摘 要

近年来，由于信号处理技术的发展壮大，越来越多的信号处理技术在医学信号处理领域得到了广泛的应用，新的信号处理技术也在促进着医学信号处理领域的发展和技术革新。在心脏的每个心动周期中，兴奋依次于心脏起搏器、心房、心室产生并使生物电发生变化，从而得出的图像叫做心电图(electrocardiogram,简称ECG),心电图是心脏活动在身体表面的集中反映。在临床上，心电图对心电信号进行分析从而诊断心脏疾病具有重要研究价值，也是最常用的诊断方法。心电图的应用范围十分广泛，具体包括：记录人体正常心脏的电活动；帮助诊断患者心律是否失常；帮助诊断心肌缺血、心肌梗死、判断心肌梗死的部位；诊断心脏扩大、肥厚；判断药物或电解质情况对心脏的影响；判断人工心脏起搏状况等。

本次毕业设计的目的是使用MATLAB软件，从MIT-BIH数据库下载各种心电图数据，通过对心电图数据的理解、分析，读取重建并绘制出一个完整的心电图，同时，对重建的心电图图形进行简单的分析、处理。

关键词：心电图；matlab；心电信号

Abstract

With the development of signal processing technology, more and more signal processing technology has been applied in the field of medical signal processing, new signal processing technologies are also encouraging the innovation of medical signal processing technology. ECG (electrocardiogram) is the bioelectric changes, which is in each cardiac cycle of the heart and produced by pacemaker, atrial and ventricular excited. Electrocardiogram(ECG) is the comprehensive reflection of heart activity on the body surface, and one of the most commonly clinical examinations, also it has important value on ECG signal analysis and diagnosis of heart disease researches. The application range of electrocardiogram includes: to record the electrical activity of normal heart; to help diagnose arrhythmia; to help diagnose myocardial ischemia, myocardial infarction, and determine the location of myocardial infarction; to diagnose enlarged heart and hypertrophy; to determine the effect of a drug or electrolyte on the heart; to determine the condition of artificial heart pacing.

The purpose of this graduation design is to use MATLAB software, download all kinds of ECG data from the MIT-BIH database, read, reconstruction and map out a complete electrocardiogram (ECG) through understanding and analyzing ECG data,at the same time,analyze and process the reconstruction graphics of electrocardiogram (ECG).

Key Words：electrocardiogram; matlab; electrocardiosignal

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究背景与意义 2

1.3 国内外研究发展史与现状 6

1.4 课题的主要内容及章节安排 6

第2章 ECG数据读取与重建 7

2.1 编译环境及编译工具介绍 7

2.2 ECG数据格式介绍及获取方法 9

2.3ECG数据读取与重建 14

2.4 本章小结 14

第3章 ECG数据重建后的分析 14

3.1 ECG数据分析处理的意义 14

3.2 ECG心电信号的特点及分析 18

3.3 实验部分 22

3.4 本章小结 22

第4章 结论 23

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

利用心电仪器从身体表面记录心脏每一心动周期所产生的电活动变化图形的技术叫做心电图。心电信号是心脏电活动在身体表面的综合反应，心电图是临床最常用的检查方法之一，临床心电图检查对于检测和诊断心脏疾病具有重要意义。心电图术的应用范围很广，虽然曾经遭遇过瓶颈期，但近年来远距离医疗诊断和全面生理参数监护逐渐成为医疗器械领域的研究重点，而远距离医疗诊断和全面生理参数监护基本都包括对心电信号的测量和监护，所以心电图术技术重新成为研究热点。

1.1 引言

心电图（ECG）是一种被广泛接受的用于在临床设置中进行心脏调查的划算且非侵入性的工具。它显示了由于心脏的电活动引起的表面生物电位图。细心考虑这些电子信息可以提供足够的细节来识别一些心脏异常，其中一些会导致慢性疾病并最终导致死亡。在1887年，韦勒首次出版了他的人类心电图记录。然而，在今天，w.艾因霍文被认为是标准化ECG领导系统的先驱。在长期以来的医学探索中，积攒了许多临床诊断的资料，在每个医院中基本上都有心电图机作为检查诊断仪器。现在，随着计算机科学技术的发展，传统的心电图机也已经更新换代，人们对心电图的认识与研究也更加透彻，心电图诊断技术的发展得到大幅度提升。

