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)用探究

南京工業(yè)大學(xué) 徐超逸

本文以簡(jiǎn)單整系數(shù)濾波器為研究視角，探索其在心電信號(hào)動(dòng)態(tài)化實(shí)時(shí)處理程序中的應(yīng)用方法，以提升心電信號(hào)處理效果。在研究期間，濾波器的運(yùn)行環(huán)境為“極零點(diǎn)抵消”，在全通、低通、帶通三種濾波器整合的基礎(chǔ)上，形成了較高性能的濾波器，用于處理心電信號(hào)的干擾問(wèn)題，具有較高的應(yīng)用性能。

心電圖的信號(hào)頻譜變化范圍為0.05～100 Hz，電壓浮動(dòng)能力較弱，浮動(dòng)幅度以毫伏級(jí)為主。在心電圖信息采集期間，在人體電容、呼吸作用下，將會(huì)引起胸廓改變、肌肉運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，電子元器件在客觀環(huán)境電磁影響下，形成干擾信號(hào)，有礙于心電圖信息判斷的準(zhǔn)確性。

1 心電信號(hào)的處理需求

心電圖檢查在針對(duì)心率失常、心肌缺血的一些常見(jiàn)心臟疾病的診斷中，可以得到較為全面的應(yīng)用。在其早期的處理過(guò)程中，醫(yī)生的一些傳統(tǒng)的人工方法已經(jīng)無(wú)法順應(yīng)當(dāng)下的醫(yī)療事業(yè)發(fā)展，因此可以利用計(jì)算機(jī)的方式，對(duì)其信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的去除干擾。

1.1 處理動(dòng)態(tài)心電信號(hào)

（1）心電信號(hào)處于動(dòng)態(tài)變化時(shí)，對(duì)其產(chǎn)生干擾的噪聲類別主要包括：工頻、機(jī)電相關(guān)信號(hào)干擾、基線漂移等。

（2）在心電信號(hào)使用初期，采取電路優(yōu)化設(shè)計(jì)、高性能元器件等進(jìn)行干擾信號(hào)的處理。

（3）現(xiàn)階段，以數(shù)字濾波器為主，用于消除干擾信號(hào)，還原心電信號(hào)信息，為臨床判斷提供真實(shí)的心電信息。

1.2 心電信號(hào)處理方法

（1）判定QRS波：借助閾值對(duì)QRS波進(jìn)行識(shí)別。閾值類目有：變化幅度、傾斜程度、時(shí)間差等。

（2）檢測(cè)QRS波：數(shù)字模型檢測(cè)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)法等。

（3）檢測(cè)R波方法：幅度測(cè)定、斜率測(cè)定等。

（4）提取心電圖關(guān)鍵信息：心電圖信息處理的關(guān)鍵在于信息提取，以保障臨床工作有序進(jìn)行。時(shí)域提取法：各類波形所表現(xiàn)出的時(shí)間間隔、外觀形態(tài)有所差異。頻域提取法：采取頻率變換形式，提取頻域內(nèi)信號(hào)變化特點(diǎn)。

使用濾波器進(jìn)行心電信息處理，設(shè)計(jì)方法為簡(jiǎn)單整數(shù)系，以期提升心電信息實(shí)時(shí)處理效果。

對(duì)于正常的心電圖信號(hào)波形而言，是一種P波、QRS波群與T波相結(jié)合的形式；同時(shí)，在一些情況下，在T波出現(xiàn)之后會(huì)形成一個(gè)小型的U波。因此，在心率市場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)其信號(hào)進(jìn)行噪聲心電波形，就需要進(jìn)行相應(yīng)的分析，進(jìn)而可以明確二者之間的差異性。

2 基線漂移濾波器的應(yīng)用

對(duì)于心電信號(hào)而言，就是一種在基線漂移處理的過(guò)程中，基于人體呼吸過(guò)程中胸廓的起伏變化所形成的心電電極的移動(dòng)，一般情況下頻率都在1Hz的水平之下，這樣的情況就是低頻干擾。由于其基頻與心電圖當(dāng)中的頻率比較相近，就會(huì)導(dǎo)致對(duì)其ST的段形有重大的影響。而在帶有基線漂移的ST段，可能會(huì)對(duì)醫(yī)生判斷病情產(chǎn)生一定的影響。因此，就需針對(duì)心電當(dāng)中的基線漂移濾波進(jìn)行去除，以此保障ST段的低頻成分不會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的影響效果。另外，在其去除的過(guò)程中，需要保障使用的一些通帶以及組帶都可以使用較為合理的高通濾波器，以此避免在使用的濾波器上，對(duì)其ST段出現(xiàn)一定的變形以及失真的效果。另外，在去除基線偏移的過(guò)程中，要能夠讓其濾波器有高通效果，以此可以對(duì)心電信號(hào)當(dāng)中的一些高通介質(zhì)頻率實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的去除。

3 工頻干擾濾波器的應(yīng)用表現(xiàn)

3.1 工頻干擾信號(hào)的威脅

對(duì)心電信號(hào)形成干擾作用的信號(hào)主要是在工頻電磁場(chǎng)作用下，引起人體分布信號(hào)發(fā)生改變，改變的信號(hào)包括電容與電極導(dǎo)線，干擾作用的工頻一般為50Hz。工頻干擾信號(hào)，一般會(huì)融合在標(biāo)準(zhǔn)性心電信號(hào)中，對(duì)于判斷QRS波群、分析處理心電信號(hào)產(chǎn)生干擾作用，有礙于臨床工作中心電圖的分析。

