數(shù)字濾波器在實時濾除心電干擾中的設計與應用

1、技 術 創(chuàng) 新中 文 核 心 期 刊 微 計 算 機 信 息 (嵌 入 式 與 SOC 2006年 第 22卷 第 4-2期 /:現(xiàn)場總線技術應用 200例嵌 入 式 軟 件 應 用魏陽 :碩士基金項目 :四川省科技攻關項目 . 編號 :04GG006-025數(shù)字濾波器在實時濾除心電干擾中的設計與應用A Design and Application of Digital Filter in Real-tim e Filtrating the Disturbance from the Electrocardiogram (ECG Signal(西南交通大學 魏陽 索忠偉 李文容Wei,Yang

2、Suo,Zhongwei Li,Wenrong摘要 :在 醫(yī) 療 電 子 中 的 心 電 (ECG 監(jiān) 護 儀 的 設 計 中 , 針 對 心 電 信 號 的 特 殊 信 號 和 干 擾 頻 率 范 圍 , 進 行 了 分 析 , 并 且 設 計 了 一 個 基 于 零 極 點 對 消 的 簡 單 整 系 數(shù) 濾 波 器 , 該 濾 波 器 具 有 嚴 格 線 性 相 位 , 穩(wěn) 定 性 能 好 , 利 用 DSP 匯 編 語 言 進 行 算 法 的 實 現(xiàn) , 提 高 了 計 算 速 度 , 有 效 地 濾 除 了 干 擾 。關鍵詞 :心電 (ECG 信號 ; 干擾 ; 數(shù)字濾波器 中圖分類

3、號 :TN912.3文獻標識碼 :AAbstract:In the medical electronics instrument of electrocardiogram (ECG monitor design , the range of the frequency of the disturbance was analyzed , and a filter based on pole-zero elimination was designed.The filter has a good linear phase character and good stability.The arithm

4、etic was programmed with assemble language of DSP, speed of the operation was accelerated and the result is satisfactory.Keywords:electrocardiogram(ECG signal, disturbance,digital filter文章編號 :1008-0570(200604-2-0040-02引言在醫(yī)療電子電路設計中 , 考慮到模擬濾波器引入 了噪聲、 溫度、 體積、 電壓漂移、 溫度漂移等方面的問題 將影響系統(tǒng)地安全性和穩(wěn)定性 , 所以以數(shù)字濾波代替

5、模擬濾波 , 以避免這些影響。以 ADI DSP 為核心的便攜式心電監(jiān)護儀能夠通過 體表信號進行分析 , 識別和診斷 , 這個過程中的一個重 要的環(huán)節(jié)就是對輸入信號的有效濾波 , 干擾主要是基 線漂移和 50Hz 工頻干擾 , 基線漂移是受到患者的呼吸 影響和傳感器與皮膚的接觸不良引起的 , 頻率范圍是 0.5Hz 以下的低頻部分 , 工頻干擾是 50Hz 及其諧波。 本 文設計了一種能同時濾除基線漂移和工頻干擾的簡單 整系數(shù)多窄帶帶阻濾波器 , 利用 ADSP2188使用循環(huán)緩沖區(qū)實現(xiàn)算法 , 具有算法簡單 , 效率高的優(yōu)點。1數(shù)字濾波基本原理所謂的數(shù)字濾波器 , 就是一種把一個采樣信號或

6、一 系 列 的 值 轉(zhuǎn) 換 為 另 一 系 列 的 數(shù) 值 的 計 算 過 程 或 算 法 , 這個計算過程可以是低通濾波 (平滑 , 帶通濾波 , 平滑 , 插值 , 求導等。 (J.F.Kaiser , 數(shù)字濾波原理框圖如 下 :設一個長度為 n 的數(shù)字濾波器對單位取樣序列 (1的響應為 h(n , 當輸入序列為 x (n 時輸出序列 y (n 可以用差分方程表示為 :(2其相應的頻譜關系式為 :(3 式 (3 中 X(e j 與 Y(e j 分別為輸入和輸出序列的 頻譜 ; H(e j 為單位取樣響應 h(n 的頻譜 , 稱為頻率響 應。 可見按照 X(e j 的特點和處理數(shù)據(jù)的目的 ,

7、 只要選 擇適當?shù)?H(e j 便可以使濾波以后的 X(e j 即 Y(e j 符 合要求 , 這就是數(shù)字濾波的基本原理。2基 于 零 極 點 對 消 原 理 的 數(shù) 字 陷 波器的設計心電信號 (ECG 容易受到基線漂移和工頻干擾的 影響 , 基 線漂移的頻 率范圍是 0.5Hz 以 下的低頻部 分 ; 工頻干擾主要是 50Hz , 由于人體的分布電容引起 的。 因此 , 濾除 ECG 信號中的基線漂移和工頻干擾成 為 ECG 信號分析的關鍵。陷波濾波器是指對某一特定頻率有抑制作用的 濾波器。對于心電信號的濾波處理必須具有嚴格的線性相位和穩(wěn)定性 , FIR 濾波器具有這些特點 , 但是由于