图1.1 心电图机

1.2 课题研究背景与意义

心脏自律性异常可导致形成异常兴奋，可能导致异位起搏点的阈电位降低，以及导致心肌细胞膜对不同离子的通透性发生改变。当冲动限度达到限位的阈刺激作用于心肌细胞的细胞膜时，K ，Ca2 ，Na ，Cl-等离子的通透性发生了变化，因而阴性离子和阳性离子开始进出细胞膜，心肌细胞出现除极化和复极化现象。在此过程中，处于动作电位态的心肌细胞膜与邻近的处于静息电位态的细胞膜构成了一对电偶。此电位变化过程可由置于体外的电极检测出来，以便进行下一步的电位分析和病理学研究过程。

据有关资料表明, 在每个心脏循环的过程中，由窦房结细胞产生的兴奋依次向心房和心室按照一定的途径和时程传布。而在此过程中,心传导系统细胞、心房肌细胞和心室肌细胞等会依次产生兴奋，产生兴奋的过程中出现的电变化的方向、途径、次序和时间等都体现了一定的规律。这种生物电的变化通过心脏周围组织和体液的传导反映在身体的表面，这就导致了身体各部分的各向异性和规律性的潜在变化。心电图是人体的心脏活动最显著的信号之一,它能够提供大量心脏电活动以及有关功能作用的信息。在过去的几十年里,ECG数据采集和自动化处理一直是研究的重点领域之一。ECG监测的重要性在卫生保健、体育、军事、太空计划和家庭护理服务等领域得到广泛应用。随着通信技术的进步,在低功率、智能、复杂加工的芯片设计的支持下,从远程点对病人进行监控成为可能。而在临床实践上,心电图(ECG)具有广泛的研究和应用,是心血管疾病的常规诊断依据。

心电图可以反映心脏兴奋的电位变化活动过程，因此它对一些心律失常的诊断和传导障碍的分析有一定价值，并且在这方面还没有任何其他的方法可以替代心电图。典型的心电图的变化和演变是判断分析心肌梗塞的一种实用可靠的方法。心电图发生改变的原因有许多，比如说：供血不足、心肌损伤以及药物和电解质出现紊乱等，这些变化将有助于临床诊断心电图，但其特征并不十分明显。对于一些例如心脏音变、心脏功能状态以及瓣膜的改变，心电图往往不能直接解决，但是它作为一种电子信息时间标记在进行其他许多检查时又是必要的。

正是因为心电图在临床医学上的作用如此之大，对心电信号的检测和处理目前已经成为信号处理领域的一个比较热门的研究话题，但是其中的研究还不够完善，有些检测和分析结果也不尽人意，所以本次毕业设计通过所学的MATLAB知识对心电图展开研究依然有必要。

1.3 国内外研究发展史与现状

19世纪80年代，英国一家皇家医院举行了一场具有里程碑意义的科学实验：医院的教授Waller将毛细管静电计施用于狗和人的心脏，并且记录得到了相应的心电图图像。著名生理学家Einthoven也在这次展示观摩中。Waller在实验中成功记录了虽然缺少心房P波的人类第一例心电图。这个极具意义的研究为最终出现的心电图技术奠定了基础。

图1.2 Waller

图1.3 毛细管静电计核心组成

图1.4 首例心电图（仅有心室V1、V2波）

自从20世纪初心电图术应用于临床开始，心电图(ECG)是心血管疾病临床诊断中最常用的检测方法之一，另外，它也是健康体检时的一个必备检查项目。在艾因霍温的研究之后，ECG传输的初步方法利用了公共电话线，主要是基于频率调制（FM）和频分多路复用（FDM）技术。随着在通信和数据处理方面引入计算机，现代远程心脏病学的第一步是ECG信号的数字化。目前，在发展中国家比如印度当中，使用高速调制解调器的公共交换电话网络（PSTN）线路仍被用于ECG信号遥测技术。从1980年起，蜂窝网络和卫星连接越来越多地用于实施“移动”远程心脏病学系统。

