心电图中滤除基线漂移的研究

心电图中滤除基线漂移的研究 第,,卷第,期 ,,,,年,月,,日 计算机与应用化学 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，, ,,,,,,(,,(, ,,,,,，,,,, 张勇，张萍，王介生 (辽宁科技大学电子与信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，辽宁，鞍山，,,,,,,) 摘要:介绍了一种利用中值滤波器来滤除信号中基线漂移的方法。由于中值滤波器是一种非线性信号处理方法，具有计算简单，处理速度快的特点，从而能在有效抑制基线漂移噪声的情况下，提高整体的运算速度。采用,，,(,，,数据库中的心电数据对该方法进行检验，结果显示该方法能很好地滤除,;,中的基线漂移噪声，同时将该方法与常用的两种方法进行实时性比较，实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明该方法在确保信号不失真的情况下，提高了系统的运算速度。关键词:中值滤波器;基线漂移;高通滤波器;小波变换 中图分类号:,,,,, 文献标识码:, ——————————————————————————————————————————————— 文章编号:,,,,,,,,(,,,,),,,,,,,, ,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, (,;,,,,,,,，,;,,,,,;,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,,,;,,,，,,,，,,,,,,，,,,,,,,,，,,,,,) ,,,,,,;,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, , ,,,,,,， ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,, ;,, ,,;,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,，,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,( ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,，, ,,, ,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,, ;,, ,,,,;,,,,,,,,,,,, ,,,，,,,“,,;,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,( ,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,，,,,,,,,,, ,,,,,,( ,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,，,,,,，,,(,):,,,,,,,( , 引言 心电图(,,,;,,,;,,,,,,,,,，,;,)是心脏活动相关的电位 线漂移，但相对来说实时性不高。 鉴于以上分析，本文提出了利用中值滤波器的方法来滤除,;,信号中的基线漂移。中值滤波器的作用是去除信号中较大的值，得到只含有基线漂移的趋势项信号，使其与原始信号叠加，消除原始信号中的基线漂移部分。 , 变化图，它是医生诊断疾病的一种现代技术，尤其在确诊和鉴别各种心律失常方面，心电图诊断方法较其他诊断方法都可靠’,,。由于,;,和绝大多数的生物医学信号一样，都是信噪比很低的微弱信号，往往混有很强的背景噪声，主要的噪声为工频干扰、肌电干扰、基线漂移等，在各种噪声中对信号影响最大的是基线漂移噪声‘,,。因此，在,,, 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 识别过程中，首先消除基线漂移。 基线漂移是因呼吸、肢体活动或运动心电图测试所引起的，故这样使得,;,信号的基准线呈现上下漂移的情况。它是一种缓慢变化的低频信号，可以使用曲线拟合的方法对基线漂移校正，但在,;,信号较弱时，差值点很难提取„。为了消除基线漂移的干扰，国内外已提出并应用了许多方法，最常用的两种方法是利用高通滤波器,,——————————————————————————————————————————————— 和小波变换?,去除基线漂移。虽然这两种方法都能很好地消除信号的基 消除基线漂移的方法 由于,,,信号是非常微弱(范围为,(,,,,一,,,。,,) 的信号，所以与雷达、声纳、通讯、地震、遥感一样，抑制噪声的处理同样是,;,信号检测的关键。而,;,本身含有丰富的低频部分，基线漂移会对其波形造成显而易见的影响,’，它掩盖了,;,的某些特征波形，从而使其在后续处理步骤如,,,波的检测和识别中增加了观察分析的难度。滤除,;,的基线漂移，是心电信号处理中一个重要的问题，当基线漂移很严重时，对波形的识别及数值的测量造成了困难，有时甚至无法记录。 收稿日期:,,,,—,,,,,;修回日期:,,,,(,,,,,基金资助:国家自然科学基金资助项目(,,,,,,,) 作者简介:张勇(,,,,一)，男(汉)，教授，博士，主要研究方向为计算机控制、智能控制、网络工程、智能仪表 万方数据 ,,, 计算机与应用化学,,,,，,,(,) ,(,高通滤波器?, 由于基线漂移是一个低频噪声，所以可以用高通滤波器进行滤除，但,;,信号中的,,段的频率也很低，其频谱非常接近，甚至有可——————————————————————————————————————————————— 能会重叠，故使用单纯的高通滤波器会引起,,段失真”,。