專利名稱：一種微弱電生理信號(hào)的濾波器設(shè)計(jì)方法及濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)字處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及以中國(guó)去除微弱電生理信號(hào)經(jīng)常受到的基線漂移干擾和工頻干擾的濾波技術(shù)。
背景技術(shù)：
門診系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)輔助工具對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的心臟病患者進(jìn)行長(zhǎng)期的心電圖(ECG)監(jiān)測(cè)，要求有快速、實(shí)時(shí)的微弱電生理信號(hào)分析方法，來提供高精度的心臟病自動(dòng)診斷[I]。這樣，對(duì)微弱電生理信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理濾波就顯得至關(guān)重要。微弱電生理信號(hào)受到的多種外部干擾中最為常見的是工頻干擾和基帶干擾。工頻是固定的(我國(guó)是50Hz)，然而基線漂移是不確定地變化的，基線漂移是常見的外部干擾，人的呼吸、人體部位輕微移動(dòng)等都會(huì)使得微弱電生理信號(hào)產(chǎn)生漂移。基線漂移的特點(diǎn)是低頻特性，需要通過高通濾波的手段給予消除。基線漂移的去除既可以通過模擬濾波實(shí)現(xiàn)，也可以通過數(shù)字濾波實(shí)現(xiàn)。模擬濾波是傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，其優(yōu)點(diǎn)是時(shí)延小、成本低，但是濾波精度低、靈活性差；最近，基線漂移的去除逐步趨向用數(shù)字濾波實(shí)現(xiàn)，數(shù)字濾波精確度高、靈活性高，但是計(jì)算復(fù)雜度和成本高。因而如何降低數(shù)字濾波的成本(具體說來是乘法器和加法器資源)和計(jì)算復(fù)雜度是消除心電漂移的核心問題。而基線漂移濾波器的截止頻率的確定在學(xué)術(shù)界和工程界一直存在爭(zhēng)議和矛盾，如果高通截止頻率太高，則意味著基線漂移消除得過于徹底，這容易把T波低頻成分也濾除掉而影響診斷；若截止頻率太低，則意味著基線漂移消除得很輕微，容易把本該去除的基線漂移而沒濾除掉，保留了下來。1990年美國(guó)AHA組指出，最長(zhǎng)的RR間期與微弱電生理信號(hào)的最低頻率(通常是指每分鐘心臟跳動(dòng)40下的心率)是對(duì)應(yīng)的，這就意味著高通截止頻率為O. 67Hz的數(shù)字濾波器，即可滿足大部分的基線漂移給消除[2]。—直以來國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)去除微弱電生理信號(hào)的噪聲的濾波方法進(jìn)行了研究，提出了很多濾波方法。比如國(guó)外學(xué)者H. Govaerts提出一種反復(fù)應(yīng)用移動(dòng)平均濾波器來滿足通帶和阻帶的要求的方法。文獻(xiàn)[3]則提出一種用Kaiser窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器和移動(dòng)平均相結(jié)合的濾波器[4];國(guó)內(nèi)也有很多相關(guān)的文獻(xiàn)[5-9]。盡管已經(jīng)有如此多的濾波器能滿足要求，但這些方法都有各自的缺點(diǎn)。有的計(jì)算量大，不適于小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)；有的參數(shù)設(shè)置不靈活，如文獻(xiàn)[6]中的小波基函數(shù)的選擇，只能通過實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)來選取，容易影響濾波的效果；有的需要對(duì)微弱電生理信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，導(dǎo)致了信號(hào)分析的延遲。本發(fā)明提出一種基于內(nèi)插的數(shù)字濾波方法，相比于傳統(tǒng)數(shù)字濾波方法，其計(jì)算復(fù)雜度非常低，耗費(fèi)的計(jì)算資源非常少(主要是乘法器資源)，適合于便攜式心電儀來實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)[I] Kligfeld, P. , L. Gettes, J. Bailey, R. Childers, B. Deal, ff. Hancock, G.Herpenj J. Korsj P. Macfarlanej D. Mirvisj 0. Pahlmj P. Rautahar ju，and G. Wagner.Recommendations for the standardization andinterpretation of theelectrocardiogram, Part I.The electrocardiogram and its technology. J. Am. Coll.Cardiol. 