基于Matlab的心電信號(hào)工頻干擾消除

龔治喬 戴虹 劉富甲 吳琦 薛蓮 李德柯

摘 要：人體心電信號(hào)常受到電源引起的工頻噪聲干擾，基于Matlab軟件編程，實(shí)現(xiàn)了海寧濾波器及FIR帶阻濾波器的心電工頻噪聲消除，并比較了這兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：Matlab；心電信號(hào)；工頻干擾

0 引言

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。用于診斷心臟病的主要技術(shù)之一是心電圖（Electrocadiogram，簡(jiǎn)稱(chēng)ECG），心電圖機(jī)通過(guò)測(cè)量在體表的電位來(lái)推測(cè)心臟的缺陷。利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可對(duì)心電信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行濾波、分析和識(shí)別的工作，以輔助醫(yī)生進(jìn)行疾病診斷并減輕工作強(qiáng)度。人體心電信號(hào)常常受到電源引起的工頻干擾（頻率為50Hz或60Hz），其時(shí)域及頻域波形如圖1所示，對(duì)心電圖診斷產(chǎn)生嚴(yán)重影響，須對(duì)其頻率進(jìn)行估計(jì)從而將其消除。

1.課題研究的目標(biāo)

本課題來(lái)源于大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，研究目標(biāo)是：基于Matlab軟件編程，采用海寧濾波器與FIR帶阻濾波器對(duì)心電信號(hào)中的工頻干擾進(jìn)行估計(jì)與消除，總結(jié)這兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。Matlab是美國(guó)MathWorks公司出品的數(shù)學(xué)軟件，其編程簡(jiǎn)單且功能強(qiáng)大，在各種工程領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用，故采用Matlab作為本課題的編程語(yǔ)言。

2.心電工頻干擾消除算法

本課題的心電數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)威斯康星大學(xué)UW DigiScope軟件所產(chǎn)生的仿真心電信號(hào)（圖2（a）），文件名為：ECG_X1.txt。首先讀取該心電信號(hào)，并疊加工頻干擾噪聲，適當(dāng)設(shè)置其幅度A與初相位；顯示含有工頻噪聲的心電波形（設(shè)取樣頻率fs=150Hz，取樣點(diǎn)數(shù)N=512），見(jiàn)圖2（b）。

2.1海寧濾波器消除工頻干擾

（1）海寧濾波器

由于工頻干擾在心電圖中是高頻噪聲，故可通過(guò)平滑濾波器進(jìn)行低通濾波消噪。海寧濾波器是一個(gè)簡(jiǎn)單的FIR型平滑濾波器，其系統(tǒng)函數(shù)為：

（1）

利用海寧濾波器對(duì)含有工頻的心電信號(hào)ECGY.txt進(jìn)行低通濾波消噪，畫(huà)出海寧濾波器的幅頻特性、零極點(diǎn)分布圖及消噪后的心電波形，如圖3所示，可見(jiàn)已消除部分工頻噪聲，還可設(shè)計(jì)3級(jí)海寧濾波器進(jìn)一步改善濾波效果。

2.2窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR帶阻濾波器消除工頻干擾

由于海寧濾波器階數(shù)較低，過(guò)渡帶較寬，雖然消除了工頻噪聲，但也抑制了過(guò)渡帶中的有用頻率成分，從而導(dǎo)致了心電信號(hào)的衰減，采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)了一個(gè)FIR帶阻濾波器，設(shè)置適當(dāng)?shù)臑V波參數(shù)以消除工頻干擾，該濾波器的單位脈沖響應(yīng)、幅頻特性及消噪后的心電波形及其幅頻譜如圖4所示，從圖中所見(jiàn)，在消除工頻干擾同時(shí)盡量保留了心電信號(hào)中的有用頻率成分。

3.結(jié)語(yǔ)

針對(duì)心電信號(hào)中的工頻干擾，采用Matlab編程實(shí)現(xiàn)了海寧濾波器及FIR帶阻濾波器的心電工頻噪聲消除，并比較了這兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本課題的施行效果是：能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)踐能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才打下扎實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Willis J.Tompkins著，林家瑞譯.《生物醫(yī)學(xué)數(shù)字信號(hào)處理》.華中科技大學(xué)出版社[M].2001年11月

[2]吳水才著.《醫(yī)學(xué)信號(hào)處理及應(yīng)用》.北京工業(yè)大學(xué)出版社[M].2014.8

[3]戴虹.項(xiàng)目化教學(xué)在《數(shù)字信號(hào)處理》課程中的應(yīng)用.福建電腦[J].2016年第11期

作者簡(jiǎn)介：

通訊作者：戴虹（1977-）女，漢族，上海市人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)椋盒盘?hào)與信息處理。

龔治喬，上海第二工業(yè)大學(xué) 16通信A1班學(xué)生

劉富甲，上海第二工業(yè)大學(xué) 17電信A1班學(xué)生

薛蓮，上海第二工業(yè)大學(xué) 16通信A1班學(xué)生

李德柯，上海第二工業(yè)大學(xué) 17電信A1班學(xué)生

基金項(xiàng)目：

（1）上海市大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目：基于Arduino與人工智能算法的心電疾病識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目編號(hào)：201912044010

（2）上海第二工業(yè)大學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目：基于直方圖優(yōu)化算法的圖像去霧增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 項(xiàng)目編號(hào)： 2019-xjkj-009