消除心电信号基线漂移简单方法及仿真

Ｔｈｅｓｉｓ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｒｅｐｏｒｔ　ｌ研究论著　

消除心电信号基线漂移简单方法及仿真　

朱杰檀，柒惠　

（武汉市儿童医院设备科，武汉４３００１６）　

［摘要】　目的：心电信号（ＥＣＧ）是临床诊断心血管疾病的重要依据，但由于基线漂移等噪声的存在影响了其诊断的准　

确性．因此在心血管诊断中必须先对ＥＣＧ信号中的基线漂移进行矫正。方法：分剐对中值滤波、高通滤波、整系数滤波　等３种不同的去除心电基线漂移算法的Ｍａｔｌａｂ仿真实现和分析。结果：通过对ＭＩＴ—ＢＩＨ数据库中带基线漂移的心电　

信号进行滤波．发现在处理效果上，中值滤波的处理效果比较好，ＩＩＲ高通滤波的方法对平整的ＳＴ段的抬升很明显，　

整系数滤波器矫正基线漂移的效果很好，只是在滤波初始阶段出现延时。结论：这３种滤波方法算法简单，易于硬件实　

现．并且能够较好地保留心电信号的重要信息。　【关键词］心电信号；基线漂移；滤波　

［中国图书资料分类号］Ｒ３１８；Ｒ５４０．４　１；ＴＰ３９１．９［文献标识码】Ａ［文章编号］１００３－８８６８（２０１２）０８—００１６－０５　

ＳｉｍＤｌｅ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ　０ｆ　ＥＣＧ　Ｂａｓｅｌｉｎｅ　Ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ　

ＺＨＵ　Ｊｉｅ—ｔａｎ，ＱＩ　Ｈｕｉ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｗｕｈａｎ　Ｃｈｉｌｄｒｅｎ　Ｓ　Ｈｏｓｐｉｔａｌ，Ｗｕｈａｎ　４３００１６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｏｂｊｅｅｔｉｖｏ　Ｔｏ　ｃｏｒｒｅｃｔ　ｔｈｅ　ｂａｓｅｌｉｎｅ　ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ　ｏｆ　ＥＣＧ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｒｄｉｏｖａｓｃｕｉａｒ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ．Ｍｔ￣ａｏｄｓ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

ｂｙ　Ｍａｔｌａｂ　ｗａｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｆｏｒ　ｍｅｄｉａｎ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ．ｈｉｇｈ—ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ＥＣＧ　ｓｉｇｎａｌｓ．Ｒ∞ｌ　

Ａｆｔｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ＥＣＧ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｂａｓｅｌｉｎｅ　ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ　ｉｎ　ＭＩＴ／ＢＩＨ　ｄａｔａｂａｓｅ，ｍｅｄｉａｎ　ｆｉｌｔｅ—ｉｎｇ　ｗｏｒｋｅｄ　ｗｅｌｌ　ｉｎ　ｇｅｎｅｒａｌ，ｈｉｇｈ—　ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ｒａｉｓｅｄ　ｓｍｏｏｔｈ　ＳＴ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｆｉｌｔｅｒ　ｂｅｈａｖｅｄ　ｗｅｌｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂａｓｅｌｉｎｅ　

ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｄｅｌａｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｓｔａｇｅ．Ｃｏｎｅｌｍ　Ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｍｅｄｉａｎ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，ｈｉｇｈ－ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，ａｒｅ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｒｅｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＥＣＧ－【Ｃｈｉｎｅｓｅ　

Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１２，３３（８）：１６—２０】　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ＥＣＧ；ｂａｓｅｌｉｎｅ　ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ；ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　

