双滤波器方案对比的ECG心电信号去噪与性能评估系统

资 源 简 介

本项目旨在利用MATLAB平台设计两组不同架构的滤波器，专门针对心电图（ECG）信号在采集过程中产生的多种干扰进行深层处理。实验的核心功能是通过对比研究，针对工频干扰（50Hz频率）、高频肌颤噪声以及由呼吸引起的低频基线漂移，分别构建两套独立的滤波处理方案。第一组滤波器方案拟采用FIR等波纹设计法或窗口法，重点保证信号的线性相位特性以避免波形畸变；第二组方案则采用IIR巴特沃斯或切比雪夫滤波器，旨在利用其较高的计算效率和陡峭的截止特性。系统将首先对输入的原始ECG信号进行FFT频谱分析以确定干扰特征，随后

详 情 说 明

双滤波方案对比的ECG心电信号去噪与性能评估系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的医学信号处理仿真系统，专门用于对比分析两类主流数字滤波器（FIR与IIR）在心电信号（ECG）去噪中的表现。系统通过模拟产生包含典型特征波形（P-QRS-T）的纯净心电信号，并人为叠加工频干扰、基线漂移和肌颤噪声，随后分别通过精心设计的FIR等纹波/窗口滤波器组与IIR巴特沃斯滤波器组进行处理。其核心意义在于通过量化的评价指标（SNR与RMSE）以及时频域的可视化对比，探讨不同滤波器架构对心电特征波形保真度的影响，为临床实时监控或便携式医疗设备提供算法选择依据。

功能特性

1. 信号合成：内置合成器可模拟生成具有标准生理特征的心电周期，包括P波、QRS复合波和T波。
2. 复杂噪声模拟：支持同时叠加50Hz工频干扰、由呼吸引起的低频基线漂移（0.3Hz和0.15Hz）以及高斯白噪声模拟的肌颤干扰。
3. 频谱分析：利用快速傅里叶变换（FFT）分析信号在处理前后的频域分布特性。
4. FIR滤波方案：采用线性相位FIR设计，通过零相位补偿技术（filtfilt）确保波形在去噪后不发生相位畸变。
5. IIR滤波方案：采用计算效率高的巴特沃斯和陷波滤波器，模拟常规实时处理流程并展示其相位特性。
6. 性能量化评估：自动计算并对比原始含噪信号与两组滤波方案的信噪比（SNR）和均方根误差（RMSE）。
7. 多维度可视化：提供时域对比图、功率谱密度（PSD）对比图以及性能指标柱状图。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将系统脚本文件置于MATLAB当前工作路径。
3. 在命令行窗口直接运行主程序脚本。
4. 程序运行后将自动弹出两个图形窗口：

- 窗口一展示原始信号、含噪信号及两组滤波方案的时域恢复效果对比。 - 窗口二展示信号在频域的功率谱密度变化以及SNR指标的柱状对比。

1. 检视MATLAB命令行输出的文本格式评估报告，查看具体的数值对标结果。

系统要求

• 运行路径：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 必备工具箱：Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱）。
• 硬件配置：标准PC即可，内存建议4GB以上以确保绘图流畅。

实现逻辑说明

系统的执行逻辑遵循“生成-干扰-处理-评估”的闭环流程：

1. 基础参数初始化：设定采样频率为1000Hz，信号时长为2秒，建立时间基准向量。
2. 信号合成逻辑：通过正弦半波模拟P波和T波，通过三角形脉冲（自定义三角窗函数实现）模拟高陡度的QRS复合波，构成周期性的心电基准。
3. 噪声注入：

- 50Hz正弦波模拟电力线干扰。 - 0.3Hz与0.15Hz低频正弦波合成模拟呼吸引起的基线缓慢上下摆动。 - randn函数产生的白噪声模拟肌肉抽动导致的高频杂波。

1. FIR设计方案实现：

- 陷波：使用fir1设计200阶带阻滤波器。 - 高通：使用fir1设计400阶高通，截止频率0.5Hz，用于抑制基线。 - 低通：使用fir1设计100阶低通，截止频率40Hz，抑制高频。 - 执行：全部采用filtfilt（双向滤波）以抵消群时延，确保P-QRS-T特征点位置完全对齐。

1. IIR设计方案实现：

- 陷波：利用iirnotch设计二阶陷波器。 - 高通与低通：分别设计2阶和4阶Butterworth滤波器。 - 执行：采用filter函数进行常规递归滤波，旨在观察其计算效率及产生的相位滞后现象。

1. 指标统计：通过计算信号功率与噪声功率（处理后信号与原纯净信号之差）的比值对数获得SNR，通过差值平方根获得RMSE。

关键算法与实现细节分析

• 合成心电算法：系统并非简单使用预存数据，而是通过数学建模。P波和T波利用sin函数在指定时间切片内生成，QRS复合波则通过自定义的triang函数（1 - abs(normalized_index)）生成，保证了实验的可控性和重复性。
• 零相位滤波技术：在FIR方案中，为了解决FIR滤波器阶数较高带来的延迟问题，系统引入了双向滤波逻辑，这在临床心电诊断中至关重要，因为它可以防止R波等关键特征点发生时间轴上的偏移。
• 滤波器架构对比：FIR方案重点展示了“波形保真度”，而IIR方案通过较低的阶数（2阶/4阶）展示了在较小计算资源消耗下达到陡峭截止特性的能力。
• 信噪比（SNR）计算：采用经典的功率比公式 10 * log10( Σ(clean^2) / Σ((noisy-clean)^2) )，能够精确反映滤波过程对有用成分的保留程度和对噪声的抑制强度。
• 频谱密度分析：通过20*log10(abs(FFT))转换到分贝刻度，清晰地展示了50Hz尖峰和低频抬升在滤波前后的消除情况。