基于EMD去除心電信號基線漂移的探討

陸世鵬

【摘 要】對處于運動狀態(tài)時的運動員進行實時心電監(jiān)測，可以讓教練及時了解運動員的心臟情況，以便隨時調(diào)整運動員訓(xùn)練的量和度。但運動心電的最大特點就是噪聲污染非常嚴重，一旦去噪效果不好，后面的醫(yī)學(xué)研究就沒法進行。傳統(tǒng)的心電去噪方法效果不佳，而本文設(shè)計的基于EMD去除心電信號基線漂移，對運動心電基線漂移的去除效果明顯優(yōu)于其他傳統(tǒng)方法。

【關(guān)鍵詞】EMD；MATLAB；基線漂移

文章編號：ISSN1006—656X（2013）12-0094-01

一、概述

心臟病是一種經(jīng)常發(fā)生的慢性病，它有以下特點：發(fā)展比較緩慢、病情也非常的隱蔽、同時發(fā)病時危險性非常高，是一種能嚴重威脅到人類生命的疾病。因此，對處于運動狀態(tài)時的運動員進行實時心電監(jiān)測，可以讓教練及時了解運動員的心臟情況，以便隨時調(diào)整運動員訓(xùn)練的量和度，可以很大程度上減少和防止運動員受傷的幾率。但運動心電的最大特點就是噪聲污染非常嚴重，一旦去噪效果不好，后面的醫(yī)學(xué)研究就沒法進行。傳統(tǒng)的心電去噪方法，特別是對心電信號基線漂移的去除效果不佳?；€漂移一般是由人在呼吸時會引起電極的移動而產(chǎn)生，運動狀態(tài)中的運動員胸腔擴張變化大，胸腔內(nèi)器官和組織會發(fā)生比正常狀態(tài)下更大的變化，這會引起更嚴重的漂移。基線漂移其頻率一般低于5Hz，但能量主要集中在0.7HZ以內(nèi)。去除基線漂移的方法很多，但基于EMD的趨勢線去除法是效果比較好方法之一。

二、EMD去噪原理

EMD方法是上世紀90年代末提出的一種信號處理新方法。與其他信號處理方法不同，EMD分解的基函數(shù)不是事先選定的而是取自于被分析信號本身，是一種自適應(yīng)的的方法。自適應(yīng)的基函數(shù)反映了信號的內(nèi)在特征，它的結(jié)果具有高效，實際的物理意義。所以說EMD分解是一種直觀的而且自適應(yīng)的信號處理方法，既能用于分析平穩(wěn)又適合于分析非平穩(wěn)信號。

EMD分解的目的很明確：把非平穩(wěn)信號分解為一系列表征信號特征時間尺度的固有模態(tài)函數(shù)（IMF），使得每個IMF分量為窄帶平穩(wěn)信號。

IMF分量必須滿足以下條件：

1、整個信號數(shù)據(jù)段內(nèi)，極值點的個數(shù)和零交叉點的個數(shù)必須相等或最多相差不能超過一個。

2、在任何時間點上，由局部極大值點形成的包絡(luò)線和由局部極小值點形成的包絡(luò)線的平均值為零。

EMD具體分解過程如下：

假設(shè)信號為x（t），令信號x（t）的上下包絡(luò)線分別為u（t）和 ，令上下包絡(luò)線的平均曲線為m（t）：

用x（t）減去m（t）后剩余部分：

一般情況下包絡(luò)線樣條會發(fā)生過沖和欠沖作用，這會產(chǎn)生新的極值并影響原來極值的位置與大小，因此，分解得到的并不能完全滿足IMF條件。用代替x（t）并求出它的上下包絡(luò)線和，重復(fù)以上過程：

直到所得的滿足IMF條件。此時分解得到第一個IMF， 和信號剩余部分，即：

對信號的剩余部分繼續(xù)進行EMD分解，直到所得到的剩余部分為單一信號或者其值小于設(shè)定值時分解才算完成。最終得到所有的IMF及殘余量：

而原始x（t）是所有IMF及殘余量之和：

三、基于EMD去除心電信號基線漂移方法

EMD的分解過程其實是相當于使用窄帶濾波器對信號進行自適應(yīng)濾波。而各個模態(tài)分量的頻率隨著分解階數(shù)的增大而降低，而趨勢項是頻率最低的成分。這個趨勢項就對應(yīng)于心電信號中的基線漂移。因此用EMD去除心電信號中的基線漂移比較簡單：

1、對運動心電信號進行EMD分解。

2、去除趨勢項，即殘余量，再還原信號即可。

本文使用麻省理工大學(xué)的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫中的心電數(shù)據(jù)作為仿真對象。截取MIT-BIH標準心電數(shù)據(jù)庫中采樣頻率為360Hz的103號記錄的一段噪聲比較少的心電數(shù)據(jù)進行研究，取信號長度N=1024。為了評價去噪效果，本文在該段心電信號上疊加了頻率為0.2+0.7+0.9Hz和0.3+0.5+0.8HZ兩組正弦信號來模擬基線漂移。仿真結(jié)果如下所示：

（a）添加了基線漂移的心電信號

（b）去除基線漂移后心電信號

EMD基線漂移去除效果圖

基線漂移去除評價表

從EMD基線漂移去除效果圖及基線漂移去除評價表可以看到，EMD基線漂移去除法雖然方法簡單，但圖中心電信號中存在的基線漂移等到了較好的去除，很好的解決了傳統(tǒng)方法較難去除基線漂移的問題。

參考文獻：

[1]張旭. 生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)[M].電子工業(yè)出版社，2008.8：15-16；

[2]劉海龍.生物醫(yī)學(xué)信號處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3]陸英北，張增芳，蔡坤寶.基于小波變換的心電信號基線校正方法.北京生物醫(yī)學(xué)工程.2000，19徑：）235-239