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基于MATALAB的心音信号处理

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基于MATALAB的心音信号处理基于MATALAB的心音信号处理 燕山大学 课 程 设 计 说 明 书 题目:基于MATLAB的心音信号频谱分析及滤波处理 学院(系): 年级专业: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 教师职称: 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 燕山大学课程设计(论文)任务书 院(系): 基层教学单位:电气工程系 学 号 学生姓名 专业(班级) 设计题目 基于MATLAB的心音信号频谱分析及滤波处理 设 1、心音信号经低通滤波器滤波:fs=22050;fc1=1100; 计 2、心音信号经高通滤波器滤波:fc...
基于MATALAB的心音信号处理
基于MATALAB的心音信号处理 燕山大学 课 程 设 计 说 明 书 题目:基于MATLAB的心音信号频谱分析及滤波处理 学院(系): 年级专业: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 教师职称: 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 燕山大学课程设计(论文)任务书 院(系): 基层教学单位:电气工程系 学 号 学生姓名 专业(班级) 设计题目 基于MATLAB的心音信号频谱分析及滤波处理 设 1、心音信号经低通滤波器滤波:fs=22050;fc1=1100; 计 2、心音信号经高通滤波器滤波:fc2=4900; 技 术 参 数 掌握MATALAB、心音信号、数字滤波概念及基本原理; 设 读懂频谱分析及数字滤波程序; 计 得到处理结果,对比分析得出结论。 要 求 学习概念基本知识,编写相应软件,完成课程设计一份 工 作 量 1天 调研; 2-4天 软件设计与编写调试. 工 5天 系统总结、答辩、完成报告 作 计 划 1 黄文梅,熊佳林,杨勇编著.信号分析与处理——MATALB言 及应用.长沙:国参 防科技大学出版社,2000 考 2 钱同惠编著.数字信号处理.北京:机械工业出版社,2004 资 料 3 姚天任,江太辉编著.数字信号处理.第2版.武汉:武汉理工大学出版社,2000 指导教师签字 基层教学单位主任签字 说明:此表一式四份,学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份 2 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 摘要:心音信号是人体最重要的信号之一,能反映心脏的变时性和变力性,可应用于心血管疾病的诊断和心肌收缩能力的评估;同时心音信号方便、无创、花费极少,可作为心脏疾病检测、预防的有效手段。因此,研制一种能简易、方便地检测心音信号的数字式心音分析滤波器,对于满足医院和病人的需要,有着极大的社会价值和经济价值。本课程设计在MATLAB环境下,设计出FIR滤波器,可以很好的分析、处理、显示、统计心音信号的信息,充分发挥了微机强大的功能和软件设计的灵活性。经过运行程序,测试结果显示能够实现从一个包含多种频率成分的心音信号中提取出所需的单一频率心音信号的功能。 关键词:心音信号 MATLAB FIR滤波器 3 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 目录 1、实验原理…………………………………………………………………………………5 1.1 心音信号………………………………………………………………………………..5 1.2 数字滤波器……………………………………………………………………………..5 1.3 MATLAB………………………………………………………………………………7 2、实验步骤…………………………………………………………………………………8 2.1 心音信号的采集………………………………………………………………… …….8 2.2 心音信号的频谱分析…………………………………………………………………...9 2.3 信号经低通滤波器滤波……………………………………………………………….10 2.4 信号经高通滤波器滤波……………………………………………………………. ..12 2.5 回放心音信号…………………………………………………………………… …...14 3、结论:…………………………………………………………………………………….15 4、参考文献………………………………………………………………………………..16 4 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 1、实验原理: 1.1 心音信号 从生理上讲,心音信号[1]是一种机械振动信号,是心脏舒缩运动中心脏瓣膜和大血管的机械振动产生的,在心脏的窦房结发生有节律的电兴奋后,电兴奋沿神经传导,并发生电-肌肉耦联,引起心肌的收缩舒张运动。正常人的心音随着心脏搏动呈现周期性变化,临床上分为第一心音,S1,、第二心音,S2,、第三心音,S3,和第四心音,S4,,多数情况下只能听到S1和S2。