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@ -1,113 +0,0 @@
# 50Hz陷波滤波器问题修复说明
## 问题描述
在使用50Hz自适应陷波滤波器时数据出现丢失或过度衰减的问题。主要原因是
1. **采样率不匹配**PPG数据的采样率是50Hz但50Hz陷波滤波器的中心频率正好是50Hz
2. **奈奎斯特频率限制**50Hz采样率的奈奎斯特频率是25Hz50Hz已经超出了这个范围
3. **滤波器参数不当**带宽设置过窄1Hz导致滤波器不稳定
## 问题分析
### 原始代码问题
```cpp
// 问题代码对于50Hz采样率50Hz陷波滤波会导致信号丢失
channels[0] = filter(channels[0], SAMPLE_RATE, 49.5, 50.5, filtertype::notchpass);
```
### 问题根源
- **采样率50Hz**:奈奎斯特频率 = 25Hz
- **目标频率50Hz**:超出奈奎斯特频率,理论上无法被正确采样
- **陷波滤波**会过度衰减接近50Hz的所有频率成分
## 修复方案
### 1. 智能采样率检测
根据采样率自动选择合适的滤波策略:
```cpp
if (SAMPLE_RATE > 100) {
// 高采样率:使用标准陷波滤波
channels[0] = filter(channels[0], SAMPLE_RATE, 49.5, 50.5, filtertype::notchpass);
} else {
// 低采样率:使用带阻滤波,避免过度衰减
channels[0] = bandstop_filter(channels[0], SAMPLE_RATE, 45.0, 55.0);
}
```
### 2. 自适应陷波滤波器保护
在`adaptive_notch_filter`函数中添加多重保护:
```cpp
// 检查目标频率是否接近奈奎斯特频率
const double nyquist_freq = sample_rate / 2.0;
if (target_freq >= nyquist_freq * 0.8) {
std::cerr << "警告: 目标频率接近奈奎斯特频率,跳过陷波滤波" << std::endl;
return input;
}
```
### 3. 陷波滤波类型自动切换
在`filter`函数中自动检测并切换滤波类型:
```cpp
case filtertype::notchpass:
double center_freq = 0.5*(high_cutoff+low_cutoff);
if (center_freq >= sample_rate * 0.4) {
// 频率过高时改用带阻滤波
return bandstop_filter(input, sample_rate, low_cutoff, high_cutoff);
}
return adaptive_notch_filter(input, sample_rate, center_freq, high_cutoff-low_cutoff);
```
## 修复效果
### 修复前
- 50Hz采样率数据经过50Hz陷波滤波后信号丢失
- 滤波器不稳定,可能导致程序崩溃
- 无法正确处理低采样率数据
### 修复后
- 自动检测采样率并选择合适的滤波策略
- 低采样率数据使用温和的带阻滤波
- 高采样率数据使用精确的陷波滤波
- 添加多重保护机制,提高系统稳定性
## 使用建议
### 1. 采样率选择
- **PPG信号**建议使用100Hz或更高采样率
- **ECG信号**建议使用250Hz或更高采样率
- **EEG信号**建议使用250Hz或更高采样率
### 2. 滤波器参数
- **高采样率(>100Hz**使用标准陷波滤波带宽1Hz
- **低采样率≤100Hz**使用带阻滤波带宽10Hz
### 3. 监控和调试
- 启用详细日志输出
- 监控信号质量指数SQI
- 定期检查滤波后的信号统计信息
## 测试验证
运行测试程序验证修复效果:
```bash
g++ -o test_notch_filter test_notch_filter.cpp
./test_notch_filter
```
测试程序会生成不同采样率下的原始信号和滤波后信号的CSV文件用于验证滤波效果。
## 总结
通过智能采样率检测和自适应滤波策略成功解决了50Hz陷波滤波器导致数据丢失的问题。修复后的系统能够
1. 自动识别采样率限制
2. 选择合适的滤波策略
3. 保护信号完整性
4. 提高系统稳定性
建议在实际应用中根据具体需求调整滤波参数,并定期监控滤波效果。

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@ -1,224 +0,0 @@
# 增强版运动伪迹检测和去除算法
## 概述
本文档描述了增强版运动伪迹检测和去除算法的实现,该算法显著提高了运动伪迹检测的准确度和处理上限。
## 算法改进对比
### 原始算法(简单版本)
- **检测方法**:单一窗口统计检测
- **窗口大小**固定0.5秒
- **检测条件**Z-score > 3.0
- **修复策略**:简单中值替换
- **局限性**:误检率高,漏检率高
### 增强版算法
- **检测方法**:多尺度多特征融合检测
- **窗口大小**0.1秒、0.5秒、1.0秒、2.0秒
- **检测条件**:多条件联合判断
- **修复策略**:智能自适应修复
- **优势**:高准确度,低误检率
## 核心算法特性
### 1. 多尺度检测框架
```
检测窗口配置:
- 0.1秒:快速运动伪迹检测
- 0.5秒:中等运动伪迹检测
- 1.0秒:慢速运动伪迹检测
- 2.0秒:长期漂移检测
```
### 2. 多特征融合检测
#### 2.1 统计特征检测
- **均值**:局部信号中心趋势
- **方差**:信号波动程度
- **偏度**:信号分布不对称性
- **峰度**:信号分布尖锐程度
#### 2.2 梯度特征检测
- **局部梯度**:相邻样本变化率
- **平均梯度**:窗口内平均变化率
- **梯度异常**:异常变化检测
#### 2.3 形态学特征检测
- **尖峰检测**:突发尖峰识别
- **突变检测**:信号突变识别
- **基线跳跃**:基线漂移检测
### 3. 频域特征检测
- **FFT分析**1024点FFT变换
- **功率谱密度**:频率成分分析
- **高频成分检测**:异常高频识别
- **窗函数应用**Hanning窗减少泄漏
### 4. 智能修复策略
#### 4.1 多策略修复
```
修复策略优先级:
1. 中值插值(推荐)
2. 均值插值(备选)
3. 线性插值(最后选择)
```
#### 4.2 自适应修复
- **邻域搜索**:动态邻域范围
- **质量评估**:修复质量验证
- **平滑处理**:后处理优化
## 算法参数配置
### 检测阈值
```cpp
// 统计检测阈值
const float Z_SCORE_THRESHOLD = 4.0f; // Z-score阈值
const float SKEWNESS_THRESHOLD = 2.0f; // 偏度阈值
const float KURTOSIS_THRESHOLD = 8.0f; // 峰度阈值
const float VARIANCE_THRESHOLD = 0.5f; // 方差阈值
const float GRADIENT_THRESHOLD = 3.0f; // 梯度阈值
// 频域检测阈值
const float HIGH_FREQ_RATIO_THRESHOLD = 0.3f; // 高频比例阈值
```
### 窗口参数
```cpp
// 检测窗口配置
const size_t MIN_WINDOW_SIZE = 0.1 * sample_rate; // 最小窗口
const size_t MAX_WINDOW_SIZE = 2.0 * sample_rate; // 最大窗口
const size_t FFT_SIZE = 1024; // FFT大小
const size_t SMOOTH_WINDOW = 0.05 * sample_rate; // 平滑窗口
```
## 性能指标
### 检测准确度
- **真阳性率TPR**> 95%
- **假阳性率FPR**< 5%
- **漏检率FNR**< 3%
### 处理能力
- **最大信号长度**:无限制
- **实时处理能力**:支持
- **内存占用**O(n) 线性复杂度
### 质量改善
- **SNR改善**:平均提升 8-15 dB
- **方差减少**:平均减少 30-50%
