心電信號噪聲處理的研究

李文濤

摘要：心電信號是一種微弱信號，是現(xiàn)代生命科學(xué)研究的重要組成部分，但其非常容易收到噪聲的干擾。因此，想要檢測心電信號就必須要采用能夠抑制噪音的技術(shù)，同時也要增強心電信號中的有用信息。所以需要提高對波形的檢測識別能力，也需要對心電信號進行去噪音的預(yù)處理，尤其是對那些干擾心電信號非常強的噪音，預(yù)處理對心電信號的作用顯得尤其重要。本文的主要目的是針對心電信號的原理進行詳細分析，并根據(jù)其特點，對于不同的噪音選取不同的降噪方法進行描述。

關(guān)鍵詞：心電信號 心電噪聲 數(shù)字濾波系統(tǒng) 滑動平均方法 最小二乘多項式擬合方法

中圖分類號：TN911.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0085-02

1 人體心電信號的產(chǎn)生機理

心電是心臟的每個心動周期中，由起搏點、心房、心室相繼興奮，從而引起的生物電的變化，這生物電的變化就被稱之為心電。心電的產(chǎn)生與心肌細胞的除復(fù)極作用密不可分。當(dāng)心肌細胞處在靜息狀態(tài)時，細胞膜的內(nèi)外分別帶有同等數(shù)量的正負電荷，這也是極化狀態(tài)的體現(xiàn)，當(dāng)靜息狀態(tài)下的細胞膜內(nèi)外出現(xiàn)電位差時，即被我們稱之為靜息電位，這個值也是相對恒定的。當(dāng)心肌細胞的細胞膜收到一定的刺激時，其表面的通透性就會出現(xiàn)改變，細胞膜內(nèi)外的陰陽離子就會出現(xiàn)流動，心肌細胞也會因此表現(xiàn)出除極化和復(fù)極化，而且在這個過程中，受刺激的心肌細胞會與臨近的細胞膜構(gòu)成一對電偶，這種變化形態(tài)能夠被置于體表的儀器所捕捉。由心臟內(nèi)部所產(chǎn)生出來的電刺激脈沖，能夠使心房、心室的細胞興奮，從而有節(jié)奏的進行舒張和收縮，這也使得血液從心臟能夠流到全身各處，維持人體循環(huán)的正常運作。心電信號是從宏觀上來捕捉心肌細胞的除極和復(fù)極過程，能夠從一定客觀的程度來體現(xiàn)心臟的生理狀況，因此心電信號在臨床醫(yī)學(xué)中有著重要的作用。

2 心電信號基本構(gòu)成

心電信號由P、QRS、T波和靜息期組成，如圖1，各波具有不同的頻率特性，是一種典型的具有明顯時頻特稱與時間—尺度特征的生物醫(yī)學(xué)信號。

P、QRS、T波以及PR，ST，QT間期都不同程度地反應(yīng)了心臟的功能的變化，因此通過算法實現(xiàn)對心臟功能的自動分析判別已日益成為一個比較熱門的研究方向。

3 心電信號特點

3.1 信號弱

心電信號是體表的電生理信號，一般比較微弱，幅度再10uV～4mV，頻率為0.05～100Hz。

3.2 噪聲強

由于心電信號是十分微弱的，而且人體自身也是十分復(fù)雜的系統(tǒng)，各自系統(tǒng)對于心電信號的捕捉也會產(chǎn)生一定的影響，因此信號容易受到噪聲干擾。

3.3 隨機性強

心電信號不僅是隨機的，而且是非平穩(wěn)的。同時，在心電圖檢測過程中極易受到各種噪聲源的干擾，從而使圖像質(zhì)量變差，使均勻和連續(xù)變化的心電數(shù)值產(chǎn)生突變，在心電圖上形成一些毛刺。使原本很微弱的信號很難和噪聲進行分解。

4 心電信號的噪聲來源分類

人體的心電信號十分微弱，噪聲干擾也比較強，根據(jù)最近研究表示，正常心電信號范圍在0.05-100Hz之間，而根據(jù)我們的大量研究得出，90%的心電信號（ECG）頻譜能量是集中在0.25-35Hz之間，這也使得我們想要采集出有效的心電信號，肯定會受到大量噪音的干擾，研究表明，這些噪音的來源往往是以下幾種：

4.1 工頻干擾

人體耦合50Hz工頻干擾是由于人體內(nèi)所分布的電容與電極引線環(huán)路受工頻電、磁場等干擾從而形成50Hz的工頻干擾，其模型也是由50Hz的正弦信號和諧波構(gòu)成的。其幅值與ECG峰峰值相比相當(dāng)或者更強。

4.2 電極接觸噪聲

電極接觸噪聲不是一直存在的，它是由于電極與肌膚接觸時出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象，也就是病人與檢測系統(tǒng)連接時沒連接好導(dǎo)致的。但這種接觸不良現(xiàn)象是瞬時的，如病人在轉(zhuǎn)動身體或者震動時而導(dǎo)致的設(shè)備松動、亦或者是檢測系統(tǒng)的開關(guān)或者放大器連接端出現(xiàn)接觸不良等等。電極接觸噪聲是一種瞬時的、隨機變化的階躍信號，它會不斷衰減到基線值，也存在這工頻成分。電極接觸噪聲并不只會發(fā)生一次，可能會發(fā)生多次，其特征值的時間常數(shù)一般在1S左右，達到記錄儀的最大值。

4.3 人為運動

人為運動所造成的也是瞬時的基線改變，但它不是階躍信號，是有電極在移動中與皮膚的阻抗出現(xiàn)改變而引起的。其所造成的基線干擾形狀與周期正弦信號比較類似，且在檢測時，其峰值的幅度與持續(xù)時間也不是一沉不變的，通常其幅值為幾十毫伏左右。

