1、分类号：U D C：密级：编号：心电信号的预处理和分析THE PREPRoCESS AND ANALYZE 0F ECG学位授予单位及代码：鸶壹堡王盔一堂一盟Q里旦鱼L学科专业名称及代码t 测这盐量撞苤厘健墨(Q8盟Q21申请学位级别：盈摘 要心脏病是威胁人类健康的最严重的疾病之一，我国人口的心脏病发病率很高而且呈逐年递增的趋势，所以心脏病的防治和诊断已成为当今医学界面临的主要问题。心血管疾病是最主要疾病之一，而心电信号(electrocardiogram，ECG)是诊断心血管疾病的重要依据。因此，关于心电信号的处理和分析的研究显得越来越重要了。随着计算机技术的进步，所采用的方法也在不断的改进
2、中。本文主要是对心电信号的预处理和分析，采用的心电信号均来自国际上公认的MIT-BIH数据库。前三章主要介绍了心电信号的研究意义、心电图中的各个波形和心电信号的产生以及受到的三种主要干扰(工频干扰、肌电干扰和基线漂移)。随着计算机技术的进步，数字滤波技术由于其实现的灵活性越来越多的应用于心电信号的处理中。第四章介绍了采用现代数字信号处理中的数字滤波技术对心电信号进行预处理，通过陷波滤波器、整系数滤波器、巴特沃斯滤波器和高通滤波器的设计，很好的消除了心电信号中主要的干扰。第五章介绍了一种以小波变换实现心电信号滤波处理的方法。该方法采用小波变换将原始心电信号分解为不同频段下的细节信号。根据心电信号
3、特征，主要是按照频率的不同，用阈值滤波方法对原始信号进行处理，再用小波逆变换恢复信号，就能实现心电信号中主要干扰的消除，采用小波进行心电信号的滤波处理方法能够滤波全面，特别是对低频基线漂移也具有较好的滤波效果，这是采用别的方法所不容易实现的。另外，采用小波滤波的方法适应性较强，采用阈值的方法可以克服传统的滤波处理中所无法解决的信号噪声频带重叠问题。第六章是对近几年QRS波识别方法的回顾和验证，通过对其处理效果的比较，本设计采用差分阈值法对QRS波进行识别，达到了很高的准确率。关键词：心电信号滤波小波分析QRS波ABSTRACTHeart disease is the most serious
4、threat to human health，in China，theincidence of hean disease is high and has increased year by ye鸡so theprevention and diagnosis of heart disease has become the main problemfacing the medicaI professionCardiovascular disease is one of the mostserious diseases and ECG(electrocardiogram，ECG)is an impo
5、rtant basis forthe diagnosis of cardiovascular diseasesTherefore，the processing andanalysis of ECG studies are becoming increasinely importantWith theadvancement of computer technology,the methods used are constantlylmprovmgTllis paper is mainly about preprocess and analyze of ECG，all ECG is from th
6、einternational community recognized the MIT-BIH dalabaseThe tint three chaptershas introduced the significance of studying ECG、the ECG waveform and the vari0USECG and by the emergence of three major interference(50 Hz frequency interference，EMG interference and baseline drimWith the advancement of c
