心電信號噪聲處理的研究

李文濤

摘要：心電信號是一種微弱信號，是現代生命科學研究的重要組成部分，但其非常容易收到噪聲的干擾。因此，想要檢測心電信號就必須要采用能夠抑制噪音的技術，同時也要增強心電信號中的有用信息。所以需要提高對波形的檢測識別能力，也需要對心電信號進行去噪音的預處理，尤其是對那些干擾心電信號非常強的噪音，預處理對心電信號的作用顯得尤其重要。本文的主要目的是針對心電信號的原理進行詳細分析，并根據其特點，對于不同的噪音選取不同的降噪方法進行描述。

關鍵詞：心電信號 心電噪聲 數字濾波系統 滑動平均方法 最小二乘多項式擬合方法

中圖分類號：TN911.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0085-02

1 人體心電信號的產生機理

心電是心臟的每個心動周期中，由起搏點、心房、心室相繼興奮，從而引起的生物電的變化，這生物電的變化就被稱之為心電。心電的產生與心肌細胞的除復極作用密不可分。當心肌細胞處在靜息狀態時，細胞膜的內外分別帶有同等數量的正負電荷，這也是極化狀態的體現，當靜息狀態下的細胞膜內外出現電位差時，即被我們稱之為靜息電位，這個值也是相對恒定的。當心肌細胞的細胞膜收到一定的刺激時，其表面的通透性就會出現改變，細胞膜內外的陰陽離子就會出現流動，心肌細胞也會因此表現出除極化和復極化，而且在這個過程中，受刺激的心肌細胞會與臨近的細胞膜構成一對電偶，這種變化形態能夠被置于體表的儀器所捕捉。由心臟內部所產生出來的電刺激脈沖，能夠使心房、心室的細胞興奮，從而有節奏的進行舒張和收縮，這也使得血液從心臟能夠流到全身各處，維持人體循環的正常運作。心電信號是從宏觀上來捕捉心肌細胞的除極和復極過程，能夠從一定客觀的程度來體現心臟的生理狀況，因此心電信號在臨床醫學中有著重要的作用。

2 心電信號基本構成

心電信號由P、QRS、T波和靜息期組成，如圖1，各波具有不同的頻率特性，是一種典型的具有明顯時頻特稱與時間—尺度特征的生物醫學信號。

P、QRS、T波以及PR，ST，QT間期都不同程度地反應了心臟的功能的變化，因此通過算法實現對心臟功能的自動分析判別已日益成為一個比較熱門的研究方向。

3 心電信號特點

3.1 信號弱

心電信號是體表的電生理信號，一般比較微弱，幅度再10uV～4mV，頻率為0.05～100Hz。

3.2 噪聲強

由于心電信號是十分微弱的，而且人體自身也是十分復雜的系統，各自系統對于心電信號的捕捉也會產生一定的影響，因此信號容易受到噪聲干擾。

3.3 隨機性強

心電信號不僅是隨機的，而且是非平穩的。同時，在心電圖檢測過程中極易受到各種噪聲源的干擾，從而使圖像質量變差，使均勻和連續變化的心電數值產生突變，在心電圖上形成一些毛刺。使原本很微弱的信號很難和噪聲進行分解。

4 心電信號的噪聲來源分類

人體的心電信號十分微弱，噪聲干擾也比較強，根據最近研究表示，正常心電信號范圍在0.05-100Hz之間，而根據我們的大量研究得出，90%的心電信號（ECG）頻譜能量是集中在0.25-35Hz之間，這也使得我們想要采集出有效的心電信號，肯定會受到大量噪音的干擾，研究表明，這些噪音的來源往往是以下幾種：

4.1 工頻干擾

人體耦合50Hz工頻干擾是由于人體內所分布的電容與電極引線環路受工頻電、磁場等干擾從而形成50Hz的工頻干擾，其模型也是由50Hz的正弦信號和諧波構成的。其幅值與ECG峰峰值相比相當或者更強。

4.2 電極接觸噪聲

電極接觸噪聲不是一直存在的，它是由于電極與肌膚接觸時出現接觸不良的現象，也就是病人與檢測系統連接時沒連接好導致的。但這種接觸不良現象是瞬時的，如病人在轉動身體或者震動時而導致的設備松動、亦或者是檢測系統的開關或者放大器連接端出現接觸不良等等。電極接觸噪聲是一種瞬時的、隨機變化的階躍信號，它會不斷衰減到基線值，也存在這工頻成分。電極接觸噪聲并不只會發生一次，可能會發生多次，其特征值的時間常數一般在1S左右，達到記錄儀的最大值。

