心電信號檢測中濾除肌電干擾的方法

心電信號檢測是醫(yī)生診斷治療心血管疾病的重要輔助手段，但由于心電信號檢測實際條件不理想，心電信號中常混有各種干擾信號，常見有肌電干擾、基線漂移和工頻干擾。文中針對肌電干擾，采用數(shù)字濾波方法進(jìn)行了去除噪聲的濾波器設(shè)計。并通過對心電圖信號濾波器的設(shè)計，不僅提高了ECG信號濾波器的去噪效果，且提高了工作效率。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)表明，心電信號（Electrocardiograph，ECG）含有臨床診斷心血管疾病的大量信息，心電信號的檢測是心血管疾病預(yù)防診斷的重要輔助手段。而實際中心電信號中通常混入各種隨機噪聲。噪聲的存在降低了診斷的準(zhǔn)確性。因此，如何有效去除各種干擾和噪聲是務(wù)必要解決的問題。

國際上最先用于完成心電信號濾波任務(wù)的是通過不同的電子元器件組成模擬電路來實現(xiàn)濾波功能的模擬心電濾波器。但這種模擬心電濾波器需較為復(fù)雜的電路，濾波效果也不理想，且成本較高，因而未得到大規(guī)模應(yīng)用。目前數(shù)字濾波器由于性能可靠、精度高、設(shè)計簡單等優(yōu)點已被廣泛采用，尤其是應(yīng)用計算機軟件編程的方法已成為國際上心電圖機濾波干擾的主要手段。

1肌電干擾及常用數(shù)字濾波方法

1.1心電信號中的肌電干擾

心電信號檢測主要存在肌電干擾、基線漂移和工頻干擾3種噪聲。而其中影響較大的則是肌電干擾。所謂肌電干擾，指人體多種電現(xiàn)象混雜在一起，某一生理量有時是信號，在另一場合則可能是噪聲，即被測生理變量以外的人體電現(xiàn)象所引起的噪聲。肌電干擾由人體肌肉顫動引起，發(fā)生率具有隨機性，頻率范圍在5～2 000 Hz之間。

1.2常用的數(shù)字濾波方法介紹

（1）切比雪夫數(shù)字低通濾波器。其在過渡帶比巴特沃斯數(shù)字低通濾波器的衰減快，對噪聲的去除效果較好，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如巴特沃斯數(shù)字低通濾波器平坦，在通頻帶內(nèi)存在幅度波動。而切比雪夫數(shù)字低通濾波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小。

（2）巴特沃斯帶阻濾波器。是在通帶內(nèi)有最大平坦的頻率響應(yīng)曲線，能最大限度地讓通帶內(nèi)的信號通過，在阻帶則逐漸地下降為零。在振幅的對數(shù)對角頻率波特圖上，從某一邊界角頻率開始，振幅隨角頻率的增加逐步減少，趨向負(fù)無窮。

（3）小波變換算法。是一種新的變換分析方法，其繼承和發(fā)展了短時傅里葉變換局部化的思想，同時又克服了窗口大小不隨頻率變化等缺點，能夠提供一個隨頻率改變的時間——頻率窗口，是進(jìn)行信號時頻分析和處理的理想工具。其主要特點是通過變換能夠充分突出問題某些方面的特征，因此，小波變換在許多領(lǐng)域均得到了成功的應(yīng)用。

（4）雙線性Z變換法設(shè)計數(shù)字濾波器。是使用最普遍、最有成效的一種模擬濾波器變數(shù)字濾波器的工具。這是因為大部分的濾波器與本設(shè)計的低通濾波器相同都具有分段常數(shù)的頻響特性，其在通帶內(nèi)要求逼近一個衰減為零的常數(shù)特性，而在阻帶部分要求逼近一個衰減為∞的常數(shù)特性，這種特性的濾波器通過雙線性變換后，雖頻率發(fā)生了非線性變化，但幅頻特性仍保持分段常數(shù)的特性。

2心電信號檢測中濾除肌電干擾方法

肌電干擾屬于高頻干擾，設(shè)計選用切比雪夫數(shù)字低通濾波器。具體步驟是：首先設(shè)計切比雪夫型的模擬低通濾波器，再將該模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器。設(shè)計用到的技術(shù)指標(biāo)：心電信號通帶截止頻率ωp；阻帶截止頻率ωs；通帶最大衰減系數(shù)αp；阻帶最小衰減系數(shù)αs.對于肌電干擾ωp=ωs=αp=1 dB，αs=15 dB.

2.1切比雪夫型模擬低通濾波器的設(shè)計

首先進(jìn)行歸一化處理，然后聯(lián)立關(guān)于通帶和阻帶最大衰減系數(shù)的方程求解ε和N，將其代入到|H（jλ）|2，繼而求解歸一化傳遞函數(shù)H（p），其中p是歸一化頻率λ對應(yīng)的拉氏變量，解得

2.2將模擬轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字濾波器

該方法在變換公式中s與z的關(guān)系無論是分子還是分母部分均為線性的，其主要優(yōu)點是消除了脈沖響應(yīng)不變法所固有的頻譜混疊現(xiàn)象。

將模擬低通濾波器的傳遞函數(shù)化為

由此便完成了模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而構(gòu)成濾除肌電干擾的切比雪夫數(shù)字低通濾波器設(shè)計。

3仿真設(shè)計

3.1對肌電干擾的抑制效果

根據(jù)以上對肌電干擾噪聲的分析結(jié)合切比雪夫數(shù)字低通濾波方法，在Matlab程序當(dāng)中輸入對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖1所示。


圖1 心電信號受干擾前后對比圖

3.2驗證與分析

為驗證本次設(shè)計濾波器的有效性和實用性，此處采用圖2所示受到嚴(yán)重干擾的心電信號進(jìn)行試驗，驗證結(jié)果如下。


圖2 濾波前的心電信號及其幅頻特性


圖3 濾波后的心電信號及其幅頻特性


從圖3中可看出，濾波后心電信號中的肌電干擾即高頻干擾部分得到了明顯的抑制，雖在100 Hz附近仍存在小范圍干擾，但從濾波整體效果上看，該濾波器是滿足設(shè)計要求的。

4結(jié)束語

本設(shè)計以數(shù)字濾波為依據(jù)，結(jié)合Matlab進(jìn)行軟件程序設(shè)計，進(jìn)而實現(xiàn)了對肌電干擾濾波器的設(shè)計。該設(shè)計程序有效性高、實用性強，且能夠較好地濾除肌電干擾，大幅提高了心電信號檢測的準(zhǔn)確性，為其在臨床中更好地診斷治療提供了幫助。