- **伪迹去除率**> 90%
## 使用示例
### 基本用法
```cpp
#include "signal_processor.h"
SignalProcessor processor;
std::vector<float> signal = load_signal_data();
double sample_rate = 100.0; // 100Hz
// 应用增强版运动伪迹检测和去除
std::vector<float> cleaned_signal = processor.remove_motion_artifacts(signal, sample_rate);
```
### 参数调优
```cpp
// 可以根据具体应用调整检测阈值
// 例如对于噪声较大的信号可以降低Z-score阈值
// 对于运动伪迹较少的信号,可以提高检测阈值
```
## 测试验证
### 测试程序
运行测试程序验证算法效果:
```bash
g++ -o test_motion_artifact test_motion_artifact.cpp
./test_motion_artifact
```
### 测试结果
测试程序会生成:
- `original_with_artifacts.csv`:包含运动伪迹的原始信号
- `cleaned_signal.csv`:处理后的清洁信号
- 控制台输出:检测统计信息
## 算法优势
### 1. 高准确度
- 多特征融合检测
- 自适应阈值调整
- 误检率显著降低
### 2. 强鲁棒性
- 多尺度检测框架
- 频域时域联合分析
- 适应不同信号类型
### 3. 智能修复
- 多策略修复选择
- 自适应修复参数
- 质量保持优化
### 4. 高效处理
- 线性时间复杂度
- 内存占用优化
- 实时处理支持
## 应用场景
### 1. 医疗设备
- **PPG信号处理**:血氧监测
- **ECG信号处理**:心电监测
- **EEG信号处理**:脑电监测
### 2. 可穿戴设备
- **运动监测**:步数、心率
- **健康监测**:睡眠质量、压力水平
- **运动伪迹去除**:提高数据质量
### 3. 工业应用
- **振动监测**:设备状态监测
- **噪声分析**:环境噪声评估
- **信号质量提升**:传感器数据优化
## 未来改进方向
### 1. 机器学习集成
- **深度学习检测**CNN/LSTM模型
- **自适应阈值**:在线学习调整
- **特征自动选择**:最优特征组合
### 2. 实时优化
- **并行处理**:多线程加速
- **GPU加速**CUDA实现
- **流式处理**:在线实时处理
### 3. 算法扩展
- **多通道处理**:同步多信号处理
- **自适应窗口**:动态窗口大小
- **质量评估**:在线质量监控
## 总结
增强版运动伪迹检测和去除算法通过多尺度检测、多特征融合、智能修复等技术创新,显著提高了算法的准确度和处理上限。该算法适用于各种生物医学信号处理场景,为高质量信号获取提供了强有力的技术支撑。
### 关键改进点
1. **多尺度检测框架**:提高检测覆盖范围
2. **多特征融合**:降低误检率和漏检率
3. **智能修复策略**:保持信号质量
4. **频域分析**:增强检测能力
5. **自适应参数**:提高算法鲁棒性
### 性能提升
- 检测准确度从70%提升到95%+
- 处理上限:支持任意长度信号
- 实时性能:支持在线处理
- 质量改善SNR提升8-15dB

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@ -1,12 +0,0 @@
指标名称,数值,单位
心率,54.0188,bpm
血氧饱和度,93.6356,%
灌注指数,692.188,%
脉搏波宽度,15,ms
红光红外光比值,0.606105,无单位
信号质量评分,89.8093,%
均值,2.17968,mV
标准差,237.063,mV
最小值,-3367.09,mV
最大值,4504.26,mV
峰峰值,7871.35,mV
1 指标名称 数值 单位
2 心率 54.0188 bpm
3 血氧饱和度 93.6356 %
4 灌注指数 692.188 %
5 脉搏波宽度 15 ms
6 红光红外光比值 0.606105 无单位
7 信号质量评分 89.8093 %
8 均值 2.17968 mV
9 标准差 237.063 mV
10 最小值 -3367.09 mV
11 最大值 4504.26 mV
12 峰峰值 7871.35 mV

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@ -14,7 +14,7 @@
#include <numeric>
#include "device_praser.h"
#include "data_mapper.h"
#include <windows.h> // 引入 Windows API 头文件
#include <cstring>
#include <random>
#include<fstream>

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@ -64,6 +64,11 @@ public:
// 预处理信号
SensorData preprocess_signals(const SensorData& raw_data); // 使用DataType枚举
SensorData preprocess_generic(const SensorData& data);
// 新增:通道级滤波处理
std::vector<SensorData> process_channel_based_filtering(
const std::vector<SensorData>& data_packets);
// 新增:简化版通道级滤波处理(测试版本)
std::vector<SensorData> process_channel_based_filtering_simple(
const std::vector<SensorData>& data_packets);

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@ -1,196 +0,0 @@
# PPG数据处理功能说明 (A50伤后6h-1.txt)
## 📋 功能概述
专门为处理 `A50伤后6h-1.txt` 文件而设计的PPG数据处理功能可以读取txt格式的光电容积脉搏波数据进行信号预处理和生理指标计算。
## 📁 数据文件说明
### 文件位置
- **文件路径**: `raw_data/A50伤后6h-1.txt`
- **文件大小**: 28KB
- **数据行数**: 约3934行
### 数据格式
- **文件类型**: 纯文本文件 (.txt)
- **数据格式**: 每行两个数值,用逗号分隔
- **第一列**: 红光光电容积数据
- **第二列**: 红外光光电容积数据
- **示例**:
```
-8,-10
-10,-11
-12,-10
-17,-9
-17,-9
-21,-8
-20,-7
-20,-8
-21,-6
```
### 数据特征
- **数据长度**: 约3934个数据点
- **数值范围**: 负值,表示光电容积变化
- **采样率**: 默认设置为50Hz可在代码中调整
- **数据类型**: 光电容积脉搏波 (PPG)
## 🚀 使用方法
### 1. 运行程序
选择选项3: "处理PPG数据 (A50伤后6h-1.txt)"
### 2. 自动处理流程
程序会自动执行以下步骤:
1. 读取 `raw_data/A50伤后6h-1.txt` 文件
2. 解析红光和红外光数据
3. 执行信号预处理
4. 计算生理指标
5. 保存处理结果
### 3. 查看结果
程序会自动生成以下文件:
- `data_generated/ppg_a50_processed.csv` - 预处理后的PPG数据
- `data_generated/ppg_a50_metrics.csv` - 计算的生理指标
## 🔧 处理流程详解
### 步骤1: 数据读取
- 打开 `raw_data/A50伤后6h-1.txt` 文件
- 逐行读取数据
- 解析逗号分隔的数值
### 步骤2: 数据解析
- 分离红光和红外光数据
- 数据验证和错误处理
- 统计数据显示(范围、数量等)
### 步骤3: 数据转换
- 创建SensorData对象
- 设置数据类型为PPG
- 转换为多通道格式
### 步骤4: 信号预处理
- 应用PPG专用滤波器
- 去除运动伪影
- 信号质量评估
### 步骤5: 指标计算
- 心率计算
- 血氧饱和度 (SpO2)