7、omputer technology,digital filtering techniques amore and more used in the process ofECG because ofitsflexibility to realizeThe fourth chapter describes the using of modern digital signal ofthe digital filter technology to process ECG，such as notch filter、the integral coefficientsfilter，Butterworth
8、high-pass filter，can eliminated the three major interference wellThefifth chapter is mainly introducing the realization of wavelet transform to filter theECG，the wavelet transforms decomposition the raw ECG sigrlal into the difierentfrequency bandsAccording to ECGs different frequencies，filtering th
9、e original signalolldifferentthresholdandthenmakethehiversewavelettransfmmofECG，wewillbcable to achieve the elimination of major interference ECGThe wavelet transform is acomprehensive approach to filtering the ECG，especially for baseline drill inlow-frequency，this is not easy to achieve using other
10、 methodsIn addition,wavelettransform has high adaptabilityThreshold method other than traditional filter can solvethe problem of overlapping of noise and signalsfrequencyThe sixth ch印tcr isreviewing and verifying the recogniOon ofQRS wave in recent yearby the comparison，I uthe differential threshold
11、 method to recognize the QRS waveachieve a high rate ofaccuracyKey words：ECG fdtering wavelet transform QRS wave长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，(心电信号的预处理和分析是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担作者签名：堕茎壅堡!年王月望日长春理
12、工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：垦茎垒堡 !望年立月旦日指导导师签名： 年-王月望日第一章绪 论11心电信号研究的意义近年来心脏病仍是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首位。据统计全世界死亡人数中，约有三分之一死于该疾病。心血管疾病是最主要疾病之一，在我国因心血管疾病而导致死
13、亡的约占到死亡人数的40，可见心脏病已成为危害我们人类健康的最为常见的疾病。因此如何更加准确而有效地对心脏系统疾病进行防治和诊断是当今医学界面临的首要问题。生物医学信号处理是生物医学工程学的一个重要研究领域【lJ，也是近年来迅速发展的数字信号处理技术的一个重要的应用方面，正是由于数字信号处理技术和生物医学工程的紧密结合，才使得我们在生物医学信号特征的检测、提取及l临床应用上有了新的手段，也帮助我们加深了对人体自身的认识。生物医学信号的主要特点：(1)信号弱(2)噪声强(3)频率范围一般较低(4)随机性强心电信号是人类最早研究并应用于临床与医学的生物电信号之一，心电信号比其它生物电信号更易于检测