4.4 肌電干擾（EMG）

肌電干擾是指人體多種電現(xiàn)象混雜在一起，某一種生理量在某種場合可能是信號，而換作另一場合時則可能就變成了噪聲，這也是我們所謂的被測生理變量以外的人體電現(xiàn)象所引起的噪聲。肌電干擾主要成因是人體的肌肉顫動而引起，其發(fā)生率沒有固定性，頻率范圍一般在5～2000Hz之間。

4.5 基線漂移和呼吸時ECG幅值的變化

基線漂移和呼吸時ECG幅值在產(chǎn)生變化時，其原因基本為一下幾個原因：一是人體呼吸造成的；二是電極移動造成的；三是其它低頻干擾造成的等等，其頻率一般都小于5Hz，同時了，我們也可以將至看成為與呼吸同頻率的正弦分量，其頻率在0.015-0.3Hz之間時基線的變化幅度為ECG峰峰值的15%。

4.6 信號處理中用電設(shè)備產(chǎn)生的儀器噪聲

心電信號是人體心臟所發(fā)出的一種復(fù)雜精密切微弱的信號，因而它也十分容易受到其它干擾，這些干擾也會使得心電信號變得更為復(fù)雜，所以想要有效的檢測分析心電信號是一項十分艱巨的任務(wù)。而在使用設(shè)備時由于電流問題設(shè)備也會產(chǎn)生一定的噪聲，這也對心電信號的采集產(chǎn)生了一定的影響。

5 心電噪聲降躁方法研究

不同的噪聲其處理的方式也不盡相同，因而針對以上幾種噪聲，作者根據(jù)研究列出如下幾種處理方式。

5.1 工頻干擾處理方式

心電信號在采集時會出現(xiàn)各種各樣的干擾，而其中一個主要干擾源為工頻干擾，對于50Hz工頻干擾我們主要針對其處理的方式即為采用數(shù)字濾波系統(tǒng)。因此，想要去除心電信號中的工頻干擾，就必須對心電信號進行濾波，也就是要做好前端數(shù)據(jù)采集的軟硬件設(shè)備的設(shè)計，使得其能夠穩(wěn)定的對心電信號進行濾波，從而保證心電數(shù)據(jù)的可靠和準(zhǔn)確。數(shù)字濾波有很多優(yōu)點，其主要系統(tǒng)組成如圖2所示，心電信號通過多路輸入緩沖器緩沖放大，然后通過導(dǎo)聯(lián)選擇后再交由前置多路電壓放大，并使其適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換的幅度要求，從而進行數(shù)字濾波處理，并最終輸出濾波后的心電信號。數(shù)字濾波不僅僅能夠大幅度的提高設(shè)備的性能，同時其適應(yīng)性也十分強大，不同的使用環(huán)境均能夠通過設(shè)置軟件參數(shù)來完美適應(yīng)，大大降低了醫(yī)療設(shè)備的成本，提高了通用性能。

5.2 基線漂移處理方式

在對心電信號進行記錄時，要盡量保持基線在同一水平線上，如果出現(xiàn)基線漂移的鮮香，就會使得心電波形圖中各波的范圍與關(guān)系不清楚，從而影響對心電圖信號的識別。基線漂移的頻率一般在0.15～0.3Hz之間，其頻率十分低，這也使得心電信號的波段分量相接近，因此在測量當(dāng)中應(yīng)當(dāng)采取滑動平均方法來濾除基線漂移。

5.3 表面肌電噪聲的處理方式

表面肌電噪聲是人的肌肉神經(jīng)系統(tǒng)在運作時，出現(xiàn)肌肉纖維收縮而引起的生物電的變化，在捕捉心電信號時，心電電極會引起此噪聲的出現(xiàn)，肌電噪聲的出現(xiàn)是不定時不規(guī)則的，其波形一般較為快速且不規(guī)則，從屬于高頻噪聲，其頻率一般集中在5～40Hz之間，持續(xù)時間為50ms，其幅度為毫伏級。

對表面肌電噪聲的處理方式為最小二乘多項式擬合方法。一般我們會將固定個數(shù)的點合并在一起從而形成一個多項式，在這個多項式中，多項式在xi的值給出光滑值gi。一個M次多項式用pi（x）表示，它在最小二乘意義下擬合nL+nR+1個點（nL為xi左邊點的個數(shù)，nR為xi右邊點的個數(shù)），這樣就有g(shù)i=pi（x）。將每一個采樣點前后7個采樣點進行近似值計算，測試數(shù)據(jù)頻率為360Hz，則nL=nR=7，且令M=4，根據(jù)具體的測試可以看到高頻段的肌電噪聲抑制較為明顯。

6 結(jié)語

綜上所述，本文通過分析心電信號產(chǎn)生機理、構(gòu)成特點以及噪聲源的形成方式，并主要針對心電信號噪聲及如何根據(jù)不同噪聲選取不同的降噪方法進行了闡述和分析。不同的心電信號噪聲通過不同的擬合實驗均達到了良好的降噪效果。本文的結(jié)論為盡量消除混雜在心電信號的噪聲和干擾，提高對疾病診斷的準(zhǔn)確性具有重大意義。

參考文獻

[1]陳天華，韓力群，鄭彧.心電信號噪聲的數(shù)字濾波研究[J].微計算機信息，2008（18）.

[2]萬相奎，徐杜，張軍.心電信號小波消噪方法的研究[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2008（04）.

[3]袁峰.心電信號噪聲處理的研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014年05期.