- 灌注指数 (PI)
- 脉搏波宽度
- 红光/红外光比值
- 信号质量评分
### 步骤6: 结果保存
- 保存预处理后的数据
- 保存计算的生理指标
- 生成详细报告
## 📊 输出指标说明
| 指标名称 | 单位 | 说明 |
|----------|------|------|
| **心率** | bpm | 每分钟心跳次数 |
| **血氧饱和度** | % | 血液中氧气的饱和度 |
| **灌注指数** | % | 组织灌注情况的指标 |
| **脉搏波宽度** | ms | 脉搏波的持续时间 |
| **红光红外光比值** | 无单位 | 红光与红外光信号的比值 |
| **信号质量评分** | % | 信号质量的综合评分 |
| **统计指标** | mV | 均值、标准差、最小值、最大值、峰峰值 |
## ⚙️ 参数配置
### 采样率设置
```cpp
const float sample_rate = 50.0f; // 可在代码中调整
```
### 信号质量阈值
```cpp
ppg_data.sqi = 0.8f; // 默认信号质量指数
```
### 文件路径配置
```cpp
std::string ppg_file_path = "raw_data/A50伤后6h-1.txt";
```
## ⚠️ 注意事项
### 1. 文件格式要求
- 确保数据文件格式正确(逗号分隔)
- 每行必须包含两个数值
- 避免空行或格式错误
### 2. 数据质量
- 数据长度充足3934个点
- 信号质量评估
- 异常值检测和处理
### 3. 采样率设置
- 采样率设置错误会影响心率计算
- 请根据实际设备参数调整
- 常见采样率: 25Hz, 50Hz, 100Hz
## 🔍 故障排除
### 常见问题
#### 1. 文件读取失败
```
错误: 无法打开PPG数据文件: raw_data/A50伤后6h-1.txt
```
**解决方案**: 检查文件是否存在于 `raw_data/` 文件夹中
#### 2. 数据解析失败
```
警告: 第 X 行数据解析失败: -8,-10
```
**解决方案**: 检查数据格式是否正确,确保每行都是两个数值
#### 3. 指标计算异常
```
警告: 计算的心率超出正常范围: XXX bpm
```
**解决方案**: 检查采样率设置和数据质量
## 📈 性能优化建议
1. **数据预处理**: 对原始数据进行去噪和滤波
2. **采样率优化**: 根据应用需求选择合适的采样率
3. **算法参数**: 根据数据特征调整算法参数
4. **内存管理**: 对于大数据文件,考虑分批处理
## 🚀 扩展功能
### 未来可添加的功能
- 实时PPG数据处理
- 多文件批量处理
- 自定义滤波器参数
- 数据可视化图表
- 异常检测和报警
## 📝 更新日志
- **2025年1月**: 新增PPG数据处理功能
- 专门针对A50伤后6h-1.txt文件
- 支持txt格式数据读取
- 完整的信号预处理流程
- 全面的生理指标计算
## 🔬 医学应用
### 临床意义
- **心率监测**: 评估心血管功能
- **血氧饱和度**: 监测组织氧合状态
- **灌注指数**: 评估组织血流灌注
- **信号质量**: 确保测量可靠性
### 适用场景
- 重症监护
- 手术监测
- 康复评估
- 健康监测

192
main.cpp
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@ -1,8 +1,5 @@
#include "headfile.h"
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <ctime>
#include <windows.h> // 引入 Windows API 头文件
std::vector<float> heart_rate;
@ -20,6 +17,25 @@ std::string get_data_type_name(DataType data_type) {
}
}
void test_mit_bih() {
try {
// 读取MIT-BIH数据文件
std::vector<uint8_t> file_content = FileManager::readBinaryFile("C:/Users/29096/Desktop/work/mit-bih-arrhythmia-database-1.0.0/222.dat");
// 解析数据
std::vector<SensorData> all_data = parse_device_data(file_content);
// 保存结果
save_to_csv(all_data, "mit_bih_output.csv");
std::cout << "MIT-BIH数据处理完成" << std::endl;
std::cout << "Press Enter to exit..." << std::endl;
std::cin.get();
} catch (const std::exception& e) {
std::cerr << "处理错误: " << e.what() << std::endl;
}
}
// 新增:完整的信号数据处理流程 - 整合所有步骤
void complete_signal_processing_pipeline() {
@ -28,7 +44,7 @@ void complete_signal_processing_pipeline() {
// 1. 读取原始二进制文件
std::cout << "步骤1: 读取原始数据..." << std::endl;
std::vector<uint8_t> file_content = FileManager::readBinaryFile("raw_data/ecg_data_raw.dat");
std::vector<uint8_t> file_content = FileManager::readBinaryFile("C:/Users/29096/Documents/WeChat Files/wxid_sh93l5lycr8b22/FileStorage/File/2025-07/ecg_data_raw.dat");
std::cout << "原始文件大小: " << file_content.size() << " 字节" << std::endl;
// 2. 解析设备数据包
@ -51,8 +67,8 @@ void complete_signal_processing_pipeline() {
}
// 保存映射后的数据
save_to_csv(all_data, "data_generated/channel_data_mapped_.csv");
std::cout << "通道映射完成,结果已保存到 data_generated/channel_data_mapped_.csv" << std::endl;
save_to_csv(all_data, "channel_data_mapped_.csv");
std::cout << "通道映射完成,结果已保存到 channel_data_mapped_.csv" << std::endl;
// 4. 信号预处理 (滤波等)
std::cout << "步骤4: 执行信号预处理..." << std::endl;
@ -69,8 +85,8 @@ void complete_signal_processing_pipeline() {
}
// 保存预处理后的数据
save_to_csv(processed_data, "data_generated/channel_data_processed_.csv");
std::cout << "预处理后的数据已保存到 data_generated/channel_data_processed_.csv" << std::endl;
save_to_csv(processed_data, "channel_data_processed_.csv");
std::cout << "预处理后的数据已保存到 channel_data_processed_.csv" << std::endl;
// 5. 指标计算
std::cout << "步骤5: 计算生理指标..." << std::endl;
@ -78,7 +94,7 @@ void complete_signal_processing_pipeline() {
const float sample_rate = 250.0f;
// 创建详细指标文件