8、產(chǎn)生的系數(shù)非整系數(shù) , 用定點 DSP 來處理比較困難 ,所以本設計利用零極點對消的方法設計出一個簡單 整系數(shù)濾波器。( ( ( j j j Y e H e X e w w w =- :360元 /年 技 術 創(chuàng) 新嵌 入 式 軟 件 應 用PLC 技術應用 200例您 的 論 文 得 到 兩 院 院 士 關 注 基線漂移的低頻成份低于 0.5Hz , 工頻干擾基頻 為 50Hz , 二次諧 波為 100Hz , 三次諧 波 為 150Hz , 高 于 100Hz 的 頻率已經(jīng)在 電路中被 100Hz 低 通濾波器 濾除 , 所以在數(shù)字濾波時只需要濾除基線漂移和 50Hz 及 100Hz 干擾

9、。所以濾除基線漂移和工頻干擾 , 濾波 器的頻率響應應該具有如圖 1的幅頻特性圖 1陷波濾波器幅頻特性要設計出上圖的陷波濾波器 , 需要首先設計出一 個如圖 2的多通帶濾波器 , 該濾波器的特點是在梳狀 濾波器的基礎上進行個別零極點對消 , 在對消之后的 頻率點上為通帶 , 其它的頻率點上則是阻帶。圖 2多通帶濾波器幅頻特性該多阻帶窄帶濾波器的特點是阻帶的帶寬很窄 , 約 1Hz , 設計這樣一個濾波器就需要將圖 2的多通帶 濾波器和一個帶寬約 1Hz 的全通濾波器相減 , 同時需 要全通濾波器和帶通濾波器具有相同的時延和增益 , 如圖 3所示。圖 3帶阻濾波器結(jié)構(gòu)圖該帶通濾波器 的頻率響應

10、是 由 它 的 幅 頻 響 應 的 零點和極點在 Z 平面的位置決定的 , 在本設計中 , 我 們在 Z 平面單位圓上以每赫茲布置一個零點 , 設 f sa =200Hz 為采樣頻率 , 以每赫茲為一個零點 , 從 f=0,1,2 49,50,51, fsa 處都安排上零點 , 形成一個梳狀 濾波器 , 要對 0Hz 和 50Hz 及 100Hz 處形成帶通 , 需要 在這里各設置一個 極點 , 來和零 點對消 , 就形 成了一 個只有三個單頻率才能通過的帶通數(shù)字濾波器。 對于小于 0.5Hz 的帶通中心頻率設置在 =0處 , 50Hz 帶通中心則設在 =/2處 , 100Hz 帶通頻率點設

11、在 =處 , 而為了使系數(shù)為簡單整系數(shù) , 需要在 =-/2設置一個和 =/2共軛的極點 , 也 即在 =3/2處增加一個通帶 , 該點的頻率 fp=pfsa/2=150Hz 由 于模擬濾波器已經(jīng)濾除高于 100Hz 的頻率 , 所以增加 該點不會影響濾波器性能。這樣 , 這個多通帶帶通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)的分母 為(4由 此 這 個 多 窄 帶 濾 波 器 的 轉(zhuǎn) 移 函 數(shù) 為 :為了保證嚴格的線性相位 , 必須使 h(n 為偶對稱 , 即 h(n=h(N-n-1 , 其中 N=200-4=196, 取式 (5 的符號 為負號即滿足偶對稱 , 所以得到該濾波器的頻率響應 為 :(5從式 (6

12、可以看出 , 該 頻 率 響 應 滿 足 嚴 格 的 線 性相 位 :, 并 且 在 =0, =/2, =處幅度最大 , 即 x=0,x=/2,x=時 (6這樣就得到了設計需要的多通帶濾波器 , 要得到 多窄帶帶阻濾波器 , 再需要設計一個全通濾波器 , 多 帶通和全通濾波器幅度相位必須嚴格一致 , 其轉(zhuǎn)移函 數(shù)為 :(7其頻率響應為 HAP=50e -j98, 所以要求的多窄帶阻 濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)為 :(8由式 (5 和 式 (7 分 別 得 到 多 窄 帶 帶 通 濾 波 器 和 全通濾波器的輸出為 :(9 (10因 此 可 以 得 到 多 窄 帶 帶 阻 濾 波 器 的 輸 出 為 :3

13、濾波算法的 DSP 實現(xiàn)本設計利用 ADSP2188匯編語言實現(xiàn)算法 , 為了 在抽樣時間間隔進行濾波計算 , 本設計采用環(huán)形緩沖 區(qū)采用匯編語言進行計算。由式 (2 可知 , 輸入 x(n 和 濾波器系數(shù) h(n 已知的情況下 , 只需要進行式 (2 的乘 加運算即可 , 將已知的濾波器系數(shù)存放在 H(m 中 , 輸入 數(shù)據(jù)存放在 X(m 中 , m 為緩沖區(qū)長度。在進行濾波計 算的過程中 , 設置一個指針 P 指向當前處理的數(shù)據(jù) X (n , 而 H(n 不需要變化 如圖 4。將對應位置的值相乘 之后的累加和 , 當 一個輸入值 計算完成之 后 , 進行下 一個值的計算 , 需要將 X(n