１　引言　

在心电信号（ＥＣＧ）中，ＳＴ段为从ＱＲＳ综合波群末到Ｔ波　

始的线段，正常时心室全部处于除极状态，无电位差存在．应与　

基线平齐。在心电图的记录过程中，由于电极电阻变化、电极的　

极化电位变化、心电放大器的直流偏置漂移、人体呼吸或其他　

肌肉缓慢运动等原因，导致心电图发生基线漂移。消除心电信　

号的基线漂移，是心电信号处理中的一个重要且又困难的问　题。因为基线漂移严重时，往往使波形识别和参数测量成为不　

可能，甚至无法记录。基线漂移的频率很低，其范围为０．０５　Ｈｚ　

至几Ｈｚ，其主要分量在Ｏ．１　Ｈｚ左右，属于低频干扰。而心电信　号的ｓＴ段频率也很低，其最大值约为０．６～０．７　Ｈｚ，两者的频谱　

非常接近＿】－２］，所以如果使用高通滤波的方法消除基线漂移．即　

使采用线性相位的滤波器，也常常会引起ＳＴ段严重失真，而　

ＳＴ段在ｌ临床上有重要价值。因此，对基线漂移纠正方法的研　

究，在心电信号处理中有着重要意义。　２滤波器的结构及设计　

２．１．１　中值滤波的原理　

中值滤波的基本原理是把数字序列　

中一点的值用该点的一个领域内各点值　

的中值来代替。其数学描述为：设　＝ｈ　

ｊ　作者简介：朱杰檀（１９８８一），男，Ｉ　床工程师，主要从　事医疗设备的维修与维护方面的研究工作

，Ｅ一　ａｉｌ：　＿　……ｃｆ，　（１），　（２），…，　（Ｌ）ｌ是一长度为　的实数列，也称为长度为，Ｊ　的信号。　的加边信号　＝　（一ｋ＋１），　（一ｋ＋２），…，　（一ｋ＋Ｌ）｝满　

足：　

｛　（１）－ｋ≤ｎ≤ｌ　

（ｎ）＝｛　（ｎ）ｌ＜ｎ＜Ｌ　（１）　Ｉ

（Ｌ－Ｉ）　≤ｎ≤　＋１　对每一个ｎ的赋值，１≤ｎ≤三，我们用记号　（ｎ）表示下面２ｋ＋１个　

实数：ｘ（ｎ－ｋ），　（，　＋１），…，ｘ（ｎ＋ｋ一１），ｘ（ｎ＋ｋ）由小到大重新排列后　位于中间的那个数，则称　。）＿　（１），　（”（２），…　（　（　）Ｉ为信号　的　

窗宽为２ｋ＋ｌ的中值滤波；对　（－　又可进行窗宽为２ｋ＋ｌ的中值滤　波，所得结果记为　等等，一般，　＝ｌ　（１），　（２），…　（，｜）１表示　

经过Ｐ次窗宽为２ｋ＋ｌ的中值滤波后的结果日。　

２．１．２中值滤波器的设计　基于中值滤波的基线校正方法的关键在于选择合适的　

滤波器窗口宽度。由于中值滤波是非线性的．不能用一般的　线性滤波方法分析，比较好的办法就是通过试验确定。ＭＩＴ—　

ＩＢＨ　Ａｒｒｈｙｔｈｍｉａ　Ｄａｔａｂａｓｅ中第１０４号数据的基线比较平稳．　

取其中一段与一模拟基线的低频正弦信号叠加作为原始信　

号。叠加后的信号通过窗口宽度不同的一系列中值滤波器　

校正基线，并将结果与原始信号求相关系数，相关系数的极　

大值所对应的窗口宽度就是在这种基线条件下的最优解＿４ｌ　

相关系数：　

上　一　ｒ　Ｎ　１　ｒ　Ｎ　１　２　ｒ　Ｎ　２　【　（鼍　）（　）¨　（　）　ｊ’ｌ　（ｘ　）　ｌ　（２）　

・医疗．２－生装备・２０１２年８月第３３　ｇ－ｇ　８期Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ・Ｖｏ１．３３・Ｎｏ．

８．Ａｕｇｕｓｔ．２０１２　研究论著ｆ　Ｔｈｅｓｉｓ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｒｅｐｏｒｔ　・１　７・　

式中，蕾为原始信号，　为原始信号的平均值，　为基线校正后　

的信号，　为校正基线后信号的均值。模拟基线的低频正弦信　

号为Ｓ（￡）　ｓｉｎ（２叮Ｔ（　）ｔ），其中采样频率　＝３６０　Ｈｚ，　表示　

低频正弦信号的频率，４　表示噪声信号的幅度。中值滤波器　窗Ｉ＝Ｉ宽度变化范围为３０～７２０，步长为１０。鉴于美国心脏病协　

会推荐去除ＥＣＧ中直流成分的高通滤波器截止频率不得超　

过０．０５　Ｈｚ，试验中设置了４个低频正弦信号模拟在这个频率　

范围内的基线漂移，另外２个模拟在这个频率范围之外的基　

线漂移。表１中　、Ａ　各栏详细记载了各模拟基线的参数。　

表１　各种模拟基线处理效果对比　

表ｌ中１～４模拟基线频率在０．０５之下的情况．而５－６模　

拟了基线频率在０．０５以上的情况。对比这２种情况，随着基　

线频率的增加，最大相关系数在减小，最大相关系数对应的滤　

波器窗口宽度也在减小。窗口宽度减小，是可以理解的，因为　

基线漂移变得更加频繁了，中值滤波器为了跟踪基线的变化，　

必定要减小窗口宽度。随着窗口宽度的减小，滤波器滤除的部　分就增加，丢失的信息也就相应增加了。因此，通过以上分析　

窗口宽度的选择为３３０。　

２＿２高通滤波　

２．２．１　ＩｌＲ滤波器结构　由于基线漂移信号是低频的。所以设计对应的高通滤波　

器，滤除这些低频干扰也可以达到调整基线的效果。ＩＩＲ滤波　

器可以用较低的阶数获得较高的频率选择性，但存在相位非　线性的问题：ＦＩＲ有严格的线性相位，但只能用比较高的阶数　达到高的频率选择性。心电信号处理中对线性相位的要求不　

