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DSP_Design. 报告人：钟文. ECG Signal Processing. cardiac structure. The Definition Of ECG.

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Presentation Transcript

  1. DSP_Design 报告人：钟文 ECG Signal Processing

  2. cardiac structure USTC EEIS 006

  3. The Definition Of ECG • Electrocardiography (ECG or EKG from the GermanElektrokardiogramm) is a transthoracic (across the thorax or chest) interpretation of the electrical activity of the heart over a period of time, as detected by electrodes attached to the outer surface of the skin and recorded by a device external to the body.[1] The recording produced by this noninvasive procedure is termed aselectrocardiogram (also ECG or EKG). An ECG test records the electrical activity of the heart. USTC EEIS 006

  4. An Example Of ECG USTC EEIS 006

  5. The Description Of ECG USTC EEIS 006

  6. The Description Of ECG • P波：心脏的激动发源于窦房结，然后传导到达心房。P波由心房除极所产生，是每一波中的第一波，它反映了左、右心房的除极过程。 • QRS波：典型的QRS波群包括三个紧密相连的波，第一个向下的波称为Q波，继Q波后的一个高尖的直立波称为R波，R波后向下的波称为S波。因其紧密相连，且反映了心室电激动过程，故统称为QRS波群。 USTC EEIS 006

  7. The Description Of ECG • T波：T波位于S-T段之后，是一个比较低而占时较长的波，它是心室复极所产生的。 • P．R间期：由P波起点到QRS波起点之间的间期，代表自心房除极开始至心室除极的时间。正常成人为0．12～0．20s。在幼儿及心率较快的情况下，P．R问期相应缩短；而经常进行体育锻炼的人，如职业运动员，其P—R间期较长，有的可超过0，20s。 USTC EEIS 006

  8. The Description Of ECG • S．T段：自QRS波终点至T波起点之间的线段，代表心室缓慢复极过程。正常的ST段多为一等电位线，有时也可有轻微的偏移。在任一导联，ST段下移一般不应超过0．05mv，ST段上抬在V1，V2导联不超过0．3mv，在V3不超过0．5mv，在V4～V6导联与肢体导联不应超过0．1mv。 USTC EEIS 006

  9. The Description Of ECG • Q．T间期：从QRS波群起点至T波终点的时程，代表心室肌除极和复极全过程所需要的时间。这一时间的长短与心率密切相关。心率越快，Q．T间期越短；反之，则间期越长。心率在60～100次／分时，Q-T间期的正常范围为0．32～0，44s。 • U波：在T波后0．02～0．04s可能出现的低而宽的波，代表心室后继电位。其方向一般与同导联T波方向一致，幅度较T波低。U波在肢体导联中不易辨认，一般在胸导联中比较清楚。 USTC EEIS 006

  10. 处理后信号的分析测量 1.要针对每个信号注意检测相应属性值。 2.可能还要划分好区间以及判别好各种峰的真伪。 （因为图还没画出来，谈分析，还太早了） 首先要在头脑中形成处理的概要思路 1.仔细精确分析信号噪声来源。 2.针对每一种噪声的主要特点，同时找出噪声与有用信号的差异，进行去噪。 3.获得低噪信号后，进行检测，分析。 The Core of the processing 其次就是掌握Matlab中的相关知识，实现前面的想法 1.初步了解这个软件，知道他大概的功能 2.利用系统库函数或者自己实现滤波器，滤波 3.分析滤波后的信号，测量相关值。 Process of ECG Signal USTC EEIS 006

  11. 噪声来源 3.皮肤运动收缩时候，就会产生皮肤电势改变，影响了心电信号 4.孕妇做心电图时候，胎心还会有一定影响。 1.工频噪声来源于电源线，如果使用MIT数据库那么要考虑60Hz左右的干扰。 2.基线漂移是低频噪声，一般信号都存在这种干扰。 工频噪声 基线漂移 肌电干扰 #胎心对孕妇心电干扰 Analysis Of ECG Signal USTC EEIS 006

  12. Our Goal 工频噪声 （带陷） 基线漂移 （高通） 其他 微弱干扰 （忽略） 降噪 肌电干扰 （低通） 胎心影响 （忽略） Analysis Of ECG Signal USTC EEIS 006

  13. The Image Of ECG www.themegallery.com 载入文件后得到的图像： CompanyLogo USTC EEIS 006

  14. The Loading Of ECG www.themegallery.com 经过插值，数据被插值为以0.001s为间隔的信号; 然后用以0.001s为间隔的信号通过滤波处理，得到滤波之后的波形，并进行下一步处理。 CompanyLogo USTC EEIS 006

  15. The Definition Of ECG www.themegallery.com 关于图像的初步分析： 1.图像放大后可以看到比较剧烈的抖动，说明含有不属于人心跳部分高频分量； 2.每隔一段时间会有一个向上的冲击，其中主要包含了我们要提取的心跳信息； 3.冲击之前会有一个比较大的抖动，但它被很多噪声所淹没。需要性能良好的滤波器处理后才能看出 CompanyLogo USTC EEIS 006

  16. Design Of Filter www.themegallery.com 图3.4 原始心电信号主要噪声分析 噪声主要频带分析 CompanyLogo USTC EEIS 006

  17. Design Of Filter www.themegallery.com 105号原始心电幅频响应图 CompanyLogo USTC EEIS 006

  18. Design Of Filter www.themegallery.com 105号原始心电幅频响应图中的工频干扰 CompanyLogo USTC EEIS 006

  19. Design Of Filter www.themegallery.com 高频部分噪声 低频部分噪声 CompanyLogo USTC EEIS 006

  20. Bandstop Filter www.themegallery.com 最后选定参数： 通带1：0-48Hz；通带过渡带：48Hz-55Hz；阻带：55Hz-65Hz；阻带过渡带：65Hz-72Hz；通带2：72-更高。 通带起伏：1dB；阻带：55dB。 CompanyLogo USTC EEIS 006