根据,;,信号的特点，要消除基线漂移，高通滤波器在通带内必须要有较小的脉动，故此,,, ,,,,, 提出了一个改进的高通滤波器设计方法，他的基本思想就是设计两个具有相同传输延迟和增益的全通滤波器和低通滤波器，然后将这两个滤波器相减就可以得到满足要求的高通滤波器。根据上述思想，得到滤波器的整体传递函数为: 以,)爿““,一(万渤)(,) ,， ” 式(,)中,为滤波器阶数，,为选择的采样频率下,,,的截至频率，,取,的整数次幂。 ,(,小波变换 小波变换是一种窗口大小不变但形状可变，即时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。利用小波变换的多分辨率分析的特点，选择适当的小波基函数和分解水平，将心电信号分解为细节部分;,和近似部分,,，;,还可以进一步分解，其,,,,,,算法可以表示为旧,: ;，，,(,),?勺(,)，(,一,,) ,,，。(,) ,?勺(,),(,一,,)(,) ——————————————————————————————————————————————— ;((,) ,?;,，((,)丘(,一,,) ，,，，。(，,),(,一,,)(,) 式(,)为小波分解表达式，式(,)为小波重构表达式。利用,,,,,,算法对信号进行多尺度小波分解和重构，由于基线漂移是低频且非常缓变的噪声，在小波分解中会直接呈现在某一大尺度下，对这一尺度下的近似系数进行适当的阈值量化处理，形成新的近似系数，然后重构原信号就可以滤除基线漂移”,。 , 中值滤波器 中值滤波器同时具有抑制噪声(尤其是脉冲噪声)和保 护边缘的特征，在信号处理领域受到很大重视，特别在非平稳信号的处理中取得了较大成功、,,。它是一种非线性滤波器，在某些条件下可以保证信号的突变点较满意的复原，同时可以克服线性滤波器如最小均方滤波，平均值滤波(平滑滤波)等所带来的信号和图像的细节模糊。 ,(, 中值滤波器原理 中值滤波的基本原理是把数字序列中一点的值用该点 的一个领域内各点值的中值来代替„。其数学描述为:设,,,,(,)，,(,)，„,(,),是一长度为,的实数列，也称为长度为,的信号。,的加边信号,,,,(一,，,)，,(一，，,)，„，——————————————————————————————————————————————— ,(,，,),满足: ，,(,) 一,，,?,?,戈(,) ,,石(,) ,,,,,(,) ,,(,) ,?,?,，, 万 方数据对每一,，,?,?,，我们用记号,?’(,)表示下面,,，,个实娄,:,(,一，)，,(,一,，,)，„，,(,)，„，,(,，，一,)，,(,，,)由小到大重新排列后位于中间的那个数，则称,?’,,,?’(,)，,?’(,)，„??’(,),为信号,窗宽为,，，,的中值滤波;对,?’又可进行窗宽为,,，,的中值滤波，所得的结果记为,?’等等，一般，,‘,’,,,仲’(,)，,坤’(,)，„，,?’(,),表示,经过,次窗宽为,,，,的中值滤波后的结果。 ,(, 中值滤波器滤除基线漂移的基本算法阳, 中值滤波器是基于次序统计完成信号恢复的一种典型 的非线性滤波器，它的优点是运算简单而且速度较快，在滤除加性白噪声和长尾噪声方面显示出了极好的性能;并且，它在滤除噪声(尤其是脉冲噪声)的同时还能很好地保护信号的细节信息(例如，——————————————————————————————————————————————— 边缘、锐角等等)，同时，中值滤波器很容易自适应化，从而可以进一步提高其滤波性能，因此，它能够替代一些线性滤波器无法胜任的数字图象处理应用场合。 根据上述定义，中值滤波器的基本算法?,:输出序列中第,个点为输入序列中从第,一(,一,),,个点到第,，(,,,),,个点的中值(,为窗口宽度且为奇数)。如果长度不够，左右边缘补零。即对带有噪声的原始信号以,个取样点为一个窗口，取其中位数，窗口每次移一个取样点，对整个信号作窗口重叠运算，原始信号经过中值滤波器后，能将其突变值或峰值屏蔽，使原信号变为较平缓的信号。 利用,，,—,，,数据库中专门提供的基线漂移噪声信号,,。,,来验证上述方法。选择,,,,,中值滤波器，由于在数 据库中采样频率为,,,,,，故一个窗口取,,,个采样点，对其采用中值滤波器进行处理，所得的结果如图,所示。从图,中可以看出，处理后的信号将基线漂移拉回到水平位置，并且信号的高频部分基本上全部保留了。 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,‘,昏, ,,珊,,,,,,,】,,,,,,,,,, ,，,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,( 图, 利用中值滤波器对信号,,进行处理的结果 在,;,信号中，,,,波、,波与,波的频率和幅值相对于整个信号来说都是比较高的数值，在心电图特征提取中也是主要提取这些波。所以在滤除基线漂移时，利用中值滤波器将信号中较高的数值去除(,,,波、,波和,波)，只保留信号中基线漂移的部分。具体算法如下:将,;,信号经过 两个中值滤波器。第一个窗口的长度为,,(即,,个采样 点)，它主要去除信号中较高的值(,,,波);第二个窗口的长度为,,,(即,,,个采样点)，它主要去除,;,信号中的, ,,, 波和,波。