49:1109 - 1127，2007. doi:10. 1016/j. jacc. 2007. 01. 024.[2]Serafim Tabakov, Ivo Iliev,Vessela Krasteva. Online Digital Filterand QRS Detector Applicable inLow Resource ECG Monitoring Systems[J]. Annals ofBiomedical Engineering, 2008, 36(11):1805-1815.[3]Faes, Th. , H. Govaerts, B. Tenvoorde, and 0. Romp el man. Frequency synthesisof digital fIters basedon repeatedly applied unweighed moving averageoperations. Med. Biol. Eng. Comp. 32:698-701，1994. doi : 10. 1007/BF02524254.[4]Bai, Y. , ff. Chu, Ch. Chen, Y. Lee, Y. Tsai, and Ch. Tsai. The combination ofKaiser window andmoving average for the low-pass fltering of the remote ECGsignals. In:Proc.17th IEEE Symposium onComputer-Based Medical Systems, 273, 2004.[5]鄒波，周遠(yuǎn).一種濾除基線漂移和工頻干擾的數(shù)字濾波算法[J].深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，4 (4) :3-5[6]李安，李東.小波分析法在微弱電生理信號(hào)數(shù)字濾波中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)仿真，2001，18(6) 70-73[7]陳靜，錢立峰，向馗，周林海.便攜式心電監(jiān)護(hù)中實(shí)時(shí)信號(hào)處理方法研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展，2009，30(4) =200-204[8]陳天華，陳茜.一種消除微弱電生理信號(hào)噪聲的數(shù)字濾波方法[J].世界科學(xué)技術(shù)，2005，7(1) :123-126[9]于嬌，曲波.微弱電生理信號(hào)處理中的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2009，第五期61-6
發(fā)明內(nèi)容
基于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種微弱電生理信號(hào)的濾波器設(shè)計(jì)方法及濾波方法，了為去除微弱電生理信號(hào)的基線漂移干擾而提出了濾波器的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的一種微弱電生理信號(hào)的濾波器設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟步驟一，根據(jù)內(nèi)插因子D和延拓周期數(shù)N，令d= (N-I)/2，d表示濾波器的群延時(shí)；步驟二，將濾波器系數(shù)h (η)初始化為長(zhǎng)度為2d-l的全I(xiàn)矩陣，對(duì)濾波器h進(jìn)行D點(diǎn)的上采樣，即在濾波器h的每個(gè)系數(shù)h(n)后面插入D-I個(gè)零值點(diǎn)；以及步驟三，根據(jù)上述參數(shù)，濾波器系數(shù)h (η)的表達(dá)式為
\-3IN ,η=0
//{//) = ； -1 /W， n = nil·), m = ± 1,+2,.....± ((/..— I)
O,其他n、m表示整數(shù)，根據(jù)上述公式計(jì)算出濾波器系數(shù)h(η)的所有非零系數(shù)；步驟四、中心樣點(diǎn)Xn乘以(1-3/Ν)的值減去步驟二算出的平均值，即為當(dāng)前時(shí)刻的濾波輸出y (η)，N為延拓周期數(shù)，從而設(shè)計(jì)出該濾波器h。CN 102940489 A
書
明
說
3/7頁所述步驟二還包括將波器系數(shù)h (η)最后一次內(nèi)插的點(diǎn)刪掉的步驟。該方法的濾波樣點(diǎn)的選取采用以Xn及與其相鄰的Xlri和xn+1為中心樣點(diǎn)，以D為數(shù)據(jù)選取的采樣周期，分別對(duì)稱地選擇第一組樣點(diǎn)數(shù)據(jù)Xn、xn-D、Xn+D ;第二組樣點(diǎn)數(shù)據(jù)Xn-PXn-D-I、xn+D-i ;第三組樣點(diǎn)數(shù)據(jù)xn+1、xn_D+1、Xn+D+1的規(guī)則進(jìn)行選取。所述內(nèi)插因子D設(shè)置為采樣頻率fs和工頻干擾頻率fp的比值D = fs/fp。所述延拓周期數(shù)N采用枚舉法求得，具體包括以下步驟