  21. Lowpass Filter www.themegallery.com 最后选定参数： 通带：0-17Hz；过渡带：17Hz-60Hz；阻带：60Hz-更高。通带起伏：1dB；阻带：80dB。 CompanyLogo USTC EEIS 006

  22. Highpass Filter www.themegallery.com 最后选定参数： 阻带：0-0.05Hz；过渡带：0.05Hz-2Hz；通带：2Hz-更高。通带起伏：1dB；阻带：60dB。 CompanyLogo USTC EEIS 006

  23. 出现的问题 www.themegallery.com 信号延迟 CompanyLogo USTC EEIS 006

  24. 最终结果 www.themegallery.com CompanyLogo USTC EEIS 006

  25. GUI界面设计 www.themegallery.com GUI界面设计初衷： 1.将复杂的函数功能封装，不要求操作人员掌握复杂的Matlab知识； 2.提供简洁和便于操作的界面进行信号处理，实现良好的人机交互； 3.对信号进行滤波去噪处理，并能最信号做基本的检测和分析，提供有用参数，给医护人员做参考； CompanyLogo USTC EEIS 006

  26. 功能构想 www.themegallery.com 功能构想： 界面将分为四个功能区和一个图像显示区，四个功能区分别为： 1，选择样本文件。 2，展示所用滤波器特性。 3，选择去噪方式。 4，进行波形及参数检测。 CompanyLogo USTC EEIS 006

  27. GUI EX GUI主题界面 CompanyLogo

  28. Detection Of ECG The core of ECG signal USTC EEIS 006

  29. Methods of Detection • 1.基于阈值的检测方法 • 2.基于差分思想的检测方法 USTC EEIS 006

  30. Threshold Method The practicability of Threshold Method 虽然看不很清楚具体的时域持续时间，但是可以清晰看到各种波的峰值，这就为使用阈值检测创造了可行性条件。 USTC EEIS 006

  31. The Difference Method 差分思想方法比较好，原因是，虽然波形仍然抖动比较大，但是，波形上升幅度还是很明显的，可以求导后再使用阈值方法，就可以确定起止区间了。 但是，但是实际上我并没有这么做，原因很简单，上面的话分析了差分方法的可行性，但是忽略了重要的一点，那就是：虽然差分图像效果比较显著，但是，这种显著也只限于波形较陡峭的QRS波，PT波应为本身较抖动，所以，还是无法实现检测。 有解决办法，但是代价太大，那就是再使用一整套滤波等方法，使差分图像再好看，不过这样的代价太大了，我没有采用。 CompanyLogo

  32. Result in GUI CompanyLogo

  33. Wavelet Transformon Of ECG www.themegallery.com 小波分析与传统信号处理方法的比较 小波去噪的基本原理 小波去噪的基本步骤 去噪效果的评价 可视化界面 程序说明 USTC EEIS 006

  34. Wavelet Transformon Of ECG www.themegallery.com 小波分析与传统信号处理方法的比较 傅式变换有其局限性： 傅立叶变换的核函数是正弦函数，它在时间域上是无限的，非局部化的。 在去噪方面，由于傅立叶分析是将信号完全在频率域中进行分析，它不能给出信号在某个时间点的变化情况，使得信号在时间轴上的每一点突变，都会影响信号的整个频域，所以，它不能有效的区分信号中可能包含的尖峰或突变部分还是不平稳的白噪声。 USTC EEIS 006

  35. Wavelet Transformon Of ECG 小波变换的特点 小波变换是将时间信号展开为小波函数族的线性叠加，小波变换的核函数是小波函数，它在时间和频率域内都是局部化的，所以，小波变化可对信号同时在时－频域内进行联合分析。　　 在去噪方面，小波分析由于能同时在时－频域中对信号进行分析，具有多分辨分析的功能，所以在不同的分解层上有效的区分信号的突变部分和噪声，从而实现信号的消噪。

  36. cD3 cD2 cA3 cA2 s cA1 cD1 Wavelet Transformon Of ECG 小波分解示意图： 小波分解的结构示意图 小波分解系数示意图

  37. 含噪信号 各尺度小波系数除噪 小波逆变换重构信号 除噪后的信号 小波变换多尺度分解 预处理 Wavelet Transformon Of ECG • 小波变换去噪的流程示意图：

  38. Wavelet Transformon Of ECG 小波去噪效果评价 评价函数： 式中yi表示标准原始信号, xi表示经处理后的估计信号。其中，SNR越大越好, MSE 越小越好。

  39. 调用心电数据库的数据 开始 选取其中一个数据 对被选的心电信号进行小波分解 提取各尺度小波系数 求各层的阈值 根据选取的阈值去噪及重构 去噪效果的评价 输出评价结果及去噪后的心电信号 Wavelet Transformon Of ECG 小波去噪程序 去噪程序流程图

  40. Wavelet Transformon Of ECG 程序运行结果： SNR = 107.3144 MSE = 1.3978e-004

  41. Wavelet Transformon Of ECG 可视化界面 • 主界面：

  42. Wavelet Transformon Of ECG • 小波分解部分：

  43. Wavelet Transformon Of ECG • 小波降噪部分：

  44. Thank You ! USTC EEIS 006

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