3.2 應(yīng)用方法

（1）工頻濾波器的函數(shù)表達(dá)式

對(duì)于工頻干擾問(wèn)題，需要采取恰當(dāng)方式予以規(guī)避。使用系數(shù)賦值整數(shù)的形式，完成濾波器配置，以達(dá)成工頻處理濾波器的程序設(shè)計(jì)目標(biāo)，信號(hào)傳遞函數(shù)為式(1)：

由函數(shù)表達(dá)式(1)可知：p取值不受限制，HBS(z)表示工頻處理濾波器，為濾波器系數(shù)賦值時(shí)，以簡(jiǎn)單整數(shù)為主。參考濾波器阻帶的設(shè)計(jì)規(guī)范，p取值為24，阻帶寬度取值范圍為48.8～51.2Hz。此濾波器對(duì)于高次諧波具有相同處理能力。

（2）濾波應(yīng)用

濾波應(yīng)用：選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中113號(hào)病例的心電圖數(shù)據(jù)，作為初始心電圖，如圖1（a）所示；模擬工頻干擾，信號(hào)取50Hz，工頻干擾表現(xiàn)如圖1（b）所示；使用函數(shù)表達(dá)式（1）的處理方式，進(jìn)行濾波消除，能夠獲取工頻干擾處理結(jié)果，濾波結(jié)果如圖1（c）所示。經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：工頻濾波器能夠有效消除模擬干擾信號(hào)。

圖1 工頻濾波器對(duì)113號(hào)病例心電圖的模擬濾波過(guò)程

在不同的諧波處理中，其工頻干擾的幅度ECG峰值在0-50%的程度上。在信號(hào)進(jìn)行采集的過(guò)程中，受到人體動(dòng)作的影響，使得與人體接觸的電阻出現(xiàn)變化，因此就導(dǎo)致基線出現(xiàn)不同程度的變化；因此，對(duì)于這種基線的變化而言，就形成了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。在采集電路當(dāng)中，其發(fā)達(dá)器的溫漂、人的呼吸等，都會(huì)導(dǎo)致器官出現(xiàn)變化，就會(huì)使得對(duì)其心電圖信號(hào)的幅度造成直接的影響。

在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要對(duì)濾波器進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。例如，需要保障下限介質(zhì)的頻率在選擇的過(guò)程中，可以很好的降到P波、T波能量之前；在上限的截止頻率的選擇上，還需要盡可能的削弱出現(xiàn)的工頻噪聲，因此在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，就要使其過(guò)渡區(qū)域不能過(guò)于陡峭，保證控制器過(guò)渡區(qū)域的合理性。由于使用對(duì)象是長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)心電信號(hào)，其離散的數(shù)據(jù)序列比較長(zhǎng)。因此，就需要在濾波器的使用上，保障單位沖擊的相應(yīng)序列得到控制。同時(shí)，還要保障在計(jì)算的過(guò)程中，能夠控制采樣的頻率在250 Hz的程度內(nèi)。

3.3 濾波器設(shè)計(jì)

（1）窗函數(shù)法

在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先基于一般性的原理使得使用的低通、高通、帶

通以及帶阻濾波器的頻域，有著科學(xué)合理的響應(yīng)效果。另一方面，需要確定其濾波器的實(shí)際函數(shù)，并基于加窗截?cái)嗟姆绞?，進(jìn)行針對(duì)性的處理與分析。另外，還需要保障能夠基于用戶指定的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足使用的需求。

在運(yùn)行這種程序的過(guò)程中，往往需要對(duì)其窗函數(shù)法進(jìn)行相應(yīng)的合理化檢驗(yàn)。在實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，這樣的窗幻術(shù)設(shè)計(jì)方式，可以很好的對(duì)其窗型、窗戶長(zhǎng)度進(jìn)行合理性的設(shè)計(jì)，以此保障其窗戶函數(shù)充分的滿足相應(yīng)的實(shí)際阻帶需求。因此，這種窗函數(shù)方法可以直接進(jìn)行濾波器的函數(shù)設(shè)計(jì)，是一種較為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方式。

（2）頻率采樣法

相比較窗函數(shù)的方式，頻率采樣法是一種在時(shí)域當(dāng)中對(duì)近似理想的脈沖響應(yīng)進(jìn)行分析。在使用這種方法時(shí)，需要保障其在有效的頻率當(dāng)中進(jìn)行相應(yīng)近似理想頻率的響應(yīng)分析。為了降低逼近誤差的效果，就需要盡可能的降低通帶邊緣位置的處理效果，以此對(duì)其理想濾波器當(dāng)中的頻響進(jìn)行相應(yīng)的處理。另外，需要注意在使用濾波器的過(guò)程中，還要結(jié)合實(shí)際的使用環(huán)境以及設(shè)備的性能特征，這樣才能充分發(fā)揮極零點(diǎn)抵消的作用，提升濾波的去除效果。

結(jié)論：綜上，以“極零點(diǎn)抵消”為平臺(tái)構(gòu)建的濾波器，在各類濾波單元整合下，能夠提升心電信號(hào)干擾問(wèn)題的去除效果；同時(shí)，濾波器具有程序結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易性，在程序運(yùn)行期間，以整數(shù)系數(shù)為運(yùn)算視角，提升了運(yùn)算過(guò)程的簡(jiǎn)便性，合理控制了計(jì)算量，保證了濾波處理能效。