这样信号中只剩下含有基线漂移的信号，将其与 原始信号叠加，就能滤除信号中的基线漂移。 ,实验结果与分析 ,(, 仿真结果 为了验证该方法的实时性，我们利用上述的三种方法对 ,，,(,，,心电数据库中记录为,,,的,,分钟心电图信号进 行处理。 图,采用高通滤波器的方法进行处理的结果，滤波器阶数,,,，——————————————————————————————————————————————— 采样频率,,,,,，截至频率,(,,,。图,利用小波变换滤除基线漂移所得的结果，它是对信号进行小波分解，然后对最大层近似系数进行阈值量化处理。这里所选用的小波基函数为,,,，分解水平为,，。从这两个图中可以看出高通滤波器和小波变换都能很好地滤除信号中的基线漂移。图,利用中值滤波器滤除基线漂移的结果，图,,为,;,信 号经过,,,,,中值滤波器后得到的信号,，(,,,被消除)， 图,;为信号,(经过,,,,,中值滤波器后得到的信号,:(,波、,波被消除，只含有基线漂移部分)，图,,为去除基线漂移之后的,;,信号。 ,,,— , ,,, ,,,, , ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, 呲? , ,,, ,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, 俐,,,,,,,,,,, ,。,, ,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,, ,,,(, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,, 图,利用高通滤波器去除基线漂移 (),,,,,,,,,,,,,,,,,,),,,,,,, ,,,(, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,(图,利用小波变换去除基线漂移 ,(,实时性分析 从上述仿真结果中可以看出这几种方法都能很好的滤除信号中的基线漂移，在确保滤波效果的同时，进一步提高其时间效率，故对这几种方法的实时性进行了对比。我们采用采样频率为,,,,,，,,秒钟的心电信号(大约,,,,,个数据)，在,,,,,,,,，;,, ,(,, ,,,，,,,,,,,,,系统下，使用 万 方数据， ～～型～～竖～型 一至区生兰里兰??兰型兰 。三已兰,二二二,,芏,, ,厂—————————』,——二———————, , , , —, ,,,,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,, ,勺, 一, , ,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,(, ,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,( 图,利用中值滤波器去除基线漂移 ,,,,,, ;，，,(,对信号进行处理。 表, 三种方法实时性对照表 ,,,,, , ,,,,,,, ;,,,,,,, ,,,,,,,,,,,( ——————————————————————————————————————————————— 使用方法信号长度,(小)时间(,,)信号长度,(大)时间(,,) 从表,和图,一图,可看出，在处理效果上，使用小波变 换直接方法滤除的结果没有其他两种方法平整，而且所用的时间最长。由于小波变换信号一般是通过信号与小波函数的卷积运算而完成的。,,，在计算信号的分解和重构时，其计 算量较大，尤其在信号长度较大时，与小波函数作卷积和相关的乘加法的计算量很大，不利于信号的实时性处理。 相对来说，高通滤波器和中值滤波器的实时性都比较好，处理效果也不错，但高通滤波器存在一个缺点，从图,中画线部分可以看到，在起始点多出了一个类似,,,的波形，对后续的,,,波形识别造成影响，这是由高通滤波器本身的特性所 决定 郑伟家庭教育讲座全集个人独资股东决定成立安全领导小组关于成立临时党支部关于注销分公司决定 的，可以从其幅频和相频曲线来理解。 , , ,, , ,, ?, ,,,(, 。，,。,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,( 图,高通滤波器处理的部分结果 从表,和图,能看出中值滤波器不论从处理效果还是时间上来说，都克服了前两种方法的缺点，因为中值滤波器只是对序列的统计和排序，具有算法简单，计算速度相对较快的特点„;而中值滤波器对某些输入信号的不变性能够保 ,,, 计算机与应用化学,,,,，,,(,) ,,: ( ,, ,(,,沪 , ,; ,,, , , ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,(,,,,(,,,,(,,,, , ——————————————————————————————————————————————— ,, ,, ,, ,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,, ,,,(,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,, ,,,,,( 图,高通滤波器的幅频和相频曲线 证信号不失真。这说明该方法在没有损害处理结果的同时，加速了计算速度。