心電信號(hào)噪聲的數(shù)字濾波研究

　　現(xiàn)代醫(yī)學(xué)表明，心電信號(hào)(ECG)含有臨床診斷心血管疾病的大量信息，ECG的檢測(cè)與分析在臨床診斷中具有重要價(jià)值，是了解心臟的功能與狀況、輔助診斷心血管疾病、評(píng)估各種治療方法有效性的重要手段[1]。但由于實(shí)際檢測(cè)工況的非理想，ECG 信號(hào)中往往含有工頻噪聲及電極極化等引起的各種隨機(jī)噪聲 [2]。噪聲的存在降低了診斷的準(zhǔn)確性，其中影響最大的是50Hz 工頻干擾和基線漂移噪聲。因此，在ECG 信號(hào)檢測(cè)過程中，如何抑制工頻干擾和基線漂移是必須解決的問題。

　　1. 數(shù)字濾波系統(tǒng)

　　心電信號(hào)是微弱低頻人體生理電信號(hào)，通常頻率在0.05~100Hz，幅值不超過4mv，通過安裝在皮膚表面的電極來獲取。由于人體是一個(gè)復(fù)雜的生命系統(tǒng)，存在50H 工頻干擾及基線漂移等其他生理電信號(hào)的干擾。噪聲可能會(huì)影響到醫(yī)生的臨床診斷，因此，需對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行濾波，即必須做好前端數(shù)據(jù)采集的軟硬件設(shè)計(jì)以保證心電數(shù)據(jù)的可靠和準(zhǔn)確。

　　傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備分別采用50Hz 帶阻濾波器和RC 高通濾波器濾除工頻干擾和基線漂移。但帶阻濾波器電路復(fù)雜，其特性對(duì)元器件的精度敏感，而基線漂移本質(zhì)上是一種緩慢變化的低頻信號(hào)，采用RC 濾波器很難將高通濾波器的過渡帶做得十分陡峭，基線漂移補(bǔ)償效果不理想。因此，模擬方法往往不太容易獲得很好的特性。

　　數(shù)字濾波方法有具有許多優(yōu)點(diǎn)[3]，ECG 數(shù)字濾波系統(tǒng)組成如圖1 所示，來自各電極的多路心電微弱信號(hào)經(jīng)多路輸入緩沖器緩沖放大，經(jīng)導(dǎo)聯(lián)選擇電路進(jìn)行選擇后，由前置放大電路放大，進(jìn)行電壓放大以適應(yīng)A/D 轉(zhuǎn)換的幅度要求，然后進(jìn)行數(shù)字濾波并輸出心電信號(hào)。數(shù)字濾波用于心電信號(hào)消噪，不僅能提高儀器設(shè)備的性能，而且對(duì)于不同的使用環(huán)境(例如對(duì)于不同國(guó)家的50Hz 或60Hz 供電條件)，只需重新設(shè)置軟件參數(shù)即可，大大降低了醫(yī)療設(shè)備硬件復(fù)雜程度，降低了產(chǎn)品成本、提高了通用性。

　　點(diǎn)擊看原圖

　　圖1. 心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集與處理框圖

　　2.工頻干擾濾波

　　對(duì)于心電信號(hào)中的工頻干擾，簡(jiǎn)單而有效的方法是采用梳狀濾波器濾波，這種FIR 濾波器簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、濾波效果好，節(jié)數(shù)為N 的梳狀濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：

　　其中，是由N 節(jié)延時(shí)單元組成的梳狀濾波器，H1(z)的幅值響應(yīng)由許多頻率間隔相同的通帶和阻帶組成，它只許一些特定頻率范圍的信號(hào)通過而阻止另一些特定頻率信號(hào)通過[4]。H(z)的頻率響應(yīng)為：

　　根據(jù)式(2)可知，梳狀濾波器是具有線性相位的FIR 低通濾波器，相移τ=(N-1)/2，為使濾波器的直流增益為1，可以考慮在H(z)中增加增益因子1/N，歸一化后的幅頻響應(yīng)為：

　　N=10 時(shí)，幅頻響應(yīng)如圖2 所示，在頻率點(diǎn)ωk=2πk/N，k=0,1,2,……N-1 處的幅值為0,因而在ωk=2πk/N 附近形成了多個(gè)阻帶，對(duì)這些頻率的信號(hào)具有很好的抑制作用。由于梳妝濾波器的系數(shù)相等且都為1，因而容易實(shí)現(xiàn)，常用于對(duì)醫(yī)療儀器中的特定信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

　　圖2. 線性相位FIR 濾波器的幅頻響應(yīng)特性

　　根據(jù)圖2 可得第一旁瓣峰值衰減約為20dB，若不能滿足要求，可對(duì)式(1)進(jìn)行修正：