简单整系数滤波器在实时心电信号处理中的应用

韩旭

摘要：本文介绍了一种用于实时心电信号处理的滤波方法，利用建立在极-零点抵消基础上的简单整系数滤波器，通过全通滤波器与低通滤波器、带通滤波器的结合，实现高通滤波器及带阻滤波器，用于滤除心电信号中的基线漂移和工频干扰，该滤波器易于程序实现，且运算简单、计算量小，适合单片机对实时心电信号进行数字滤波处理。

关键词：简单整系数滤波器;心电图;工频干扰;基线漂移

中图分类号：TH814 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）05-0113-02

0 引言

心电图是从人体体表采集的心脏每一心动周期所产生的电活动变化，其信号频率成分一般在0.05-100Hz的范围内，电压幅值也比较微弱，一般为毫伏级。在采集心电图的过程中，由于人体的分布电容、呼吸活动导致的胸廓变化、人体肌肉活动以及电子元器件受外界电磁环境影响等原因，心电信号通常都带有多种干扰信号，如基线漂移、工频干扰、肌电干扰等，其中部分干扰信号落在心电信号的有效频率范围内，这些干扰信号的存在，使得心电图中掺杂大量干扰，甚至于正常的心电信号都淹没在干扰信号之中，严重影响对心电图的正常识图和诊断工作。对于数字式心电图采集系统，通常运用数字滤波算法来滤除心电信号中的干扰，但由于应用场景以及运算能力的不同，部分计算方法复杂、运算量大的数字滤波算法，并不适合应用在要求运算量小、计算简单的实时的心电信号处理中。

建立在极-零点抵消基础上的简单整系数滤波器[1]具有易于实现、运算简单、计算量小等特点，尤其适合于单片机等环境下的心电信号处理。因此，我们利用这种简单整系数滤波器，通过全通滤波器与低通滤波器、带通滤波器的结合，设计出符合幅频特性要求的高通滤波器和带阻滤波器，实现对心电信号中掺杂的基线漂移信号和工频干扰信号的滤除。

1 基线漂移滤波器

心电信号中的基线漂移主要是由人体呼吸活动引起胸廓变化、心电电极移动等原因引起的，频率一般在1Hz以下[2]，属于低频干扰。基线漂移的频率与心电图中ST段的频率比较接近，其对ST段形态产生很大影响，而ST段反映心室的复极化的初始阶段的情况，带有基线漂移的ST段影响医生对相关心脏病变的判定。因此，在基线漂移较大的情况下，对心电信号进行基线漂移滤波是十分必要的，而在应用滤波器去除基线漂移的同时，也要考虑滤波器对ST段低频成分的影响，选择通带和阻带特性都合适的高通滤波器，尽量避免滤波器对ST段产生变形和失真。

要去除基线漂移，应采用具有高通效果的滤波器，滤掉心电信号中高通截止频率以下的频率成分，而直接应用建立在极-零点抵消基础上的简单整系数高通滤波器，受方法限制，其截止频率、通带特性与阻带特性均很难满足实际应用要求。这里采用一个全通滤波器减去一个简单整系数低通滤波器的方式，实现高通滤波器[3]，完成对基线漂移干扰的滤除。

1.1 低通滤波器

在单位圆上均匀分布M个零点，可构成所谓的“梳状滤波器”[1]，该滤波器的传递函数为式（1）

如果在z=1处设置一个极点以抵消此处的零点，则滤波器具备低通特性，且滤波器的系数均为整数。为了使滤波器具备较好的性能，通常取HLP（z）的K次方，即如式（2）所示。

K选取的合适，即可以得到较好的通带与阻带特性。

1.2 基线漂移滤波器

为了利用上节中的低通滤波器来实现高通滤波器，取传递函数如式（3）

其中全通滤波器只具有延迟特性，用来抵消低通滤波器带来的相位延迟。针对800Hz的心电采样频率，使用这种滤波器，由式（3）取M=700，K=2，该滤波器的高通截止频率在0.66Hz左右，满足基线漂移滤波的要求，且对截止频率之上的频率成分影响较小。

以MIT-BIH心律失常数据库中113号病例的MLII通道数据作为原始数据，该基线滤波器的处理后，能够滤除原始数据中存在的基线漂移，使处理后的心电信号保持了平稳的基线，如图1所示。

2 工频干扰滤波器

心电信号中的工频干扰信号主要来自于人体分布电容和电极导线环路受工频电、磁场的影响，其频率主要集中在50Hz左右。工频干扰及其高次谐波混叠在正常的心电信号之中，对QRS波群的识别定位、心电波形形态分析等心电信号的分析和处理工作均有较大的影响，严重干扰心电图正常的临床应用。

因此，在心电信号采集和处理设备中，均需采用适当的方法消除工频干扰。为了适应实时环境下对心电信号的处理要求，根据文献[4]中的方法，采用简单整系数滤波器来设计实现工频干扰滤波器，取式（4）

采样频率为800Hz，那么50Hz工频的归一化频率为1/16，采用归一化频率为1/8的滤波器，进行L=f1/f2=2倍插值，就可以实现50Hz工频陷波器。

由式（5）可知，p取任意值，滤波器的系数均为整数。我们根据对此滤波器阻带的要求，取p=24，其阻带带宽约从48.8Hz到51.2Hz，约为2.4Hz，同时对50Hz工频的高次谐波也有同样的滤波作用。

以MIT-BIH心律失常数据库中220号病例的MLII通道数据作为原始数据，对原始数据叠加50Hz正弦信号的干扰，然后使用上述工频滤波器进行滤波处理，得到工频滤波结果数据。在经过该滤波器的处理后，能够滤除叠加在原始数据上的50Hz工频干扰信号，如图2所示。

3 结语

本文介绍的建立在极-零点抵消基础上的简单整系数滤波器，通过全通滤波器与低通滤波器、带通滤波器的结合，可以有效的滤除心电信号中掺杂的基线漂移和工频干扰，滤波器易于程序实现且运算系数均为整数，具有运算简单、计算量小等特点，适用于单片机及实时环境下对心电信号进行滤波处理。

参考文献

[1] 胡广书.数字信號处理——理论、算法与实现（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2003.

[2] 杨福生.生物医学信号的处理和识别[M].天津科技翻译出版公司，1997.

[3] 唐渝，赵干青.简单整系数递归数字滤波器及其在生物医学中的应用（二）[J].中国医疗器械杂志，1989，13（4）：226-230.

[4] 兰瑞芬，胡广书.高采样率下简单整系数工频陷波器的设计[J].航天医学与医学工程，2008，21（2）：152-156.