14、，并且具有较直观的规律性。自1903年心电图引入医学临床以来，无论是在生物医学方面，还是在工程学方面，心电信号的记录、处理与诊断技术均得到飞速发展，并积累了相当丰富的资料。心电图在心脏疾病的临床诊断中具有重要价值，能为心脏疾病的正确分析、诊断、治疗和监护提供客观指标。它不但广泛应用于心血管疾病的常规检查，而且还应用于对运动员、航空航天飞行人员等特殊专业人员的身体素质检查和临床医学研究上，具有十分重要的社会价值和经济价值，在现代医学中得到了十分广泛的应用。当前心电信号的处理和分析仍然是生物医学工程界重大研究的对象之一。12心电图的临床应用和意义心电图可以反映受检者的临床症状与心电变换之间的关系，
15、所以在临床上得到广泛的应用。从1903年Willem Einthoven应用弦线式心电图机记录到图形清晰、可供临床应用的心电图，至今已一百年了。与X线检查技术一样，心电图历经百年，久胜而不衰，为人类健康和生命做出了巨大贡献，目前已成为心血管疾病无创性检查诊断的重要方法之一。但也和其他辅助检查方法一样，心电图也有其局限性。121心电图临床应用心电图是检出和诊断心律失常的有效方法，可以确定心律失常的频数和类型及分级，有助于心律失常的定量和定性诊断，评估病情的严重性和预测预后，从而协助临床诊断；各种心脏病解释引起的对心电图的变化，有助于了解和研究心律失常的发生机理和变化情况，如持续时间、演变趋势和规
16、律以及预后判断等；心电图可以提示电解质紊乱，帮助了解血钾与血钙变化情况；可以评定起搏器功能，检测起搏中的心律情况，以便及时处理；在心脏手术中，心导管检查时，进行心电图检测，可以及时反映心律与心肌功能情况，借此指导手术进行，并提示必要的药物处理。122心电图临床意义有助于提高冠心病的检出率以及指导冠心病的治疗和疗效评价；有助于病窦综合症的诊断和早期发现以及病窦综合症和类似疾病的鉴别诊断；有助于指导心律失常的治疗，对心律失常药物进行选择与疗效评价；有助于其它心脏病的检出；有助于各种心脏监护和其它医学检测研究。然而，心电图的最重要价值还在于对各种心律失常的诊断。123心电图临床检查的局限性(1)某些
17、心电图改变并无特异性，同样的心电图改变可见于多种情况，如左室增大可见于高血压病、主动脉瓣关闭不全、冠心病等。(2)某些心脏病变，心电图结果可以在正常范围内，如轻度的心脏瓣膜病，双侧心室增大或某些心血管病患的早期。(3)心电图对心脏病的病因不能做出诊断。213研究内容及主要工作在心电信号诊断中，我们要寻找对诊断有意义的具有某些特征的信号或信号的某种特征量。一般来说，信号并不能直接提供这些信息，它们需要应用信号处理方法来提取。由于干扰的影响，生物医学信号往往埋藏在噪声中，因此造成信息丢失或产生虚假信息，所以通常在进行生物医学信号处理之前，要对信号施加某种处理来降低噪声、增强信息。污染信号的噪声可以
18、是加性的(即观测等于信号与噪声之和)和乘性的(即观测等于信号与噪声的积)；也可能有用的信息仅与信号的一部分有关，而与有用信息非相关部分被看成噪声。总之，噪声的性质是多种多样的。数字滤波是增强信息，抑制噪声的常用方法，然而它对于频带重叠的信号与噪声无能为力。因此消噪问题是生物医学信号处理研究的一个重要内容。从信号中提取特征量的常用方法有谱分析、波形分析和建立模型等多种。特征提取可分为时域和频域两种：时域是直接从心电图中提取特征值，包括采用波形的宽度、高度、面积等；频域则是通过数学转换，如快速傅立叶变换、小波变换，将时域心电图波形转换到频域，再找出频域特征值。有了特征量，就要根据它们进行诊断。所谓
19、诊断就是分类。目前的分类方法有句法分析、模糊模式识别、模糊决策和神经网络等。以上这些内容正是信号处理学科的主要研究对象，实际上这些方法现在也并不成熟。在对心电信号的处理中，也存在同样的问题，即对采集的原始心电信号进行滤波，特征提取和分类。目前国内从事心电信号处理和分析的技术研究还刚刚起步，重点在滤除噪声和波形检测，心电图自动诊断方面仅有很少文章可以参考；国外研究的熟点在于心率失常识别和分类，而且国内外开发此类软件多是出于商用目的，关于测量和分析方法的研究没有系统而详尽的报道。本文的研究工作就是在这种背景下展开的。主要工作有：(1)读取MIT-BIH数据库中心电文件，获取相关的参数(如幅值，采样
