ECG信号预处理的综合实现方法

研 究论著 一 ECG信号预处理的综合实现方法 唐雅青 王志中 (上海交通大学生物医学工程系 上海市 200240) ：1 ：I4 ， ：{一：■：{j二I．】： 摘要 体 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 电极检测到的ECG信号常含有不同类型的干扰，因此，检测分析前要进行预处理。文中采用数字滤波处理， 在前人工作基础上进行了归纳，全面详细地阐述了对心电信号进行带通滤波、微分、平方非线性放大、移动窗积分等一 系列预处理措施；用matlab验证来自MIT—BIH数据库的心电信号的处理效果。由结果可知．用文中方法消噪的同时又有 效地恢复和放大了波形特征信息，优化了心电波形，为后继检测和分析提供了更加可靠的依据。由于其简单易行 ，为临 床 实现提供 了重要 的现 实依据 关键词 心电信号：预处理 ：数 字滤 波：非线性 中图分类号：R318．3 文献标识码：A 文章编号：1003—8868(2006)11-0001—02 Integrated denoising steps for electrocardiogram signal TANG Ya—qing．WANG Zhi—zhong (Department of Biomedical Engineering。Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China) Abstract The ratio of signal—noise of the ECG felectrocardiogram1 signal is low．In order to eliminate the noise in ECG。 improve the performance of ECG monitors and the diagnosis efficiency of computer—aided system，various kinds of noise rejection methods have been proposed．Generally．maybe all of them are useful to the denoising in some certain，but not fu11． In tl1is thesis，a series of denoising steps are introduced．As a result．a relatively original ECG wavefo册 is detected、 Keywords ECG；pretreatment；digital filter；nonlinear 心电图(electrocardiogram，ECG)的检测和分析 ，是临床了 解心功能、辅助诊断心血管疾病和评估其它治疗效果的再要 手段。由体表电极检测到的ECG信号具有较强的随机性和背 景噪声．频带宽O．O1—100Hz。其含有多种不同类型的干扰 ．主 要有工频十扰(50Hz)、基线漂移(O 7Hz以下)、肌电干扰。为了 能准确检测和分析心电信号，诊断分析前要进行必要的减噪 预处理。关于对 l=．、电信号进行数字滤波预处理方面已经有不 少研究论著，但是对如何进行预处理却大都没有很详尽的步 骤推理分析。本文参考了多种数字滤波方法和过程，在总结 、 改进的基础上提出了这套完整的心电预处理措施，方法简单 ， 运算量小，消噪效果明显。 1 ECG信号的减 噪预 处理 1．1 高低通滤波器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 【1竭 ECG的2个最重要干扰源是50Hz及其倍 频附近的工频 干扰和0．7Hz以下的基线漂移。为此我们考虑通过岛通和低 通滤波去除这2大主要干扰 ，信号取 自MIT—BIH,~电信号数 据库。 首先 ，使用简单整系数滤波器131(0．8～18Hz)减小基线漂 移。建立在零极点抵消基础上的简单整系数滤波器，系统传递 雨数为 ： G(z)= 1--Z-m 该滤波器是递归的，有低通特性。整数m可根据需要的截 止频率调整。此类滤波器优点是线性相位特性，如图1所示，因 作者简介：唐雅青，硕_f：，主要从事心电信号检测处理方面的研究；王忠 中，博士生导师，主要从事自动控制、信号处理、远程医疗等方面研究。奉课 题由国家973 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (2oo5CB724303)资助 其零极点均分布在z平面的 位圆上。这就使信号中所有的频 率成分在滤波时都发生了同样的延迟，使得在输出信号中波 峰或者其它特性的相对时间不会发生改变。而缺点是幅度相 应不太好 。从 图1(4)中可以看 出 第一个旁瓣的值 占主瓣 21％ 可通过二阶或者更高阶的零极点来减小旁瓣的相对值。 如对于16个二阶的零点，加上一个 =阶极点z=(1，0)，传递函 数变为 ： ≥ 滤波器的递归公式为： y 2y．