生理監(jiān)測(cè)裝置的心電信號(hào)噪聲干擾分析*

王 娟

（江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國民生活方式的變化，特別是人口老齡化及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，居民不健康生活方式日益突出，心血管疾病包含的危險(xiǎn)因素對(duì)居民健康的影響更加顯著，近年來，心血管疾病的發(fā)病率仍在不斷升高。心血管疾病以預(yù)防為主，這就要求人們時(shí)刻關(guān)注自己的心臟功能狀態(tài)，心血管疾病給居民和社會(huì)帶來的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)日益加重，已成為重大的公共衛(wèi)生問題[1]。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，我國生產(chǎn)制造商對(duì)于可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的研究也在不斷發(fā)展。2014年6月，中國工程院?jiǎn)?dòng)了主題為“我國全民健康與醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究”的重大項(xiàng)目[2]。2015年5月，國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》，根據(jù)規(guī)劃內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)國家已經(jīng)將可穿戴式醫(yī)療設(shè)備提升到了戰(zhàn)略高度，同時(shí)也提出了創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)化水平的要求[3]。

在與醫(yī)療健康相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)業(yè)鏈中，最讓消費(fèi)者感興趣的就是可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品，這類產(chǎn)品有能實(shí)時(shí)記錄生理數(shù)據(jù)、及時(shí)反饋身體狀況的便攜式智能手環(huán)、智能手表等，也有可以將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)療系統(tǒng)的專業(yè)級(jí)血壓計(jì)、血糖儀等設(shè)備，這類產(chǎn)品都能夠協(xié)助病人不適求診、醫(yī)生就診等過程。這些產(chǎn)品和設(shè)備使整個(gè)可穿戴醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)呈現(xiàn)出不同以往的繁榮景象。

從市場(chǎng)產(chǎn)品和用戶反饋分析中發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)于可穿戴式心率監(jiān)測(cè)儀最基本的要求就是精度高、抗噪性能佳的同時(shí)[4]，還要具有便攜性，確保收集到的數(shù)據(jù)具備準(zhǔn)確性。但是市場(chǎng)上的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，有些產(chǎn)品對(duì)運(yùn)動(dòng)噪聲的抗性較差，收集到的數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，提供不了有效的醫(yī)療數(shù)據(jù)；有些產(chǎn)品無法全天、實(shí)時(shí)監(jiān)控心率狀態(tài)。而實(shí)際上，大多數(shù)心臟類疾病并不是心率數(shù)據(jù)一直異常，而是存在心率偶爾不齊的癥狀，抗噪性能不佳、無法實(shí)時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)的設(shè)備是無法發(fā)現(xiàn)心臟存在的隱患的。對(duì)于心率監(jiān)測(cè)的設(shè)備而言，濾除噪聲、提升抗噪性能，在健康保健及醫(yī)療方面有著非比尋常的意義[4]。

心電信號(hào)采集時(shí)容易被外界及自身的各種噪聲所影響，導(dǎo)致人體原始的心電信號(hào)波形有失真現(xiàn)象，重要的波形信息被噪聲淹沒。因此，心電信號(hào)降噪技術(shù)的目的，不僅是要去除信宿端信號(hào)中包含的各類復(fù)雜、多變的噪聲，而且還要盡可能恢復(fù)并保留初始心電信號(hào)中有效的波形形態(tài)信息，以便醫(yī)生或遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以根據(jù)心電圖準(zhǔn)確判斷患者病情。近年來，為解決這個(gè)難題，國內(nèi)外研究人員在心電信號(hào)除噪方面展開了大量的實(shí)驗(yàn)與研究，并提出了多種不同的心電信號(hào)降噪算法。

1 動(dòng)態(tài)心電常見的噪聲干擾

一般來說，信號(hào)的傳輸是無法避免外界或內(nèi)部噪聲的干擾的，信宿端接收到的信號(hào)都是帶噪信號(hào)，噪聲有時(shí)會(huì)引起原始信號(hào)的失真現(xiàn)象，因此想要對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效分析，就必須提取有效信號(hào)，而提取有效信號(hào)的前提就是將不必要的噪聲濾除掉。以人體的心電波、腦電波等生理電信號(hào)為例，它就是將模擬信號(hào)通過設(shè)備轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，但是這些電信號(hào)通常被掩埋在強(qiáng)噪聲之下，就是因?yàn)樵肼暤母蓴_影響，人體的這些生理信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)最終會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真，甚至嚴(yán)重到根本無法識(shí)別，對(duì)著嚴(yán)重失真波形進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷是無任何意義的。因此，生物醫(yī)學(xué)里的信號(hào)處理技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容就是去噪、濾波技術(shù)[5]。

