心电图去基线漂移的数字滤波算法比较.pdf

1、第 8卷 第 8期 2008年 4月167121819 (2008) 822183204 科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringVol18 No18 Ap r. 2008Z 2008 Sci1 Tech1Engng1心 电 图 去 基 线 漂 移 的 数 字 滤 波 算 法 比 较王 琦(兰 州 理 工 大 学 电 气 工 程 与 信 息 工 程 学 院 ,兰 州 730050)摘 要 心 电 图 中 的 低 频 干 扰 是 影 响 心 电 图 识 别 的 一 个 重 要 因 素 。 介 绍 了 三 种 常 用 的 去 基 线 漂 移 的

2、 数 字 滤 波 算 法 ,并 对 滤波 后 的 ST段 失 真 情 况 进 行 讨 论 。关 键 词 ECG 基 线 漂 移 数 字 滤 波 ST段中 图 法 分 类 号 B540. 41; 文 献 标 志 码 A2008年 1月 2日 收 到第 一 作 者 简 介 :王 琦 (1979 ) ,女 ,讲 师 ,研 究 方 向 :信 号 检 测 与信 息 融 合 。 E2mail qiqi691 lut. cn Add。消 除 心 电 信 号 的 基 线 漂 移 ,是 心 电 信 号 处 理 中 的一 个 重 要 而 又 困 难 的 问 题 。 因 为 基 线 漂 移 严 重 时 ,往往 使

3、波 形 识 别 和 参 数 测 量 成 为 不 可 能 ,甚 至 无 法 记录 。 发 生 基 线 漂 移 的 原 因 有 电 极 电 阻 变 化 、 电 极 的 极化 电 位 变 化 、 心 电 放 大 器 的 直 流 偏 置 漂 移 、 人 体 呼 吸或 其 他 肌 肉 缓 慢 运 动 等 。 基 线 漂 移 的 频 率 很 低 ,其 范围 为 0. 05 Hz至 几 Hz,其 主 要 分 量 在 0. 1 Hz左 右 。而 心 电 信 号 的 ST段 频 率 也 很 低 ,其 最 大 值 约 为 0. 60. 7 Hz,两 者 的 频 谱 非 常 接 近 ,所 以 如 果 使 用 高 通

4、 滤波 的 方 法 消 除 基 线 漂 移 ,即 使 采 用 线 性 相 位 的 滤 波器 ,也 常 常 会 引 起 ST段 严 重 失 真 ,而 ST段 在 临 床 上有 重 要 价 值 1 。 因 此 ,对 基 线 漂 移 纠 正 方 法 的 研 究 ,在 心 电 信 号 处 理 中 有 着 重 要 意 义 。ECG信 号 中 去 除 基 线 漂 移 的 常 用 滤 除 方 法 是 ,首 先 对 信 号 的 基 线 进 行 估 计 或 提 取 ,然 后 通 过 减 法运 算 去 掉 信 号 中 的 漂 移 成 分 从 而 达 到 滤 波 目 的 。在 这 类 算 法 中 具 有 代 表 性

5、 的 有 中 值 滤 波 器 2, 3 、 零相 位 IIR滤 波 器 4 和 FFT滤 波 器 5 ,本 文 将 针 对 这三 种 数 字 滤 波 器 进 行 介 绍 ,并 讨 论 其 对 心 电 图 中 ST段 的 影 响 。1 中 值 滤 波 器中 值 滤 波 自 1970年 被 提 出 以 来 ,因 其 具 有 良 好的 边 缘 保 持 特 性 和 清 除 脉 冲 噪 声 的 能 力 ,广 泛 用 于数 字 图 像 处 理 。 中 值 滤 波 是 这 样 定 义 的 ,取 长 度 为L = 2M + 1 (M 为 正 整 数 )的 滤 波 窗 口 ,设 在 第 n时 刻输 入 信 号

6、序 列 在 窗 口 中 的 样 点 是 :x ( n - M ) , , x ( n) , , x ( n +M )此 时 的 输 出 定 义 为y ( n) =med x ( n - M ) , , x ( n) , , x ( n +M ) 。med 表 示 对 窗 口 内 所 有 数 从 小 到 大 排 序 后 取 中 值的 运 算 。 由 于 叠 加 定 理 不 再 成 立 ,故 中 值 滤 波 是 一种 非 线 性 滤 波 器 。 蔡 坤 2 等 将 中 值 算 法 改 进 ,改 变插 值 的 策 略 得 到 一 种 快 速 中 值 滤 波 算 法 ,并 成 功 应用 到 心 电 的

