基于濾波器的ECG信號(hào)預(yù)處理

任 燕，郭倉(cāng)庫(kù)

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽(yáng)473009）

基于濾波器的ECG信號(hào)預(yù)處理

任 燕，郭倉(cāng)庫(kù)

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽(yáng)473009）

根據(jù)FIR濾波器和IIR濾波器的設(shè)計(jì)原理，分別對(duì)所給數(shù)據(jù)庫(kù)中的樣本進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的兩組濾波器能夠?yàn)V除ECG信號(hào)中的呼吸基線漂移噪聲、工頻干擾噪聲和肌顫噪聲。

ECG；濾波器；預(yù)處理

1 引言

人體產(chǎn)生的心電圖信號(hào)來(lái)源于心臟的生物電活動(dòng)，心臟本身的生物電變化會(huì)通過(guò)心臟周圍的導(dǎo)電組織和體液反映到體表，使人體各部分產(chǎn)生與心動(dòng)周期同時(shí)的有規(guī)律的生物電活動(dòng)。心電圖測(cè)量裝置在人體體表所記錄下來(lái)的心臟生物電變化的曲線，就是目前臨床常規(guī)記錄的所謂心電圖（Electrocardiograph，ECG），正常心電圖信號(hào)基本波形如圖1所示。

圖1 正常心電圖信號(hào)基本波形

在實(shí)際應(yīng)用中，一般正常的ECG信號(hào)頻率范圍為0.05Hz-100Hz，其能量集中在低頻段，帶寬在0±19Hz至58±19Hz之間，其中99%的能量集中在0Hz-40Hz。在ECG信號(hào)的采集過(guò)程中，會(huì)受到各種噪聲的干擾，按來(lái)源主要可分為3類：①工頻干擾；②肌顫噪聲；③呼吸基線漂移。本文要求對(duì)目前國(guó)際上公認(rèn)的可作為標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)庫(kù)的美國(guó)麻省理工學(xué)院的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)中的樣本進(jìn)行濾波處理，去除上面介紹的心電圖信號(hào)的3種主要干擾。

具體的要求包括：

（1）設(shè)計(jì)兩組濾波器，每組分別包含以下3種濾波器。

①高通濾波器，濾除頻率范圍為0Hz-0.7Hz的呼吸基線漂移；

②帶阻濾波器，用于濾除頻率為60Hz的工頻干擾；

③低通濾波器，用于濾除頻率在100Hz以上的肌顫噪聲。

（2）分別對(duì)給出數(shù)據(jù)庫(kù)中的樣本進(jìn)行處理，對(duì)不同的方法進(jìn)行比較，如濾波器的階數(shù)、不同類型的濾波器對(duì)ECG信號(hào)的處理效果；并對(duì)兩組濾波器的處理速度進(jìn)行比較。

（3）從處理速度以及處理效果的角度分析所設(shè)計(jì)的濾波器能否滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

2 濾波器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)FIR濾波器

數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理的重要基礎(chǔ)。在對(duì)信號(hào)的過(guò)濾、檢測(cè)與參數(shù)的估計(jì)等處理中，數(shù)字濾波器是使用最廣泛的線性、時(shí)不變系統(tǒng)。

一個(gè)數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以表示為：

直接由式（1）可以得到表示輸入輸出關(guān)系的線性差分方程為：

當(dāng)濾波器系數(shù)ak不全為零且bk不全為零時(shí)，由于存在輸出到輸入的反饋，系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)h［n］為無(wú)限長(zhǎng)，稱這類濾波器為無(wú)限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)（Infinite Impulse Response，IIR）濾波器；當(dāng)濾波器系數(shù)ak全為零且bk不全為零時(shí)，系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)h［n］為有限長(zhǎng)，稱這類濾波器為有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）濾波器。

FIR濾波器總是穩(wěn)定的系統(tǒng)，且可以設(shè)計(jì)成線性相位。M階FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：

系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)h［k］是長(zhǎng)度為M+1的有限長(zhǎng)因果序列。當(dāng)滿足h［k］=±h［M-k］的對(duì)稱關(guān)系時(shí)，該FIR濾波器具有線性相位。FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法、頻率抽樣法、最佳一致逼近法。

可以使用Matlab提供的remez（）函數(shù)對(duì)ECG信號(hào)的3種主要類型的干擾進(jìn)行濾波。

2.2 設(shè)計(jì)IIR濾波器

IIR濾波器的設(shè)計(jì)方法是利用成熟的模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法有Butterworth濾波器、Chebshev（I型、II型）濾波器、橢圓濾波器。FIR濾波器是對(duì)給定的頻率特性直接設(shè)計(jì)。

IIR濾波器一般采用成熟的模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法，步驟如下：

（1）按一定的規(guī)則將給出的數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)。

（2）根據(jù)轉(zhuǎn)換后的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)模擬低通濾波器G（s）。

（3）再按一定的規(guī)則如沖激不變法，雙線性Z變換等將G（s）轉(zhuǎn)換成H（z）。假如所設(shè)計(jì)的濾波器是低通的，則數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。而所設(shè)計(jì)的是高通、帶通或帶阻濾波器，那么還需要步驟（4）。