卜ry +x 2x．卜l6+x 第一个旁瓣现在占土瓣的4．5％，相对值大大降低 ，如图1 (5)中所示。 (5) 图1 ECG信号减噪预处理 (11 z平面零点分布 (2) 对应at[1的幅频 响应 (31．添加极点z=(1，0)(4)低通滤 波特惟 f51二阶零极点降低旁瓣的值 医疗卫生装备-2006年第27卷第 11期 Chinese Medical Equipment Journal 2006 Vo1 27 No 1 1 维普资讯 http://www.cqvip.com 一 研究论著 即低通滤波器的传递雨数通式是： H I--Z-NI。 y(n)=-y(n一2)+2yfn一』)+xffJ一2N)一2x(r】一Ⅳ)+x(n 其幅频特性如图2所示(对于N=8)。 之0o ＼ ’ _400 、 6oo 、 ＼ 一 80G ： 、 000 ：＼ ： ＼ 2fM ： ’ 频率(Hz) 图2 低通滤波器的幅频特性和相位特性 低通滤波通过上述方法实现。高通滤波器的思想就是 在截止频率和其它参数设计呱配的状态下 ．在原始心电信 号即具有相同传输延迟和增益的全通网络中减去这个低通 滤波得到。高通滤波器是传统的消除直流和信号基线漂移 的方法，我们主要用它来消除由呼吸引起的O．7Hz左右基线 漂移频率。 1．2 微分运算[51 微分运算主要是为丁得到信号波形的斜率特性 传递函数： H(z)=(1／8T)-Z-2-2z。。。+2 zl+ ) 幅度相应 为： I H(oaT)l=(1／4T)[sinf2(EJ7)+2sin TW 差分方程 ： y(n =fJ r_x 一2x(nT- +2x T)+x J 1．3 平方运算 使所有数据为正，对于微分后的信号起到非线性放大的 作用 ，突出高频部分。 y(111)=【x(nT)} 1．4 移动窗积分 yffJ )：f )rx(fJT f』v—j) )+xffJT fⅣ一2)T)+⋯+xfnT)J N是窗宽。该运算的目的主要是用来获取波形特征信息。 其中，窗宽』v的数目是关键。通常情况下，窗宽应该大致与QRS 的波宽(60~100ms)一致。如果窗太宽，会将QRS与T波 一起求 积分 ，ECG信 号失真；如果窗宽太窄，QRS波群就会住积分后的 波形 产生多个波峰。这样会增大检测的难度。窗宽根据信号 的采样频率调节．经多次实验比较。我们选取95ms的窗宽，对 应的N=int(95x采样频率／1 000)。 2 实验结果和讨论 △ 斗 舡 一 一 几 ．=．．， 一十⋯t 月 一十一 t⋯一 一十一 l l i i l l l (2) (4) 一 一 ⋯ ： 一 ⋯ 一 一 一 5 (6) 叶叶呻十t什 ㈣ (9) 图3 恢复后的信号效果图 (1)原始信号；(2)带通滤波(0 8一I8IIz)后的信号；(3)微分 后的信号；(4)平方后的信号；(5)求移动窗积分后的信号； (6)对秘分信号求微分的信号；(7)冉次低通滤波后(12Hz)的 信 号；(8)再次滤波后的微分信号；(9)原始信号的微分信号 续波形检测和特征点分析提供 r更可靠的依据 也必将提高 心电诊断的精确度，具有很人的临床』 用潜力。另外，文中所 述方法可推广应用于其它生理信 号的前期处理。如：肌电信 号、视觉信号等。 参考文献 1 薛年喜．MATLAB在数宁信号处理巾的应用．北京：清华大学}f|版 社．2003 来 自MIT—BIH的原始心电信号经过每一步预处理．以及 2 后继将其恢复得到的信号效果罔依次如罔3所示 本文对ECG信号进行的减噪预处理，步骤系统简明、方法 3 简便易操作。比较罔3(8)和图3(9)的处理信号效果波形，3(8) 图是经过本文一系列措施预处理和恢复后的心电信号图，3 (9)图是以符直接用微分处理希望突m波形特征以便检测的 4 简易预处理方法，可以明显地发现经过本文所介绍方法颅处 5 理的心电波形，在保证波形形态不失真的基础上，减噪效果明 显 ；并且较之原始信号图3(1)，突出了特征波形的信息，为后 ，) 医疗卫生装备·2006年第27卷第 11期 厶 ChineseMedlcaI EquipmentJournal·2006 ．27No．11 半刚，刘巍．抑制T频下扰及基线漂移的快速算法、中国生物医学丁 程学报，2000，19(1)：99 103 P．A．Lynn．Online digital filters for biology signals"some fast designs for a small computer． Medical & Biomedical Engineering ＆ Computing，1977，15：534~540 庄天戈．计算机任生物医学巾的应用．北京：科学Hi版社，2000 Pan J，Tompkins W．J．A real—time QaS detection algorithm．IEEE BME．1985．32(3)：230—236 (2006—07—06 收稿 2006—10—16 修I ) 维普资讯 http://www.cqvip.com