std::ofstream metrics_file("data_generated/calculated_metrics_detailed.csv");
std::ofstream metrics_file("calculated_metrics_detailed.csv");
if (!metrics_file.is_open()) {
std::cerr << "无法创建指标保存文件" << std::endl;
return;
@ -150,7 +166,7 @@ void complete_signal_processing_pipeline() {
// 6. 创建指标汇总文件
std::cout << "步骤6: 生成指标汇总..." << std::endl;
std::ofstream summary_file("data_generated/metrics_summary.csv");
std::ofstream summary_file("metrics_summary.csv");
if (summary_file.is_open()) {
summary_file << "数据类型,数据对象数量,平均心率(bpm),平均信号质量(%),平均QRS宽度(ms),平均ST偏移(mV)\n";
@ -213,173 +229,35 @@ void complete_signal_processing_pipeline() {
// 7. 流程完成总结
std::cout << "\n=== 完整信号数据处理流程完成 ===" << std::endl;
std::cout << "生成的文件:" << std::endl;
std::cout << "1. data_generated/channel_data_mapped_.csv - 通道映射后的数据" << std::endl;
std::cout << "2. data_generated/channel_data_processed_.csv - 预处理后的数据" << std::endl;
std::cout << "3. data_generated/calculated_metrics_detailed.csv - 详细指标数据" << std::endl;
std::cout << "4. data_generated/metrics_summary.csv - 指标汇总统计" << std::endl;
std::cout << "1. channel_data_mapped_.csv - 通道映射后的数据" << std::endl;
std::cout << "2. channel_data_processed_.csv - 预处理后的数据" << std::endl;
std::cout << "3. calculated_metrics_detailed.csv - 详细指标数据" << std::endl;
std::cout << "4. metrics_summary.csv - 指标汇总统计" << std::endl;
std::cin.get();
} catch (const std::exception& e) {
std::cerr << "完整流程执行错误: " << e.what() << std::endl;
}
}
// PPG数据处理函数 - 专门处理A50伤后6h-1.txt文件
void process_ppg_a50_data() {
try {
std::cout << "=== 开始处理PPG数据 (A50伤后6h-1.txt) ===" << std::endl;
std::cin.get();
// 1. 读取PPG数据文件
std::cout << "步骤1: 读取PPG数据文件..." << std::endl;
std::string ppg_file_path = "raw_data/A50_6h_1.txt";
std::cin.get();
std::ifstream ppg_file(ppg_file_path);
if (!ppg_file.is_open()) {
std::cerr << "错误: 无法打开PPG数据文件: " << ppg_file_path << std::endl;
std::cout << "请确保文件存在于 raw_data/ 文件夹中" << std::endl;
std::cin.get();
return;
}
// 2. 解析PPG数据
std::cout << "步骤2: 解析PPG数据..." << std::endl;
std::vector<float> red_channel, ir_channel;
std::string line;
int line_count = 0;
while (std::getline(ppg_file, line)) {
line_count++;
if (line.empty()) continue;
// 解析每行的两个数值 (红光,红外光)
std::istringstream iss(line);
std::string red_str, ir_str;
if (std::getline(iss, red_str, ',') && std::getline(iss, ir_str)) {
try {
float red_val = std::stof(red_str);
float ir_val = std::stof(ir_str);
red_channel.push_back(red_val*0.879);
ir_channel.push_back(ir_val*0.879);
} catch (const std::exception& e) {
std::cerr << "警告: 第 " << line_count << " 行数据解析失败: " << line << std::endl;
continue;
}
} else {
std::cerr << "警告: 第 " << line_count << " 行格式不正确: " << line << std::endl;
continue;
}
}
ppg_file.close();
std::cout << "PPG数据解析完成共读取 " << red_channel.size() << " 个数据点" << std::endl;
std::cout << "红光通道范围: [" << *std::min_element(red_channel.begin(), red_channel.end())
<< ", " << *std::max_element(red_channel.begin(), red_channel.end()) << "]" << std::endl;
std::cout << "红外光通道范围: [" << *std::min_element(ir_channel.begin(), ir_channel.end())
<< ", " << *std::max_element(ir_channel.begin(), ir_channel.end()) << "]" << std::endl;
// 3. 创建SensorData对象
std::cout << "步骤3: 创建PPG数据对象..." << std::endl;
SensorData ppg_data;
ppg_data.data_type = DataType::PPG;
ppg_data.packet_sn = 1;
ppg_data.timestamp = std::time(nullptr);
ppg_data.sqi = 0.8f; // 默认信号质量指数
// 将单通道数据转换为多通道格式
std::vector<std::vector<float>> channels = {red_channel, ir_channel};
ppg_data.channel_data = channels;
// 4. 信号预处理
std::cout << "步骤4: 执行PPG信号预处理..." << std::endl;
SignalProcessor processor;
std::vector<SensorData> ppg_data_vector = {ppg_data};
std::vector<SensorData> processed_ppg_data;
try {
processed_ppg_data = processor.process_channel_based_filtering_simple(ppg_data_vector);
std::cout << "PPG信号预处理完成" << std::endl;
} catch (const std::exception& e) {
std::cerr << "PPG信号预处理失败: " << e.what() << std::endl;
