心电信号噪声处理的研究

李文涛

摘要：心电信号是一种微弱信号，是现代生命科学研究的重要组成部分，但其非常容易收到噪声的干扰。因此，想要检测心电信号就必须要采用能够抑制噪音的技术，同时也要增强心电信号中的有用信息。所以需要提高对波形的检测识别能力，也需要对心电信号进行去噪音的预处理，尤其是对那些干扰心电信号非常强的噪音，预处理对心电信号的作用显得尤其重要。本文的主要目的是针对心电信号的原理进行详细分析，并根据其特点，对于不同的噪音选取不同的降噪方法进行描述。

关键词：心电信号 心电噪声 数字滤波系统 滑动平均方法 最小二乘多项式拟合方法

中图分类号：TN911.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0085-02

1 人体心电信号的产生机理

心电是心脏的每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，从而引起的生物电的变化，这生物电的变化就被称之为心电。心电的产生与心肌细胞的除复极作用密不可分。当心肌细胞处在静息状态时，细胞膜的内外分别带有同等数量的正负电荷，这也是极化状态的体现，当静息状态下的细胞膜内外出现电位差时，即被我们称之为静息电位，这个值也是相对恒定的。当心肌细胞的细胞膜收到一定的刺激时，其表面的通透性就会出现改变，细胞膜内外的阴阳离子就会出现流动，心肌细胞也会因此表现出除极化和复极化，而且在这个过程中，受刺激的心肌细胞会与临近的细胞膜构成一对电偶，这种变化形态能够被置于体表的仪器所捕捉。由心脏内部所产生出来的电刺激脉冲，能够使心房、心室的细胞兴奋，从而有节奏的进行舒张和收缩，这也使得血液从心脏能够流到全身各处，维持人体循环的正常运作。心电信号是从宏观上来捕捉心肌细胞的除极和复极过程，能够从一定客观的程度来体现心脏的生理状况，因此心电信号在临床医学中有着重要的作用。

2 心电信号基本构成

心电信号由P、QRS、T波和静息期组成，如图1，各波具有不同的频率特性，是一种典型的具有明显时频特称与时间—尺度特征的生物医学信号。

P、QRS、T波以及PR，ST，QT间期都不同程度地反应了心脏的功能的变化，因此通过算法实现对心脏功能的自动分析判别已日益成为一个比较热门的研究方向。

3 心电信号特点

3.1 信号弱

心电信号是体表的电生理信号，一般比较微弱，幅度再10uV～4mV，频率为0.05～100Hz。

3.2 噪声强

由于心电信号是十分微弱的，而且人体自身也是十分复杂的系统，各自系统对于心电信号的捕捉也会产生一定的影响，因此信号容易受到噪声干扰。

3.3 随机性强

心电信号不仅是随机的，而且是非平稳的。同时，在心电图检测过程中极易受到各种噪声源的干扰，从而使图像质量变差，使均匀和连续变化的心电数值产生突变，在心电图上形成一些毛刺。使原本很微弱的信号很难和噪声进行分解。

4 心电信号的噪声来源分类

人体的心电信号十分微弱，噪声干扰也比较强，根据最近研究表示，正常心电信号范围在0.05-100Hz之间，而根据我们的大量研究得出，90%的心电信号（ECG）频谱能量是集中在0.25-35Hz之间，这也使得我们想要采集出有效的心电信号，肯定会受到大量噪音的干扰，研究表明，这些噪音的来源往往是以下几种：

4.1 工频干扰

人体耦合50Hz工频干扰是由于人体内所分布的电容与电极引线环路受工频电、磁场等干扰从而形成50Hz的工频干扰，其模型也是由50Hz的正弦信号和谐波构成的。其幅值与ECG峰峰值相比相当或者更强。

4.2 电极接触噪声

电极接触噪声不是一直存在的，它是由于电极与肌肤接触时出现接触不良的现象，也就是病人与检测系统连接时没连接好导致的。但这种接触不良现象是瞬时的，如病人在转动身体或者震动时而导致的设备松动、亦或者是检测系统的开关或者放大器连接端出现接触不良等等。电极接触噪声是一种瞬时的、随机变化的阶跃信号，它会不断衰减到基线值，也存在这工频成分。电极接触噪声并不只会发生一次，可能会发生多次，其特征值的时间常数一般在1S左右，达到记录仪的最大值。

4.3 人为运动

人为运动所造成的也是瞬时的基线改变，但它不是阶跃信号，是有电极在移动中与皮肤的阻抗出现改变而引起的。其所造成的基线干扰形状与周期正弦信号比较类似，且在检测时，其峰值的幅度与持续时间也不是一沉不变的，通常其幅值为几十毫伏左右。

