龔治喬 戴虹 劉富甲 吳琦 薛蓮 李德柯

摘 要：人體心電信號常受到電源引起的工頻噪聲干擾，基于Matlab軟件編程，實現(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。

關(guān)鍵詞：Matlab；心電信號；工頻干擾

0 引言

數(shù)字信號處理技術(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，簡稱ECG），心電圖機通過測量在體表的電位來推測心臟的缺陷。利用數(shù)字信號處理技術(shù)可對心電信號自動進(jìn)行濾波、分析和識別的工作，以輔助醫(yī)生進(jìn)行疾病診斷并減輕工作強度。人體心電信號常常受到電源引起的工頻干擾（頻率為50Hz或60Hz），其時域及頻域波形如圖1所示，對心電圖診斷產(chǎn)生嚴(yán)重影響，須對其頻率進(jìn)行估計從而將其消除。

1.課題研究的目標(biāo)

本課題來源于大學(xué)生創(chuàng)新項目，研究目標(biāo)是：基于Matlab軟件編程，采用海寧濾波器與FIR帶阻濾波器對心電信號中的工頻干擾進(jìn)行估計與消除，總結(jié)這兩種算法的優(yōu)缺點，進(jìn)行實驗結(jié)果分析。Matlab是美國MathWorks公司出品的數(shù)學(xué)軟件，其編程簡單且功能強大，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言。

2.心電工頻干擾消除算法

本課題的心電數(shù)據(jù)來自美國威斯康星大學(xué)UW DigiScope軟件所產(chǎn)生的仿真心電信號（圖2（a）），文件名為：ECG_X1.txt。首先讀取該心電信號，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，取樣點數(shù)N=512），見圖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，故可通過平滑濾波器進(jìn)行低通濾波消噪。海寧濾波器是一個簡單的FIR型平滑濾波器，其系統(tǒng)函數(shù)為：

（1）

利用海寧濾波器對含有工頻的心電信號ECGY.txt進(jìn)行低通濾波消噪，畫出海寧濾波器的幅頻特性、零極點分布圖及消噪后的心電波形，如圖3所示，可見已消除部分工頻噪聲，還可設(shè)計3級海寧濾波器進(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，過渡帶較寬，雖然消除了工頻噪聲，但也抑制了過渡帶中的有用頻率成分，從而導(dǎo)致了心電信號的衰減，采用窗函數(shù)法設(shè)計了一個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，在消除工頻干擾同時盡量保留了心電信號中的有用頻率成分。

3.結(jié)語

針對心電信號中的工頻干擾，采用Matlab編程實現(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，本課題的施行效果是：能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實踐能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才打下扎實基礎(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)信號處理及應(yīng)用》.北京工業(yè)大學(xué)出版社[M].2014.8

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

作者簡介：

通訊作者：戴虹（1977-）女，漢族，上海市人，副教授，碩士，主要研究方向為：信號與信息處理。

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

基金項目：

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

項目編號：201912044010

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