7、 滤 波 中 。 图 1说 明 了 中 值 滤 波 对 基 线 漂移 抑 制 作 用 的 效 果 ,其 中 ( a)为 一 阶 中 值 滤 波 , ( b)为 二 阶 中 值 滤 波 。2 零 相 位 IIR滤 波 器零 相 位 滤 波 的 基 本 思 路 是 :先 确 定 出 滤 波 器 的初 始 条 件 ,然 后 将 原 序 列 的 首 尾 进 行 扩 展 ,把 扩 展后 序 列 通 过 滤 波 器 ,将 所 得 结 果 反 转 后 再 次 通 过 滤波 器 ,最 后 将 所 得 结 果 再 反 转 ,并 去 掉 首 尾 的 扩 展部 分 ,即 可 得 到 零 相 位 滤 波 后 的 输

8、出 序 列 6 。 文 献 4 中 给 出 了 零 相 位 滤 波 器 在 去 除 心 电 信 号 中 工 频干 扰 中 的 应 用 ,得 到 了 很 好 的 结 果 。 图 2说 明 了 零相 位 滤 波 对 基 线 漂 移 抑 制 作 用 的 效 果 。3 FFT滤 波 器快 速 傅 立 叶 变 换 ( FFT)是 实 现 普 通 离 散 傅 立 叶变 换 的 一 种 快 速 算 法 。 它 是 DSP领 域 中 的 一 项 重大 突 破 ,考 虑 了 计 算 机 和 数 字 硬 件 实 现 的 约 束 条件 ,研 究 了 有 利 于 机 器 操 作 的 运 算 结 构 ,使 DFT的计

9、算 时 间 缩 短 了 1 2个 数 量 级 ,还 有 效 地 减 少 了 计算 所 需 的 存 储 容 量 7 。 FFT滤 波 器 工 作 原 理 :利 用FFT快 速 运 算 办 法 对 输 入 信 号 进 行 离 散 傅 立 叶 变换 ,分 析 其 频 谱 ,然 后 根 据 所 希 望 的 频 率 特 性 进 行滤 波 ,再 利 用 傅 立 叶 反 变 换 恢 复 出 时 域 信 号 5 。 图3给 出 了 采 用 FFT滤 波 器 去 除 基 线 漂 移 的 效 果 。4812 科 学 技 术 与 工 程 8卷图 3 FFT滤 波 器 对 基 线 漂 移 抑 制 作 用 的 效 果4

10、 三 种 数 字 滤 波 算 法 对 ST段 的 影 响为 了 研 究 上 述 三 种 数 字 滤 波 器 在 去 除 心 电 基 线漂 移 过 程 中 对 ST段 的 影 响 ,临 床 采 集 多 组 数 据 进 行实 验 ,以 R波 最 高 点 为 零 相 位 点 ,绘 制 滤 波 后 的 心 电的 相 位 -幅 值 p曲 线 。 心 电 采 集 模 块 带 宽 200 Hz,采 样 频 率 1 kHz,截 取 12 s的 V5数 据 进 行 分 析 。 相位 -幅 值 曲 线 如 图 4所 示 。从 图 1、 图 2和 图 3可 见 ,原 先 起 伏 很 大 的 波 形经 滤 波 后 都

11、 变 得 平 直 ,说 明 三 种 算 法 都 能 有 效 地 跟踪 基 线 漂 移 。从 图 4一 阶 中 值 滤 波 和 二 阶 中 值 滤 波 的 相 位 -幅 值 曲 线 中 可 以 看 到 ,滤 波 后 的 波 形 在 ST段 明 显 不同 ,采 用 一 阶 中 值 滤 波 后 ST段 发 生 下 斜 形 下 移 8 ,而 经 二 阶 中 值 滤 波 后 的 波 形 在 ST段 无 明 显 变 化 。此 外 两 个 波 形 的 J点 都 发 生 小 幅 度 下 移 。比 较 图 4中 二 阶 中 值 滤 波 和 零 相 位 IIR滤 波 后 的相 位 -幅 值 曲 线 ,零 相 位

