簡(jiǎn)單整系數(shù)濾波器在實(shí)時(shí)心電信號(hào)處理中的應(yīng)用

韓旭

摘要：本文介紹了一種用于實(shí)時(shí)心電信號(hào)處理的濾波方法，利用建立在極-零點(diǎn)抵消基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)單整系數(shù)濾波器，通過全通濾波器與低通濾波器、帶通濾波器的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高通濾波器及帶阻濾波器，用于濾除心電信號(hào)中的基線漂移和工頻干擾，該濾波器易于程序?qū)崿F(xiàn)，且運(yùn)算簡(jiǎn)單、計(jì)算量小，適合單片機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)心電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理。

關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)單整系數(shù)濾波器;心電圖;工頻干擾;基線漂移

中圖分類號(hào)：TH814 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）05-0113-02

0 引言

心電圖是從人體體表采集的心臟每一心動(dòng)周期所產(chǎn)生的電活動(dòng)變化，其信號(hào)頻率成分一般在0.05-100Hz的范圍內(nèi)，電壓幅值也比較微弱，一般為毫伏級(jí)。在采集心電圖的過程中，由于人體的分布電容、呼吸活動(dòng)導(dǎo)致的胸廓變化、人體肌肉活動(dòng)以及電子元器件受外界電磁環(huán)境影響等原因，心電信號(hào)通常都帶有多種干擾信號(hào)，如基線漂移、工頻干擾、肌電干擾等，其中部分干擾信號(hào)落在心電信號(hào)的有效頻率范圍內(nèi)，這些干擾信號(hào)的存在，使得心電圖中摻雜大量干擾，甚至于正常的心電信號(hào)都淹沒在干擾信號(hào)之中，嚴(yán)重影響對(duì)心電圖的正常識(shí)圖和診斷工作。對(duì)于數(shù)字式心電圖采集系統(tǒng)，通常運(yùn)用數(shù)字濾波算法來濾除心電信號(hào)中的干擾，但由于應(yīng)用場(chǎng)景以及運(yùn)算能力的不同，部分計(jì)算方法復(fù)雜、運(yùn)算量大的數(shù)字濾波算法，并不適合應(yīng)用在要求運(yùn)算量小、計(jì)算簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)的心電信號(hào)處理中。

建立在極-零點(diǎn)抵消基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)單整系數(shù)濾波器[1]具有易于實(shí)現(xiàn)、運(yùn)算簡(jiǎn)單、計(jì)算量小等特點(diǎn)，尤其適合于單片機(jī)等環(huán)境下的心電信號(hào)處理。因此，我們利用這種簡(jiǎn)單整系數(shù)濾波器，通過全通濾波器與低通濾波器、帶通濾波器的結(jié)合，設(shè)計(jì)出符合幅頻特性要求的高通濾波器和帶阻濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)心電信號(hào)中摻雜的基線漂移信號(hào)和工頻干擾信號(hào)的濾除。

1 基線漂移濾波器

心電信號(hào)中的基線漂移主要是由人體呼吸活動(dòng)引起胸廓變化、心電電極移動(dòng)等原因引起的，頻率一般在1Hz以下[2]，屬于低頻干擾?；€漂移的頻率與心電圖中ST段的頻率比較接近，其對(duì)ST段形態(tài)產(chǎn)生很大影響，而ST段反映心室的復(fù)極化的初始階段的情況，帶有基線漂移的ST段影響醫(yī)生對(duì)相關(guān)心臟病變的判定。因此，在基線漂移較大的情況下，對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行基線漂移濾波是十分必要的，而在應(yīng)用濾波器去除基線漂移的同時(shí)，也要考慮濾波器對(duì)ST段低頻成分的影響，選擇通帶和阻帶特性都合適的高通濾波器，盡量避免濾波器對(duì)ST段產(chǎn)生變形和失真。

要去除基線漂移，應(yīng)采用具有高通效果的濾波器，濾掉心電信號(hào)中高通截止頻率以下的頻率成分，而直接應(yīng)用建立在極-零點(diǎn)抵消基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)單整系數(shù)高通濾波器，受方法限制，其截止頻率、通帶特性與阻帶特性均很難滿足實(shí)際應(yīng)用要求。這里采用一個(gè)全通濾波器減去一個(gè)簡(jiǎn)單整系數(shù)低通濾波器的方式，實(shí)現(xiàn)高通濾波器[3]，完成對(duì)基線漂移干擾的濾除。

