簡單整系數濾波器在實時心電信號處理中的應用探究

南京工業大學 徐超逸

本文以簡單整系數濾波器為研究視角，探索其在心電信號動態化實時處理程序中的應用方法，以提升心電信號處理效果。在研究期間，濾波器的運行環境為“極零點抵消”，在全通、低通、帶通三種濾波器整合的基礎上，形成了較高性能的濾波器，用于處理心電信號的干擾問題，具有較高的應用性能。

心電圖的信號頻譜變化范圍為0.05～100 Hz，電壓浮動能力較弱，浮動幅度以毫伏級為主。在心電圖信息采集期間，在人體電容、呼吸作用下，將會引起胸廓改變、肌肉運動；同時，電子元器件在客觀環境電磁影響下，形成干擾信號，有礙于心電圖信息判斷的準確性。

1 心電信號的處理需求

心電圖檢查在針對心率失常、心肌缺血的一些常見心臟疾病的診斷中，可以得到較為全面的應用。在其早期的處理過程中，醫生的一些傳統的人工方法已經無法順應當下的醫療事業發展，因此可以利用計算機的方式，對其信號進行相應的去除干擾。

1.1 處理動態心電信號

（1）心電信號處于動態變化時，對其產生干擾的噪聲類別主要包括：工頻、機電相關信號干擾、基線漂移等。

（2）在心電信號使用初期，采取電路優化設計、高性能元器件等進行干擾信號的處理。

（3）現階段，以數字濾波器為主，用于消除干擾信號，還原心電信號信息，為臨床判斷提供真實的心電信息。

1.2 心電信號處理方法

（1）判定QRS波：借助閾值對QRS波進行識別。閾值類目有：變化幅度、傾斜程度、時間差等。

（2）檢測QRS波：數字模型檢測法、神經網絡檢測法等。

（3）檢測R波方法：幅度測定、斜率測定等。

（4）提取心電圖關鍵信息：心電圖信息處理的關鍵在于信息提取，以保障臨床工作有序進行。時域提取法：各類波形所表現出的時間間隔、外觀形態有所差異。頻域提取法：采取頻率變換形式，提取頻域內信號變化特點。

使用濾波器進行心電信息處理，設計方法為簡單整數系，以期提升心電信息實時處理效果。

對于正常的心電圖信號波形而言，是一種P波、QRS波群與T波相結合的形式；同時，在一些情況下，在T波出現之后會形成一個小型的U波。因此，在心率市場數據庫中，對其信號進行噪聲心電波形，就需要進行相應的分析，進而可以明確二者之間的差異性。

2 基線漂移濾波器的應用

對于心電信號而言，就是一種在基線漂移處理的過程中，基于人體呼吸過程中胸廓的起伏變化所形成的心電電極的移動，一般情況下頻率都在1Hz的水平之下，這樣的情況就是低頻干擾。由于其基頻與心電圖當中的頻率比較相近，就會導致對其ST的段形有重大的影響。而在帶有基線漂移的ST段，可能會對醫生判斷病情產生一定的影響。因此，就需針對心電當中的基線漂移濾波進行去除，以此保障ST段的低頻成分不會出現較為嚴重的影響效果。另外，在其去除的過程中，需要保障使用的一些通帶以及組帶都可以使用較為合理的高通濾波器，以此避免在使用的濾波器上，對其ST段出現一定的變形以及失真的效果。另外，在去除基線偏移的過程中，要能夠讓其濾波器有高通效果，以此可以對心電信號當中的一些高通介質頻率實現針對性的去除。

3 工頻干擾濾波器的應用表現

3.1 工頻干擾信號的威脅

對心電信號形成干擾作用的信號主要是在工頻電磁場作用下，引起人體分布信號發生改變，改變的信號包括電容與電極導線，干擾作用的工頻一般為50Hz。工頻干擾信號，一般會融合在標準性心電信號中，對于判斷QRS波群、分析處理心電信號產生干擾作用，有礙于臨床工作中心電圖的分析。