图1.5 Einthoven及弦线式心电图机

A：Einthoven；B：弦线式心电图机模式图；C：首例弦线式心电图机记录的心电图

我国在这方面的研究较薄弱，和其他国家存在着一定的差距，这一差距在近十年来有着显著缩小。21世纪以前中国心电图发展缓慢，而从2001年开始，发展呈增速上升，并且在从2008年开始，其发展速度达到了新高并一直保持至今。近年来，国内心电图快速发展，其在这一领域的份额得到了极大的提高。现在我国已经拥有众多有关冠心病诊断资料和临床治疗数据，数据的管理和统计分析也有一定的基础，但是大数据技术被用于冠状动脉的水平和数据挖掘的使用方面较为薄弱。值得令人注意的是，大数据技术在零售业，银行业，金融业等服务性行业中已经得到广泛运用，相关技术的应用比较成熟。若将这一技术应用于冠状动脉类疾病的数据挖掘和分析，可以极大地促进PCI技术的发展和医疗技术的进步，更好的服务于广大医生和患者。

纵观世界各国心电图技术的发展史可以知道其发展过程由以下四个阶段构成：

第一阶段：20世纪60年代到20世纪末，这一阶段心电图技术刚刚起步，发展比较迟缓，但是在1963年之后，由于心电图技术在临床上得到了应用，发展逐渐迅速起来；

第二阶段：20世纪末到21世纪初，心电图技术在临床上发挥出越来越大的作用，发展迅猛，进入了持续上升期；

第三阶段：21世纪初到21世纪10年代，这一阶段心电图技术处于瓶颈期，发展停滞不前；

第四阶段：21世纪10年代至今，由于远距离医疗诊断及全面生理参数监测日益成为医疗器械领域的研究重点，并且远距离医疗诊断和全面生理参数监测大多都涉及对心电的测量或监测，因此心电图技术再度成为研究热点。

在所有国家中，日本和美国在心电图方面的发展较为领先。其中，美国在心电图术领域起步比较早，但随着心电技术的成熟，最近几年的发展较为缓慢，研究内容侧重于改进心电算法；同时，美国在心电图技术有着密切联系的智能远程诊断技术也十分重视，近几年在此方面研究较多，研究内容更侧重于心电图术的在远程医疗的应用方面。

使用不同技术的自动心电图分析已经进化到帮助心脏病学家检测异常。ECG信号处理主要涉及两个方面，QRS检测和ECG疾病识别分类。单导心电图波形分析包括波形（形态学）、光谱和心脏循环的可重复性。多铅处理算法利用来自其他线索的额外信息。QRS检测，特别是对心律失常的监测，是大多数心电图分析算法的基础,。简单的QRS检测算法是基于一种像派生、过滤、微波、数学形态学和相关分析的算法。更复杂的方法需要使用隐马尔可夫模型、句法方法等。

综上，心电图术技术现在仍处于发展的上升期。近几年我国在该方面已经具备一定的研发实力，也在试图努力缩小和世界各国先进水平的差距。在未来，心电图术可以为心血管疾病的预防和诊断提供有效的手段，其发展可能会涉及以下几个方面：信号采集技术；远距离医疗诊断的进一步发展；研发4维动态心电图和能实时、可靠地检测、分析和处理疾病的自动分析设备；综合监测心电图、呼吸、血氧和血液动力学等参数，丰富信息的多样性；对疑似心脏疾病患者的心电图进行分析，并进行可靠预测。

1.4 课题的主要内容及章节安排

本设计的题目是：基于MATLAB的ECG数据读取与重建分析。本文旨在研究心电图数据的读取、重建和简单分析，运用MATLAB软件读取重建出心电图，再通过所了解获取到的心电图相关领域知识进行医学上的简单分析。课题的主要工作为：

(1)查阅相关资料，明确研究内容，浏览MIT-BIH数据库，并下载各种心电图数据，了解MIT-BIH的数据格式并用官方网站的工具读取MIT-BIH数据。

(2)用MATLAB软件读取重建出下载的ECG数据，并绘制出心电图。

(3)对绘制出的心电图进行简单分析，用MATLAB软件计算出心率,并且通过图像分析出该实验者的心电图的类别属性，以及其在医学技术和医疗诊断上的意义。

章节安排如下：

第1章 绪论。介绍本课题研究的背景、目的和意义；国内外研究现状、课题研究内容、预期目标等进行全面探讨。

第2章 ECG数据读取。基于MATLAB的ECG数据读取，介绍搭建的环境，对编译工具做简单的介绍。从MIT-BIH数据库下载各种ECG数据，并用MATLAB软件读取重建出来，最后绘制出心电图图像。