12、IIR滤 波 后 的 波 形 基 线 下 移 ,但J点 仍 位 于 基 线 之 上 使 得 ST段 基 本 无 变 化 , TP段 上 凸 。比 较 图 4中 零 相 位 IIR滤 波 和 FFT滤 波 后 的 相 位-幅 值 曲 线 ,二 者 都 产 生 基 线 的 下 移 和 TP段 上 凸 现象 ,但 FFT滤 波 后 的 ST段 位 于 基 线 之 上 出 现 抬 高 8 。图 4 相 位 幅 值 曲 线58128期 王 琦 :心 电 图 去 基 线 漂 移 的 数 字 滤 波 算 法 比 较 5 结 论(1)三 种 数 字 滤 波 算 法 都 能 够 有 效 地 去 除 心 电信 号

13、 中 的 基 线 漂 移 ;(2)零 相 位 IIR滤 波 后 的 心 电 信 号 ,其 ST段 失真 最 小 ,但 整 体 信 号 的 基 线 在 原 基 线 水 平 之 下 ,在可 以 忽 略 基 线 水 平 的 前 提 下 ,这 种 滤 波 算 法 对 ST段 的 影 响 最 小 。参 考 文 献1 季 忠 ,秦 树 人 . 微 弱 生 物 医 学 信 号 特 征 提 取 的 原 理 与 实 现 . 北京 :科 学 出 版 社 , 20072 蔡 坤 ,陆 尧 胜 . 基 于 中 值 滤 波 的 心 电 基 线 校 正 方 法 的 研 究 . 医疗 设 备 信 息 , 2004; (2)

14、 : 5 73 张 勇 ,张 萍 ,王 介 生 . 心 电 图 中 滤 除 基 线 漂 移 的 研 究 . 计 算 机与 应 用 化 学 , 2007; (4) : 465 4684 朱 洪 俊 . 心 电 信 号 零 相 位 数 字 滤 波 . 北 京 生 物 医 学 工 程 , 2003;(4) : 260 2625 张 帷 ,张 石 ,鲍 喜 荣 ,等 . 心 电 信 号 预 处 理 与 心 电 信 号 分 析 .现 代 临 床 医 学 生 物 工 程 学 杂 志 , 2005; (04) : 264 2676 纪 跃 波 ,秦 树 人 ,汤 宝 平 . 零 相 位 数 字 滤 波 器

15、. 重 庆 大 学 学 报 ,2000; (6) : 4 77 薛 年 喜 . MATLAB在 数 字 信 号 处 理 中 的 应 用 . 北 京 :清 华 大 学 出版 社 , 20038 陆 恩 祥 ,陆 明 . 心 电 图 口 袋 书 . 沈 阳 :辽 宁 科 学 技 术 出 版 社 , 2007Research of Rem ov ing Ba seline a W ander for ECGWANG Q i(College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou Univ. of Tech. , Lanzhou 73005

16、0, P. R. China) Abstract Baseline wander is one of the important factors that affect the detective of electrocardiograph. Threekinds of digital filter are described in detail. The aberration of ST segment induced by filter is also involved in. Key words ECG baseline wander digital filter sT segment(

17、上 接 第 2175页 )C lin ica l Study on F ive steps ch ir ism us for Trea tm en t of Vertebra lArtery Type of Cerv ica l SpondylosisHUANG Zhen2Jun, CHEN J ian2xin1 , L I Yan, L IU Guang2lin( The Second Affiliated hosp ital of PLA Central Hosp ital, Beijing 100091, P1R1China; No. 457 Hosp ital, PLA,W uhan

18、430012, P. R. China) Abstract To exp lore clinical therapeutic effect and safety of five step s chirismus for treatment of vertebral arterytype of cervical spondylosis. 90 cases of cervical spondylosis patients were random ly divided into manipulation group( group A) and draught group ( group B ) ,

19、each group has 45 cases. Then estimate the two group s therapeuticeffect. After treatment, the cure rate and total effective levels in group A were 68. 7% and 96. 8% ; 31. 3% and92. 3% in group B , the curative effect of A group were better than group B ( P 0105)。 The manipulation groupcould imp rove or dism iss the clinical symp tom of vertebral artery type of cervical spondylosis, which had better func2tion to vertebral artery type of cervical spondylosis. Key words five step s chirismus clinical research vertebral artery type of cervical spondylosis TCMmed6812 科 学 技 术 与 工 程 8卷