1.1 低通濾波器

在單位圓上均勻分布M個(gè)零點(diǎn)，可構(gòu)成所謂的“梳狀濾波器”[1]，該濾波器的傳遞函數(shù)為式（1）

如果在z=1處設(shè)置一個(gè)極點(diǎn)以抵消此處的零點(diǎn)，則濾波器具備低通特性，且濾波器的系數(shù)均為整數(shù)。為了使濾波器具備較好的性能，通常取HLP（z）的K次方，即如式（2）所示。

K選取的合適，即可以得到較好的通帶與阻帶特性。

1.2 基線漂移濾波器

為了利用上節(jié)中的低通濾波器來實(shí)現(xiàn)高通濾波器，取傳遞函數(shù)如式（3）

其中全通濾波器只具有延遲特性，用來抵消低通濾波器帶來的相位延遲。針對(duì)800Hz的心電采樣頻率，使用這種濾波器，由式（3）取M=700，K=2，該濾波器的高通截止頻率在0.66Hz左右，滿足基線漂移濾波的要求，且對(duì)截止頻率之上的頻率成分影響較小。

以MIT-BIH心律失常數(shù)據(jù)庫中113號(hào)病例的MLII通道數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，該基線濾波器的處理后，能夠?yàn)V除原始數(shù)據(jù)中存在的基線漂移，使處理后的心電信號(hào)保持了平穩(wěn)的基線，如圖1所示。

2 工頻干擾濾波器

心電信號(hào)中的工頻干擾信號(hào)主要來自于人體分布電容和電極導(dǎo)線環(huán)路受工頻電、磁場(chǎng)的影響，其頻率主要集中在50Hz左右。工頻干擾及其高次諧波混疊在正常的心電信號(hào)之中，對(duì)QRS波群的識(shí)別定位、心電波形形態(tài)分析等心電信號(hào)的分析和處理工作均有較大的影響，嚴(yán)重干擾心電圖正常的臨床應(yīng)用。

因此，在心電信號(hào)采集和處理設(shè)備中，均需采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄏゎl干擾。為了適應(yīng)實(shí)時(shí)環(huán)境下對(duì)心電信號(hào)的處理要求，根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的方法，采用簡(jiǎn)單整系數(shù)濾波器來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工頻干擾濾波器，取式（4）

采樣頻率為800Hz，那么50Hz工頻的歸一化頻率為1/16，采用歸一化頻率為1/8的濾波器，進(jìn)行L=f1/f2=2倍插值，就可以實(shí)現(xiàn)50Hz工頻陷波器。

由式（5）可知，p取任意值，濾波器的系數(shù)均為整數(shù)。我們根據(jù)對(duì)此濾波器阻帶的要求，取p=24，其阻帶帶寬約從48.8Hz到51.2Hz，約為2.4Hz，同時(shí)對(duì)50Hz工頻的高次諧波也有同樣的濾波作用。

以MIT-BIH心律失常數(shù)據(jù)庫中220號(hào)病例的MLII通道數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)疊加50Hz正弦信號(hào)的干擾，然后使用上述工頻濾波器進(jìn)行濾波處理，得到工頻濾波結(jié)果數(shù)據(jù)。在經(jīng)過該濾波器的處理后，能夠?yàn)V除疊加在原始數(shù)據(jù)上的50Hz工頻干擾信號(hào)，如圖2所示。

3 結(jié)語

本文介紹的建立在極-零點(diǎn)抵消基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)單整系數(shù)濾波器，通過全通濾波器與低通濾波器、帶通濾波器的結(jié)合，可以有效的濾除心電信號(hào)中摻雜的基線漂移和工頻干擾，濾波器易于程序?qū)崿F(xiàn)且運(yùn)算系數(shù)均為整數(shù)，具有運(yùn)算簡(jiǎn)單、計(jì)算量小等特點(diǎn)，適用于單片機(jī)及實(shí)時(shí)環(huán)境下對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理——理論、算法與實(shí)現(xiàn)（第二版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2] 楊福生.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理和識(shí)別[M].天津科技翻譯出版公司，1997.

[3] 唐渝，趙干青.簡(jiǎn)單整系數(shù)遞歸數(shù)字濾波器及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用（二）[J].中國醫(yī)療器械雜志，1989，13（4）：226-230.

[4] 蘭瑞芬，胡廣書.高采樣率下簡(jiǎn)單整系數(shù)工頻陷波器的設(shè)計(jì)[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2008，21（2）：152-156.