14、-m+1 舍棄 , 由于使用了循 環(huán)緩沖區(qū) , 指針將圖 5(a 逆時針指向下一個地址 , 該 地址上的值將被新值覆蓋 , 相當于圖 5(a 中的環(huán)形順 時針轉(zhuǎn)一個距離 , 然后從該值開始和圖 5(b 中從 H(0 開始的地 址順時針按 照式 (2 依次對 應乘加運算 , 并 對每個新輸入值按照指針逆時針轉(zhuǎn)動的 (轉(zhuǎn) 247頁 41- :360元 /年技 術 創(chuàng) 新人 工 智 能PLC 技術應用 200例 您 的 論 文 得 到 兩 院 院 士 關 注表 2原始圖像的實驗結(jié)果表 3含高斯噪聲圖像的實驗結(jié)果表 2是對原始圖像樣本集測試實驗結(jié)果。 3種核 函數(shù)確定的支持向量數(shù)目幾乎相同 , 它們的

15、識別正確 率都為 92.2%, 即確定的決策分類面所表現(xiàn)的性能是 相近的。表 3是對含高斯噪聲圖像樣本集測試實驗結(jié) 果。 3種核函數(shù)所確定的支持向量數(shù)目也接近相同 , 識 別正確率仍然比較高都為 89.4%。4結(jié)論本文通過使用 SVM 對字符進行了模式識別實驗 研究 , 研究結(jié)果表明 :(1 在訓練樣本較少的情況下 , 該系統(tǒng)的識別率較高 , 并具有算法簡單 , 無需先驗知 識 , 容易控制和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 (2 SVM 具有平移不 變性的功能 , 對含噪聲的圖 像 , 它依然可 保持較高的 識別率 ; 對無噪聲圖像 , 所需的支持向量數(shù)比較少 , 識 別率也很高。 (3 文中對不同的核函數(shù)

16、進行了對比 , 結(jié) 果表明識別率相差不大。核函數(shù)的選擇很重要 , 但到 目前為止 , 還沒有一個公認的比較好的選擇標準。如 何確定適當?shù)暮撕瘮?shù)及其參數(shù)還有待進一步研究。論文創(chuàng)新點 :本文探討了將支持向量機應用于字 符圖像識別的方法 , 研究結(jié)果證明該方法是一種非常 簡單易行且穩(wěn)定可靠的圖像識別方法。在應用上豐富 和發(fā)展了支持向量機理論和機器學習理論。參考文獻 :1Yuan-Neng Hsu, H. H. Arsenault. Optical Pattern Recognition Using Circular Harmonic Expansion, APPLIED OPTICS, 1982,

17、vol. 21, No. 22:4016-40192田盛豐等 . 基于支持向量機的手寫體相似字識別 . 中文信息學 報 , 第 14卷 , 第 3期 , 1999年 3月3李俊俊 , 陸明泉 , 馮振明 . 一種基于支持向量機的數(shù)字調(diào)制識 別方法 J微計算機信息 ,2005,9:27-294邊肇祺 , 張學工 . 模式識別 M. 第 2版 . 北京 :清華大學出版社作者簡介 :張宏烈 (1966- , 女 , 漢族 , 哈爾濱工程大學 計算機科學技術學院在讀博士生。工作單位 :齊齊哈 爾大學 ; 教師 , 副教授 , 研究方向 :從事計算機智能控 制、 模式識別。(161006齊齊哈爾大學計控

18、學院 張宏烈(投稿日期 :2005.9.25 (修稿日期 :2005.10.8(接 41頁 順序循環(huán)進行新值覆蓋。圖 5(a 圖 5(b 4結(jié)論由于開始初始化 X(m 全部為 0, 所以在 X(m 取滿之前的 m 個數(shù)據(jù)不準確 , 應該舍棄。全部程序利用ADSP2188匯編語言實現(xiàn) , 能很好的濾除工頻干擾和 基頻干擾 , 在便攜式心電監(jiān)護儀中的效果見圖 6, 可見 該濾波器是一個很實用的濾波器。圖 6(a 原始輸入體表波形圖 6(b 濾波后的波形 參考文獻 :1楊奎武 , 魏博 . 擴頻通信中匹配濾波器的 FPGA 設計 J微計算 機信息 ,2005,3:117-1192趙鶴鳴 肖圣兵 馮子裘等 線性相位數(shù)字濾波器在 ECG 波形 分析中的應用 蘇州大學學報 1996年 第 12卷第一期3丁玉美 高西全 數(shù)字信號處理 西安 :西安電子科技大學出 版社 2003:234-2424鄭君理 應啟珩 楊為理 信號與系統(tǒng) 北京 :高等教育出版社 20025Sen M.Kou Bob H.Lee 盧伯英譯 實時數(shù)字信號處理 北京 中國鐵道出版社 2004:138-140作者簡介 :魏陽 男 (1979.3- 漢族 , 碩士 , 專業(yè) :Com-munication and Information System 研究方向 :DSP 技術 與 應 用 E -mail:skiny7822 導