【文章內(nèi)容簡介】 了系統(tǒng)開發(fā)的速度。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 基于虛擬儀器的心電采集處理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 21 所示。 . 被測對(duì)象心 電 電 極放 大 、 濾波 、 模 數(shù) 轉(zhuǎn)換 等 電 路數(shù) 據(jù) 采 集分 析 處 理 、顯 示 結(jié) 果U S B 接 口硬 件 部 分（ 本 文 主 要 工 作 ）軟 件 部 分 圖 21 基于虛擬儀器的心電采集處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 通過心電電極將被測對(duì)象的微弱心電信號(hào)引入系統(tǒng)中，經(jīng)過放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過 USB 接口送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理 [7]。軟件系統(tǒng)基于 LabVIEW 平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，主要包括數(shù)據(jù)采集和分析處理兩大部分。本文主要工作內(nèi)容為其中的分析處理部分。 . 心電信號(hào)預(yù)處理研究 引言 微弱的心電信 號(hào)容易受到來自人體內(nèi)外的多種干擾，其特征被淹沒在復(fù)雜的信號(hào)之中，為了有效地提取心電信號(hào)，抑制噪聲，就有必要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是近年來迅速發(fā)展的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的一個(gè)重要的應(yīng)用方面，正是由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程的緊密結(jié)合，才使得我們?cè)谏镝t(yī)學(xué)信號(hào)特征的檢測、提取及臨床應(yīng)用上有了新的手段，因而也幫助我們加深了對(duì)人體自身的認(rèn)識(shí)。 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)作為一門新興學(xué)科，由于技術(shù)的先進(jìn)性和應(yīng)用的廣泛性，越來越顯示出其強(qiáng)大的生命力。 由于數(shù)字信號(hào)處理的對(duì)象是數(shù)字信號(hào)，處理的方式是數(shù)值運(yùn)算的方式，使它相對(duì)于模擬信號(hào)處理具有許多優(yōu)點(diǎn)，歸納起來有以下優(yōu)點(diǎn)： 1) 靈活性 2) 高精度和高穩(wěn)定性 3) 對(duì)數(shù)字信號(hào)可以存儲(chǔ)、運(yùn)算，系統(tǒng)可以獲得較高性能指標(biāo) 4) 可以實(shí)現(xiàn)多維信號(hào)處理 隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字濾波器已應(yīng)用于許多領(lǐng)域。它不僅能實(shí)現(xiàn)模擬濾波器的功能，而且在某些方面其性能要優(yōu)于模擬濾波器。尤其是模擬濾波器的相頻特性不容易得到保證，其良好的幅頻特性是以犧牲相頻特性得到的，而且模擬濾波器本身還會(huì)引入一些電噪聲。數(shù)字濾波器可以避免模擬濾波器所固有的這些缺點(diǎn)，而且在設(shè)計(jì)任意的幅頻特性的同時(shí)，還可以保證精 確嚴(yán)格的線性相位特性。 數(shù)字濾波器主要優(yōu)點(diǎn)歸納如下： 1) 它沒有漂移； 2) 它能處理低頻信號(hào)； 3) 頻率響應(yīng)特性可做成極接近于理想的特性； 4) 它可以做成沒有插入損耗； . 5) 可以有線性相位特性； 6) 可相當(dāng)簡單地獲得自適應(yīng)濾波； 7) 濾波器的設(shè)計(jì)者可以控制數(shù)字字長，可以精確地控制濾波器的精度； 8) 一般來說，比硬件的價(jià)格較為低廉，供應(yīng)量充足。鑒于數(shù)字濾波器的這些優(yōu)點(diǎn)，我們?cè)诒菊撐脑O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中利用數(shù)字濾波器的來對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。 