【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 基于虛擬儀器的心電采集處理系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖 21 所示。 . 被測對象心 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象的微弱心電信號引入系統(tǒng)中，經(jīng)過放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過 USB 接口送入計算機進行分析處理 [7]。軟件系統(tǒng)基于 LabVIEW 平臺進行開發(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。 . 心電信號預(yù)處理研究 引言 微弱的心電信 號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)雜的信號之中，為了有效地提取心電信號，抑制噪聲，就有必要對其進行預(yù)處理。生物醫(yī)學(xué)信號處理是近年來迅速發(fā)展的數(shù)字信號處理技術(shù)的一個重要的應(yīng)用方面，正是由于數(shù)字信號處理技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程的緊密結(jié)合，才使得我們在生物醫(yī)學(xué)信號特征的檢測、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人體自身的認識。 數(shù)字信號處理技術(shù)作為一門新興學(xué)科，由于技術(shù)的先進性和應(yīng)用的廣泛性，越來越顯示出其強大的生命力。 由于數(shù)字信號處理的對象是數(shù)字信號，處理的方式是數(shù)值運算的方式，使它相對于模擬信號處理具有許多優(yōu)點，歸納起來有以下優(yōu)點： 1) 靈活性 2) 高精度和高穩(wěn)定性 3) 對數(shù)字信號可以存儲、運算，系統(tǒng)可以獲得較高性能指標(biāo) 4) 可以實現(xiàn)多維信號處理 隨著數(shù)字信號處理技術(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，而且在設(shè)計任意的幅頻特性的同時，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)點歸納如下： 1) 它沒有漂移； 2) 它能處理低頻信號； 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，我們在本論文設(shè)計的系統(tǒng)中利用數(shù)字濾波器的來對心電信號進行預(yù)處理。 心電信號中的噪聲來源 人體心電信號很微弱，信噪比較低 ，一般正常的心電信號在 到 100Hz頻率范圍內(nèi)，在采集心電信號時，由于受儀器、人體等方面的影響，所采集的信號常常存在以下幾種干擾： 呼吸和運動所產(chǎn)生的基線漂移 在人體運動的情況下，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，同時造成電極極化電壓的不等，這種變化相對于微弱的生物電信號來說，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。呼吸引起的基線漂移可以看成是一個以呼吸的頻率加入 ECG 信號的竇性成分。這個正弦成分的幅度和頻率是變化的。呼吸所引起的ECG 信號的幅度的變化可以達到 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)線的移動也會產(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會產(chǎn)生靜電，這種靜電放電也會產(chǎn)生一些峰值。工頻干擾在心電信號的頻帶范圍內(nèi)，因此它是心電信號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 肌肉伸縮會產(chǎn)生微伏級的電勢，它的幅值大約是 ECG 峰峰值的 10％，維持時間大約是 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。在運動時肌電會大大的增強，尤其對于運動心電信號，由于測試中受試者身體各部位都有不同程度的運動，信號的形態(tài) 隨著運動負荷的增強而動態(tài)地發(fā)生變化，使得所記錄的信號中可能混入不同程度的干擾噪聲，其信號質(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)。這種脫離在諸如運動和振蕩時有可能發(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隨機發(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)生一個階躍干擾，也可能快速發(fā)生好幾次。該噪聲信號維持時間大約 1 秒，幅值可達到放大器最大輸出。 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完全改變 ECG 信號。它的幅值非常大，如果 ECG信號的采樣頻率在 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％，維持時間為 110 秒。 心電信號去噪 心電信號的能量主要集中在 ，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 。由此可見噪聲信號基本覆蓋了有用的心電信號的全頻率范圍。因此，對心電信號進行預(yù)處理，提高心電信號的信噪比是所有心電自動分析儀器必須首先要解決的問題。 剔除心電信號中的干擾一般從硬件電路優(yōu)化設(shè)計和軟件數(shù)字濾波器的設(shè)計兩個方面入手。計算機軟件技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，使得設(shè)計高精度、高可靠性、簡潔靈活的數(shù)字濾波器成為現(xiàn)實。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。 . 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， y(n )為濾波輸出的信號， m 為平滑濾波數(shù)據(jù)點數(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，平滑濾波實際上是 具有低通特性的濾波器，通頻帶較窄，對心電信號的主要波形 QRS 波有較大的削峰，信號衰減很大，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 利用極點和零點抵消技術(shù)，可以設(shè)計出簡單整系數(shù)濾波器，實際上它是利用了 IIR 濾波器的遞歸特性結(jié)構(gòu)實現(xiàn) FIR 濾波器，但是由于其系數(shù)為整數(shù)，計算量小，又具有嚴(yán)格的線性相位特性，因而具有較好的實用價值。 為了得到一個帶阻特性的濾除工 頻干擾的濾波器，可以從一個全通網(wǎng)絡(luò)中減去一個具有一定延遲和增益的線性相位帶通網(wǎng)絡(luò)而得到，實現(xiàn)方法如圖 37所示。 圖 37 濾除工頻干擾的帶阻濾波器實現(xiàn)框圖 心電信號中除了 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，由于沒有解析式計算Mn， 和 阻 帶 帶 寬 的 關(guān) 系 ， 因 而 通 過 實 驗 ， 本 系 統(tǒng) 選 取162320 ??? KnM ，這樣， ，由此計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)濾波器減少了計算量，有利于實時處理，但是它具有一定的濾波延時，并且對于采樣頻率有一定的限制，另外考慮到電網(wǎng)頻率的波動，阻帶的帶寬不宜太窄。利用該濾波器對于帶有工頻干