基于Matlab的心電信號工頻干擾消除

龔治喬 戴虹 劉富甲 吳琦 薛蓮 李德柯

摘 要：人體心電信號常受到電源引起的工頻噪聲干擾，基于Matlab軟件編程，實現了海寧濾波器及FIR帶阻濾波器的心電工頻噪聲消除，并比較了這兩種算法的優缺點。

關鍵詞：Matlab；心電信號；工頻干擾

0 引言

數字信號處理技術在生物醫學工程領域的應用十分廣泛。用于診斷心臟病的主要技術之一是心電圖（Electrocadiogram，簡稱ECG），心電圖機通過測量在體表的電位來推測心臟的缺陷。利用數字信號處理技術可對心電信號自動進行濾波、分析和識別的工作，以輔助醫生進行疾病診斷并減輕工作強度。人體心電信號常常受到電源引起的工頻干擾（頻率為50Hz或60Hz），其時域及頻域波形如圖1所示，對心電圖診斷產生嚴重影響，須對其頻率進行估計從而將其消除。

1.課題研究的目標

本課題來源于大學生創新項目，研究目標是：基于Matlab軟件編程，采用海寧濾波器與FIR帶阻濾波器對心電信號中的工頻干擾進行估計與消除，總結這兩種算法的優缺點，進行實驗結果分析。Matlab是美國MathWorks公司出品的數學軟件，其編程簡單且功能強大，在各種工程領域中得以廣泛應用，故采用Matlab作為本課題的編程語言。

2.心電工頻干擾消除算法

本課題的心電數據來自美國威斯康星大學UW DigiScope軟件所產生的仿真心電信號（圖2（a）），文件名為：ECG_X1.txt。首先讀取該心電信號，并疊加工頻干擾噪聲，適當設置其幅度A與初相位；顯示含有工頻噪聲的心電波形（設取樣頻率fs=150Hz，取樣點數N=512），見圖2（b）。

2.1海寧濾波器消除工頻干擾

（1）海寧濾波器

由于工頻干擾在心電圖中是高頻噪聲，故可通過平滑濾波器進行低通濾波消噪。海寧濾波器是一個簡單的FIR型平滑濾波器，其系統函數為：

（1）

利用海寧濾波器對含有工頻的心電信號ECGY.txt進行低通濾波消噪，畫出海寧濾波器的幅頻特性、零極點分布圖及消噪后的心電波形，如圖3所示，可見已消除部分工頻噪聲，還可設計3級海寧濾波器進一步改善濾波效果。

2.2窗函數法設計FIR帶阻濾波器消除工頻干擾

由于海寧濾波器階數較低，過渡帶較寬，雖然消除了工頻噪聲，但也抑制了過渡帶中的有用頻率成分，從而導致了心電信號的衰減，采用窗函數法設計了一個FIR帶阻濾波器，設置適當的濾波參數以消除工頻干擾，該濾波器的單位脈沖響應、幅頻特性及消噪后的心電波形及其幅頻譜如圖4所示，從圖中所見，在消除工頻干擾同時盡量保留了心電信號中的有用頻率成分。

3.結語

針對心電信號中的工頻干擾，采用Matlab編程實現了海寧濾波器及FIR帶阻濾波器的心電工頻噪聲消除，并比較了這兩種算法的優缺點，本課題的施行效果是：能激發學生的學習興趣，提高實踐能力，為培養創新人才打下扎實基礎。

參考文獻：

[1] Willis J.Tompkins著，林家瑞譯.《生物醫學數字信號處理》.華中科技大學出版社[M].2001年11月

[2]吳水才著.《醫學信號處理及應用》.北京工業大學出版社[M].2014.8

[3]戴虹.項目化教學在《數字信號處理》課程中的應用.福建電腦[J].2016年第11期

作者簡介：

通訊作者：戴虹（1977-）女，漢族，上海市人，副教授，碩士，主要研究方向為：信號與信息處理。

龔治喬，上海第二工業大學 16通信A1班學生

劉富甲，上海第二工業大學 17電信A1班學生

薛蓮，上海第二工業大學 16通信A1班學生

李德柯，上海第二工業大學 17電信A1班學生

基金項目：

（1）上海市大學生創新項目：基于Arduino與人工智能算法的心電疾病識別系統設計

項目編號：201912044010

（2）上海第二工業大學校大學生創新項目：基于直方圖優化算法的圖像去霧增強系統設計 項目編號： 2019-xjkj-009