基于EEMD和自適應濾波的手指心電信號基線漂移消噪算法

殷成龍 張曉紅 葉海慧

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基于EEMD和自適應濾波的手指心電信號基線漂移消噪算法

殷成龍1張曉紅1葉海慧2

1.杭州電子科技大學通信工程學院，浙江 杭州 310018 2.浙江大學醫學院附屬婦產科醫院，浙江 杭州 310006

針對手指心電數據的基線漂移問題，提出了一種新的聯合集合經驗模式分解（EEMD）和自適應濾波的信號去噪方法。首先，采用EEMD將含噪信號分解為若干個固有模態函數（IMF）。其次將分解后高階IMF分量進行重構。然后用零相位濾波對重構信號進行處理，去除其中的高頻信息，作為自適應濾波器的參考輸入信號。最后，將該算法用于實際采集手指心電信號。結果表明，該方法能夠較好的去除手指心電信號中的基線漂移，失真度小，較好保留信號中的有用信息。

EEMD；自適應；手指心電信號；零相位濾波

心電（Electrocardiogram，ECG）信號是心臟的電活動表現，是一種微弱的非線性、非平穩信號。研究發現，利用傳感器在手指上采集到的手指心電信號極易受環境影響，這對特征波檢測、識別的準確度有很大的影響。ST段是診斷心肌缺血等疾病的重要依據，基線漂移和ST段的頻率有重疊，會對ST段分析產生影響。本文重點在于解決基線漂移與ST段的頻率重疊問題，保證在對手指心電信號進行分析前，ST段不會變形。[1]

1 EEMD算法

EMD[1]分解不需要選擇基函數，具有很好的自適應性。但是當相近特征時間尺度分布在不同IMF中時，導致相鄰2個IMF波形混疊，相互影響，造成模式混疊。EEMD[2]添加高斯白噪聲至原始信號，將有效信號和噪聲的組合看作一個總體，根據白噪聲頻譜均勻分布的特性，使不同尺度的信號成分分布至合適的參考尺度，并利用零均值噪聲特性，經過多次加總平均后噪聲相互抵消。加總平均使得到的IMF減少了模態混疊的影響，不同時間尺度的信號不再容于同一IMF。經過EEMD分后，模式混疊現象得到了一定的抑制。[2]

2 改進的EEMD-自適應濾波算法

基線漂移屬于低頻信號，主要分布在末尾的對應于低頻的高階IMF上。因此，首先對信號進行EEMD分解，然后重構高階IMF。重構后的高階IMF分量中不但含有基線漂移，而且還含有有用信號。因此，引入零相位濾波去除信號中的高頻部分，使參考信號更加接近基線漂移。如圖1是本文的算法流程圖：

圖1 基于EEMD和自適應濾波的消噪算法

3 消噪效果分析

為了對本文算法去噪的可靠性進行驗證，將其與零相位濾波，傳統自適應濾波[3]進行對比，并對消噪結果進行了討論與分析。

（1）圖2為實際采集到的手指心電信號，由圖可知，該含噪信號具有明顯的基線漂移。圖3，4，5分別為本文方法去噪，自適應去噪和零相位去噪。從圖2可以看出，含噪信號的基線漂移得到了明顯的抑制，波形也得到了較好保持。自適應濾波和零相位濾波雖然具有一定的去噪效果，但去噪后波形與原始的信號波形差異較大。

圖2 含噪信號

圖3 本文方法去噪

圖4 自適應濾波

圖5 零相位濾波

（2）為了進一步驗證本文方法的去噪效果，取另一組實際采集的手指心電信號進行驗證。信號的采樣長度為3500點，采樣頻率為512Hz。圖5為手指心電信號波形圖，從圖中可以看出信號的波形比較混亂，P波與R波偏離正常幅度過大。圖4為高階IMF分量重構圖6為經過EEMD和自適應濾波后的手指心電信號波形。從圖中可以看出，手指心電信號中的P波和R波回歸正常，信號中的基線漂移得到有效抑制。[3]

圖6 含噪手指心電信號

圖7 去噪后信號

4 結語

本文提出的基于EEMD和自適應濾波相結合的信號去噪方法，解決了傳統自適應濾波中參考信號選擇不當導致的去噪效果不明顯的問題，也解決了EMD算法中的模式混疊問題。經過作用于不同的實際采集到的信號，本文提出的消噪算法有效性得到驗證，消噪后的波形與原始波形相比，與真實信號接近，信號中的有用信息得到了進一步的保存。

[1]Wu Z，Huang N E.A study of the characteristics of white noise using the empirical mode decomposition method[J].Proceedings of the Royal Society of London，2004，460(2046)：1597-1611.

[2]Wu Z，Huang N E.Statistical significance test of intrinsic mode functions[J].Hilbert-Huang transform and its applications，2014（7）：107-127.

[3]高鷹，謝勝利.一種變步長LMS自適應濾波算法及分析[J].電子學報，2001，29(8)：1094-1097.

殷成龍（1989—）男，河南信陽人，在讀研究生，信號處理；通信作者：張曉紅。

浙江省自然科學基金項目（LY14F010021），浙江省公益技術研究工業項目（2015C31086）。

TN911.4

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1009-6434(2016)04-0034-01