20、频率等)。(2)根据读出的心电信号进行预处理，采用数字滤波器以及小波多分辨率滤波器对心电信号进行滤波，消除工频干扰、肌电干扰和基线漂移，使得心电波形便于观察和分析。(3)比较各种QRS波识别的方法，采用差分阈值法对QRS波中的R波进行定位和识别，较准确的确定心电信号的R波的个数和心率。14仿真工具(1)使用的仿真工具为M枷，AB 7O(2)心电信号的来源：目前国际上公认的可作为标准的权威心电数据库有三个，分别是美国麻省理工学院提供的MIT(Massachusetts Institute ofTechnology)一BIH(Beth Israel Deaconess Medical Center
21、)数据库、美国心脏学会的AHA数据库及欧洲s11-T心电数据库。其中MIT-BIH心率不齐数据库近年来应用比较广泛，本篇论文中用到的所有心电信号都来源于这个数据库。在论文中出现的有关心电波形的横坐标均为采样点(单位为整数)，纵坐标为幅值(单位毫伏k15各章节的安排第一章：绪论部分。介绍心电信号的研究的意义、本文采用的仿真工具和数据来源以及本文的研究内容和各章节的安排。第二章：心电图的产生，心电信号波形的特点和所受的干扰。第三章：MIT-BIH心率不齐数据库的读取。第四章：心电信号滤波器的设计。讨论了各种不同的滤波器的原理和应用，采用平滑滤波以及陷波滤波来消除心电信号的三种基本的干扰。第五章：小
22、波分析在心电信号处理中的应用。第六章；各种QRS波识别方法的回顾。主要讨论各种不同的对QRS波识别的方法，本文采用差分阈值法来对QRS波中的R波的识别和个数的统计。第七章：论文中的不足和希望改进的地方。421心电图的定义第二章心电图心电图(electrocardiogram)是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着生物电的变化，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的图形(简称ECG)。心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标【2J。22心电图的产生心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源，无数心肌细胞动
23、作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之间无电位差，是等电位的。心脏电活动按力学原理可归结为一系列的瞬间心电综合向量。在每一心动周期中，做空间环形运动的轨迹构成立体心电向量环。应用阴极射线示波器在屏幕上具体看到的额面、横面和侧面心电图向量环，则是立体向量环在相应平面上的投影。心电图上所记录的电位是一系列瞬间心电综合向量在不同导联轴上的反映，也就是平面向量环在有关导联轴上的再投影。投影所得电位的大小决定于瞬间心电综合向量本身的大小及其与导联轴的夹角关系。投影的方向和导联轴方向一致时得正电位，相反时为负电位。用一定速度移行的记录纸对这些投影加以连续描记，
24、得到的就是心电图的波形。心电图波形在基线(等电位线)上下的升降，同向量环运行的方向有关。和导联轴方向一致时，在心电图上投影得上升支，相反时得下降支。向量环上零点的投影即心电图上的等电位线，该线的延长线将向量环分成两个部分，它们分别投影为正波和负波。因此，心电图与心向量图有非常密切的关系。心电图的长处是可以从不同平面的不同角度，利用比较简单的波形、线段对复杂的立体心电向量环，就其投影加以定量和进行时程上的分析。而心电向量图学理论上的发展又进一步丰富了心电图学的内容并使之更易理解。23心电图的各个波的介绍如图21为典型心电图的一个心动周期的组成及其参数示意图，由荷兰生理学家W艾因特霍芬命名P，Q，
25、R，S，T波，U波是以后发现命名的。组成心电图波形【3钧各波段和间段的名称及意义如下：4T柚日憎 1“-OI-打图21心电图的一个心动周期及各参数示意图(1)P波P波是心房的除极波，心脏的兴奋发源于窦房结，最先传至心房，故心电图各波中最先出现的是代表左右两心房兴奋过程的P波。兴奋在向两心房传播过程中，其心电去极化的综合向量先指向左下肢，然后逐渐转向左上肢。如将各瞬间心房去极的综合向量连结起来，便形成一个代表心房去极的空间向量环，简称P环。P环在各导联轴上的投影即得出各导联上不同的P波。P波形小而圆钝，随各导联而稍有不同。P波的宽度一般不超过011秒，电压(高度)不超过025毫伏。(2)P_R间