經(jīng)由人體表面所采集的心電信號(hào)由于人體自主呼吸、人體各種運(yùn)動(dòng)以及導(dǎo)聯(lián)線晃動(dòng)等原因，非常容易受到外界的干擾，采集的心電信號(hào)受到不同類型噪聲影響而嚴(yán)重?fù)p壞，使得提取心電信號(hào)中有用的形態(tài)特征信息和解釋心電信號(hào)變得困難，從而導(dǎo)致對(duì)心臟類疾病的檢測(cè)不可靠或出現(xiàn)錯(cuò)誤，阻礙了心臟類疾病的發(fā)現(xiàn)[6]。通常來說，存在于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)中的噪聲干擾主要有以下幾種。

1.1 工頻干擾

工頻干擾產(chǎn)生的緣由是電力系統(tǒng)的存在。通常來說，不同國家或地區(qū)工頻交流電的頻率不太一致，但大都為50 Hz或60 Hz。它的主要表現(xiàn)是在測(cè)量信號(hào)時(shí)結(jié)果為正弦波或其他信號(hào)附加上了正弦波。我國工頻交流電的頻率是50 Hz，它的主要表現(xiàn)是頻率為50 Hz與其諧波的正弦波，或心電記錄上發(fā)現(xiàn)了疊加的正弦波。波形幅值通常不大，大概為心電信號(hào)波峰的50%。它是最為穩(wěn)定的一類噪聲，相較于其他3種類型的噪聲，它是最容易被去除的。工頻干擾波形圖如圖1所示[1]。

圖1 工頻干擾波形圖

1.2 肌電干擾

肌電信號(hào)噪聲來源于肌肉內(nèi)部組織的收縮和振動(dòng)，不可避免地會(huì)影響心電信號(hào)的采集。肌電干擾噪聲的表現(xiàn)為不規(guī)則迅速改變的細(xì)小毛刺，對(duì)幅值的影響較小，幅度數(shù)量級(jí)為毫伏級(jí)，但頻率較高，大約有5 Hz~2 000 Hz。相對(duì)于心電信號(hào)而言，肌電干擾屬于一種高頻信號(hào)。由于其頻率和心電信號(hào)部分波形頻率重合，對(duì)該類噪聲降噪時(shí)容易丟失部分心電信號(hào)中有價(jià)值的波形信息。同時(shí)，肌電干擾會(huì)將心電信號(hào)中的微小波形覆蓋掉，致使心電信號(hào)的波形失真。肌電干擾波形圖如圖2所示。

圖2 肌電干擾波形圖

1.3 基線漂移

心電信號(hào)中的噪聲最常見就是基線漂移，它源于采集信號(hào)過程中人體呼吸和牽扯導(dǎo)聯(lián)線導(dǎo)致的電極移位。它是一種頻率較低的干擾信號(hào)，其頻率一般比1 Hz還要小，大多介于0.05 Hz~2 Hz，但它對(duì)心電信號(hào)幅值與形態(tài)的影響卻是最大的，通常會(huì)使得信號(hào)偏離于正常的基線水平。由于其頻譜和心電S-T段的頻譜相近，以及其在心電圖中的普遍存在性，極易造成S-T段失真，以及P波和T波等微小波波形形態(tài)變化。而S-T段對(duì)于心肌類疾病來說，具有非常重要的臨床診斷意義。基線漂移波形圖如圖3所示。

圖3 基線漂移波形圖

1.4 電極干擾

現(xiàn)有的心電圖大部分是通過將電極貼片粘貼在人體皮膚表面采集而得到的，而獲取信息的過程中電極貼片不可避免地會(huì)產(chǎn)生部分噪聲，即電極干擾。其波形表現(xiàn)為瞬時(shí)發(fā)生隨機(jī)變化的階躍型干擾，它通過不斷去衰減波形的幅值達(dá)到基線值。對(duì)于需要24小時(shí)監(jiān)護(hù)其心電信號(hào)變化的患者而言，因患者運(yùn)動(dòng)出汗導(dǎo)致電極貼片產(chǎn)生更嚴(yán)重的電極干擾，會(huì)加劇損壞心電記錄儀的數(shù)據(jù)。電極干擾波形圖如圖4所示。

