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,但由于應用場景以及運算能力的不同,部分計算方法復雜、運算量大的數(shù)字濾波算法,并不適合應用在要求運算量小、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?;€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用。
因此,在心電信號采集和處理設(shè)備中,均需采用適當?shù)姆椒ㄏゎl干擾。為了適應實時環(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:清華大學出版社,2003.
[2] 楊福生.生物醫(yī)學信號的處理和識別[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)學中的應用(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)學與醫(yī)學工程,2008,21(2):152-156.