一种改进的心电信号基线漂移矫正方法

1、收稿日期:2006-09-10 修回日期:2006-11-02第24卷 第11期计 算 机 仿 真2007年11月文章编号:1006-9348(2007011-0107-03一种改进的心电信号基线漂移矫正方法阴玺1,杨浩1,卞玉萍2,罗辞勇1(1.重庆大学电气工程学院,重庆400044;2.南京工程学院,江苏南京210013摘要:传统滑动平均滤波法有实现容易、计算简单的优点,但在矫正心电信号的基线漂移时容易造成有用心电信号的丢失,从而使滤波后的心电信号产生失真。文中在传统滑动滤波器的基础上,考虑心电数据的采样率并进行跳跃采样对算法进行改进,给出了改进算法的数学模型,并利用M I T -B I

2、H 心电数据库中的实测数据对两种算法进行了比较验证。实验表明改进算法处理后得到的结果,在矫正心电信号的基线漂移时与原算法相比,减少了有用心电信号的损失,滤波后的心电信号失真更小,与原始数据的吻合度更高,效果更理想。关键词:心电信号;基线漂移;滑动平均滤波器;检测中图分类号:R318.04 文献标识码:AAn I mprovedM ethod for Rectifyi ng ECG Signals BaselineDrift Based on M ovi ng A verage FilterY IN X i 1,YANG H ao 1,B I A N Y u-ping 2,LUO C i-yon

3、g1(1.E lectric Eng i neer i ng Co llege o f Chongqi ng U niversit y,Chongqi ng 400044,Ch i na ,2.N an ji ng Institute of T echnology ,N anji ng Jiangsu 210013,Ch i naABSTRACT:T he traditi onalm ethod based on m ov i ng ave rage filte r is easy to be i m ple m en ted and ca lcu l ated ,bu t a -l so c

4、auses t he l o ss o fm o ti ve EC G si gnals ,w hich makes dist o rti ons of filtered ECG si gnals .Th i s pape r puts up a leap samp li ng on consi derati on o f t he sa m pli ng ra te o f t he ECG si gna l to i m prove t he orig i nal arith m etic based on the T rad-i tiona lM ov i ng A verage fil

5、ters ,and g ives out an i m proved m at hema ti c mode,l and m akes a co m pared vali dati on of t he da ta fro m the M I T -BI H card i oe l ectric database .The exper i m ent sho w s t hat co m pared w it h the trad iti ona l filter arith -m etic of re m ov ing ECG base line drift ,the i m proved

6、arith m etic reduces the l o ss ofm o ti ve ECG si gna l s and d i stortions ,ob tains a good agree m en tw ith the initial da ta and the e ffect is even better .KEY W ORDS :ECG si gna;l Base line dr ift ;M ov i ng average filter ;D etecti on1 引言心电图中ST 段水平变化的趋势表明了心血管失调的临床信息,对心肌缺血、心肌梗塞的发现和治疗有非常重要的价值。

7、由于测试设备以及人体自身的某些因素,会产生基线漂移,导致心电信号记录出现一些误差。其中由呼吸引起的基线漂移最严重,它的频率一般在0.15H z 到0.3H z 左右,而ST 段的频率在0.7H z 左右,两者的频率很近,因此基线漂移对ST -T 段的正确检测会产生很大的影响。目前矫正基线漂移的数字滤波方法有滑动平均滤波、插值拟合法、简单整系数滤波法、小波变换法等。其中滑动平均滤波1实现容易,是较为常用的滤波方法;插值拟合法2是采用多项式拟和的方法得到基线,再从原始信号中减去该基线以得到滤波后的信号,该方法要求事先确定心电周期中的P -Q 段的准确位置,因此常用于心电信号的后处理中对波形进行整理

