医学数字信号处理实验教程-基于MATLAB - 讲义 - 第8章 - 呼吸信号处理实验

1第8章：呼吸信号处理实验卓越工程师培养系列2目录《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义1.实验内容2.实验原理3.实验步骤4.本章任务5.本章习题31.实验内容

了解呼吸测量原理、呼吸测量硬件系统，以及呼吸算法设计过程，学习呼吸数据包的PCT协议和MATLAB中的部分函数和命令。然后，通过MATLAB语言实现呼吸算法模块，如平滑滤波模块（SmoothFilterResp）、基于IIR滤波器的滤波模块（IIRFilterResp）、基于FIR滤波器的滤波模块（FIRFilterResp），以及计算呼吸率模块（CalcRespRate）和计算幅度谱模块（CalcAmpSpec），通过RespMain.m文件静态验证呼吸算法；最后，基于医学信号采集平台，完善呼吸信号处理MATLAB软件系统，动态验证呼吸算法。《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义42.实验原理2.1呼吸测量原理2.2呼吸测量硬件系统2.3呼吸算法设计2.4呼吸数据包的PCT协议2.5本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义52.1呼吸测量原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（1）阻抗式呼吸测量

人体呼吸运动时，胸壁肌肉交变张弛，胸廓交替变形，肌体组织的阻抗也随之交替变化，变化量为0.1~3Ω，称为呼吸阻抗（肺阻抗），呼吸阻抗与肺容量存在一定的关系，肺阻抗随肺容量的增大而增大。阻抗式呼吸测量就是根据肺阻抗的变化而设计的。（2）影响呼吸测量的因素

影响呼吸测量的因素有以下几种：

①不恰当地放置电极会影响测量阻抗变化。

②皮肤接触不良导致信号不良。

③外部干扰。病人的移动、骨骼、器官、起搏器的活动以及电外科手术器械的电磁干扰都会影响呼吸信号。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义62.2呼吸测量硬件系统《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

呼吸测量硬件系统如图8‑1所示，按照功能可以分为四个部分，分别是载波电路、仪器仪表放大电路、检波解调电路与运算放大电路，以及单片机和计算机组成。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义72.3呼吸算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（1）平滑滤波

平滑滤波就是对一些不平滑，起伏不平的信号做处理，将毛刺去掉使其变得平滑，如图8‑2所示。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义82.3呼吸算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）呼吸率计算

本实验只测量呼吸率参数，因此需测量两个波峰之间的数据个数n，由于采样频率fs=500Hz，则相邻数据的间隔是2ms，计算两个波峰之间的时间间隔（单位：s）为：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义

1min=60s，胸部的一次起伏就是一次呼吸，即一次吸气一次呼气，每分钟呼吸的次数称为呼吸率，正常成人呼吸频率为每分钟12～20次，因此呼吸率的计算公式为：

92.3呼吸算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）呼吸率计算

呼吸率计算过程：①本系统采集10000个呼吸波形数据；②对数据进行平滑滤波；③调用findpeaks函数寻找波峰及其位值；④分别求相邻两个波峰之间的间隔，即两个波峰之间的数据点数，因此可以得到一组数据；⑤调用median函数求这组数据的中值；⑥将中值代入呼吸率计算公式即可得出呼吸率结果。注：因为相邻波峰之间的距离可能略有差异，所以使用中值数据作为两个波峰之间的数据个数n会更适合。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义102.4呼吸数据包的PCT协议《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

完整的呼吸数据包和命令包参见书中的附录III。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义112.5本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

本实验中，filter函数用于实现平滑滤波器对数据进行滤波，butter函数用于设计巴特沃兹低通滤波器，filtfilt函数用于设计零相移滤波器，fir1函数用于设计FIR型低通滤波器，findpeaks函数用于寻找波峰及其位置，fft函数用于实现快速傅里叶变换，abs函数用于计算幅度。（1）filter

在MATLAB中，filter函数用于实现一维的数字滤波器对信号的处理，调用格式如下：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义122.5本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）butter butter函数的功能是基于巴特沃兹（Butterworth）模拟滤波器原型，设计IIR类型的数字滤波器，该函数返回值就是所设计滤波器的系数[b,a]，调用格式如下：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义（3）filtfilt

在Matlab中，filtfilt函数可以实现零相位数字滤波，目的是把输入和输出之间的延迟为0，调用格式如下：132.5本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（4）fir1 fir1函数的功能是用窗函数法实现n阶线性相位FIR数字滤波器的设计，采用的是汉明窗。调用格式如下：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义（5）findpeaks

在MATLAB中，可以使用findpeaks函数寻找波峰和波谷，还可以设定条件寻找符合条件的波峰和波谷。142.5本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（6）fft fft是离散傅立叶变换的快速算法，其功能是计算有限长信号的离散傅里叶变换，当数据长度为2的整数次幂时，计算速度最快。调用格式为：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义（7）abs

函数abs的功能是对实数求绝对值、对复数进行求模。求信号x的幅度谱实现格式为：153.实验步骤3.1步骤1:打开MATLAB软件3.2步骤2∶创建并完善SmoothFilterResp.m文件3.3步骤3∶创建并完善IIRFilterResp.m文件3.4步骤4∶创建并完善FIRFilterResp.m文件3.5步骤5∶创建并完善CalcRespRate.m文件3.6步骤6:创建并完善CalcAmpSpec.m文件3.7步骤7∶创建并完善RespMain.m文件3.8步骤8∶打开呼吸信号处理MATLAB软件系统3.9步骤9∶添加SmoothFilterResp.m文件及其主函数调用3.10步骤10∶添加FiltResp.m文件及其主函数调用3.11步骤11:添加CalcRespRate.m文件及其主函数调用3.12步骤12:添加CalcAmpSpec.m文件及其主函数调用3.13步骤13:验证呼吸信号处理MATLAB软件系统《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义164.本章任务 1.在开始呼吸测量前，通过呼吸信号处理MATLAB软件系统菜单栏的“数据存储”按钮，打开“数据存储”对话框，勾选“演示数据”保存呼吸原始数据，测量结束后，记录呼吸率。 2.将“呼吸0x31演示数据-xxx.csv”复制到静态工程，计算呼吸率，并与动态工程中的结果进行对比。 3.重新设计一种呼吸率计算方法，并在静态工程中实现之后予以验证。《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义175.本章习题 1.阻抗式呼吸测量的原理是什么？ 2.移动平均滤波是怎么处理数据的？ 3.如何计算呼吸率？ 4.用什么函数求巴特沃兹数字滤波器的系数？ 5.在findpeaks函数中，minpeakdista