4.3 人為運動

人為運動所造成的也是瞬時的基線改變，但它不是階躍信號，是有電極在移動中與皮膚的阻抗出現改變而引起的。其所造成的基線干擾形狀與周期正弦信號比較類似，且在檢測時，其峰值的幅度與持續時間也不是一沉不變的，通常其幅值為幾十毫伏左右。

4.4 肌電干擾（EMG）

肌電干擾是指人體多種電現象混雜在一起，某一種生理量在某種場合可能是信號，而換作另一場合時則可能就變成了噪聲，這也是我們所謂的被測生理變量以外的人體電現象所引起的噪聲。肌電干擾主要成因是人體的肌肉顫動而引起，其發生率沒有固定性，頻率范圍一般在5～2000Hz之間。

4.5 基線漂移和呼吸時ECG幅值的變化

基線漂移和呼吸時ECG幅值在產生變化時，其原因基本為一下幾個原因：一是人體呼吸造成的；二是電極移動造成的；三是其它低頻干擾造成的等等，其頻率一般都小于5Hz，同時了，我們也可以將至看成為與呼吸同頻率的正弦分量，其頻率在0.015-0.3Hz之間時基線的變化幅度為ECG峰峰值的15%。

4.6 信號處理中用電設備產生的儀器噪聲

心電信號是人體心臟所發出的一種復雜精密切微弱的信號，因而它也十分容易受到其它干擾，這些干擾也會使得心電信號變得更為復雜，所以想要有效的檢測分析心電信號是一項十分艱巨的任務。而在使用設備時由于電流問題設備也會產生一定的噪聲，這也對心電信號的采集產生了一定的影響。

5 心電噪聲降躁方法研究

不同的噪聲其處理的方式也不盡相同，因而針對以上幾種噪聲，作者根據研究列出如下幾種處理方式。

5.1 工頻干擾處理方式

心電信號在采集時會出現各種各樣的干擾，而其中一個主要干擾源為工頻干擾，對于50Hz工頻干擾我們主要針對其處理的方式即為采用數字濾波系統。因此，想要去除心電信號中的工頻干擾，就必須對心電信號進行濾波，也就是要做好前端數據采集的軟硬件設備的設計，使得其能夠穩定的對心電信號進行濾波，從而保證心電數據的可靠和準確。數字濾波有很多優點，其主要系統組成如圖2所示，心電信號通過多路輸入緩沖器緩沖放大，然后通過導聯選擇后再交由前置多路電壓放大，并使其適應A/D轉換的幅度要求，從而進行數字濾波處理，并最終輸出濾波后的心電信號。數字濾波不僅僅能夠大幅度的提高設備的性能，同時其適應性也十分強大，不同的使用環境均能夠通過設置軟件參數來完美適應，大大降低了醫療設備的成本，提高了通用性能。

5.2 基線漂移處理方式

在對心電信號進行記錄時，要盡量保持基線在同一水平線上，如果出現基線漂移的鮮香，就會使得心電波形圖中各波的范圍與關系不清楚，從而影響對心電圖信號的識別。基線漂移的頻率一般在0.15～0.3Hz之間，其頻率十分低，這也使得心電信號的波段分量相接近，因此在測量當中應當采取滑動平均方法來濾除基線漂移。

5.3 表面肌電噪聲的處理方式

表面肌電噪聲是人的肌肉神經系統在運作時，出現肌肉纖維收縮而引起的生物電的變化，在捕捉心電信號時，心電電極會引起此噪聲的出現，肌電噪聲的出現是不定時不規則的，其波形一般較為快速且不規則，從屬于高頻噪聲，其頻率一般集中在5～40Hz之間，持續時間為50ms，其幅度為毫伏級。

對表面肌電噪聲的處理方式為最小二乘多項式擬合方法。一般我們會將固定個數的點合并在一起從而形成一個多項式，在這個多項式中，多項式在xi的值給出光滑值gi。一個M次多項式用pi（x）表示，它在最小二乘意義下擬合nL+nR+1個點（nL為xi左邊點的個數，nR為xi右邊點的個數），這樣就有gi=pi（x）。將每一個采樣點前后7個采樣點進行近似值計算，測試數據頻率為360Hz，則nL=nR=7，且令M=4，根據具體的測試可以看到高頻段的肌電噪聲抑制較為明顯。

6 結語

綜上所述，本文通過分析心電信號產生機理、構成特點以及噪聲源的形成方式，并主要針對心電信號噪聲及如何根據不同噪聲選取不同的降噪方法進行了闡述和分析。不同的心電信號噪聲通過不同的擬合實驗均達到了良好的降噪效果。本文的結論為盡量消除混雜在心電信號的噪聲和干擾，提高對疾病診斷的準確性具有重大意義。

參考文獻

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