圖4 電極干擾波形圖

總而言之，采集心電信號(hào)通常都是與人體正常活動(dòng)同步進(jìn)行的，由于生理及心理的原因產(chǎn)生的皮膚出汗、情緒起伏等情況或電極片接觸不良，就會(huì)產(chǎn)生上文介紹的幾種噪聲，甚至可能是更多種的不同噪聲的疊加。這些噪聲干擾會(huì)導(dǎo)致心電圖上原有波形形態(tài)被改變，淹沒原有的波形病理信息，致使根據(jù)波形形態(tài)特征進(jìn)行診斷的智能系統(tǒng)出現(xiàn)誤判，從而延誤患者治療疾病。而在上述噪聲干擾中，工頻干擾、肌電干擾以及基線漂移這3種是在分析心電信號(hào)時(shí)最常遇到的干擾成分，同時(shí)，它們也是心電信號(hào)去噪任務(wù)中必須有效抑制甚至完全消除的噪聲類型。

2 去噪方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)

在對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，信噪比較低，要想有效提取微弱的心電信號(hào)，有效抑制噪聲的信號(hào)處理技術(shù)是不可或缺的。對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行去噪的根本目的就是將采集到的心電信號(hào)中的所有噪聲干擾一概濾除掉，從而得到有醫(yī)療價(jià)值的原始心電信號(hào)，以便進(jìn)行醫(yī)療數(shù)據(jù)分析。通常的去噪法包括硬件濾波以及軟件濾波兩種方法，將本不應(yīng)該存在于心電信號(hào)中的噪聲濾除。所謂硬件濾波法，主要是讓信宿端收集到的信號(hào)通過帶通濾波器，利用心電信號(hào)與噪聲干擾信號(hào)幅頻特性的不同，濾除摻噪心電信號(hào)里的頻率較低的基線漂移信號(hào)和頻率較高的外界干擾信號(hào)，硬件濾波法在提高系統(tǒng)共模抑制比的同時(shí)，還能有效地降低工頻干擾帶來的影響。雖然硬件濾波法的處理速度快，所需要的部件結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，但相對(duì)于軟件濾波法而言，硬件濾波法不夠靈活，對(duì)復(fù)雜噪聲干擾的濾除作用及成效也不優(yōu)越。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力越來越高，利用軟件濾波法對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行去噪預(yù)處理已經(jīng)成為常態(tài)。可以利用軟件濾波法將心電信號(hào)里的噪聲干擾去除，如經(jīng)典數(shù)字濾波方法以及現(xiàn)代信號(hào)處理方法。其中，采用自適應(yīng)濾波器的方法，其收斂速度相對(duì)而言比較緩慢，且經(jīng)過自適應(yīng)濾波法處理后所得到的波形滯后于原始波形。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可知，小波濾波法對(duì)于和人體生理信號(hào)不在同一頻段的噪聲干擾濾除效果較好，自適應(yīng)濾波法對(duì)全頻域范圍的信號(hào)濾除效果都較好。因此，對(duì)于功率較小的噪聲干擾的信號(hào)而言，沒有清除干凈的少許噪聲對(duì)最后結(jié)果的分析并不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，只有功率較大噪聲干擾情況下，才經(jīng)常采用自適應(yīng)濾波法。

現(xiàn)有心電信號(hào)降噪研究方法對(duì)降噪效果的評(píng)估指標(biāo)采用信噪比SNR和均方根誤差RMSE兩個(gè)指標(biāo)[4]。其中，x(i)表示無摻雜心電圖ECG信號(hào)， 為去噪后的ECG信號(hào)，N為心電信號(hào)長(zhǎng)度[7]。信噪比表示心電信號(hào)與噪聲之間的比值，其單位為分貝（dB），則SNR定義如式（1）所示。

另外一項(xiàng)指標(biāo)為均方根誤差，RMSE定義如式（2）所示。

SNR是評(píng)價(jià)信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)，SNR值越高表示除噪效果越佳。RMSE表示去噪后得到的信號(hào)與最原始真實(shí)、有效信號(hào)之間的差值，RMSE的值越小，代表信號(hào)濾除噪聲的性能越好[8]。

3 結(jié)束語

由于生理信號(hào)的個(gè)體差異性和復(fù)雜性，通過設(shè)備獲取的心電信號(hào)也具有隨機(jī)性的特點(diǎn)[9]。一般來說，常規(guī)心電信號(hào)是毫伏級(jí)信號(hào)，也就是說它是頻率較低、幅值較小的信號(hào)，所以拿心電信號(hào)與周邊的噪聲信號(hào)對(duì)比，心電信號(hào)的強(qiáng)度通常來說都很微弱。這個(gè)顯著的特點(diǎn)就使得將原始心電信號(hào)提取出來這個(gè)工作，難于一般工程信號(hào)的處理，可是心電信號(hào)的處理結(jié)果對(duì)信號(hào)真實(shí)度有非常高的要求，因此，如何從摻入了各種干擾的心電信號(hào)中提取出有效、清晰、去噪的臨床信息，是一大技術(shù)難題[10]，還需進(jìn)一步研究更高效精確的去噪技術(shù)。