26、期代表由P波起点到QR$波群开始的时间，表示激动从心房到心室的传导时间。正常成人P_R间期在012O20s之间，随心率和年龄而变化。(3)QRS波群QRS波群代表左右心室肌除极时的电位变化，是心室除极波。QRS波群可由一个或多个成分组成，代表两个心室兴奋传播过程的电位变化。由窦房结发生的兴奋波经传导系统首先到达室间隔的左侧面，以后按一定路线和方向，并由内层向外层依次传播。随着心室各部位先后去极化形成多个瞬间综合心电向量，在额面的导联轴上的投影，便是心电图肢体导联的QR8复合波。典型的QR8复合波包括三个相连的波动。第一个向下的波为Q波，继Q波后一个向上的波为R波，与R波相连接的又一个向下的波为
27、S波。由于这三个波紧密相连且总时间不超过010秒，故合称QRS复合波。QRS复合波所占时间代表心室肌兴奋传播所6需时间，正常人在006010秒之间。儿童为004O08s。不同导联的ORS波群的形态不同，但一般肢体导联的每个ORS波正向与负向振幅相加的绝对值不应低于05mY。(4)S-T段sT段为由QRS波群结束到T波开始的平线，反映心室各部均在兴奋而各部处于去极化状态，故无电位差。正常时接近于等电位线，向下偏移不应超过005毫伏，向上偏移在肢体导联不超过O1毫伏，在单极心前导程中V1，V2，V3中可达0203毫伏；V4，V5导联中很少高于01毫伏。任何正常心前导联中，ST段下降不应低于005毫
28、伏。偏高或降低超出上述范围，便属异常心电图。(5)T波T波为心室复极波， 是继QRS波群后的一个波幅较低而波宽较长的电波，反映心室兴奋后再极化过程。心室再极化的顺序与去极化过程相反，它缓慢地从外层向内层进行，在外层已去极化部分的负电位首先恢复到静息时的正电位，使外层为正，内层为负，因此与去极化时向量的方向基本相同。连接心室复极各瞬间向量所形成的轨迹，就是心室再极化心电向量环，简称T环。T环的投影即为T波。再极化过程同心肌代谢有关，因而较去极化过程缓慢，占时较长。T波与ST段同样具有重要的诊断意义。(6)Q_T间期Q-T间期为ORS波群起点至T波终点时间，代表心室除极、复极过程中总共所需要的时间
29、，Q-T间期随心率而变化。心率若在60100min，Q-T间期约为036O44s。(7)U波U波是在T波后002O04 S出现的低平波，其方向与T波方向一致。正常心电图U波常常不明显。波宽约0102s，电压不应超过同一导联T波的12。24心电信号的产生人身的心脏活动在体表产生心电波形，其过程如图22所示。7图22心脏在体表产生的波形人体心脏的原发性起搏兴奋点是窦房结，它位于上腔静脉和右心房的交界处(如图22)。在正常时，由窦房结的起搏细胞每分钟自发地产生50100次可传导的动作电位。这种电兴奋以有序方式通过心房内的传导束，首先激活右心房，然后是左心房。兴奋通过房室结时，稍有延迟，然后进入希氏束
30、，左、右束支到达普金野(PurUnje)氏网，普金野氏网是个大而特化的传导细胞系统，它分布在两心室内膜下，电兴奋通过普金野氏网迅速激动心室壁的普通工作性心肌细胞。这样，电兴奋波传播到整个心脏，从而完成一次正常的心搏动。体表心电信号随心脏搏动，而出现一个完整的周期。25心电信号的噪声来源人体心电信号是一种弱电信号，信噪比低。一般正常的心电信号频率范围为005100 Hz，幅度为lOg V5mV。而这个心动周期信号带宽主要集中在O5819Hz，P波的带宽为055+19Hz，T波的带宽为O112Hz。而90的心电信号(ECG)频谱能量集中在02535Hz之间。采集心电信号时，会受到各种噪声的干扰，噪
31、声来源通常有下面几种：(1)工频干扰50 Hz工频干扰是由人体的分布电容所引起，工频干扰的模型由508Hz的正弦信号及其谐波组成。由于本文中所采用的是MITBIH数据库的心电信号，所有的工频干扰都为60Hz。幅值通常与EcG峰峰值相当或更强。(2)电极接触噪声电极接触噪声是瞬时干扰，来源于电极与肌肤的不良接触，即病人与检测系统的连接不好。其连接不好可能是瞬时的，如病人的运动和振动导致松动：也可能是检测系统不断的开关、放大器输入端连接不好等。电极接触噪声可抽象为快速、随机变化的阶跃信号，它按指数形式衰减到基线值，包含工频成分。这种瞬态过渡过程可发生一次或多次、其特征值包括初始瞬态的幅值和工频成分