8、;简单整系数滤波法3-4采用全通减低通的方法达到矫正基线的目的,该方法计算量小,但是在去除基线漂移时由于全通网络会带来较大的延迟性;小波变换的方法5-6主要是通过小波变换将信号分解成高频层及低频层,再在低频层得出逼近信号,就可以消除基线漂移,不过在去除基线漂移时需要分解的层数多达数十层,计算量大,运算复杂,不易满足实时处理。本文目的是在传统常用的滑动平均滤波器法的基础上进行算法改进研究,解决去除心电信号基线漂移时产生的滤波失真等问题。2 传统滑动平均滤波器的数学模型传统滑动平均滤波器法一般采用多点滑动平均滤波器,N 点平均滤波器的抽样响应是:107考虑如下形式的滤波器:h(n=1/N n=0,

9、1,N -1其他(1显然,该系统的转移函数是:H (z=1N E N-1n=0z -n =1N 1-z -N1-z -1(2对应的时域差分方程是:y(n=1N E N -1k=0x (n-k=1Nx (n+x(n-1+,+x(n-N +1(3(1(3式对应的系统即为平均滤波器。令H 1(z=1-z -NN (4a H 2(z=11-z -1(4b 则H (z=H 1(zH 2(z,H 1(z的零点在单位圆上均匀分布,即H 1(z=1N F N-1k=0(1-e j 2P N k z -1(5它在z=1处的零点正好和H 2(z的极点相抵消,因此该滤波器是一个FIR 滤波器。使用这种简单形式的平均

10、滤波器,可以起到去除噪声、提高信噪比的作用。其噪声减少比是:NRR =E N-1n=0h 2(n=N (1/N 2=1/N(6 因此,只要有足够大的N,就可以获得足够小的NRR,但是N 过大会使滤波器有过大的延迟(群延迟S g (X =(N -1/2,而且会使其主瓣的单边的带宽大大降低,这就有可能在滤波时使有用的信号也受到损失。因此,N 不宜取得过大,本文取N =5,式(3就简化为下式:yi=(x i+xi -1+xi-2+x i-3+xi -4/5(7式中x i为原始带有干扰的心电信号,yi为要滤除的干扰数据,用原始心电信号减去干扰数据就得到去除基线后的/干净0信号。3 改进的滤波算法由于心

11、电信号的相邻数据具有很高的相似性,因此采用的连续几点的数值相差不大,这对拟合信号的缓慢变化趋势是很不利的,因此考虑跳跃抽取心电数值来参与平均,每隔一定的步长抽取到的心电数据,如下所示:y i=(xi -4*step+xi -3*step+x i-2*step+x i-1*step+x i/5(8step 为计算步长,根据实际心电信号的采样率而定,采样率越大,计算步长越大。为了避免小尖峰的出现,在滑动平均过程中,对于R 波出现的位置及其附近不用该点的数值平均,就可以有效的避免R 波信息的丢失。因此在矫正基线漂移之前要粗略判断当前点是否是R 波峰值所在位置点,如果是,就不参与滑动平均的计算:y i

12、=(xi -4*step+xi -3*step+xi-2*step+xi-1*step/4(9R 波具有幅度大、斜率大的特点,但基线漂移使得R 波在幅度上很难判定,因此在进行心电信号矫正时只根据斜率来粗略判断R 波。临近点的相似性使得采用连续的两点不能突出R 波斜率大的特点。从心电波中可以看出QR 波之间斜率是最大的,QR 之间的平均间隔为0.02秒,当采样率为360H z 时,QR 波之间大约间隔7个点(0.02360=7.2,相应斜率步长为7。即第i 点的斜率如下:sl ope(i=|x (i -x(i-7|7T si=8,9,(10其中T s 是采样周期。对于均匀采样,每两个点之间的间隔

13、是相等的,因此在计算斜率时,式(8可以简化为:sl opei=|x i-xi-7|i=8,9,(11R 波粗略判断依据如下:先从待分析的数据中选取前15秒数据作为样本,依次计算每点的斜率,然后找出最大值sl ope_m ax ,取斜率阈值为slope_thr=k *slope_m ax ,其中k 为阈值系数,一般根据实际数据测试经验取值,在0.3到0.7之间。如果某一点的斜率超过该阈值,则按式(9计算,否则按式(8计算,这样得出的信号就尽可能的减少了R 波信息的损失。图1 基于滑动平均滤波器基线漂移消除仿真4 实验结果实验研究所采用的心电数据来源于M I T -BI H 心律失常数据库中的实测

