心電信號噪聲的數字濾波研究

　　現代醫學(xué)表明，心電信號(ECG)含有臨床診斷心血管疾病的大量信息，ECG的檢測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、評估各種治療方法有效性的重要手段[1]。但由于實(shí)際檢測工況的非理想，ECG 信號中往往含有工頻噪聲及電極極化等引起的各種隨機噪聲 [2]。噪聲的存在降低了診斷的準確性，其中影響最大的是50Hz 工頻干擾和基線(xiàn)漂移噪聲。因此，在ECG 信號檢測過(guò)程中，如何抑制工頻干擾和基線(xiàn)漂移是必須解決的問(wèn)題。

　　1. 數字濾波系統

　　心電信號是微弱低頻人體生理電信號，通常頻率在0.05~100Hz，幅值不超過(guò)4mv，通過(guò)安裝在皮膚表面的電極來(lái)獲取。由于人體是一個(gè)復雜的生命系統，存在50H 工頻干擾及基線(xiàn)漂移等其他生理電信號的干擾。噪聲可能會(huì )影響到醫生的臨床診斷，因此，需對心電信號進(jìn)行濾波，即必須做好前端數據采集的軟硬件設計以保證心電數據的可靠和準確。

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

　　數字濾波方法有具有許多優(yōu)點(diǎn)[3]，ECG 數字濾波系統組成如圖1 所示，來(lái)自各電極的多路心電微弱信號經(jīng)多路輸入緩沖器緩沖放大，經(jīng)導聯(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A/D 轉換的幅度要求，然后進(jìn)行數字濾波并輸出心電信號。數字濾波用于心電信號消噪，不僅能提高儀器設備的性能，而且對于不同的使用環(huán)境(例如對于不同國家的50Hz 或60Hz 供電條件)，只需重新設置軟件參數即可，大大降低了醫療設備硬件復雜程度，降低了產(chǎn)品成本、提高了通用性。

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　　圖1. 心電信號數據采集與處理框圖

　　2.工頻干擾濾波

　　對于心電信號中的工頻干擾，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、濾波效果好，節數為N 的梳狀濾波器的系統函數為：

　　其中，是由N 節延時(shí)單元組成的梳狀濾波器，H1(z)的幅值響應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通過(guò)而阻止另一些特定頻率信號通過(guò)[4]。H(z)的頻率響應為：

　　根據式(2)可知，梳狀濾波器是具有線(xiàn)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為：

　　N=10 時(shí)，幅頻響應如圖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，對這些頻率的信號具有很好的抑制作用。由于梳妝濾波器的系數相等且都為1，因而容易實(shí)現，常用于對醫療儀器中的特定信號進(jìn)行濾波處理。

　　圖2. 線(xiàn)性相位FIR 濾波器的幅頻響應特性

　　根據圖2 可得第一旁瓣峰值衰減約為20dB，若不能滿(mǎn)足要求，可對式(1)進(jìn)行修正：