正常人的S1发生于心室收缩,心室压略大于心房压,房室瓣关闭的过程。S2产生于半月瓣关闭,主动脉和肺动脉内血流减速的过程中,S3产生于舒张早期心室快速充盈时,心房血液急速进入心室,引起心室壁振动,S4是由心房收缩和心室振动产生。从临床的角度,心动周期分为:收缩期和舒张期。收缩期从听到第一音时开始,第二音开始前终止,舒张期从第二音开始,在次一个第二音开始前终止。任何发生于第一音开始后和第二音开始前的声音,表示在收缩期,任何发生在第二音开始后和第一音开始前的声音,表示在舒张期。上述心动周期指的是心室而非心房。但是心房也有收缩期和舒张期,当心室舒张时,心房收缩,当心室收缩时,心房舒张。 1.2 数字滤波器 数字滤波是数字信号分析中最重要的组成部分之一,与模拟滤波相比,它具有精度和稳定性高、系统函数容易改变、灵活性强、便于大规模集成和可实现多维滤波等优点。在信号的过滤、检测和参数的估计等方面,经典数字滤波 5 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 器是使用最广泛的一种线性系统。 数字滤波器是指完成信号滤波处理功能的,用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统,其输入是一组数字量,其输出是经过变换的另一组数字量。因此,数字滤波器本身既可以是用数字硬件装配成的一台完成给定运算的专用的数字计算机,也可以将所需要的运算编成程序,让通用计算机来执行。 从数字滤波器的单位冲击响应来看,可以分为两大类:有限冲击响应(FIR)数字滤波器和无限冲击响应(IIR)数字滤波器。滤波器按功能上分可以分为低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BSF)。 在很多实际应用中如语音和音频信号处理中,数字滤波器来实现选频功能。因此,指标的形式应为频域中的幅度和相位响应。在通带中,通常希望具有线性相位响应。在FIR滤波器中可以得到精确的线性相位。FIR滤波器传递函数的极点是固定在原点,是不能动的,它只能靠改变零点位置来改变它的性能,所以要达到高的选择性,必须用高的阶数,对于同样的滤波器设计指标,FIR滤波器所要求的阶数可能比IIR滤波器高5-10倍,结果成本高,信号延时也较大,如果按线性相位要求来说,则IIR滤波器就必须加全通网络进行相位校正,同样大大增加了滤波器的阶数和复杂性。而FIR滤波器却可以得到严格的线性相位。 不论是IIR滤波器还是FIR滤波器的设计都包括三个步骤: (1) 按照实际任务的要求,确定滤波器的性能指标。 (2) 用一个因果、稳定的离散线性时不变系统的系统函数去逼近这一性能 6 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 指标。根据不同的要求可以用IIR系统函数,也可以用FIR系统函数去逼近。 (3) 利用有限精度算法实现系统函数,包括结构选择、字长选择等。 1.3 MATLAB MATLAB是矩阵(Matrix Laboratory)之意。除具备卓越的数值计算能力外,它还提供了专业水平的符号计算,文字处理,可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多,工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。 功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类。 MATLAB具有许多的优点比如:语言简洁紧凑,使用方便灵活,库函数极其丰富,MATLAB既具有结构化的控制语句(如for循环,while循环,break语句和if语句),又有面向对象编程的特性;程序的可移植性很好,基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行,等等优点。 MATLAB 的应用范围非常广,包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱,单独提供的专用MATLAB 函数集,扩展了MATLAB 环境,以解决这些应用领域内特定类型的问题。 7 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 2、实验步骤: 2.1 心音信号的采集 ,1,将心音信号文件“xinyin.wav”复制到计算机装有MATLAB软件的磁 盘中相应MATLAB目录中的“work”文件夹中。 ,2,打开开始—程序—MATLAB 7.0.4,打开软件。 ,3,在菜单栏中选择“File>new>M-File”打开m文件编辑器。 ,4,在m文件编辑器中输入相应的指令将心音信号导入MATLA工作台。 ,5,编写程序显示原始心音信号波形图。 