std::cout << "使用原始数据继续处理..." << std::endl;
processed_ppg_data = ppg_data_vector;
}
// 5. 保存预处理后的数据
std::cout << "步骤5: 保存预处理后的PPG数据..." << std::endl;
save_to_csv(processed_ppg_data, "data_generated/ppg_a50_processed.csv");
std::cout << "预处理后的PPG数据已保存到 data_generated/ppg_a50_processed.csv" << std::endl;
// 6. 计算PPG生理指标
std::cout << "步骤6: 计算PPG生理指标..." << std::endl;
MetricsCalculator calculator;
const float sample_rate = 50.0f; // PPG采样率请根据实际情况调整
auto ppg_metrics = calculator.calculate_all_ppg_metrics(processed_ppg_data[0], sample_rate);
// 7. 保存指标计算结果
std::cout << "步骤7: 保存PPG指标计算结果..." << std::endl;
std::ofstream metrics_file("data_generated/ppg_a50_metrics.csv");
if (metrics_file.is_open()) {
metrics_file << "指标名称,数值,单位\n";
metrics_file << "心率," << ppg_metrics["heart_rate"] << ",bpm\n";
metrics_file << "血氧饱和度," << ppg_metrics["spo2"] << ",%\n";
metrics_file << "灌注指数," << ppg_metrics["perfusion_index"] << ",%\n";
metrics_file << "脉搏波宽度," << ppg_metrics["pulse_width"] << ",ms\n";
metrics_file << "红光红外光比值," << ppg_metrics["amplitude_ratio"] << ",无单位\n";
metrics_file << "信号质量评分," << ppg_metrics["signal_quality"] << ",%\n";
metrics_file << "均值," << ppg_metrics["mean"] << ",mV\n";
metrics_file << "标准差," << ppg_metrics["std_dev"] << ",mV\n";
metrics_file << "最小值," << ppg_metrics["min_value"] << ",mV\n";
metrics_file << "最大值," << ppg_metrics["max_value"] << ",mV\n";
metrics_file << "峰峰值," << ppg_metrics["peak_to_peak"] << ",mV\n";
metrics_file.close();
std::cout << "PPG指标已保存到 data_generated/ppg_a50_metrics.csv" << std::endl;
}
// 8. 显示关键指标
std::cout << "\n=== PPG数据处理完成 ===" << std::endl;
std::cout << "关键指标:" << std::endl;
std::cout << "- 心率: " << ppg_metrics["heart_rate"] << " bpm" << std::endl;
std::cout << "- 血氧饱和度: " << ppg_metrics["spo2"] << " %" << std::endl;
std::cout << "- 灌注指数: " << ppg_metrics["perfusion_index"] << " %" << std::endl;
std::cout << "- 信号质量: " << ppg_metrics["signal_quality"] << " %" << std::endl;
std::cout << "\n生成的文件:" << std::endl;
std::cout << "1. data_generated/ppg_a50_processed.csv - 预处理后的PPG数据" << std::endl;
std::cout << "2. data_generated/ppg_a50_metrics.csv - PPG生理指标" << std::endl;
std::cout << "\n按Enter键退出..." << std::endl;
std::cin.get();
} catch (const std::exception& e) {
std::cerr << "PPG数据处理错误: " << e.what() << std::endl;
}
}
int main() {
SetConsoleOutputCP(CP_UTF8);
// 选择要运行的测试
std::cout << "请选择测试模式:" << std::endl;
std::cout << "1. 测试MIT-BIH数据处理" << std::endl;
std::cout << "2. 运行完整信号数据处理流程 (推荐)" << std::endl;
std::cout << "3. 处理PPG数据 (A50伤后6h-1.txt)" << std::endl;
std::cout << "请输入选择 (1, 2 或 3): ";
std::cout << "请输入选择 (1 或 2): ";
int choice;
std::cin >> choice;
if (choice == 1) {
test_mit_bih(); // 测试MIT-BIH数据处理
} else if (choice == 2) {
complete_signal_processing_pipeline(); // 运行完整信号数据处理流程
} else if (choice == 3) {
process_ppg_a50_data(); // 处理PPG数据
} else {
std::cout << "无效选择,运行默认测试..." << std::endl;
test_mit_bih();
}
return 0;

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@ -38,35 +38,6 @@ static const std::vector<std::vector<float>>& get_multi_channel(const SensorData
}
}
// 辅助函数计算分位数q 取值范围 0.0-1.0
static float compute_percentile(const std::vector<float>& data, float q) {
if (data.empty()) return 0.0f;
float qq = q;
if (qq < 0.0f) qq = 0.0f;
if (qq > 1.0f) qq = 1.0f;
std::vector<float> sorted = data;
std::sort(sorted.begin(), sorted.end());
if (sorted.size() == 1) return sorted[0];
float pos = qq * (sorted.size() - 1);
size_t idx_low = static_cast<size_t>(std::floor(pos));
size_t idx_high = static_cast<size_t>(std::ceil(pos));
if (idx_low == idx_high) return sorted[idx_low];
float w = pos - idx_low;
return sorted[idx_low] * (1.0f - w) + sorted[idx_high] * w;
}
// 辅助函数稳健估计AC/DC使用分位数和中位数抗异常
static std::pair<float, float> robust_ac_dc(const std::vector<float>& signal) {
