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(jī)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(diǎn)已被廣泛采用，尤其是應(yīng)用計算機(jī)軟件編程的方法已成為國際上心電圖機(jī)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(jī)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(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)，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。