移滤波时，因其频率一般在 0.05hz2hz 之间，选取高通滤波器进行滤 除。 4.3.3 信号的频谱显示 根据选择框的选择，调用 pinpu 函数对输入或输出信号进行频谱分析，并将频 谱显示在窗口中。选择信号后点击“查看”，程序运行结果如图 4-7、4-8 所示。 基于 gui 的心电监护仪设计 18

47、图 4-7 输入信号频谱显示 图 4-8 输出信号频谱显示 4.3.4 信号的心率计算模块信号的心率计算模块 直接调用 xinlvjisuan 函数即可，计算值在 edit2 中显示。程序运行结果如图 4-9 所示。 图 4-9 心率计算模块 4.3.5 信号保存模块 调用 fprintf 函数进行保存即可。程序运行结果如图 4-10 所示。 基于 gui 的心电监护仪设计 19 图 4-10 信号保存 点击保存即可保存滤波后的数据。 4.3.6 信号回放模块 先用 uigetfile 记录打开文件的位置及名称，然后调用 huifang 函数进行回放。 4.4 gui 界面运行结果 打开 jianhuyimoni.fig 文件后,分别进行,读取,滤波,查看频谱，