if (signal.size() < 5) return {0.0f, 0.0f};
// 使用5%-95%分位点估计幅度,使用中位数估计直流
float p5 = compute_percentile(signal, 0.05f);
float p95 = compute_percentile(signal, 0.95f);
float median = compute_percentile(signal, 0.50f);
float ac = (p95 - p5) * 0.5f;
float dc = median;
return {ac, dc};
}
// ECG心率计算 - 改进版本
float MetricsCalculator::calculate_heart_rate_ecg(const SensorData& ecg_signal, float sample_rate) {
// 增强的输入验证
@ -325,34 +296,27 @@ float MetricsCalculator::calculate_spo2(const SensorData& ppg_data) {
return 0.0f;
}
// 轻量级异常值裁剪将数据裁剪到1%-99%范围,提高稳健性
auto clipped_copy = [](const std::vector<float>& src) {
std::vector<float> out = src;
if (out.size() >= 5) {
float p1 = compute_percentile(out, 0.01f);
float p99 = compute_percentile(out, 0.99f);
for (float& v : out) {
if (v < p1) v = p1;
else if (v > p99) v = p99;
}
}
return out;
// 计算红光和红外光的AC/DC分量
auto calc_ac_dc = [](const std::vector<float>& signal) -> std::pair<float, float> {
if (signal.empty()) return {0.0f, 0.0f};
float max_val = *std::max_element(signal.begin(), signal.end());
float min_val = *std::min_element(signal.begin(), signal.end());
float dc = (max_val + min_val) / 2.0f;
float ac = (max_val - min_val) / 2.0f;
return {ac, dc};
};
std::vector<float> red_clipped = clipped_copy(red_channel);
std::vector<float> ir_clipped = clipped_copy(ir_channel);
// 稳健估计红光和红外光的AC/DC分量
auto [red_ac, red_dc] = robust_ac_dc(red_clipped);
auto [ir_ac, ir_dc] = robust_ac_dc(ir_clipped);
auto [red_ac, red_dc] = calc_ac_dc(red_channel);
auto [ir_ac, ir_dc] = calc_ac_dc(ir_channel);
// 防止除零和异常值
if (std::abs(red_dc) < 0.0001f || std::abs(ir_dc) < 0.0001f) {
if (red_dc < 0.0001f || ir_dc < 0.0001f) {
std::cerr << "警告: 直流分量过小,红光: " << red_dc << ", 红外光: " << ir_dc << std::endl;
return 0.0f;
}
if (std::abs(red_ac) < 0.0001f || std::abs(ir_ac) < 0.0001f) {
if (red_ac < 0.0001f || ir_ac < 0.0001f) {
std::cerr << "警告: 交流分量过小,红光: " << red_ac << ", 红外光: " << ir_ac << std::endl;
return 0.0f;
}
@ -361,17 +325,24 @@ float MetricsCalculator::calculate_spo2(const SensorData& ppg_data) {
float r_value = (red_ac / red_dc) / (ir_ac / ir_dc);
// 验证R值合理性
if (std::abs(r_value) < 0.1f || std::abs(r_value) > 10.0f) {
if (r_value < 0.1f || r_value > 10.0f) {
std::cerr << "警告: R值超出合理范围: " << r_value << std::endl;
return 0.0f;
}
float spo2;
// 采用常用经验线性映射SpO2 = 110 - 25 * R (需设备校准)
if(r_value>0) spo2 = 110.0f - 25.0f * r_value;
else spo2 = 110.0f + 25.0f * r_value;
// 限制在合理范围内 (70% - 100%)
spo2 = clamp(spo2, 70.0f, 100.0f);
// 改进的SpO2计算公式 (基于Beer-Lambert定律)
// SpO2 = A - B * log(R)
// 其中A和B是校准参数R是红光与红外光的比值
float spo2 = 104.0f - 17.0f * std::log(r_value);
// 限制在合理范围内
spo2 = std::max(70.0f, std::min(100.0f, spo2));
// 验证最终结果
if (spo2 < 70.0f || spo2 > 100.0f) {
std::cerr << "警告: 计算的SpO2超出正常范围: " << spo2 << "%" << std::endl;
return 0.0f;
}
return spo2;
}
@ -673,58 +644,39 @@ std::vector<float> MetricsCalculator::detect_pulse_peaks(const std::vector<float
const size_t n = ppg_signal.size();
// 1) 轻量平滑5点移动平均提升SNR以适应低采样率(50Hz)
std::vector<float> smooth(n, 0.0f);
const size_t ma_win = 5; // ≈100ms@50Hz
float acc = 0.0f;
for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
acc += ppg_signal[i];
if (i >= ma_win) acc -= ppg_signal[i - ma_win];
size_t denom = (i + 1 < ma_win) ? (i + 1) : ma_win;
smooth[i] = acc / static_cast<float>(denom);
}
// 自适应阈值
float max_val = *std::max_element(ppg_signal.begin(), ppg_signal.end());
float min_val = *std::min_element(ppg_signal.begin(), ppg_signal.end());
float dynamic_range = max_val - min_val;
// 2) 参数:窗口与最小间隔
// 最小脉搏间隔取400ms≈150bpm上限避免误检重复峰
const size_t min_interval = static_cast<size_t>(0.4f * sample_rate);
// 局部比较窗口200ms用于极值判断
const size_t window_size = static_cast<size_t>(0.2f * sample_rate); // 200ms窗口
// 局部阈值窗口1.5s,用于计算局部分位数阈值和显著性
const size_t local_win = static_cast<size_t>(2.0f * sample_rate);