令co=2Jif/fs/f = Q 67 代入到
權(quán)利要求
1.一種微弱電生理信號(hào)的濾波器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一，根據(jù)內(nèi)插因子D和延拓周期數(shù)N，令d= (N-I) /2，d表示濾波器的群延時(shí)；步驟二，將濾波器系數(shù)h(η)初始化為長(zhǎng)度為2d-l的全I(xiàn)矩陣，對(duì)濾波器h進(jìn)行D點(diǎn)的上采樣，即在濾波器h的每個(gè)系數(shù)h (η)后面插入D-I個(gè)零值點(diǎn)；以及步驟三，根據(jù)上述參數(shù)，濾波器系數(shù)h (η)的表達(dá)式為
2.如權(quán)利要求I所述的微弱電生理信號(hào)的濾波器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟二還包括將波器系數(shù)h (η)最后一次內(nèi)插的點(diǎn)刪掉的步驟。
3.如權(quán)利要求I所述的微弱電生理信號(hào)的濾波器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法的濾波樣點(diǎn)的選取采用以Xn及與其相鄰的Xlri和Χη+1為中心樣點(diǎn)，以D為數(shù)據(jù)選取的采樣周期，分別對(duì)稱地選擇第一組樣點(diǎn)數(shù)據(jù)Xn、Xn-D > Xn+D ;第二組樣點(diǎn)數(shù)據(jù)Xn-I、Xn-D-I > Xn+D-1 ;第三組樣點(diǎn)數(shù)據(jù)xn+1、xn-D+1、Xn+D+1的規(guī)則進(jìn)行選取。
4.如權(quán)利要求I所述的微弱電生理信號(hào)的濾波器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述內(nèi)插因子D設(shè)置為采樣頻率fs和工頻干擾頻率fp的比值D = fs/fp。
5.如權(quán)利要求I所述的微弱電生理信號(hào)的濾波器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述延拓周期數(shù)N采用枚舉法求得，具體包括以下步驟令
6.一種微弱電生理信號(hào)的濾波方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一、輸入η個(gè)樣點(diǎn)集，I, …,彥樣點(diǎn)集的相鄰的兩個(gè)樣點(diǎn)間隔D個(gè)采樣周期；步驟二、對(duì)樣點(diǎn)集中的η個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行累加求平均；步驟三、將中心樣點(diǎn)xn乘以(1-3/Ν)的值減去步驟二算出的平均值，即為當(dāng)前時(shí)刻的濾波輸出y (η)，N為延拓周期數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微弱電生理信號(hào)的濾波器設(shè)計(jì)方法及濾波方法，濾波器設(shè)計(jì)方法包括根據(jù)內(nèi)插因子D和延拓周期數(shù)N，令d=(N-1)/2；將濾波器系數(shù)h(n)初始化為長(zhǎng)度為2d-1的全1矩陣，對(duì)濾波器h進(jìn)行D點(diǎn)的上采樣，即在濾波器h的每個(gè)系數(shù)h(n)后面插入D-1個(gè)零值點(diǎn)；根據(jù)上述公式計(jì)算出濾波器系數(shù)h(n)的所有非零系數(shù)；修改計(jì)算中心點(diǎn)的系數(shù)，從而設(shè)計(jì)出該濾波器h；濾波方法包括步驟一、輸入n個(gè)樣點(diǎn)集，即該樣點(diǎn)集的相鄰的兩個(gè)樣點(diǎn)間隔D個(gè)采樣周期；對(duì)樣點(diǎn)集中的n個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行累加求平均；將中心樣點(diǎn)xn乘以(1-3/N)的值減去步驟二算出的平均值，即為當(dāng)前時(shí)刻的濾波輸出y(n)，N為延拓周期數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有減少乘法器的使用，計(jì)算復(fù)雜度低，濾波時(shí)間短以及參數(shù)設(shè)置靈活的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)A61B5/0402GK102940489SQ201210498628
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者黃翔東, 張?jiān)? 王玲, 李海亮, 李國(guó)翚, 張宇 申請(qǐng)人:天津開發(fā)區(qū)奧金高新技術(shù)有限公司