浅谈心电信号处理（3）-- 心电滤波简述

在心电信号的采集过程中，不可避免会带入一些噪声干扰，大致上可分为三类：低频率的基线漂移，50/60Hz的工频干扰，以及高频的肌电噪声。无论是信号的显示，或是信号的分析诊断上，都需要进行噪声的滤除处理。

1. 基线漂移

基线漂移一般由于信号采集时呼吸及人体移动造成的，表现为低频率的缓慢变化噪声，其频率一般小于0.5Hz。目前基线滤波技术层出不穷，从经典的IIR和FIR，到中值滤波、自适应滤波、形态学滤波、小波变换等。虽然各种论文所用的技术都取得了不错的效果，但在实际的使用中，还是较多的倾向于经典的滤波算法：FIR和IIR，即具有滤除低频信号的高通滤波器。

基线滤波的一个主要问题是滤波后会对ST段产生影响，由于基线频率与ST段的频率很接近，如果滤波器选择不好的话，有可能会导致ST段发生改变。由于ST段是判断心肌梗死，心肌缺血等疾病的主要参数之一，滤波导致的ST段改变是不能接受的。这也是为什么在实际中基本都是倾向于使用经典滤波器，特别是线性相位的滤波器，因为非线性相位会导致ST段的改变。

美国心脏协会（AHA）推荐在使用非线性相移的IIR滤波器时，其截止频率最高为0.05Hz，使用具有线性相移的FIR滤波器时，截止频率最高可以到0.67Hz，对应40的心率（Recommendations for the Standardization and Interpretation of the Electrocardiogram: Part I: The Electrocardiogram and Its Technology）。对于IIR滤波器来说，0.05Hz效果很差，在实际中很少使用，而FIR的0.67Hz，基本满足要求。因而在基线滤波的实际设计中，大多采用FIR滤波器，或者说是具有线性相位的滤波器（IIR可通过一些特殊的方式，实现线性相位）。

对于AHA推荐FIR滤波器的0.67Hz，文献（A review of electrocardiogram filtering. Shen Luo）中作者也利用了三角波进行模拟测试，在心率低于40的时候，使用截止频率0.67Hz的滤波器可能会导致TP段（T波终止点到下一个P波起始点）的改变，因而作者建议，心率较慢时，使用的滤波器在1Hz其衰减不能超过0.5dB。

2. 零相位的基线滤波

在使用IIR实现线性相位的滤波器应用中，有一类特殊的滤波器—零相位滤波器。该滤波器通过前向和后向两次滤波，实现零相移，保证了ST段不失真（matlab有直接调用函数filtfilt.m）。相对于FIR的高阶次导致较多运算量来说，零相移滤波器能实现较低的运算次数。但零相移也有一个较为致命的缺点，由于存在后向滤波，所以需要全部数据采集完成后，才可以进行第二次滤波，这样导致了在实时环境中无法使用。

不少学者对于零相位滤波的实时（有可接受延时）应用做了一些研究，感兴趣的可以参考以下几篇文献进行研究。

1)．A. Kurosu, S, "A technique to truncate IIR filter impulse response and its application to real-time implementation of linear-phase IIR filters," in IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 51, no. 5, pp. 1284-1292, May 2003

2). Arand, "Method and apparatus for removing baseline wander from an ECG signal", US Patent 5318036.

3). 徐良. 基于零相位的心电信号基线漂移滤波方法的实时性改进. 中国医药导刊, 2015, v.17(S1):35-39.

3. 简谈中值滤波器

中值滤波、小波变换等在实际中应用较少，主要是受限于诊断类型的心电信号需要保证在滤波后其ST段不能改变。当然，在非诊断类型的心电信号，例如只需要简单确定节律类型的情况下，我个人觉得是可以使用的，毕竟相对于FIR等大计算量的滤波器来说，中值滤波器要简单也快速一些。

4. 50/60Hz工频滤波

工频滤波比较简单，一般采用陷波器或是带通滤波器进行，需要注意的是振铃效应。在YY 0782-2010中，利用CTS的数据库数据ANE20000，要求信号通过工频滤波后，在ST段产生的振铃峰值不能超过25微伏。

5. 肌电滤波器

肌电干扰属于高频信号，一般在实际中，采用截止频率为20Hz、30Hz和40Hz的低通滤波器进行滤除。

在低通滤波器的设计时，一个比较有用的是基于零极点对消的整系数滤波器设。通过在梳状滤波器的零点位置上加入一个极点进行抵消，得到一个一阶的整系数低通滤波器。此时的低通滤波器幅频特性不是很理想，可以通过平方的形式得到二阶低通滤波器，这个滤波器的幅频特性得到了明显改善，可以用于心电信号的低通滤波。这种滤波器的优点是设计简单，且可以通过IIR结构方式实现FIR，因而计算量小。具体原理可参照文献（Lynn, P.A. Online digital filters for biological signals: some fast designs for a small computer. Med. Biol. Eng. Comput. 15, 534–540 (1977)）。

6. 滤波器设计

滤波器设计可借用matlab的工具fdatool进行，根据自己的需要输入参数，matlab可以自动设计完成所需要的滤波器，然后直接导出.m或是.h的滤波器系数。

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