32、的幅值、衰减的时间常数：其持续时间一般为1s左右，幅值可达记录仪的最大值。(3)人为运动人为运动是瞬时的(但非阶跃)基线改变，由电极移动中电极与皮肤阻抗改变所引起。人为运动由病人的运动和振动所引起，造成的基线干扰形状可认为类似周期正弦信号，其峰值幅度和持续时间是变化的，幅值通常为几十毫伏。(4)肌电干扰(EMG)肌电干扰来自于人体的肌肉颤动，肌肉运动产生毫伏级电势。EMG基线通常在很小电压范围内。所以一般不明显。肌电干扰可视为瞬时发生的零均值带限噪声，主要能量集中在30300 Hz范围内。(5)基线漂移和呼吸时ECG幅值的变化基线漂移和呼吸时ECG幅值的变化一般由人体呼吸、电极移动等低频干扰所
33、引起，频率小于5 Hz；其变化可视为一个加在心电信号上的与呼吸频率同频率的正弦分量，在001503 Hz处基线变化变化幅度的为ECG峰峰值的15。(6)信号处理中所用的电子设备所产生的仪器噪声s心电信号是由人体心脏发出的极其精密、相当复杂且有规律的微弱信号，外界干扰以及其它因素的存在都会使其变得更为复杂，要准确地对其进行自动检测、存储、分析却是一项十分艰巨的任务。例如，工频干扰对心电图的影响会使心电信号的特征点定位变得十分困难。因此，心电信号的监视、分析必须在建立在有效抑制各种干扰、检测出良好的心电信号的基础之上。931引言第三章T川川数据库的识读在现在的心电监护仪和心电信号自动分析算法程序中
34、，需要有一个权威性的心电图检测标准，用来对心电监护仪和心电信号自动分析算法进行检测。心电信号的自动分析算法只有通过了权威心电数据库的检测才能得到认可。32数据库的介绍目前国际上公认的可作为标准的权威心电数据库有三个，分别是美国麻省理工学院提供的M1T-BIH数据库、美国心脏学会的AHA数据库及欧洲STT心电数据库f4】。其中MIT-BIH数据库及欧洲ST-T心电数据库近年来应用比较广泛，是因为这几年来该数据库的所有者将其放在互联网上，免费提供给用户下载，为广大心电数据研究者提供了有力的工具。在本论文的研究中，用到了MIT-BIH数据库，对本课题中设计的算法进行验证。下面对这个数据库分别进行说明
35、。33 MIT-BIH心电数据库图31即为心电数据库的组成框图。图31 MIT-BIH数据库记录的组成框图每一数据库记录包含三个文件，分别是头文件、数据文件、注释文件。头文件详细说明了与它关联的数据文件的名字及其属性，存储方式10为ASCII码字符：数据文件是以自定义的格式按二进制存储的信号原始数据；注释文件是记录心电诊断专家对信号分析的结果，主要包括心跳、节律和信号质量等，以二进制存储，格式有MIT和AHA两种。心率失常数据库由48个经过注解的记录组成，每一个记录时间约为30分钟，由两路导联信号组成，信号的采样率为360Hz，AD分辨率为11 Bit。331 LilT-BIIt心电数据库数据
36、头文件的识读头文件的内容是由一行或多行ASCII码字符组成，并且至少包含一个记录行，通常还有信号技术规范行、片段技术规范行(对于多片段数据记录)和信息注释行。记录行中从左到右依次记录了信号的名称、片段数(可选，对多片段记录，且与名称之间以分隔)、信号数量、采样频率、计数频率(可选)、计数基值(可选，与计数频率配合使用且以圆括号而非空格分隔)、每信号采样数、采样开始时问(可选)、采样开始日期(可选)，这些字段之间除前面指明的之外都是以空格分隔。紧跟记录行的是信号技术规范行，该行主要包含了存储信号的文件名、存储格式、ADC增益、基线值、ADC分辨率、ADC零值、信号初始值等字段。片段技术规范行主要
37、包括记录名称和每信号的采样数两个字段，该行只有在多片段记录的头文件中才有。信息注释行一般在文件的最后，每行的开头以撑开始，内容一般是说明患者的简单情况。下面以记录100的头文件100hea为例说明，文件的内容如下：100 2 360 650000 0：0：0 Q|Q|Q100dat 212 200 ll 1024 99522131 0 ML100dat 212 200 ll 1024 lOll 20052 0 V5#69 M 1085 1629xl#Aldomet，Inderal该头文件的第一行为记录行，指出该记录为一包含两个采样率为360Hz的信号，每一信号的长度为65万个采样点，采样开始时
