一种滤除基线漂移和工频干扰的数字滤波算法

一种滤除基线漂移和工频干扰 的数字滤波算法 邹 波 1，周 远 1，2 （1.深圳职业技术学院 电子与信息工程学院，广东 深圳 518055；2.南昌大学电子工程系，江西 南昌 330029） 摘 要：介绍了一种用于心电监护的数字滤波算法，对滤波器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ，包括滤波原理、整系数数字滤波器 的波型特征、实现方框图及 10 点平均数字滤波器进行了分析，并给出心电信号的滤波效果图。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， 该算法能有效滤除基线漂移和工频干扰，算法简单实用。 关键词：数字滤波；基线漂移；工频干扰；心电监护 中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1672-0318（2005）04-0003-03 心电信号（ECG）是心脏电活动在人体体表 的表现，信号一般比较微弱，幅度为毫伏级，频 率为 0.05-100Hz。在心电信号的采集、放大、检 测等过程中，有来自外界的各种干扰，其中受呼 吸影响和电极与皮肤接触滑动产生的基线漂移， 交流电 50Hz 及其多次谐波引起的工频干扰尤为 普遍。消除或减少基线漂移和工频干扰是识别心 电信号特征和参数的前提，在心电检测仪器中尤 其重要。本文针对这 2 种干扰设计了一种数字滤 波算法。 1 滤波器的设计 1.1 滤波原理 基线漂移由于人体的微动与电极接触不良 引起的电极接触噪声、运动伪迹(基线变化)和由 于呼吸引起的。基线漂移表现在ECG信号上叠 加的一个缓慢的变化量，其频率低于1Hz[1]，属 于超低频信号。工频干扰是由于50Hz交流电及 其多次谐波引起的，表现在ECG信号上叠加的 微小毛刺。 典型的叠加了基线漂移和工频干扰的心电信 号如图1所示。 (a) (b) 图1 叠加了基线漂移(a)和工频干扰(b)的心电信号 根据以上分析，基线漂移属于超低频信号，可 以用高通滤波器把基线漂移从ECG原始采样信号中 2005 年第 4 期 Journal of Shenzhen Polytechnic No.4, 2005 深 圳 职 业 技 术 学 院 学 报 收稿日期：2005-09-23 基金项目：深圳职业技术学院重点科技基金资助项目 (03Kje071 ) 作者简介：邹波（1962-），男，湖南常德人，高级工程师，硕士，研究方向为嵌入式系统技术。 4 深圳职业技术学院学报 第 4 卷 消除。对工频干扰，则采用50Hz及其谐波陷波器 来滤除。因此，我们希望的理想滤波器应有如图2 所示的幅频特性。 图2 滤波器的幅频特性 1.2 整系数数字滤波器 为了使相位不产生失真，滤波器还应有线形 的相位特性[2]。图2所示的理想滤波特性可以用全 通网络H1和梳状滤波网络H2的组合来实现。全通 网络只具有延迟特性，起到抵消梳状滤波网络带 来相位延迟的作用。梳状滤波网络用整系数实现。 按图3所示的结构，其传递函数和频率响应分别为： 21 HHH −= （1） ( )* / 2 1 1( ) ( * ) 1 r r k m m k zH z z q z − − − − −= − − （2） mwmkrjjw kw rw q eeH ) )2/sin( )2/sin(*1()( 2/*)( −= −− 2/*)(* wmkrje −− （3） （m，k，r，q均为整数） 式（2），（3）中，等号右边第一项代表全通 网络，后面一项是梳状滤波器，全通滤波器、梳 状滤波器及整系数数字滤波器幅频特性见图 4-6。 图 3 整数数字滤波器结构图 图 4 全通滤波器幅频特性图 图 5 梳状滤波器幅频特性图 图 6 整系数数字滤波器幅频特性图 为了保证数字滤波器起到 50Hz 谐波陷波器作 用 ， 采 样 频 率 应 取 50Hz 的 整 数 倍 [3] 。 则 500 1050 s p fk f= = = ，（ sf 为采样率， sf =500Hz ， pf =50Hz），在 k 值确定之后，选择适合的 r 和m ， 则可确定整个滤波器的通带、阻带和过渡带特性， 在这里取 2m = ， 80r = ，则有 80 810rq k= = = ， 式中 q 为梳状滤波器的增益因子，这样可把乘1/ q 的运算转换为二进制数的算术右移处理，使处理速 度加快。根据以上分析，式（3）就变成： 80 70 2 10 1 1( ) ( * ) 8 1 zH z z z − − − −= − − （4） 式（4）差分方程为： 21( ) ( 70) ( ( ) ( 80) ( 10)) 64 y n x n x n x n x n= − − − − + + （5） 在具体实现过程中，上述差分方程分步计算： 1 1( ) ( ) ( 80) ( 10)y n x n x n y n= − − + − （5-1） 2 1 1 2( ) ( ) ( 80) ( 10)y n y n y n y n= − − + − （5-2） 2 ( )( ) ( 70) 64 y ny n x n= − − （5-3） 其中，x(n)是输入信号，y(n)是输出信号。 1.3 10点平均数字滤波器 由1.2整系数数字滤波器处理后的心电信号还 有部分毛刺。我们采用10点平均数字滤波器，构成 一个低通滤波器，消除了毛刺。 1 10 1 1 10 1)( −− −∗= z zzH （6） 式（6）差分方程为： 12 )( yny = (n)- y 1 (n-10) +y 2 (n-1) （7） )( 10 1)( 2 nyny ∗= （8） 2 实验结果 实验中用到的心电数据采样位数为 12 位，采样 频率为 500Hz。对图 1 所示的 2 段 ECG 信号进行简 单整系数数字滤波后得到图 7 所示波形。对图 7 所 示的ECG信号进行 10点平均后得到的ECG信号如 图 8(a)，(b)所示。 H 0 50 100 f(Hz) 全通网络 梳状滤波器 ＋ － H y(n) f(Hz) 0 1 H1(f) f(Hz) H2(f) 1 0 50 100 0 1 50 100 f(Hz) H1(f)-H2(f) 第 4 期 邹 波，等：一种滤除基线漂移和工频干扰的数字滤波算法 5 (a) (b) 图7 整系数滤波后的ECG信号 (a) (b) 图8 10点平均后的ECG信号 由实验结果可以看出，图 8 所示的 ECG 信号 较图 1 所示的原始 ECG 信号，基线趋于平稳，毛 刺明显减小。因此，本文提出的数字滤波算法能 够有效抑制基线漂移和减少工频干扰。本算法已 经应用到产品远程心电监护系统中，实际应用表 明算法实现简单，效果良好。 参考文献： [1] 杨福生，吕杨生．生物医学信号的处理和识别[M]．天 津科技翻译出版公司，1997． [2] 沈凤麟，陈和晏．生物医学随机信号处理[M]．中国科 技大学出版社，1999． [3] 赵 捷，华 玫．滤除基线漂移和工频干扰的简单数 字滤波器[J]．山东生物医学工程，1995，14（3-4）： 26-28． A Digital Filter Algorithm for Filtering Baseline Wander and Power-line Interference ZOU Bo 1 , ZHOU Yuan 2 , 1 （1.School of Electronics and Information Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055,China; 2.Department of Electronic Engineering, Nanchang University, Nanchang,Jiangxi 330029,China） Abstract: The paper introduces a digital filter algorithm used in ECG monitoring. Experimental results show that algorithm can remove the baseline wander and power-line interference effectively, and its operation is simple and applicable. Key words: digital filter; baseline wander; power-line interference; ECG monitoring （责任编辑：王璐）