心電信號(hào)中的噪聲來源 人體心電信號(hào)很微弱，信噪比較低 ，一般正常的心電信號(hào)在 到 100Hz頻率范圍內(nèi)，在采集心電信號(hào)時(shí)，由于受儀器、人體等方面的影響，所采集的信號(hào)常常存在以下幾種干擾： 呼吸和運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的基線漂移 在人體運(yùn)動(dòng)的情況下，電極和皮膚接觸壓力有變化并使人體組織液、導(dǎo)電膏中的離子濃度發(fā)生變化導(dǎo)致電極阻抗產(chǎn)生很大的變化，同時(shí)造成電極極化電壓的不等，這種變化相對(duì)于微弱的生物電信號(hào)來說，在放大器輸出端產(chǎn)生極大的干擾。 另外，由于呼吸的加劇導(dǎo)致電極松動(dòng)和移位而帶來一種不穩(wěn)定的干擾。因此在系統(tǒng)輸入端依賴于輸入阻抗的輸入電壓將產(chǎn)生變化，從而導(dǎo) 致 ECG 基線漂移以及幅值隨呼吸產(chǎn)生波動(dòng)。呼吸引起的基線漂移可以看成是一個(gè)以呼吸的頻率加入 ECG 信號(hào)的竇性成分。這個(gè)正弦成分的幅度和頻率是變化的。呼吸所引起的ECG 信號(hào)的幅度的變化可以達(dá)到 15％基線漂移的頻率約是從 到 ，如圖 31 所示。 圖 31 基線漂移示意圖 . 工頻干擾 工頻干擾是由電力系統(tǒng)引起的一種干擾，它是由 50Hz 及其諧波構(gòu)成的一種干擾，其幅值成份在 ECG 峰 峰幅值的 050％范圍內(nèi)變化，如圖 32 所示，照明設(shè)備、各種電子儀器設(shè)備等都是這一類型的干擾源，導(dǎo)線的移動(dòng)也會(huì)產(chǎn) 生一些峰值，或在于燥氣候下，如果皮膚是干燥的，衣服、皮膚、電極和導(dǎo)線彼此摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生靜電，這種靜電放電也會(huì)產(chǎn)生一些峰值。工頻干擾在心電信號(hào)的頻帶范圍內(nèi)，因此它是心電信號(hào)檢測與處理過程中必須考慮的一種干擾。 圖 32 工頻干擾示意 圖 肌電干擾 肌肉伸縮會(huì)產(chǎn)生微伏級(jí)的電勢(shì)，它的幅值大約是 ECG 峰峰值的 10％，維持時(shí)間大約是 50 毫秒，肌電的頻率范圍非常廣，可以從直流到 10000Hz。如圖 33所示。在運(yùn)動(dòng)時(shí)肌電會(huì)大大的增強(qiáng)，尤其對(duì)于運(yùn)動(dòng)心電信號(hào)，由于測試中受試者身體各部位都有不同程度的運(yùn)動(dòng)，信號(hào)的形態(tài) 隨著運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的增強(qiáng)而動(dòng)態(tài)地發(fā)生變化，使得所記錄的信號(hào)中可能混入不同程度的干擾噪聲，其信號(hào)質(zhì)量是相當(dāng)糟糕的。 圖 33 肌電干擾示意圖 . 電極接觸噪聲 電極接觸噪聲是由于電極和皮膚接觸不良或是被測對(duì)象和測量系統(tǒng)脫離引起的瞬態(tài)干擾 (見圖 34)。這種脫離在諸如運(yùn)動(dòng)和振蕩時(shí)有可能發(fā)生，可以是永久的或者是間斷性的。電極接觸噪聲可以看作是一個(gè)隨機(jī)發(fā)生的快速基線改變，這種改變可能只發(fā)生一次，這種情況只產(chǎn)生一個(gè)階躍干擾，也可能快速發(fā)生好幾次。該噪聲信號(hào)維持時(shí)間大約 1 秒，幅值可達(dá)到放大器最大輸出。 圖 34 電極接觸噪聲示意圖 電子設(shè)備產(chǎn)生的高頻儀器噪聲 外科手術(shù)中用的器具的高頻電流會(huì)完全改變 ECG 信號(hào)。它的幅值非常大，如果 ECG信號(hào)的采樣頻率在 2501000Hz之間，它的頻率大約在 100KHz到 1MHz之間。它的幅值約是 ECG 峰 峰值的 200％，維持時(shí)間為 110 秒。 心電信號(hào)去噪 心電信號(hào)的能量主要集中在 ，其中 QRS 復(fù)合波的能量大部分集中在 340Hz， P 波和 T 波的能量則位于 。由此可見噪聲信號(hào)基本覆蓋了有用的心電信號(hào)的全頻率范圍。因此，對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，提高心電信號(hào)的信噪比是所有心電自動(dòng)分析儀器必須首先要解決的問題。 