14、数据,其中原始心电信号采样率为360H z 。采用式(7所示的传统滑动平均滤波器进行基线矫正的108图2改进后滑动平均滤波器基线漂移消除仿真结果如图1所示。从图1中滑动平均滤波后的信号可以看出,在R波出现的地方都有一个小的尖峰,使去除基线漂移后的心电信号R波峰值有所减少,从而丢失了部分有用信号。经分析表明R波出现的位置及其附近的数值太大,从而导致平均值也大,从而造成小尖峰。利用改进后的滑动平均滤波算法对同一心电信号滤波结果如图2所示。图2表明,滤波后信号中R波所在位置的小尖峰明显较少,且去除基线漂移后的心电信号R波峰值与原始心电信号R波峰值基本一致。5结论本文对传统滑动滤波器的基础上,考虑心电

15、数据的采样率并进行跳跃采样对算法进行改进。采用经改进的滤波算法后,基线漂移得以矫正,原始信号的损失度可以忽略,解决了原有算法在矫正心电信号的基线漂移时容易造成有用心电信号的丢失,滤波后的心电信号产生失真的问题。得到的心电信号与原始数据的吻合度更高,效果比较理想。与其它方法相比较,本方法具有原理简单,计算量小等优点,对信号中的有用成分影响极小。且产生延迟小,易于实时处理,因此适于临床应用。参考文献:1胡广书.数字信号处理理论、算法与实现(第二版M.北京,清华大学出版社,.2003.335-340.2L E B aker.App lications of t he i m p edance tec

16、hn i que to the res p ira-tory syste mJ.I EEE Engineeri ng i nM ed ici ne and B i ol ogyM aga-zi n e.1989,3:50.3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(一J.中国医疗器械杂志,1989,13(2:99-101.4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(4:226-229.5李小燕,王涛,冯焕清,詹长安.基于小波变换的自适应滤波器消除ECG中基线漂移J.中国科学技术大学学报.2000,30,(4:450

17、-454.6陆英北,张增芳,蔡坤宝.基于小波变换的心电信号基线矫正方法J.北京生物医学工程,2000,19(4:235-239.7J un-q i n Hu ang,X i ao-fengM eng,Song L,i A ne w adap ti ve s i g-na ldetector i n t he nois esC.I EEE proceedi ngs of the1992Sy m-pos i u m on2-3J une,1992.259-262 .作者简介阴玺(1982-,男(汉族,山西省平遥县人,重庆大学电气工程学院硕士研究生,主要研究方向为心电远程监护系统;杨浩(1960-,

18、男(汉族,上海人,重庆大学电气工程学院副教授,主要从事工程数字信号处理、医学成像理论研究;卞玉萍(1980-:女(汉族,安徽宿州市人,助教,研究方向:供电规划设计,生物医电等;罗辞勇(1973-:男(汉族,安徽灵壁人,博士,研究方向:生物医电、电机与电器。(上接第88页3H u i Sh,i T etsush iAbe,H iroh ito Suda.An iterati ve trans m issionpo w er allocati on s ch e m e for M I M O-OFD M s yste m sC.V eh i cu-l ar T echnol ogy Con.f(VTC.2004Fall.S ept,2004,pp.48284832.4S Verdu.M u l ti user Detecti onM.Ca m bri dge Un ivers it y P ress,1998.5H o w ard H uang,et a.l Increasi ng t he peak dat a rate of3G do w n li nkp acket data syste m s us i ng mu lti p l e antennasC.I EEE Veh icu l ar Tec hno l ogy C on.f(VTC.2003Sp ri ng.Ap