使用LabVIEW進行心電信號處理

　　1. 心電信號預處理

　　心電信號預處理可以幫助用戶去除心電信號中的污染。廣義上講，心電信號污染可以分為如下幾類：

　　• 電源線干擾

　　• 電極分離或接觸噪聲

　　• 病人電極移動過程中人為引入的偽影

　　• 肌電（EMG）噪聲

　　• 基準漂移

　　在這些噪聲中，電源線干擾和基準漂移是最為重要的，可以強烈地影響心電信號分析。除了這兩種噪聲，其它噪聲由于可能是寬頻帶的且復雜的隨機過程，也會 使心電信號失真。電源線干擾是以60 Hz (或 50 Hz)為中心的窄帶噪聲，帶寬小于1Hz。通常，心電信號的采集硬件可以消除電源線干擾。但是，基準漂移和其它寬帶噪聲通過硬件設(shè)備很難抑制。而軟件設(shè)計 則成為更為強大而可行的離線式心電信號處理方法。用戶可以使用以下方法來消除基準漂移和其它寬帶噪聲。

　　消除基準漂移

　　基準漂移的產(chǎn)生通常源于呼吸，頻率在0.15 到 0.3 Hz之間，可以通過使用高通數(shù)字濾波器進行抑制。用戶還可以使用小波變換通過消除心電信號的趨勢來消除基準漂移。

　　1. 數(shù)字濾波器方法

　　LabVIEW 的DFDT工具箱提供了圖形化和交互式的方法，用于快速而高效地設(shè)計和實現(xiàn)有限沖擊響應(FIR)或無限沖擊響應(IIR)濾波器。例如，用戶可以使用Classical Filter Design Express VI設(shè)計Kaiser窗FIR高通濾波器消除基準漂移。圖3顯示了一個高通濾波器的實例，用戶可以使用這個實例VI的程序框圖來消除基準漂移。

圖3 設(shè)計并使用高通濾波器消除基準漂移

　　2．小波變換方法

　　除了數(shù)字濾波器，小波變換也是一種消除指定頻帶內(nèi)信號的有效方法。LabVIEW ASPT工具箱提供了WA Detrend VI，它可以消除信號的低頻趨勢。圖4顯示了使用WA Detrend VI消除基準漂移的實例。

圖4 使用WA Detrend VI消除基準漂移

　　這個實例使用了Daubechies6 (db06)小波，因為這種小波與實際的心電信號相似。在這個實例中，心電信號的采樣周期為60秒，共1200個采樣點。這樣根據(jù)如下公式，趨勢級別為0.5：

　　其中，t是采樣周期而N為采樣點數(shù)。

　　圖5顯示了原始的心電信號，以及由基于數(shù)字濾波器方法和基于小波變換方法處理后得到的心電信號。你可以看到處理后的心電信號在保持原有心電信號主要特 性的同時，幾乎不含有基準漂移信息。你還可以注意到基于小波變換的方法更具優(yōu)勢，因為這種方法不引入延時，而且比基于數(shù)字濾波器方法的失真更小。

圖5 基于數(shù)字濾波器和基于小波變換的方法比較

　　消除寬帶噪聲

　　在消除了基準漂移后，得到的心電信號比原來的信號更加清晰和穩(wěn)定。但是，其它類型的噪聲仍然會影響心電信號的特征提取。這些噪聲是寬頻帶的復雜隨機過 程，所以不能使用傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器。為了消除寬帶噪聲，需要使用Wavelet Denoise Express VI。

　　這種Express VI首先應用小波變換將心電信號分解到各個子帶，然后利用閾值或收縮功能調(diào)整小波系數(shù)，最后重建出消除噪聲后的信號。下圖顯示了對心電信號使用非抽樣小波變換(UWT)的實例。