一种滤除基线漂移和工频干扰 的数字滤波算法

1、一种滤除基线漂移和工频干扰的数字滤波算法邹 波 1,周 远1,2(1.深圳职业技术学院 电子与信息工程学院,广东 深圳 518055;2.南昌大学电子工程系,江西 南昌 330029摘 要:介绍了一种用于心电监护的数字滤波算法,对滤波器的设计,包括滤波原理、整系数数字滤波器 的波型特征、实现方框图及 10点平均数字滤波器进行了分析,并给出心电信号的滤波效果图。实验结果表明, 该算法能有效滤除基线漂移和工频干扰,算法简单实用。关键词:数字滤波;基线漂移;工频干扰;心电监护中图分类号:TN911 文献标识码:A 文章编号:1672-0318(2005 04-0003-03心电信号(ECG 是心脏电

2、活动在人体体表 的表现,信号一般比较微弱,幅度为毫伏级,频 率为 0.05-100Hz 。在心电信号的采集、放大、检 测等过程中,有来自外界的各种干扰,其中受呼 吸影响和电极与皮肤接触滑动产生的基线漂移, 交流电 50Hz 及其多次谐波引起的工频干扰尤为 普遍。消除或减少基线漂移和工频干扰是识别心 电信号特征和参数的前提,在心电检测仪器中尤 其重要。本文针对这 2种干扰设计了一种数字滤 波算法。1 滤波器的设计1.1 滤波原理基线漂移由于人体的微动与电极接触不良 引起的电极接触噪声、 运动伪迹 (基线变化 和由 于呼吸引起的。基线漂移表现在 ECG 信号上叠 加的一个缓慢的变化量,其频率低于

3、1Hz 1,属 于超低频信号。工频干扰是由于 50Hz 交流电及 其多次谐波引起的,表现在 ECG 信号上叠加的 微小毛刺。典型的叠加了基线漂移和工频干扰的心电信 号如图 1所示。(a(b图1 叠加了基线漂移 (a和工频干扰 (b的心电信号根据以上分析,基线漂移属于超低频信号,可以用高通滤波器把基线漂移从 ECG 原始采样信号中2005年第 4期 Journal of Shenzhen Polytechnic No.4, 2005深 圳 职 业 技 术 学 院 学 报 收稿日期:2005-09-23基金项目:深圳职业技术学院重点科技基金资助项目 (03Kje071 作者简介:邹波(1962-

4、,男,湖南常德人,高级工程师,硕士,研究方向为嵌入式系统技术。4 深圳职业技术学院学报 第 4卷 消除。对工频干扰,则采用 50Hz 及其谐波陷波器 来滤除。 因此, 我们希望的理想滤波器应有如图 2所示的幅频特性。图2 滤波器的幅频特性1.2 整系数数字滤波器为了使相位不产生失真,滤波器还应有线形 的相位特性 2。图 2所示的理想滤波特性可以用全 通网络 H 1和梳状滤波网络 H 2的组合来实现。全通 网络只具有延迟特性,起到抵消梳状滤波网络带 来相位延迟的作用。梳状滤波网络用整系数实现。 按图 3所示的结构, 其传递函数和频率响应分别为:21H H H = (1(*/211( (* 1rr

5、 k m mk z H z zq z = (2m w m k r j jw kw rw q e e H 2/sin( 2/sin(*1( (2/* (= 2/* (*w m k r j e (3(m , k , r , q 均为整数式(2 , (3中,等号右边第一项代表全通 网络,后面一项是梳状滤波器,全通滤波器、梳 状滤波器及整系数数字滤波器幅频特性见图 4-6。 图 3 整数数字滤波器结构图 图 4 全通滤波器幅频特性图图 5 梳状滤波器幅频特性图图 6 整系数数字滤波器幅频特性图为了保证数字滤波器起到 50Hz 谐波陷波器作用 , 采 样 频 率 应 取 50Hz 的 整 数 倍 3。

6、则10s p f k f =, (s f 为采样率, s f =500Hz , p f =50Hz ,在 k 值确定之后,选择适合的 r 和 m ,则可确定整个滤波器的通带、阻带和过渡带特性,在这里取 2m =, 80r =,则有 8r q =, 式中 q 为梳状滤波器的增益因子,这样可把乘 1/q 的运算转换为二进制数的算术右移处理,使处理速 度加快。根据以上分析,式(3就变成:807021011( (* 81z H z z z= (4 式(4差分方程为:21( (70 ( (80 (10 64y n x n x n x n x n =+(5在具体实现过程中,上述差分方程分步计算:11( (

7、 (80 (10 y n x n x n y n =+ (5-12112( ( (80 (10 y n y n y n y n =+ (5-22( (70 64y n y n x n =(5-3 其中, x (n 是输入信号, y (n 是输出信号。1.3 10点平均数字滤波器由 1.2整系数数字滤波器处理后的心电信号还 有部分毛刺。我们采用 10点平均数字滤波器,构成 一个低通滤波器,消除了毛刺。11011101 (=z z z H (6 式(6差分方程为:12 (y n y =(n - y1(n -10 +y 2(n -1 (7(101(2n y n y =(82 实验结果实验中用到的心电

8、数据采样位数为 12位, 采样 频率为 500Hz 。 对图 1所示的 2段 ECG 信号进行简 单整系数数字滤波后得到图 7所示波形。对图 7所示的 ECG 信号进行 10点平均后得到的 ECG 信号如 图 8(a, (b所示。y (n f (HzH 1(f f (HzH 2(f 150 100 0 150100f (HzH 1(f -H 2(f 第 4期 邹 波,等:一种滤除基线漂移和工频干扰的数字滤波算法 5 (a (b图7 整系数滤波后的 ECG 信号(a (b图8 10点平均后的 ECG 信号由实验结果可以看出, 图 8所示的 ECG 信号 较图 1所示的原始 ECG 信号,基线趋于

9、平稳, 毛 刺明显减小。因此,本文提出的数字滤波算法能 够有效抑制基线漂移和减少工频干扰。本算法已 经应用到产品远程心电监护系统中,实际应用表 明算法实现简单,效果良好。参考文献:1 杨福生,吕杨生.生物医学信号的处理和识别M.天津科技翻译出版公司,1997.2 沈凤麟,陈和晏.生物医学随机信号处理M.中国科技大学出版社,1999.3 赵 捷,华 玫.滤除基线漂移和工频干扰的简单数字滤波器J.山东生物医学工程,1995,14(3-4 :26-28.A Digital Filter Algorithm for Filtering Baseline Wander andPower-line Int

10、erferenceZOU Bo1, ZHOU Yuan2 , 1(1.School of Electronics and Information Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055,China;2.Department of Electronic Engineering, Nanchang University, Nanchang,Jiangxi 330029,ChinaAbstract: The paper introduces a digital filter algorithm used in ECG monitoring. Experimental resultsshow that algorithm can remove the baseline wander and power-lin