38、间和日期没有记录。后面紧跟的两行为信号技术规范说明行，从中可以看出，两个信号都包含在文件100dat中，每一信号都是以12位的位压缩格式(即“212”格式1进行存储的，两个信号的增益都是每200ADC unitsmV,ADC的分辨率为ll位，ADC零值为1024，在这里基线值没有明确给出，但可以认为它等于ADC零值1024。两个信号的第一采样点的值分别为995和1011(可以看出这他们都略低于or)。65万个采样点的校验数分别为一22131和20052，输入输出可以以任何尺寸的块来执行，因为文件内容说明了这两个信号的该值都为0，信号描述字段说明了这两个信号分别采自MLII导联和VS导联。文件的
39、最后两行包含了注释字符串，其中第一行说明了患者的性别和年龄以及记录数据，第二行列出了患者的用药情况。41概述第四章心电信号的预处理由于心电信号比较微弱，仅为毫伏级，极易受到环境的影响，因而从体表采集的心电信号常常伴有干扰。这些干扰既有来自人体本身的，如肌电等其他生物电干扰，也有来自外界的，如50Hz工频干扰等。这些干扰将使系统的信噪比下降，有时甚至会淹没有用的信号【5】。为提高后续心电分析、识别和诊断的准确性，必须对这些干扰和伪迹加以适当地滤除和抑制。就需要对心电信号进行滤波。滤波器的种类很多61，但总的来说可以分为两大类，即经典滤波器和现代滤波器。经典滤波器是假定输入信号中的有用成分和无用成
40、分(如噪声)各自占有不同的频带，当通过滤波器后可将无用成分有效地去除。现代滤波器主要是从含有噪声的数据记录(又称为时间序列)中估计出信号的某些特征或信号本身，一旦信号被估计出，那么估计出的信号和原信号相比会有高的信噪比。现代滤波器把信号和噪声都视为随机信号，利用它们的统计特征(如自相关函数、功率谱等)推导出一套最佳的估值算法，然后用硬件或软件予以实现。现代滤波器理论源于维纳在20世纪40年代及其以后的工作，因此维纳滤波器便是这一类滤波器的典型代表。此外，还有卡尔曼滤波器、线性预测滤波器、自适应滤波器等。滤波器的技术要求主要包括一下几个方面，即：(1)滤波器的截至频率低通滤波器的截至频率主要包括
41、通带截止频率(又称通带上限频率)w和阻带下限截止频率；高通滤波器的截至频率主要包括通带截止频率(下限频率)wo和阻带上限截止频率w；带通滤波器的截至频率主要包括通带下限截止频率坼，通带上限截止频率，下阻带截止频率，以及上阻带截止频率M0；带阻滤波器的截止频率与带通滤波器一致，也主要包括通带下限截止频率，通带上限截止频率w，下阻带截止频率屹，以及上阻带截止频率wJ。但)带通带阻的容限滤波器中带通带阻的容限J。与正的具体技术指标，往往由允许的最大衰减a。及阻带应达到的最小衰减口，给出。通带及阻带的衰减a。，q分别定义为：=2019q=2019=-20lgH(e“)I=-20lgH(eo)I(41)
42、(42)均假设lH(ejo)I己被归一化为l。例如当1日(P以)I在w。出下降为0707时，4=3 dB，在w出降到001时，口=40dB。(3)采样频率由于在数字滤波器设计中是用弧度表示的，而实际上给出的频率要求往往是实际频率C单位为I-Iz，因此在数字滤波器的设计中还应给出采样频率f。从实现方法上来分，滤波器可以分为硬件滤波器和软件滤波器，最早开始对心电信号的处理局限于硬件方法，通常采用模拟滤波器进行干扰的抑制。虽然硬件滤波有速度快，结构相对简单的优点，但其对元器件要求高，而且一旦电路设计完成后，其结构和特征参数就相应固定，因而缺乏灵活性，对复杂环境变化应付能力差，难以达到实际要求。随着计
43、算机技术发展，数字技术迅速得到广泛应用，数字信号处理技术也被引入到心电信号处理之中。采用数字滤波进行信号处理和干扰消除成为心电信号预处理的一种较为理想的方法。42数字滤波器的优点数字滤波器在信号的过滤、检测与参数的估计起重要的作用，它是使用最为广泛的一种线性系统，它与模拟滤波器相比具有如下优点：(1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加任何硬件设备，也不存在阻抗匹配问题。不但可以节约成本，还可提高系统可靠性、稳定性。(2)在实现方法上的特点，软件数字电路，使数字滤波器对噪声具有很强的抗干扰能力。(3)灵活性好，便于仿真和调试，其精确度仅取决于它的舍入误差，而舍入误差是由设计者选择滤波器参数时直接