3.2 應用方法

（1）工頻濾波器的函數表達式

對于工頻干擾問題，需要采取恰當方式予以規避。使用系數賦值整數的形式，完成濾波器配置，以達成工頻處理濾波器的程序設計目標，信號傳遞函數為式(1)：

由函數表達式(1)可知：p取值不受限制，HBS(z)表示工頻處理濾波器，為濾波器系數賦值時，以簡單整數為主。參考濾波器阻帶的設計規范，p取值為24，阻帶寬度取值范圍為48.8～51.2Hz。此濾波器對于高次諧波具有相同處理能力。

（2）濾波應用

濾波應用：選擇數據庫中113號病例的心電圖數據，作為初始心電圖，如圖1（a）所示；模擬工頻干擾，信號取50Hz，工頻干擾表現如圖1（b）所示；使用函數表達式（1）的處理方式，進行濾波消除，能夠獲取工頻干擾處理結果，濾波結果如圖1（c）所示。經實踐發現：工頻濾波器能夠有效消除模擬干擾信號。

圖1 工頻濾波器對113號病例心電圖的模擬濾波過程

在不同的諧波處理中，其工頻干擾的幅度ECG峰值在0-50%的程度上。在信號進行采集的過程中，受到人體動作的影響，使得與人體接觸的電阻出現變化，因此就導致基線出現不同程度的變化；因此，對于這種基線的變化而言，就形成了相應的運動軌跡。在采集電路當中，其發達器的溫漂、人的呼吸等，都會導致器官出現變化，就會使得對其心電圖信號的幅度造成直接的影響。

在實現設計的過程中，需要對濾波器進行科學合理的設計。例如，需要保障下限介質的頻率在選擇的過程中，可以很好的降到P波、T波能量之前；在上限的截止頻率的選擇上，還需要盡可能的削弱出現的工頻噪聲，因此在設計的過程中，就要使其過渡區域不能過于陡峭，保證控制器過渡區域的合理性。由于使用對象是長期的動態心電信號，其離散的數據序列比較長。因此，就需要在濾波器的使用上，保障單位沖擊的相應序列得到控制。同時，還要保障在計算的過程中，能夠控制采樣的頻率在250 Hz的程度內。

3.3 濾波器設計

（1）窗函數法

在進行設計的過程中，首先基于一般性的原理使得使用的低通、高通、帶

通以及帶阻濾波器的頻域，有著科學合理的響應效果。另一方面，需要確定其濾波器的實際函數，并基于加窗截斷的方式，進行針對性的處理與分析。另外，還需要保障能夠基于用戶指定的設計參數進行設計，滿足使用的需求。

在運行這種程序的過程中，往往需要對其窗函數法進行相應的合理化檢驗。在實踐中可以發現，這樣的窗幻術設計方式，可以很好的對其窗型、窗戶長度進行合理性的設計，以此保障其窗戶函數充分的滿足相應的實際阻帶需求。因此，這種窗函數方法可以直接進行濾波器的函數設計，是一種較為簡單的設計方式。

（2）頻率采樣法

相比較窗函數的方式，頻率采樣法是一種在時域當中對近似理想的脈沖響應進行分析。在使用這種方法時，需要保障其在有效的頻率當中進行相應近似理想頻率的響應分析。為了降低逼近誤差的效果，就需要盡可能的降低通帶邊緣位置的處理效果，以此對其理想濾波器當中的頻響進行相應的處理。另外，需要注意在使用濾波器的過程中，還要結合實際的使用環境以及設備的性能特征，這樣才能充分發揮極零點抵消的作用，提升濾波的去除效果。

結論：綜上，以“極零點抵消”為平臺構建的濾波器，在各類濾波單元整合下，能夠提升心電信號干擾問題的去除效果；同時，濾波器具有程序結構的簡易性，在程序運行期間，以整數系數為運算視角，提升了運算過程的簡便性，合理控制了計算量，保證了濾波處理能效。