韓旭

摘要：本文介紹了一種用于實時心電信號處理的濾波方法，利用建立在極-零點抵消基礎(chǔ)上的簡單整系數(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，實現(xiàn)高通濾波器及帶阻濾波器，用于濾除心電信號中的基線漂移和工頻干擾，該濾波器易于程序?qū)崿F(xiàn)，且運算簡單、計算量小，適合單片機對實時心電信號進行數(shù)字濾波處理。

關(guān)鍵詞：簡單整系數(shù)濾波器;心電圖;工頻干擾;基線漂移

中圖分類號：TH814 文獻標識碼：A 文章編號：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周期所產(chǎn)生的電活動變化，其信號頻率成分一般在0.05-100Hz的范圍內(nèi)，電壓幅值也比較微弱，一般為毫伏級。在采集心電圖的過程中，由于人體的分布電容、呼吸活動導(dǎo)致的胸廓變化、人體肌肉活動以及電子元器件受外界電磁環(huán)境影響等原因，心電信號通常都帶有多種干擾信號，如基線漂移、工頻干擾、肌電干擾等，其中部分干擾信號落在心電信號的有效頻率范圍內(nèi)，這些干擾信號的存在，使得心電圖中摻雜大量干擾，甚至于正常的心電信號都淹沒在干擾信號之中，嚴重影響對心電圖的正常識圖和診斷工作。對于數(shù)字式心電圖采集系統(tǒng)，通常運用數(shù)字濾波算法來濾除心電信號中的干擾，但由于應(yīng)用場景以及運算能力的不同，部分計算方法復(fù)雜、運算量大的數(shù)字濾波算法，并不適合應(yīng)用在要求運算量小、計算簡單的實時的心電信號處理中。

建立在極-零點抵消基礎(chǔ)上的簡單整系數(shù)濾波器[1]具有易于實現(xiàn)、運算簡單、計算量小等特點，尤其適合于單片機等環(huán)境下的心電信號處理。因此，我們利用這種簡單整系數(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)計出符合幅頻特性要求的高通濾波器和帶阻濾波器，實現(xiàn)對心電信號中摻雜的基線漂移信號和工頻干擾信號的濾除。

1 基線漂移濾波器

心電信號中的基線漂移主要是由人體呼吸活動引起胸廓變化、心電電極移動等原因引起的，頻率一般在1Hz以下[2]，屬于低頻干擾。基線漂移的頻率與心電圖中ST段的頻率比較接近，其對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)生對相關(guān)心臟病變的判定。因此，在基線漂移較大的情況下，對心電信號進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，也要考慮濾波器對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-零點抵消基礎(chǔ)上的簡單整系數(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際應(yīng)用要求。這里采用一個全通濾波器減去一個簡單整系數(shù)低通濾波器的方式，實現(xiàn)高通濾波器[3]，完成對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個零點，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)置一個極點以抵消此處的零點，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，能夠濾除原始數(shù)據(jù)中存在的基線漂移，使處理后的心電信號保持了平穩(wěn)的基線，如圖1所示。

2 工頻干擾濾波器

心電信號中的工頻干擾信號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之中，對QRS波群的識別定位、心電波形形態(tài)分析等心電信號的分析和處理工作均有較大的影響，嚴重干擾心電圖正常的臨床應(yīng)用。

因此，在心電信號采集和處理設(shè)備中，均需采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄏゎl干擾。為了適應(yīng)實時環(huán)境下對心電信號的處理要求，根據(jù)文獻[4]中的方法，采用簡單整系數(shù)濾波器來設(shè)計實現(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，進行L=f1/f2=2倍插值，就可以實現(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，同時對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號病例的MLII通道數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)疊加50Hz正弦信號的干擾，然后使用上述工頻濾波器進行濾波處理，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，能夠濾除疊加在原始數(shù)據(jù)上的50Hz工頻干擾信號，如圖2所示。

3 結(jié)語

本文介紹的建立在極-零點抵消基礎(chǔ)上的簡單整系數(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)且運算系數(shù)均為整數(shù)，具有運算簡單、計算量小等特點，適用于單片機及實時環(huán)境下對心電信號進行濾波處理。

參考文獻

[1] 胡廣書.數(shù)字信號處理——理論、算法與實現(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)信號的處理和識別[M].天津科技翻譯出版公司，1997.

[3] 唐渝，趙干青.簡單整系數(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.高采樣率下簡單整系數(shù)工頻陷波器的設(shè)計[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2008，21（2）：152-156.