基于濾波器的ECG信號預處理

任 燕，郭倉庫

（河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南南陽473009）

基于濾波器的ECG信號預處理

任 燕，郭倉庫

（河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南南陽473009）

根據(jù)FIR濾波器和IIR濾波器的設計原理，分別對所給數(shù)據(jù)庫中的樣本進行處理。實驗表明所設計的兩組濾波器能夠濾除ECG信號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；預處理

1 引言

人體產生的心電圖信號來源于心臟的生物電活動，心臟本身的生物電變化會通過心臟周圍的導電組織和體液反映到體表，使人體各部分產生與心動周期同時的有規(guī)律的生物電活動。心電圖測量裝置在人體體表所記錄下來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），正常心電圖信號基本波形如圖1所示。

圖1 正常心電圖信號基本波形

在實際應用中，一般正常的ECG信號頻率范圍為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信號的采集過程中，會受到各種噪聲的干擾，按來源主要可分為3類：①工頻干擾；②肌顫噪聲；③呼吸基線漂移。本文要求對目前國際上公認的可作為標準心電數(shù)據(jù)庫的美國麻省理工學院的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫中的樣本進行濾波處理，去除上面介紹的心電圖信號的3種主要干擾。

具體的要求包括：

（1）設計兩組濾波器，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）分別對給出數(shù)據(jù)庫中的樣本進行處理，對不同的方法進行比較，如濾波器的階數(shù)、不同類型的濾波器對ECG信號的處理效果；并對兩組濾波器的處理速度進行比較。

（3）從處理速度以及處理效果的角度分析所設計的濾波器能否滿足實際應用的需要。

2 濾波器設計

2.1 設計FIR濾波器

數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理的重要基礎。在對信號的過濾、檢測與參數(shù)的估計等處理中，數(shù)字濾波器是使用最廣泛的線性、時不變系統(tǒng)。

一個數(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系的線性差分方程為：

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

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

系統(tǒng)的單位脈沖響應h［k］是長度為M+1的有限長因果序列。當滿足h［k］=±h［M-k］的對稱關系時，該FIR濾波器具有線性相位。FIR數(shù)字濾波器設計方法主要有窗函數(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ECG信號的3種主要類型的干擾進行濾波。

2.2 設計IIR濾波器

IIR濾波器的設計方法是利用成熟的模擬濾波器的設計方法來進行設計，模擬濾波器的設計方法有Butterworth濾波器、Chebshev（I型、II型）濾波器、橢圓濾波器。FIR濾波器是對給定的頻率特性直接設計。

IIR濾波器一般采用成熟的模擬濾波器的設計方法，步驟如下：

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

（2）根據(jù)轉換后的技術指標設計模擬低通濾波器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）轉換成H（z）。假如所設計的濾波器是低通的，則數(shù)字濾波器的設計已經(jīng)完成。而所設計的是高通、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)字濾波器的技術指標轉換為低通模擬濾波器的技術指標，然后從步驟（2）開始設計低通G（s），再將G（s）轉換成為所需的H（z）。

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

3 濾波過程

本文采用的是標準心電數(shù)據(jù)庫的美國麻省理工學院的MIT-BIH數(shù)據(jù)庫中的104號樣本數(shù)據(jù)。原始心電信號如圖2所示。

圖2 混雜了干擾的原始心電信號

分別采用remez（）函數(shù)和butter（）函數(shù)設計了兩組濾波器，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。

濾波結果分別如圖（3）、圖（4）所示。

圖3 調用remez（）函數(shù)設計濾波器

圖4 調用butter（）函數(shù)設計濾波器

4 結果分析

由濾波結果圖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圖上移，糾正了基線漂移。調用butter（）函數(shù)濾波后的信號圖更加平滑，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，信號幅度下降，基本上濾除了心電信號的3種主要干擾，從整體上對信號做了平滑處理，毛刺較少。

5 結束語

本文根據(jù)FIR濾波器和IIR濾波器設計的原理，分別對所給出的數(shù)據(jù)庫中的ECG信號樣本進行預處理。調用remez（）函數(shù)設計的濾波器和調用butter（）函數(shù)設計濾波器對ECG信號進行濾波時，從濾波效果上看，調用butter（）函數(shù)得到的ECG信號更加平滑，濾波效果更好。從階數(shù)上看，調用remez（）函數(shù)設計的FIR濾波器比巴特沃思濾波器設計所采用的濾波器階數(shù)大。兩組濾波器在時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，重點分析了時域濾波效果。

實驗表明，本文設計的兩組濾波器能夠濾除ECG信號采集過程中產生的呼吸基線漂移噪聲、工頻干擾噪聲和肌顫噪聲。

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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，河南南陽人，助教，碩士，主要從事機器人技術、柔性制造等方面的研究。

2016-03-28