剔除心電信號(hào)中的干擾一般從硬件電路優(yōu)化設(shè)計(jì)和軟件數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面入手。計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，使得設(shè)計(jì)高精度、高可靠性、簡潔靈活的數(shù)字濾波器成為現(xiàn)實(shí)。通過軟件來濾除干擾的方式得到了人們極大的關(guān)注，并已逐漸顯示出 替代硬件化模擬濾波器的趨勢(shì)。 . 濾除工頻干擾和高頻肌電噪聲 1) 平滑濾波 平滑濾波的差分方程如下： ??? ?? 10 )(1)( mi inxmny (31) 其中 x(n)為心電原始信號(hào)， y(n )為濾波輸出的信號(hào)， m 為平滑濾波數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。該平滑濾波器的濾波效果如圖 35 (b)所示。 平滑濾波的優(yōu)點(diǎn)是算法較簡單，處理速度快，但是從其幅頻響應(yīng)（圖 36(a)）可以看出，平滑濾波實(shí)際上是 具有低通特性的濾波器，通頻帶較窄，對(duì)心電信號(hào)的主要波形 QRS 波有較大的削峰，信號(hào)衰減很大，一般無法滿足心電診斷的要求。 圖 35 平滑濾波器與 50HzFIR 陷波器濾波效果比較 . 圖 36 平滑濾波器與 50HzFIR 陷波器幅頻特性比較 2) 利用簡單整系數(shù)濾波器消除工頻干擾與基線漂移 利用極點(diǎn)和零點(diǎn)抵消技術(shù)，可以設(shè)計(jì)出簡單整系數(shù)濾波器，實(shí)際上它是利用了 IIR 濾波器的遞歸特性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) FIR 濾波器，但是由于其系數(shù)為整數(shù)，計(jì)算量小，又具有嚴(yán)格的線性相位特性，因而具有較好的實(shí)用價(jià)值。 為了得到一個(gè)帶阻特性的濾除工 頻干擾的濾波器，可以從一個(gè)全通網(wǎng)絡(luò)中減去一個(gè)具有一定延遲和增益的線性相位帶通網(wǎng)絡(luò)而得到，實(shí)現(xiàn)方法如圖 37所示。 圖 37 濾除工頻干擾的帶阻濾波器實(shí)現(xiàn)框圖 心電信號(hào)中除了 50Hz 工頻干擾外，往往還有低于 的基線漂移，因而這里采用了具有梳狀帶通濾波特性的濾波器，其傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)為： . nPMnBP ZZKZH )11(1)( ????? (32 ) nwPMjnnnjwBP ewPwMKeH22s i n2s i n1)( ??? (33) 式中ffP s?， sf 為采樣頻率，本系統(tǒng)中為 1000Hz， f 為工頻，這里為 50Hz，因而 20?P ， PMK? ， Mn和 決定了濾波器的阻帶帶寬，由于沒有解析式計(jì)算Mn， 和 阻 帶 帶 寬 的 關(guān) 系 ， 因 而 通 過 實(shí) 驗(yàn) ， 本 系 統(tǒng) 選 取162320 ??? KnM ，這樣， ，由此計(jì)算得到濾波器的頻率響應(yīng)為： 2203202 )11(161)( ????? ZZZH BP (34) wjnnjwBP ewweH 3002 10s i n 160s i n161)( ?? (35) 該帶通濾波器在時(shí)域上的差分方程為： )40()20(2)640()320(2)()( ????????? nynynxnxnxny (36) 該濾波器具有 300 的延遲，因而全通網(wǎng)絡(luò)也作一定的延遲，這樣帶阻濾波器的 傳遞函數(shù)為： 2203202300 )11(161)( ??? ???? ZZZZH BS (37) )10s i n 160s i n16 11()( 2300 wweeH nnwjjwBS ?? ? (38) 該帶阻濾波器在時(shí)域上的差分方程為： 256 )()300()( nynxnw ??? (39) 該濾波器的幅頻和相頻響應(yīng)如圖 38 所示。 . 圖 38 簡單整系數(shù)帶阻濾波器的頻率響應(yīng) 使用簡單整系 數(shù)濾波器減少了計(jì)算量，有利于實(shí)時(shí)處理，但是它具有一定的濾波延時(shí)，并且對(duì)于采樣頻率有一定的限制，另外考慮到電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，阻帶的帶寬不宜太窄。利用該濾波器對(duì)于帶有工頻干