（4）將高通、帶通或帶阻數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為低通模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)，然后從步驟（2）開(kāi)始設(shè)計(jì)低通G（s），再將G（s）轉(zhuǎn)換成為所需的H（z）。

可以使用Matlab提供的butter（）函數(shù)對(duì)ECG信號(hào)的3種主要類型的干擾進(jìn)行濾波。

3 濾波過(guò)程

本文采用的是標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)庫(kù)的美國(guó)麻省理工學(xué)院的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫(kù)中的104號(hào)樣本數(shù)據(jù)。原始心電信號(hào)如圖2所示。

圖2 混雜了干擾的原始心電信號(hào)

分別采用remez（）函數(shù)和butter（）函數(shù)設(shè)計(jì)了兩組濾波器，每組分別包含以下3種濾波器。

①高通濾波器，濾除頻率范圍為0Hz-0.7Hz的呼吸基線漂移；

②帶阻濾波器，用于濾除頻率為60Hz的工頻干擾；

③低通濾波器，用于濾除頻率在100Hz以上的肌顫噪聲。

濾波結(jié)果分別如圖（3）、圖（4）所示。

圖3 調(diào)用remez（）函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器

圖4 調(diào)用butter（）函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器

4 結(jié)果分析

由濾波結(jié)果圖3、圖4可以看出：

（1）高通濾波器，濾除頻率范圍為0Hz-0.7Hz的呼吸基線漂移；

兩組濾波方法都使濾波后的信號(hào)圖上移，糾正了基線漂移。調(diào)用butter（）函數(shù)濾波后的信號(hào)圖更加平滑，效果更明顯。

（2）帶阻濾波器，用于濾除頻率為60Hz的工頻干擾；

濾波后，信號(hào)的幅度有所下降，毛刺變少。

（3）低通濾波器，用于濾除頻率在100Hz以上的肌顫噪聲。

濾波后，信號(hào)的幅度有所下降，較大幅度地濾除了100Hz以上的肌顫噪聲。

（4）平均值濾波器，信號(hào)幅度下降，基本上濾除了心電信號(hào)的3種主要干擾，從整體上對(duì)信號(hào)做了平滑處理，毛刺較少。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)FIR濾波器和IIR濾波器設(shè)計(jì)的原理，分別對(duì)所給出的數(shù)據(jù)庫(kù)中的ECG信號(hào)樣本進(jìn)行預(yù)處理。調(diào)用remez（）函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器和調(diào)用butter（）函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器對(duì)ECG信號(hào)進(jìn)行濾波時(shí)，從濾波效果上看，調(diào)用butter（）函數(shù)得到的ECG信號(hào)更加平滑，濾波效果更好。從階數(shù)上看，調(diào)用remez（）函數(shù)設(shè)計(jì)的FIR濾波器比巴特沃思濾波器設(shè)計(jì)所采用的濾波器階數(shù)大。兩組濾波器在時(shí)域上比較濾波效果明顯，在頻域上比較濾波效果不明顯，因此，重點(diǎn)分析了時(shí)域?yàn)V波效果。

實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的兩組濾波器能夠?yàn)V除ECG信號(hào)采集過(guò)程中產(chǎn)生的呼吸基線漂移噪聲、工頻干擾噪聲和肌顫噪聲。

［1］任 燕，史亞貝.基于Gabor小波的人臉年齡識(shí)別［J］.新技術(shù)新工藝.2015，（08）.

［2］渠海榮.基于SPPs的濾波器的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表.2015，（12）.

［3］肖 倩.基于小波的自適應(yīng)濾波器對(duì)心電信號(hào)的去噪［J］.沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2015，（06）.

［4］李宏恩.心電信號(hào)檢測(cè)中濾除肌電干擾的方法［J］.電子科技.2014，（02）.

［5］賈君霞.基于MATLAB的FIR濾波器設(shè)計(jì)的探討［J］.自動(dòng)化與儀器儀表.2014，（12）.

［6］丁 銳，李國(guó)軍，王 青.心電信號(hào)基線漂移去除方法研究［J］.云南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2014，（05）.

［7］劉忠國(guó)，王金亮，劉伯強(qiáng).基于形態(tài)學(xué)濾波器的ECG信號(hào)預(yù)處理［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志.2011，（02）.

［8］王超文，呂揚(yáng)生，黃玉璽.用于ECG信號(hào)檢測(cè)與重建的雙正交樣條小波濾波器［J］.北京生物醫(yī)學(xué)工程.2001，（01）.

［9］程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001，228-388.

Preprocessing of ECG signals based on the filter

REN Yan，GUO Cang-ku
（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，China）

The preprocessing of the ECG signal samples from the database is presented by the FIR filter and the IIR filter.The relevant experiments are given.The experimental results show that the above two filters can effectively filter the noises of the ECG signals due to the respiratory-baseline drifting，the working power frequency interference and the muscle tremors.

ECG；filter；preprocessing

TM353；TM343

A

1005—7277（2016）03—0058—03

任 燕（1983-），女，河南南陽(yáng)人，助教，碩士，主要從事機(jī)器人技術(shù)、柔性制造等方面的研究。

2016-03-28