简单整系数滤波器在实时心电信号处理中的应用探究

南京工业大学 徐超逸

本文以简单整系数滤波器为研究视角，探索其在心电信号动态化实时处理程序中的应用方法，以提升心电信号处理效果。在研究期间，滤波器的运行环境为“极零点抵消”，在全通、低通、带通三种滤波器整合的基础上，形成了较高性能的滤波器，用于处理心电信号的干扰问题，具有较高的应用性能。

心电图的信号频谱变化范围为0.05～100 Hz，电压浮动能力较弱，浮动幅度以毫伏级为主。在心电图信息采集期间，在人体电容、呼吸作用下，将会引起胸廓改变、肌肉运动；同时，电子元器件在客观环境电磁影响下，形成干扰信号，有碍于心电图信息判断的准确性。

1 心电信号的处理需求

心电图检查在针对心率失常、心肌缺血的一些常见心脏疾病的诊断中，可以得到较为全面的应用。在其早期的处理过程中，医生的一些传统的人工方法已经无法顺应当下的医疗事业发展，因此可以利用计算机的方式，对其信号进行相应的去除干扰。

1.1 处理动态心电信号

（1）心电信号处于动态变化时，对其产生干扰的噪声类别主要包括：工频、机电相关信号干扰、基线漂移等。

（2）在心电信号使用初期，采取电路优化设计、高性能元器件等进行干扰信号的处理。

（3）现阶段，以数字滤波器为主，用于消除干扰信号，还原心电信号信息，为临床判断提供真实的心电信息。

1.2 心电信号处理方法

（1）判定QRS波：借助阈值对QRS波进行识别。阈值类目有：变化幅度、倾斜程度、时间差等。

（2）检测QRS波：数字模型检测法、神经网络检测法等。

（3）检测R波方法：幅度测定、斜率测定等。

（4）提取心电图关键信息：心电图信息处理的关键在于信息提取，以保障临床工作有序进行。时域提取法：各类波形所表现出的时间间隔、外观形态有所差异。频域提取法：采取频率变换形式，提取频域内信号变化特点。

使用滤波器进行心电信息处理，设计方法为简单整数系，以期提升心电信息实时处理效果。

对于正常的心电图信号波形而言，是一种P波、QRS波群与T波相结合的形式；同时，在一些情况下，在T波出现之后会形成一个小型的U波。因此，在心率市场数据库中，对其信号进行噪声心电波形，就需要进行相应的分析，进而可以明确二者之间的差异性。

2 基线漂移滤波器的应用

对于心电信号而言，就是一种在基线漂移处理的过程中，基于人体呼吸过程中胸廓的起伏变化所形成的心电电极的移动，一般情况下频率都在1Hz的水平之下，这样的情况就是低频干扰。由于其基频与心电图当中的频率比较相近，就会导致对其ST的段形有重大的影响。而在带有基线漂移的ST段，可能会对医生判断病情产生一定的影响。因此，就需针对心电当中的基线漂移滤波进行去除，以此保障ST段的低频成分不会出现较为严重的影响效果。另外，在其去除的过程中，需要保障使用的一些通带以及组带都可以使用较为合理的高通滤波器，以此避免在使用的滤波器上，对其ST段出现一定的变形以及失真的效果。另外，在去除基线偏移的过程中，要能够让其滤波器有高通效果，以此可以对心电信号当中的一些高通介质频率实现针对性的去除。

3 工频干扰滤波器的应用表现

3.1 工频干扰信号的威胁

对心电信号形成干扰作用的信号主要是在工频电磁场作用下，引起人体分布信号发生改变，改变的信号包括电容与电极导线，干扰作用的工频一般为50Hz。工频干扰信号，一般会融合在标准性心电信号中，对于判断QRS波群、分析处理心电信号产生干扰作用，有碍于临床工作中心电图的分析。

3.2 应用方法

（1）工频滤波器的函数表达式

对于工频干扰问题，需要采取恰当方式予以规避。使用系数赋值整数的形式，完成滤波器配置，以达成工频处理滤波器的程序设计目标，信号传递函数为式(1)：

由函数表达式(1)可知：p取值不受限制，HBS(z)表示工频处理滤波器，为滤波器系数赋值时，以简单整数为主。参考滤波器阻带的设计规范，p取值为24，阻带宽度取值范围为48.8～51.2Hz。此滤波器对于高次谐波具有相同处理能力。

（2）滤波应用

滤波应用：选择数据库中113号病例的心电图数据，作为初始心电图，如图1（a）所示；模拟工频干扰，信号取50Hz，工频干扰表现如图1（b）所示；使用函数表达式（1）的处理方式，进行滤波消除，能够获取工频干扰处理结果，滤波结果如图1（c）所示。经实践发现：工频滤波器能够有效消除模拟干扰信号。

图1 工频滤波器对113号病例心电图的模拟滤波过程

在不同的谐波处理中，其工频干扰的幅度ECG峰值在0-50%的程度上。在信号进行采集的过程中，受到人体动作的影响，使得与人体接触的电阻出现变化，因此就导致基线出现不同程度的变化；因此，对于这种基线的变化而言，就形成了相应的运动轨迹。在采集电路当中，其发达器的温漂、人的呼吸等，都会导致器官出现变化，就会使得对其心电图信号的幅度造成直接的影响。

在实现设计的过程中，需要对滤波器进行科学合理的设计。例如，需要保障下限介质的频率在选择的过程中，可以很好的降到P波、T波能量之前；在上限的截止频率的选择上，还需要尽可能的削弱出现的工频噪声，因此在设计的过程中，就要使其过渡区域不能过于陡峭，保证控制器过渡区域的合理性。由于使用对象是长期的动态心电信号，其离散的数据序列比较长。因此，就需要在滤波器的使用上，保障单位冲击的相应序列得到控制。同时，还要保障在计算的过程中，能够控制采样的频率在250 Hz的程度内。

3.3 滤波器设计

（1）窗函数法

在进行设计的过程中，首先基于一般性的原理使得使用的低通、高通、带

通以及带阻滤波器的频域，有着科学合理的响应效果。另一方面，需要确定其滤波器的实际函数，并基于加窗截断的方式，进行针对性的处理与分析。另外，还需要保障能够基于用户指定的设计参数进行设计，满足使用的需求。

在运行这种程序的过程中，往往需要对其窗函数法进行相应的合理化检验。在实践中可以发现，这样的窗幻术设计方式，可以很好的对其窗型、窗户长度进行合理性的设计，以此保障其窗户函数充分的满足相应的实际阻带需求。因此，这种窗函数方法可以直接进行滤波器的函数设计，是一种较为简单的设计方式。

（2）频率采样法

相比较窗函数的方式，频率采样法是一种在时域当中对近似理想的脉冲响应进行分析。在使用这种方法时，需要保障其在有效的频率当中进行相应近似理想频率的响应分析。为了降低逼近误差的效果，就需要尽可能的降低通带边缘位置的处理效果，以此对其理想滤波器当中的频响进行相应的处理。另外，需要注意在使用滤波器的过程中，还要结合实际的使用环境以及设备的性能特征，这样才能充分发挥极零点抵消的作用，提升滤波的去除效果。

结论：综上，以“极零点抵消”为平台构建的滤波器，在各类滤波单元整合下，能够提升心电信号干扰问题的去除效果；同时，滤波器具有程序结构的简易性，在程序运行期间，以整数系数为运算视角，提升了运算过程的简便性，合理控制了计算量，保证了滤波处理能效。