心电信号预处理算法研究
心电信号是最早被人类研究并且最早被应用到临床医学中的生物信号之一，因其易于检测且具有十分直观的规律性，因而在医学上被广泛应用。但是由于心电信号非常微弱，因此在采集的时候很容易受到各种因素的影响，比如高频噪声的干扰，基线漂移，以及工频干扰等。因而，对心电信号预处理就显得相当重要。本课题主要研究了对采集得到的心电信号预处理的方法，用数字滤波的方式抑制了各类噪声干扰，提高后续检测和分析的准确性，重点研究了如何抑制工频和噪声干扰以及基线漂移。 M000107
关键词：心电信号 滤波 基线漂移
ECG signal preprocessing algorithm
ECG heart activity is biological signals generated excitement when myocardium is one of the earliest studies of human biological signal is applied to one of the earliest biological signals in clinical medicine. Because it has a very intuitive and easy to detect regularity, which is widely used in medicine. However, due to the ECG is very weak, so it is easily affected by the acquisition of a variety of factors, such as high frequency noise interference, baseline drift, and frequency interference. Thus, the ECG signal preprocessing becomes very important. This paper studies the ECG signal preprocessing methods for collection obtained by digital filtering a variety of ways to suppress noise, improve the accuracy of subsequent testing and analysis, focusing on how the frequency and noise suppression, and baseline drift.
Keywords: ECG；baseline drift；filter
目录 查看完整请+Q:351916072获取
1.绪论
1.1心电信号概述
1.2心电信号预处理算法研究的意义与背景
1.3本文主要内容
2.心电信号主要的噪声来源
2.1工频干扰
2.2肌电干扰
2.3电极接触噪声
2.4电子设备产生的高频仪器噪声
3.心电信号的几种常见预处理算法
3.1去趋势算法
3.1.1基于多项式拟合的方法
3.1.2平滑先验方法
3.1.3基于小波分解的方法
3.2去脉冲算法
3.2.1心率变异序列中的脉冲概述
3.2.2基于脉冲一直滤波器算法
4.滤波器的设计
4.1抑制高频噪声的滤波器的设计
4.2抑制基线漂移的滤波器设计
5.总结与展望
6.参考文献
7.致谢
1.绪论
1.1心电信号概述
心电信号在不同层面表现了心脏的内部特征和工作状态，是心脏电运动在人体表的综合反映，因其直观和易于检测的特性，在1903年心电图被引入医学临床。自此，在工程学和生物医学方面，心电信号的记录，处理以及诊断技术均积累了及其丰富的资料并且取得突飞猛进的发展。
1.2心电信号预处理算法研究的意义与背景
近年来，心血管疾病仍然是人们谈之色变的话题，其中有数据表明每三个死者里面就有一个是死于心脏病。因此，作为诊断心血管疾病重要手段之一的心电信号的检测与分析就显得格外重要。
由于心电信号较微弱，易受环境影响，因此，想要准确的检测与分析，必须对其进行预处理。
心电信号的预处理主要是要抑制心电信号中的噪声干扰。一般情况下，人体表测得的心电信号受到的干扰可以分为下面七种，基线漂移，肌电干扰，工频干扰，运动干扰，电极极化噪声，电极接触噪声以及放大电路内部噪声。
工频干扰处于ECG频带范围内，是心电信号检测与分析过程中不得不考虑的干扰，同时他会降低系统信噪比，消除有用信号，因此抑制工频干扰相当重要。早期被采用的平滑滤波，虽然速度快，算法简单，效果好，但是通频带太窄，信号衰减大，所以不能用于临床诊断。1977年，Lynn提出整系数滤波法即用IIR来实现FIR滤波器，保证低计算量的同时也保证了严格的线性相位。1984年，Levkov提出数字滤波法。1988年，Christov改进此滤波法。2000年，Sunjingxia又在此基础上加上QRS，提出了开关函数法。此方法运算量小，而且在实现滤波的同时保证波形不失真。2001年，Santpal Singh Dhillon和Dr.Saswat Chakrabarti提出了基于自适应IIR陷波器的消除心电信号工频干扰的方法。2003年，SurapunYimman提出改进的零极点分布算法。2006年，ChengMuhuo和TsaiJauhong提出基于Steiglitz-McBride MethodSMM的陷波器算法。2007年，WangDengke，ZhangHainan，ShiYikai等提出基于DSP的消除心电信号噪声的方法研究。2008年，MengXu等提出了一种新型的IIR自适应陷波器。
