一种实用的去基线漂移滤波算法_朱伟芳

一种实用的去基线漂移滤波算法_朱伟芳 第26卷第1期 文章编号:1673-047X(2006)01-0062-03苏 州 大 学 学 报(工 科 版)Vol.26No.1一种实用的去基线漂移滤波算法 朱伟芳,齐 春12 (1.苏州大学电子信息学院,江苏苏州215021;2.西安交通大学电子与信息 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,陕西西安710049) 摘 要:心电图中的基线漂移是影响心电图信号识别的一个重要因素。本文将介绍一种简单、实用 的快速滤波算法———移动窗口中值滤波算法,并采用MIT-BIHArrhythmiaDatabase以及Euro- peanST-TDatabase中的数据进行大量的实验验证。 关键词:基线漂移;移动窗口;中值滤波 中图分类号:O629.9 文献标识码:A 0 引言 心电图(ElectroCardioGram,ECG)信号的能量主要 集中在0.5Hz到30Hz之间,其中频率最高的QRS综合 波群的能量主要集中在2Hz至20Hz之间,在12Hz左右 最大。ECG信号的功率谱分布如图1所示。 在采集心电信号时,由于受到仪器、人体等多方面的 ——————————————————————————————————————————————— 影响,所采集的心电信号常常伴有基线漂移(Baseline Wander)、50Hz工频干扰和肌电干扰等3种主要的噪声。 基线漂移一般是由于人体呼吸、电极移动而产生,频率较 低,一般在0.5Hz以下,属于低频干扰。在ECG信号中, ST段为从QRS综合波群末到T波始的线段,正常时心图1 心电信号的功率谱 室全部处于除极状态,无电位差存在,应与基线平齐。若 ST段偏离等电位线一定范围,则表明有可能发生心肌损伤或缺血等病变。由于ST段的频带在0.7,2.0Hz与基线漂移(0.05,1.5Hz)有部分重叠,因此基线漂移将对ST段的正确检测[1]产生很大的影响。消除基线漂移时需要尽量避免ST段等低频部分产生明显变形导致检测和分析失真。另外,基线漂移严重时,将会导致QRS综合波群的错检和漏检。因此,消除基线漂移是进行ECG信号分析和识别的一个必要的预处理过程。 1 算法原理 常用的消除基线漂移方法有逐搏校正法、基于抛物线的拟合算法等。逐搏校正法在基线漂移较轻微时比较有效;基于抛物线的拟合方法结构复杂,实时性较差。 所谓拟合方法是指对ECG信号中已经漂移了的基线进行估计和提取,然后通过减法运算,去掉信号中的漂移成分,从而达到滤波的目的。本文采用了一种简单、实用的快速滤波算法———移动窗口中值滤波方法来估计和提取漂移了的基线。 ——————————————————————————————————————————————— 假设待处理原始ECG信号为ecg1,信号长度为L,算法框图如图2所示,具体描述如下: (1)选择合适的窗宽W,为了便于处理,一般情况下W取奇数,如W=101。 收稿日期:2005-06-01,,,。 第26卷 朱伟芳,齐春:一种实用的去基线漂移滤波算法63 (2)为了防止出现边缘效应,对原始ECG信号ecg1的两端进行延拓,得到ecg2信号,处理如式(1)所示: ecg1(0) 0?i2 ecg2(i)ecg1(i22<i?L2 ecg1(L-1) L(1)<i?L+W-22 延拓后信号ecg2的长度为L+W-1。 (3)对ecg2信号加窗,对窗口内信号进行中值滤波,即对窗口内信号进行排序,然后用中值来取代窗口中心点的值,移动该窗口,遍历ecg2信号,拟合出漂移了的基线BL,BL与ecg2之间的关系如式(2)所示: BL (i)=median[ecg2(i):ecg2(i+W)],0?i?L-1(2)其中,median()函数表示取中值操作,由式(2)可知,拟合得到的基线BL的长度与原始ECG信号ecg1的长度相同。 (4)从原始ECG信号ecg1中减去BL,得到消除基线漂移后的ECG信号ecg3。 ——————————————————————————————————————————————— 图2 移动窗口中值滤波算法框图 2 实验结果 这种移动窗口中值滤波方法的关键在于选择合适的窗宽。若窗宽太小,拟合出来的基线将仍有较多的高频成分,导致滤波后ECG信号失真;若窗宽太大,将导致运算量过大,影响算法的实时性。本文对MIT-BIHArrhythmiaDatabase中的25个记录共50个数据以及EuropeanST-TDatabase中48个记录共96个数据进行实验验证,每个数据记录2 小时的ECG信号,实验表明窗宽选择为101个采样点左右时,拟合效果和运算速度都比较合适。 图3是对MIT-BIHArrhythmiaDatabase中的记录203的通道1数据进行验证的结果。图3(a)中的原始ECG信号存在明显的基线漂移,采用移动窗口中值滤波方法拟合出漂移了的基线,然后作减法运算,得到图3(b)的滤波后ECG信号。可见,基线拟合和消除的效果较好。与其他方法比较,这种方法的优点是思路简单、实现方便、效果较好,实时性也较好。 图3 存在“基漂”的原始信号与消除“基漂”后信号的比较 64苏州大学学报(工科版) 第1期3 结论 基线漂移一直是影响ECG信号正确检测和分析的一个重要因素。消除基线漂移的方法在很多文献中都有报道,如采用FIR滤波器[2]、IIR滤波器[3]、小波技术[2]等。本文提出了一种简单、实用的快速算法——————————————————————————————————————————————— ———移动窗口中值滤波算法。实验表明,移动窗口中值滤波算法能 够比较准确、快速地拟合出漂移了的基线,从而达到消除ECG信号中 低频干扰的目的,具有较好的实时性,较适合用于实时ECG信号分析系 统。 参考文献 [1] 朱伟芳,齐春.一种适用于Holter系统的ST段分析 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 [J].生 物医学工程学杂志,2004,6(21):943-946. [2] 田玉荣.比较两种去基线漂移的滤波算法[J].中国医学物理学 杂志,1998,3(15):181-183. [3] 张力新,丁北生.用IIR算法消除ECG基线漂移[J].天津大学学 报,1998,1(31):120-124. AnAppliedBaselineFilteringAlgorithm ZhuWeifang1,QiChun2 (1.CollegeofElectronicandInformationEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,215021,China; 2.CollegeofElectronicandInformationEngineering,Xi'anJiaotongUniversity,Xian,710049,China) Abstract:Baselinewanderisoneoftheimportantfactorsthataffectthedetectiveofelectrocardiograph.Inthepaper,asimpleandappliedfastfilter-medianfil——————————————————————————————————————————————— terwithmovingwindowisintroduced.Themethodisvalidat-edwithMIT_BIHArrhythmiaDatabaseandEuropeanST_TDatabase. Keywords:baselinewander;movingwindow;medianfilter ———————————————————————————————————————————————