if (dynamic_range < 0.001f) return pulse_peaks; // 信号变化太小
float threshold = min_val + 0.6f * dynamic_range;
// 最小脉搏间隔 (300ms ≈ 200bpm)
const size_t min_interval = static_cast<size_t>(0.3f * sample_rate);
// 使用滑动窗口检测峰值
const size_t window_size = static_cast<size_t>(0.1f * sample_rate); // 100ms窗口
// 3) 使用局部分位阈值与显著性(prominence)判据
size_t last_peak = 0;
for (size_t i = window_size; i + window_size < n; ++i) {
// 局部极大判定
for (size_t i = window_size; i < n - window_size; i++) {
// 检查是否为局部最大值
bool is_peak = true;
for (size_t j = i - window_size; j <= i + window_size; ++j) {
if (j != i && smooth[j] >= smooth[i]) { is_peak = false; break; }
for (size_t j = i - window_size; j <= i + window_size; j++) {
if (j != i && ppg_signal[j] >= ppg_signal[i]) {
is_peak = false;
break;
}
}
if (!is_peak) continue;
// 局部阈值(基线+分位幅值的一部分)
size_t l0 = (i > local_win ? i - local_win : 0);
size_t r0 = std::min(n - 1, i + local_win);
if (r0 <= l0 + 2) continue;
std::vector<float> window(smooth.begin() + l0, smooth.begin() + r0 + 1);
float p5 = compute_percentile(window, 0.05f);
float p50 = compute_percentile(window, 0.50f);
float p95 = compute_percentile(window, 0.95f);
float loc_range = std::max(0.0f, p95 - p5);
float loc_baseline = p50;
float loc_threshold = loc_baseline + 0.15f * loc_range; // 低门槛避免只出1峰
if (smooth[i] <= loc_threshold) continue;
// 显著性:峰值高于局部中位线的幅度需达到一定比例
float prominence = smooth[i] - loc_baseline;
if (prominence < 0.1f * loc_range) continue;
// 间隔判定
if (last_peak != 0 && i - last_peak <= min_interval) continue;
pulse_peaks.push_back(static_cast<float>(i));
last_peak = i;
// 检查是否超过阈值且满足最小间隔
if (is_peak && ppg_signal[i] > threshold &&
(last_peak == 0 || i - last_peak > min_interval)) {
pulse_peaks.push_back(static_cast<float>(i));
last_peak = i;
}
}
return pulse_peaks;

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@ -12,6 +12,145 @@ T clamp(T value, T min_val, T max_val) {
return value;
}
// 新增:处理多个数据包的通道级滤波
std::vector<SensorData> SignalProcessor::process_channel_based_filtering(
const std::vector<SensorData>& data_packets) {
std::cout << "开始通道级滤波处理..." << std::endl;
if (data_packets.empty()) {
std::cout << "输入数据包为空,返回空结果" << std::endl;
return {};
}
std::cout << "输入数据包数量: " << data_packets.size() << std::endl;
// 按数据类型分组
std::map<DataType, std::vector<SensorData>> grouped_data;
for (const auto& packet : data_packets) {
grouped_data[packet.data_type].push_back(packet);
}
std::cout << "按数据类型分组完成,共 " << grouped_data.size() << " 种类型" << std::endl;
std::vector<SensorData> processed_packets;
// 对每种数据类型分别处理
for (auto& [data_type, packets] : grouped_data) {
if (packets.empty()) continue;
std::cout << "处理数据类型: " << static_cast<int>(data_type) << ",数据包数量: " << packets.size() << std::endl;
// 获取第一个数据包作为模板
SensorData template_packet = packets[0];
// 收集所有通道的完整数据
std::vector<std::vector<float>> all_channels;
size_t num_channels = 0;
// 确定通道数量
if (auto* channels = std::get_if<std::vector<std::vector<float>>>(&packets[0].channel_data)) {
num_channels = channels->size();
all_channels.resize(num_channels);
std::cout << "通道数量: " << num_channels << std::endl;
} else {
std::cout << "警告: 无法获取通道数据,跳过此类型" << std::endl;
continue;
}
// 收集所有数据包中相同通道的数据
std::cout << "开始收集通道数据..." << std::endl;
for (size_t ch = 0; ch < num_channels; ch++) {
std::cout << "处理通道 " << ch << "/" << num_channels << std::endl;
for (const auto& packet : packets) {
if (auto* channels = std::get_if<std::vector<std::vector<float>>>(&packet.channel_data)) {
if (ch < channels->size()) {
all_channels[ch].insert(all_channels[ch].end(),
(*channels)[ch].begin(),
(*channels)[ch].end());
}
}
}
std::cout << "通道 " << ch << " 收集完成,采样点数: " << all_channels[ch].size() << std::endl;
}
// 对完整通道数据进行滤波处理
std::cout << "开始应用滤波器..." << std::endl;
std::vector<std::vector<float>> filtered_channels;
try {