4.4 肌电干扰（EMG）

肌电干扰是指人体多种电现象混杂在一起，某一种生理量在某种场合可能是信号，而换作另一场合时则可能就变成了噪声，这也是我们所谓的被测生理变量以外的人体电现象所引起的噪声。肌电干扰主要成因是人体的肌肉颤动而引起，其发生率没有固定性，频率范围一般在5～2000Hz之间。

4.5 基线漂移和呼吸时ECG幅值的变化

基线漂移和呼吸时ECG幅值在产生变化时，其原因基本为一下几个原因：一是人体呼吸造成的；二是电极移动造成的；三是其它低频干扰造成的等等，其频率一般都小于5Hz，同时了，我们也可以将至看成为与呼吸同频率的正弦分量，其频率在0.015-0.3Hz之间时基线的变化幅度为ECG峰峰值的15%。

4.6 信号处理中用电设备产生的仪器噪声

心电信号是人体心脏所发出的一种复杂精密切微弱的信号，因而它也十分容易受到其它干扰，这些干扰也会使得心电信号变得更为复杂，所以想要有效的检测分析心电信号是一项十分艰巨的任务。而在使用设备时由于电流问题设备也会产生一定的噪声，这也对心电信号的采集产生了一定的影响。

5 心电噪声降躁方法研究

不同的噪声其处理的方式也不尽相同，因而针对以上几种噪声，作者根据研究列出如下几种处理方式。

5.1 工频干扰处理方式

心电信号在采集时会出现各种各样的干扰，而其中一个主要干扰源为工频干扰，对于50Hz工频干扰我们主要针对其处理的方式即为采用数字滤波系统。因此，想要去除心电信号中的工频干扰，就必须对心电信号进行滤波，也就是要做好前端数据采集的软硬件设备的设计，使得其能够稳定的对心电信号进行滤波，从而保证心电数据的可靠和准确。数字滤波有很多优点，其主要系统组成如图2所示，心电信号通过多路输入缓冲器缓冲放大，然后通过导联选择后再交由前置多路电压放大，并使其适应A/D转换的幅度要求，从而进行数字滤波处理，并最终输出滤波后的心电信号。数字滤波不仅仅能够大幅度的提高设备的性能，同时其适应性也十分强大，不同的使用环境均能够通过设置软件参数来完美适应，大大降低了医疗设备的成本，提高了通用性能。

5.2 基线漂移处理方式

在对心电信号进行记录时，要尽量保持基线在同一水平线上，如果出现基线漂移的鲜香，就会使得心电波形图中各波的范围与关系不清楚，从而影响对心电图信号的识别。基线漂移的频率一般在0.15～0.3Hz之间，其频率十分低，这也使得心电信号的波段分量相接近，因此在测量当中应当采取滑动平均方法来滤除基线漂移。

5.3 表面肌电噪声的处理方式

表面肌电噪声是人的肌肉神经系统在运作时，出现肌肉纤维收缩而引起的生物电的变化，在捕捉心电信号时，心电电极会引起此噪声的出现，肌电噪声的出现是不定时不规则的，其波形一般较为快速且不规则，从属于高频噪声，其频率一般集中在5～40Hz之间，持续时间为50ms，其幅度为毫伏级。

对表面肌电噪声的处理方式为最小二乘多项式拟合方法。一般我们会将固定个数的点合并在一起从而形成一个多项式，在这个多项式中，多项式在xi的值给出光滑值gi。一个M次多项式用pi（x）表示，它在最小二乘意义下拟合nL+nR+1个点（nL为xi左边点的个数，nR为xi右边点的个数），这样就有gi=pi（x）。将每一个采样点前后7个采样点进行近似值计算，测试数据频率为360Hz，则nL=nR=7，且令M=4，根据具体的测试可以看到高频段的肌电噪声抑制较为明显。

6 结语

综上所述，本文通过分析心电信号产生机理、构成特点以及噪声源的形成方式，并主要针对心电信号噪声及如何根据不同噪声选取不同的降噪方法进行了阐述和分析。不同的心电信号噪声通过不同的拟合实验均达到了良好的降噪效果。本文的结论为尽量消除混杂在心电信号的噪声和干扰，提高对疾病诊断的准确性具有重大意义。

参考文献

[1]陈天华，韩力群，郑彧.心电信号噪声的数字滤波研究[J].微计算机信息，2008（18）.

[2]万相奎，徐杜，张军.心电信号小波消噪方法的研究[J].中国生物医学工程学报，2008（04）.

[3]袁峰.心电信号噪声处理的研究[J].电子技术与软件工程，2014年05期.