44、决定的，因此通常很容易且花费不多的费用就能改变滤波器的工作特性(如截止频率)。(4)不像模拟滤波器那样，其功能不随某些因素，诸如元件老化、温度和供电电压等的变化而改变。这种特性在医疗器械的应用中是很重要的。并且在模拟电路中存在漂移，这可能会引起低频信号的失真。14俐网黼43滤波由前面的章节所述，采集到的心电信号往往带有干扰。为了消弱干扰，加强QRS波成分，便于以后的检测，先要对心电信号进行滤波。以下是去除工频干扰、肌电干扰和基线漂移的各种相关的滤波器的设计。431工频干扰一陷波滤波器的设计陷波器是无限冲击响应(IIR)数字滤波器，该滤波器可以用以下常系数线性差分方程表示：M y(月)=qx(n
45、-i)-b，y(n-i) (43)lzO 卢I式中：X(n)和Y(n)分别为输入和输出信号序列；ai和bi为滤波器系数。对式(43)两边进行z变换，得到数字滤波器的传递函数为：M 叩。兀(Z-Z；)日(z)=等一=专L一(44)岛z1 n0一P一)i=O i=l式中：五和P，分别为传递函数的零点和极点。由传递函数的零点和极点可以大致绘出频率响应图。在零点处，频率响应出现极小值；在极点处，频率响应出现极大值。因此可以根据所需频率响应配置零点和极点，然后反向设计带陷数字滤波器。考虑一种特殊情况，若零点五在第1象限单位圆上，极点P，在单位圆内靠近零点的径向上。为了防止滤波器系数出现复数，必须在z平面
46、第4象限对称位置配置相应的共轭零点z?、共轭极点P?。这样零点、极点配置的滤波器称为单一频率陷波器，在频率。处出现凹陷。而把极点设置在零的径向上距圆点的距离为卜II处，陷波器的传递函数为： 日(z)：坠型壁垒L(45)、7(z一(1一u)z1)(z一(1一)z2)式(45)中u越小，极点越靠近单位圆，则频率响应曲线凹陷越深，凹陷的宽度也越窄。当需要消除窄带干扰而不能对其他频率有衰减时，陷波器是一种去除窄带干扰的理想数字滤波器。当要对几个频率同时进行带陷滤波时，可以按(44)式把几个单独频率的带陷滤波器(45)式串接在一起。要设计去除50Hz的工频干扰，心电信号的抽样频率是360Hz，由于采用的
47、是MIT-BIH数据库，工频干扰的是60Hz。令1p=O9，经过计算得到它的传递函数为：l一_一1上，-2日(z)=二二二T。 1一O921+0877521差分方程有)，(，1)=09y(n-1)-O8775)，(盯一2)+x(栉)一x(，l一1)+工(，l一2)滤波器的幅频图如图41所示。10日0已弓1口善墨锄加1印霄1鲁卯- 口盂卸1叩弋|i10 扣 加 即 即 1 120 1加 1印 1阳FmqusncI州z)f、0 扣 加 印 即 1 1加 140 1即 1即Fmqusncy”z)图41滤波器的幅频图滤波效果如图42所示：16图42滤波效果图图42中a为原始信号，b为滤波后的信号如图4
48、2所示，利用陷波滤波器来滤除工频干扰效果不是很明显。432一阶整系数低通滤波器的设计431采用的是陷波器，在此我将采用低通滤波器滤除工频干扰17J。由于软件滤波中的数字滤波器实现简单而常被采用。衡量滤波器质量好坏的标准是原始心电信号在滤除干扰噪声后所得到的波形能不失真的反映该时刻的心脏的电活动情况，同时滤波器的计算量要小，且具有线性相位。在本文中对于工频及其谐波干扰采用整系数低通滤波器进行滤波；对于肌电干扰和电极接触噪声等高频干扰采用低通滤波，而对于基线漂移这种频率成分较低的干扰则采用高通滤波器对其进行滤波。在实际应用中由于分析的侧重点不同，有时会对滤波后的心电波形形态不十分关注，而只关心某些
49、点的相对位置，此时可以根据具体的要求来选用最能完成该项功能的滤波器，而不再是一定得到最佳的心电波形。在下面的部分将阐述各种滤波器的设计和应用。由MITBIH心电数据库中得到的心电信号的有频率较高的肌电干扰和60HZ及其谐波干扰。因此先要进行低通滤波，滤去大于IOOHz的频率成分。常用以下几种滤波器：我们已经知道，根据巴特沃斯和切比雪夫等IIR滤波器的设计方法和基于窗函数、频率抽样法以及切比雪夫逼近法FIR滤波器的设计方法，可以获得好的通带、阻带衰减特性，准确的边缘频率，但这些滤波器的系数一般为非整数。在实际工作中，特别是对信号作实时滤波处理时，有时对滤波器的性能要求并不是很高，但要求计算速度快，滤波器的设计也简单易行，因此希望滤波器的系数为整数，由此而产生了对整系数数字滤波器的研究。整系数数字滤波器具有线性相位的特性，