第3章 ECG数据重建后的分析。对重建后的心电图，运用心电知识通过MATLAB软件计算出心率，并且进行医学上的简单分析，通过图像分析该实验者的心电图的类别属性，以及其在医学技术和医疗诊断上的意义。

第4章 总结与展望。对本文的相关工作进行总结，并对本文的研究成果进行了梳理，指出需要创新的地方。

第2章 ECG数据读取与重建

2.1 编译环境及编译工具介绍

2.1.1 MATLAB简介

MATLAB全称Matrix Laboratory,是由美国Mathworks公司于1984年推向市场的一种专门以矩阵的形式处理数据的科学计算软件。MATLAB被普遍认为是最强大的数据处理平台之一。它与许多高级编程语言（例如C、Java、VB）的联系，以及工具箱的可用性很广泛，使它在科学和研究领域中很流行。

矩阵是MATLAB的基本数据单位，其指令表达式和常用的数学工程类似，故用MATLAB比其他编程语言来解决同一件事情更为方便，并且math work也吸收了许多同类软件的优点,使MATLAB功能更加丰富。

2.1.2 GUI简介

图形用户界面 GUI (Graphical User Interfaces)是一个由窗口光标、键、菜单、文本描述和其他对象组成的用户界面。用户通过一种方法，如鼠标或键盘，选择并激活这些图形对象，从而导致计算机产生某些行为或变化，例如计算、绘图等。在MATLAB中，用户界面开发环境可以很容易地用于创建GUI应用程序。设计的GUI布局代码可以存储在FIG文件中，并生成一个文件来存储call函数。点击控件，MATLAB就会运行该控件下的Callback函数。所以，编写GUI应用程序，可以认为是布局控件，编写callback函数和解决函数间数据传递的问题。GUI可很好地进行技术，方法的演示，并且它还可以被编译器编译成应用程序。

2.2 ECG数据格式介绍及获取方法

为了获取ECG数据文件，需要登录物理网下的MIT-PTB数据库。物理网（www.physionet.org）网站是由美国国家生物医学成像和生物工程研究所（NIBIB）和美国人类健康与人类服务部下属的国家医学研究所（NIGMS）建立的。该网收集了不同预先录下的生理信号。MIT-PTB数据库可在物理网下的物理银行中使用，并提供不同生理信号和相关数据的数字记录供生物医学研究界使用。PhysioBank数据库目前包含的数据有多参数心肺数据,神经数据,和从健康受试者和各种条件下有着重大公共卫生影响的患者获取的其他生物医学信号,其中包括心脏突然性衰竭、心力衰竭、癫痫、姿势异常步态障碍,睡眠呼吸暂停和衰老。德国国家计量学会(PTB)为研究、算法基准测试或有着教学目的的数字化心电图的用户提供了这一汇编。这些心电图是从健康的志愿者和患有不同心脏疾病的病人身上收集的。MIT-BIH是国际公认的标准心电图数据库之一，近年来MIT-BIH数据库的应用也变得更加广泛。

为了节省文件长度以及存储空间，MIT-BIH使用了自定义的格式。一个心电记录由以下三个部分组成：

(1)头文件[.hea]，存储方式ASCII码字符。

(2)数据文件[.dat]，按二进制格式存储，其中每三个字节存储两个数，一个数12bit。

(3)注释文件[.atr]，按二进制格式存储，格式定义较为复杂。

从开源数据网站PhysioNet(https://physionet.org/)在线选定的数据默认的显示长度为10s，当然我们也可以选择1min，1hour。在显示的过程中可以点击下面的进度条，选择显示的区间，例如我们选择显示长度为10s的心电数据(如图2.1)，同时我们也可以根据需要点击页面两侧的箭头按钮查看前10秒或者后10秒的心电数据波形。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

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