filtered_channels = apply_channel_filters(all_channels, data_type);
std::cout << "滤波完成" << std::endl;
} catch (const std::exception& e) {
std::cerr << "滤波过程中出错: " << e.what() << std::endl;
std::cout << "使用原始数据继续处理" << std::endl;
filtered_channels = all_channels;
}
// 将滤波后的数据重新分配回数据包结构
std::cout << "开始重新构建数据包..." << std::endl;
size_t samples_per_packet = 0;
if (auto* channels = std::get_if<std::vector<std::vector<float>>>(&packets[0].channel_data)) {
if (!channels->empty()) {
samples_per_packet = (*channels)[0].size();
}
}
if (samples_per_packet == 0) {
std::cout << "警告: 无法确定每包采样点数,使用默认值" << std::endl;
samples_per_packet = 100; // 默认值
}
// 重新构建数据包
size_t total_samples = filtered_channels[0].size();
size_t num_packets = (total_samples + samples_per_packet - 1) / samples_per_packet;
std::cout << "总采样点数: " << total_samples << ", 每包采样点数: " << samples_per_packet
<< ", 将创建 " << num_packets << " 个数据包" << std::endl;
// 添加安全检查,避免创建过多数据包
if (num_packets > 1000) {
std::cout << "警告: 数据包数量过多 (" << num_packets << ")限制为1000个" << std::endl;
num_packets = 1000;
}
for (size_t p = 0; p < num_packets; p++) {
if (p % 100 == 0) {
std::cout << "创建数据包 " << p << "/" << num_packets << std::endl;
}
SensorData new_packet = template_packet;
new_packet.packet_sn = p; // 重新分配包序号
// 创建新的通道数据结构
auto& new_channels = new_packet.channel_data.emplace<std::vector<std::vector<float>>>();
new_channels.resize(num_channels);
// 分配数据到各个通道
for (size_t ch = 0; ch < num_channels; ch++) {
size_t start_idx = p * samples_per_packet;
size_t end_idx = std::min(start_idx + samples_per_packet, filtered_channels[ch].size());
if (start_idx < filtered_channels[ch].size()) {
new_channels[ch].assign(filtered_channels[ch].begin() + start_idx,
filtered_channels[ch].begin() + end_idx);
}
}
processed_packets.push_back(new_packet);
}
std::cout << "数据类型 " << static_cast<int>(data_type) << " 处理完成,创建了 "
<< num_packets << " 个数据包" << std::endl;
}
std::cout << "通道级滤波处理完成,总共创建 " << processed_packets.size() << " 个数据包" << std::endl;
return processed_packets;
}
// 新增:简化的通道级滤波处理(测试版本)
std::vector<SensorData> SignalProcessor::process_channel_based_filtering_simple(
const std::vector<SensorData>& data_packets) {
@ -128,12 +267,6 @@ std::vector<SensorData> SignalProcessor::process_channel_based_filtering_simple(
case DataType::PPG:
// PPG基本处理去除直流分量
merged_channels[ch] = remove_dc_offset(merged_channels[ch]);
// 2. 0.5-8Hz带通滤波更精确的PPG频带
merged_channels[ch] = bandpass_filter(merged_channels[ch], 50, 0.5, 8.0);
// // 3. 50Hz陷波滤波去除工频干扰
//merged_channels[ch] = filter(merged_channels[ch], 50, 49.5, 50.5, filtertype::notchpass);
// // 4. 运动伪迹检测和去除(优化版本)
merged_channels[ch] = remove_motion_artifacts(merged_channels[ch], 50);
break;
case DataType::RESPIRATION:
// 呼吸信号基本处理:去除直流分量
@ -1063,7 +1196,7 @@ float SignalProcessor::calculate_PPG_sqi(const std::vector<float>& red_channel,
return clamp(sqi, 0.0f, 1.0f);
}
// 增强版运动伪迹检测和去除函数
// 新增:运动伪迹检测和去除函数
std::vector<float> SignalProcessor::remove_motion_artifacts(const std::vector<float>& signal, double sample_rate) {
if (signal.empty()) return signal;
@ -1249,3 +1382,25 @@ void SignalProcessor::normalize_amplitude(std::vector<float>& signal) {
}
}
// 使用示例:如何正确使用通道级滤波
/*
// 原来的错误用法(对单个数据包滤波):
std::vector<SensorData> raw_packets = get_raw_data_packets();
for (auto& packet : raw_packets) {
packet = signal_processor.preprocess_signals(packet); // 错误!对单个包滤波
}
// 新的正确用法(通道级滤波):
std::vector<SensorData> raw_packets = get_raw_data_packets();
std::vector<SensorData> processed_packets =
signal_processor.process_channel_based_filtering(raw_packets);
// 或者,如果你想保持原有的数据包结构,可以这样:
std::vector<SensorData> raw_packets = get_raw_data_packets();
std::vector<SensorData> processed_packets =
signal_processor.process_channel_based_filtering(raw_packets);
// 关键区别:
// 1. 原来:对每个数据包内的短时间序列进行滤波(错误)
// 2. 现在:收集所有数据包中相同通道的完整数据,进行滤波,然后重新分配
*/