在MATLA中实现的程序如下: y=wavread('xinyin.wav'); subplot(2,1,1); title('原始心音信号'); plot(y) 8 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 2.2 心音信号的频谱分析 实验程序: [x1,Fs,bits]=wavread('xinyin.wav'); %sound(y,Fs,bits); figure(1); plot(x1); %做原始语音信号的时域图形 title('原始语音信号'); xlabel('时间 n');ylabel('音量 n'); figure(2); y1=fft(x1); %做length(x1)点的FFT y1=fftshift(y1);%平移,是频率中心为0 derta_Fs = Fs/length(x1);%设置频谱的间隔,分辨率 plot([-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs],abs(y1));%画出原始语音信号 的频谱图 title('原始语音信号的频谱');grid on; 9 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 2.3 心音信号经低通滤波器滤波 fs=22050; fc1=1100; wc1=2*pi*fc1/fs; wp1=2*pi*1000/fs;ws1=2*pi*1200/fs; N1=ceil(200*2*pi/ws1-wp1); Window=boxcar(N1+1); %长度为N1的矩形窗Window b1=fir1(N1,wc1/pi,Window); figure(3); freqz(b1,1,512); title('低通滤波器的频率响应'); x1_low = filter(b1,1, x1);%对信号进行低通滤波 figure(4); 10 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 plot(x1_low);title('信号经过低通滤波器(时域)'); figure(5); plot([-Fs/2:derta_Fs: Fs/2-derta_Fs],abs(fftshift(fft(x1_low)))); title('信号经过低通滤波器,频域,'); 11 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 2.4 心音信号经高通滤波器滤波 fc2=4900; wc2=2*pi*fc2/fs; wp2=2*pi*4800/fs;ws2=2*pi*5000/fs; N2=ceil(4*pi/(ws2-wp2)); Window=boxcar(N2+1); b2=fir1(N2,wc2/pi,Window); figure(6); freqz(b2,1,512);%数字滤波器频率响应 title('高通滤波器的频率响应'); x1_high = filter(b2,1,x1);%对信号进行高通滤波 figure(7);plot(x1_high);title('信号经过高通滤波器(时域)'); 12 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 figure(8);plot([-Fs/2:derta_Fs:Fs/2-derta_Fs],abs(fftshift(fft( x1_high)))); title('信号经过高通滤波器,频域,'); 13 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 2.5 回放心音信号 在Matlab中, 函数sound 可以对声音进行回放,其调用格式: sound (x, fs, bits), sound(x1_low,Fs); sound(x1_high,Fs); sound(x1_daitong,Fs); 可以感觉滤波前后的声音变化。 14 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 结论: 心电信号是诊断目前临床诊断发病率较高的心血管疾病的重要依据,且心电信号自动诊断可以将医务人员从烦琐的图形识别和数据处理中解脱出来,大大提高工作效率。如果能探索新的方法以提高波形识别的准确率,寻找适合计算机实现又具诊断价值的诊断以改进计算机自动诊断效果,以及扩大其应用范围,将对心脏病变的诊断有重要的意义。 通过此次课程设计,让我了解到数字滤波是数字信号分析中最重要的组成部分之一,与模拟滤波相比,它具有精度和稳定性高、系统函数容易改变、灵活性强、便于大规模集成和可实现多维滤波等优点。还了解到MATLAB具有许多的优点比如:语言简洁紧凑,使用方便灵活,库函数极其丰富,MATLAB既具有结构化的控制语句(如for循环,while循环,break语句和if语句),又有面向对象编程的特性。 15 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 参考文献: 1 黄文梅,熊佳林,杨勇编著.信号分析与处理——MATALB言 及应用.长沙:国防科技大学出版社,2000 2 钱同惠编著.数字信号处理.北京:机械工业出版社,2004 3 姚天任,江太辉编著.数字信号处理.第2版.武汉:武汉理工大学出版社,2000 16 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 燕山大学课程设计评审意见表 指导教师评语: 平时成绩: 指导教师签字: 2011 年 12月 30日 图面及其它成绩: 答辩小组评语: ?设计巧妙,实现设计要求,并有所创新。 ?设计合理,实现设计要求。 ?实现了大部分设计要求。 ?没有完成设计要求,或者只实现了一小部分的设计要求。 答辩成绩: 组长签字: 2011 年12月30日 课程设计综合成绩: 答辩小组成员签字: 2011年 12月 30 日 17
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