是很高，而希望处理后延时比较小，所以这里选择ＩＩＲ滤波　

器。ＩＩＲ滤波器的实现通常采用递归算法［５１。　

ＩＩＲ滤波器系统输入与输出之间的关系可以用线性常系　

数差分方程来描述：　

ｙ［ｎ］＝一　乙ａｋｙ［ｎ－ｋ】＋　ｌ—ｂｃｃ［ｎ—ｋ】＝一ａｔｙ［　一１］一ｎ　［ｎ一２］一　ｈ＝ｌ　…一ａａｙ［ｎ一，ｖ】＋ｂｏｘ［ｎ］＋ｂＩｘ［１＂￣一１］＋…＋ｂＭｘ［ｎ—ＭＩ　（３）　式中，ｘ（ｎ）为输入信号，ｙ（ｎ）为输出信号，ｎ为滤波阶数，ａｋ、ｂ　

为滤波系数。　

２＿２＿２切比雪夫滤波器的性质及设计　切比雪夫滤波器阻带衰减特性下降较快，其幅度特性在　

通带内具有等波纹的形状，这种等波纹特性是由于采用切比　雪夫多项式来逼近理想特性而形成的，故称为切比雪夫滤波　

器。在应用中有２种切比雪夫滤波器，即切比雪夫Ｉ型和切比　雪夫Ⅱ型滤波器［６３。各阶切比雪夫滤波器系统函数的极点及　

其分母的因式已制成表格，设计时可直接查阅使用　。　

因为高通滤波器的阶数跟低通滤波器的阶数是一样的，　

所以在设计时利用高通滤波器可以先求出对应的低通滤波器　

的阶数。求低通滤波器阶数的步骤如下：　（１）确定理想的通带边缘频率和阻带边缘频率．　（　）和　ｔ（Ｈｚ），亦需求出理想通带边缘增益和２０　ｌｏｇ（１　）理想阻带　

衰减－２０　ｌｏｇＳｐ（或理想阻带增益２０　ｌｏｇＳｐ）。　

（２）将理想的边缘频率用式ｗ＝２＇ｒｒｆ／ｆ，转换为数字弧度形　式，得到　。】和∞　（３）将数字频率进行预畸变，以避免双线性变换带来的错　

误。用式ｏ＝４ｔａｎ（ｔｏ／２）得到　和　。。　

（４）通过确定通带边缘增益２０　ｌｏｇ（１　）来决定通带边缘　

增益１　，通过式（４）计算ｓ。　

仁＼／击　（４）　

（５）确定衰减－２０　ｌｏｇ　或增益２０　ｌｏｇ　Ｓｐ（ｄＢ）￣阻带边　

缘增益　。　

（５）　

（６）　

根据心电信号中基限漂移的性质．取模拟截止频率分别　

为．　＝０．３　Ｈｚ，．　。＝Ｏ．５　Ｈｚ，通过上面的步骤求得切比雪夫滤波　器的阶数为４。　

２．３整系数滤波　

２．３．１　整系数滤波的原理　Ｌｙｎｎ首先提出了一种简单系数的低通滤波器　。它的一　

个重要优点是其系数都是２的整次幂，故可以用简单移位运　算来代替乘法，使所需要的计算量急剧减少。这对于使用没有　

乘法指令的八微机来实现数字滤波器有着重要的意义，这种　滤波器既具有严格的线性相位避免了信号的相位失真，又具　

有容易编程能够快速执行的优点，且能很容易扩展成高通、带　

通和带阻型的简单整系数滤波器。本研究就是采用一个全通　

滤波器减去低通滤波器得到的整系数高通滤波器来滤除基线　

漂移．设计思路如图１所示。　

图１　低通特性变成高通特性的框图　

２．３．２消除基线漂移的整系数滤波器的设计　为了提高滤波器的最小衰减系分贝数，常使用高阶简单　

整系数滤波器。若简单整系数滤波器的阶数为ｍ，其传递函数　

为：　

日　（　）＝＼１ｌ　－ｚ一－ｋ　）＝　（ｚ）］　ｍ＝１，２，３…；　＝２，３，４，…（７）