基线漂移影响了心电信号的获得和诊断，给临床医学带来很大的麻烦。去除基线漂移常用基线拟合法，即除掉信号里的漂移部分，提取信号的基线。1984年，Thakor设计了巴特沃斯带通滤波器，缺点是不能滤除大幅的基线漂移。2000年，LiXiaoYan等提出了基于小波分析的自适应滤波法。2003年，ZhuHongJun提出了心电信号零相位数字滤波算法，有效地去除了心电信号的基线漂移。2004年CaiKun提出了改进的中值滤波法。2005年，LishengXu，DavidZhang，Kuanquan Wang等人提出一种基于信噪比和小波的自适应滤波法，来消除心电波形中的基线漂移。2006年，MAMneimneh，EE Yaz，MT Johnson和RJ Povinelli提出了自适应的卡尔曼滤波法，利用独立于信号特征值的二次多项式近似值，实时地移除基线漂移。
总之，心电信号的预处理包括经典的数字滤波技术和现代的信号处理技术。
1.3本文主要内容
本文根据以上情况，用窗函数法设计了抑制高频噪声的滤波器以及分别采用普通的IIR高通滤波、SPA滤波和中值滤波三种方法设计了抑制基线漂移的滤波器，并且对心电波形的基线漂移进行处理，并对结果进行比较。
具体结构安排如下：
第一章是绪论，介绍了心电信号的概念及特点，并且阐述了心电信号预处理算法研究的现状和背景。
第二章详细介绍了心电信号的主要噪声来源，即高频干扰，肌电干扰，电极接触噪声和电子设备产生的高频仪器噪声。
第三章介绍了几种常用的心电信号预处理算法。
第四章通过实验分别设计了抑制工频干扰和基线漂移的滤波器。
第五章总结与展望，总结全文，提出进一步的研究方向。
2.心电信号主要的噪声来源
2.1工频干扰
如图1所示，工频干扰的幅值在心电信号峰-峰值的0-50%的范围内改变，它可以由电力系统引起，也可以由50HZ及其谐波构成。各类电子设备都属于工频干扰，峰值的改变也很容易。移动导线，天气干燥，摩擦起电效应等等都会使峰值发生改变。又因为工频干扰在ECG的频带范围内，所以检测和处理心电信号的过程中不得不考虑工频干扰。
图1工频干扰示意图
2.2肌电干扰
肌电，顾名思义，肌肉伸缩时产生的电势。如图2 所示，它的频率范围相当大，可以从直流到10000hz。但是它很微弱，属于微伏级的电势，可维持50秒左右，幅值差不多相当于心电信号峰峰值的10%。一旦处于运动状态，肌电将会不停的增强，人体各个部位都会有不同程度的运动，运动负荷增强了，信号形态也会随之发生变化，这样由于干扰噪声混进了记录的信号里，使得信号质量变的相当差。 查看完整请+Q:351916072获取
关键词：心电信号 滤波 基线漂移
ECG signal preprocessing algorithm
ECG heart activity is biological signals generated excitement when myocardium is one of the earliest studies of human biological signal is applied to one of the earliest biological signals in clinical medicine. Because it has a very intuitive and easy to detect regularity, which is widely used in medicine. However, due to the ECG is very weak, so it is easily affected by the acquisition of a variety of factors, such as high frequency noise interference, baseline drift, and frequency interference. Thus, the ECG signal preprocessing becomes very important. This paper studies the ECG signal preprocessing methods for collection obtained by digital filtering a variety of ways to suppress noise, improve the accuracy of subsequent testing and analysis, focusing on how the frequency and noise suppression, and baseline drift.