, 结果与讨论 本文通过对,，,,,，,心电数据库中的,;,信号处理结 果显示，该方法能够在,,,噪声信号不失真的情况下有效地抑制基线漂移噪声，选择适当大小的中值滤波窗口可以在最大限度的保——————————————————————————————————————————————— 持信号精度的基础上去除基线漂移噪声，且对长时间的,;,记录进行处理同样可以取得较好的结果。 由于中植滤波的宽度直接关系到中值滤波器的许多特性，所以在使用该方法时，需要仔细调节好它的宽度，否则将会引起信号畸变，在本文中利用心电信号的采样频率和信号长度来确定中值的滤波的宽度，并通过多次实验，找出了它的最佳宽度。虽然这可能稍微增加了工作量，但是当宽度选 定后，就可以对大批量的数据进行处理，并具有较高的实时性。 万 方数据,,,,,,,;,, , ,,,,,,, ,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,, ,,,, ,, ,,,,,，,,,,，,,(,):,,—,,( , ,,,, ,,?,,,,,,;,,,,,,,,,; ,,, ,,,,,,,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,( ,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,,,，,,,,,？,,,,,,,,,,,，,,,,( , ,,,,,,,，,,,,,,,, ,，,,,,, ,, ,,,,,,,,,,’(,,,,,,,,,,,,? ;,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,;,,,,,, ,,— ,,,,;,,,,,,,,,(，,,,,,,,,，,,,,,, ,,,，,,,,，,,(,):,,,—,,,( ,,,,,,,(,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ，,,,;,,,,,,;,,,,,(,,,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,( , ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,; ,,,,( ,。叩,,,,;,,,,,,,;,,,,，,,,,，,,(,):,,,—,,,( , ,,, ,,,,,,,,,,,;,,,,,,,( ,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,, ,,,,,—,,,, ,,,,,,,,,,;, ,,,, ,,,,, ,, ,,;,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,，, ,,,,,, ,,,,, ,,,,;“,,,, ,,,,,,,,,(，,,,,,,，,,,,，,,(,,): ,,,,一,,,,( , ,,印,,,,,(,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,:,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,(, ,,,,,,,，,,,,，,,(,):,,,,,( ,,,,,,, ,,( ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,， ，,,,,,,,,,, ，,,,,( ,,,,,, ,,,,,,，,,,,，(,):,,,—,,,( ,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,:,,, ,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,(，,,, ,,,,,,;,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,;,,,, ，,,,,,,,,,;,，,,,,，,(,):,,,—,,,(附中文参考文献 , 李士心，刘鲁源(小波域中值滤波器设计研究(电子科技大学学报，,,,,，,,(,):,,—,,( 王林泓(动态心电信号分析系统的研究(硕士学位论文，重庆大学，,,,,( 邵凌云(基于红外通信的心电分析系统，硕士学位论文，浙江大学，,,,,( ,,, 作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: ——————————————————————————————————————————————— 年，卷(期): 被引用次数:张勇， 张萍， 王介生， Zhong Yong， Zhong Ping， Wang Jiesheng辽宁科技大学电子与信息工程学院,辽宁,鞍山,114044 计算机与应用化学COMPUTERS AND APPLIED CHEMISTRY2007,24(4)25 次 参考文献(12条) 1.李士心,刘鲁源 小波域中值滤波器设计的研究[期刊论文]-电子 科技大学学报 2003(1) 2.Wang HL Research of dynamic ECG signal analysis system 2002 3.de Chazal P.;Heneghan C.;Sheridan E.;Reilly R.;Nolan P.;O'Malley M. 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