Keywords: ECG；baseline drift；filter
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1.绪论
1.1心电信号概述
1.2心电信号预处理算法研究的意义与背景
1.3本文主要内容
2.心电信号主要的噪声来源
2.1工频干扰
2.2肌电干扰
2.3电极接触噪声
2.4电子设备产生的高频仪器噪声
3.心电信号的几种常见预处理算法
3.1去趋势算法
3.1.1基于多项式拟合的方法
3.1.2平滑先验方法
3.1.3基于小波分解的方法
3.2去脉冲算法
3.2.1心率变异序列中的脉冲概述
3.2.2基于脉冲一直滤波器算法
4.滤波器的设计
4.1抑制高频噪声的滤波器的设计
4.2抑制基线漂移的滤波器设计
5.总结与展望
6.参考文献
7.致谢
1.绪论
1.1心电信号概述
心电信号在不同层面表现了心脏的内部特征和工作状态，是心脏电运动在人体表的综合反映，因其直观和易于检测的特性，在1903年心电图被引入医学临床。自此，在工程学和生物医学方面，心电信号的记录，处理以及诊断技术均积累了及其丰富的资料并且取得突飞猛进的发展。
1.2心电信号预处理算法研究的意义与背景
近年来，心血管疾病仍然是人们谈之色变的话题，其中有数据表明每三个死者里面就有一个是死于心脏病。因此，作为诊断心血管疾病重要手段之一的心电信号的检测与分析就显得格外重要。
由于心电信号较微弱，易受环境影响，因此，想要准确的检测与分析，必须对其进行预处理。
心电信号的预处理主要是要抑制心电信号中的噪声干扰。一般情况下，人体表测得的心电信号受到的干扰可以分为下面七种，基线漂移，肌电干扰，工频干扰，运动干扰，电极极化噪声，电极接触噪声以及放大电路内部噪声。
工频干扰处于ECG频带范围内，是心电信号检测与分析过程中不得不考虑的干扰，同时他会降低系统信噪比，消除有用信号，因此抑制工频干扰相当重要。早期被采用的平滑滤波，虽然速度快，算法简单，效果好，但是通频带太窄，信号衰减大，所以不能用于临床诊断。1977年，Lynn提出整系数滤波法即用IIR来实现FIR滤波器，保证低计算量的同时也保证了严格的线性相位。1984年，Levkov提出数字滤波法。1988年，Christov改进此滤波法。2000年，Sunjingxia又在此基础上加上QRS，提出了开关函数法。此方法运算量小，而且在实现滤波的同时保证波形不失真。2001年，Santpal Singh Dhillon和Dr.Saswat Chakrabarti提出了基于自适应IIR陷波器的消除心电信号工频干扰的方法。2003年，SurapunYimman提出改进的零极点分布算法。2006年，ChengMuhuo和TsaiJauhong提出基于Steiglitz-McBride MethodSMM的陷波器算法。2007年，WangDengke，ZhangHainan，ShiYikai等提出基于DSP的消除心电信号噪声的方法研究。2008年，MengXu等提出了一种新型的IIR自适应陷波器。
基线漂移影响了心电信号的获得和诊断，给临床医学带来很大的麻烦。去除基线漂移常用基线拟合法，即除掉信号里的漂移部分，提取信号的基线。1984年，Thakor设计了巴特沃斯带通滤波器，缺点是不能滤除大幅的基线漂移。2000年，LiXiaoYan等提出了基于小波分析的自适应滤波法。2003年，ZhuHongJun提出了心电信号零相位数字滤波算法，有效地去除了心电信号的基线漂移。2004年CaiKun提出了改进的中值滤波法。2005年，LishengXu，DavidZhang，Kuanquan Wang等人提出一种基于信噪比和小波的自适应滤波法，来消除心电波形中的基线漂移。2006年，MAMneimneh，EE Yaz，MT Johnson和RJ Povinelli提出了自适应的卡尔曼滤波法，利用独立于信号特征值的二次多项式近似值，实时地移除基线漂移。
总之，心电信号的预处理包括经典的数字滤波技术和现代的信号处理技术。
1.3本文主要内容
本文根据以上情况，用窗函数法设计了抑制高频噪声的滤波器以及分别采用普通的IIR高通滤波、SPA滤波和中值滤波三种方法设计了抑制基线漂移的滤波器，并且对心电波形的基线漂移进行处理，并对结果进行比较。
具体结构安排如下：
第一章是绪论，介绍了心电信号的概念及特点，并且阐述了心电信号预处理算法研究的现状和背景。
第二章详细介绍了心电信号的主要噪声来源，即高频干扰，肌电干扰，电极接触噪声和电子设备产生的高频仪器噪声。
第三章介绍了几种常用的心电信号预处理算法。
第四章通过实验分别设计了抑制工频干扰和基线漂移的滤波器。
第五章总结与展望，总结全文，提出进一步的研究方向。
2.心电信号主要的噪声来源
2.1工频干扰
如图1所示，工频干扰的幅值在心电信号峰-峰值的0-50%的范围内改变，它可以由电力系统引起，也可以由50HZ及其谐波构成。各类电子设备都属于工频干扰，峰值的改变也很容易。移动导线，天气干燥，摩擦起电效应等等都会使峰值发生改变。又因为工频干扰在ECG的频带范围内，所以检测和处理心电信号的过程中不得不考虑工频干扰。
图1工频干扰示意图
2.2肌电干扰
肌电，顾名思义，肌肉伸缩时产生的电势。如图2 所示，它的频率范围相当大，可以从直流到10000hz。但是它很微弱，属于微伏级的电势，可维持50秒左右，幅值差不多相当于心电信号峰峰值的10%。一旦处于运动状态，肌电将会不停的增强，人体各个部位都会有不同程度的运动，运动负荷增强了，信号形态也会随之发生变化，这样由于干扰噪声混进了记录的信号里，使得信号质量变的相当差。 查看完整请+Q:351916072获取
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