專利名稱：一種微弱電生理信號的濾波器設計方法及濾波方法
技術領域：
本發明涉及醫學信號數字處理技術領域，具體涉及以中國去除微弱電生理信號經常受到的基線漂移干擾和工頻干擾的濾波技術。
背景技術：
門診系統通過計算機輔助工具對高風險的心臟病患者進行長期的心電圖(ECG)監測，要求有快速、實時的微弱電生理信號分析方法，來提供高精度的心臟病自動診斷[I]。這樣，對微弱電生理信號進行預處理濾波就顯得至關重要。微弱電生理信號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、人體部位輕微移動等都會使得微弱電生理信號產生漂移。基線漂移的特點是低頻特性，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現，也可以通過數字濾波實現。模擬濾波是傳統的實現方式，其優點是時延小、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字濾波實現，數字濾波精確度高、靈活性高，但是計算復雜度和成本高。因而如何降低數字濾波的成本(具體說來是乘法器和加法器資源)和計算復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術界和工程界一直存在爭議和矛盾，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AHA組指出，最長的RR間期與微弱電生理信號的最低頻率(通常是指每分鐘心臟跳動40下的心率)是對應的，這就意味著高通截止頻率為O. 67Hz的數字濾波器，即可滿足大部分的基線漂移給消除[2]。—直以來國內外有很多學者對去除微弱電生理信號的噪聲的濾波方法進行了研究，提出了很多濾波方法。比如國外學者H. Govaerts提出一種反復應用移動平均濾波器來滿足通帶和阻帶的要求的方法。文獻[3]則提出一種用Kaiser窗設計的FIR濾波器和移動平均相結合的濾波器[4];國內也有很多相關的文獻[5-9]。盡管已經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。有的計算量大，不適于小系統的實現；有的參數設置不靈活，如文獻[6]中的小波基函數的選擇，只能通過實驗和經驗來選取，容易影響濾波的效果；有的需要對微弱電生理信號進行預處理，導致了信號分析的延遲。本發明提出一種基于內插的數字濾波方法，相比于傳統數字濾波方法，其計算復雜度非常低，耗費的計算資源非常少(主要是乘法器資源)，適合于便攜式心電儀來實現。參考文獻[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.一種濾除基線漂移和工頻干擾的數字濾波算法[J].深圳職業技術學院學報，2005，4 (4) :3-5[6]李安，李東.小波分析法在微弱電生理信號數字濾波中的應用[J].計算機仿真，2001，18(6) 70-73[7]陳靜，錢立峰，向馗，周林海.便攜式心電監護中實時信號處理方法研究[J].生物醫學工程學進展，2009，30(4) =200-204[8]陳天華，陳茜.一種消除微弱電生理信號噪聲的數字濾波方法[J].世界科學技術，2005，7(1) :123-126[9]于嬌，曲波.微弱電生理信號處理中的數字濾波器的設計[J].信息技術，2009，第五期61-6
發明內容
基于上述技術問題，本發明提出了一種微弱電生理信號的濾波器設計方法及濾波方法，了為去除微弱電生理信號的基線漂移干擾而提出了濾波器的設計方法。本發明的一種微弱電生理信號的濾波器設計方法，包括以下步驟步驟一，根據內插因子D和延拓周期數N，令d= (N-I)/2，d表示濾波器的群延時；步驟二，將濾波器系數h (η)初始化為長度為2d-l的全I矩陣，對濾波器h進行D點的上采樣，即在濾波器h的每個系數h(n)后面插入D-I個零值點；以及步驟三，根據上述參數，濾波器系數h (η)的表達式為
\-3IN ,η=0
//{//) = ； -1 /W， n = nil·), m = ± 1,+2,.....± ((/..— I)
O,其他n、m表示整數，根據上述公式計算出濾波器系數h(η)的所有非零系數；步驟四、中心樣點Xn乘以(1-3/Ν)的值減去步驟二算出的平均值，即為當前時刻的濾波輸出y (η)，N為延拓周期數，從而設計出該濾波器h。CN 102940489 A
書
明
說
3/7頁所述步驟二還包括將波器系數h (η)最后一次內插的點刪掉的步驟。該方法的濾波樣點的選取采用以Xn及與其相鄰的Xlri和xn+1為中心樣點，以D為數據選取的采樣周期，分別對稱地選擇第一組樣點數據Xn、xn-D、Xn+D ;第二組樣點數據Xn-PXn-D-I、xn+D-i ;第三組樣點數據xn+1、xn_D+1、Xn+D+1的規則進行選取。所述內插因子D設置為采樣頻率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
權利要求
1.一種微弱電生理信號的濾波器設計方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一，根據內插因子D和延拓周期數N，令d= (N-I) /2，d表示濾波器的群延時；步驟二，將濾波器系數h(η)初始化為長度為2d-l的全I矩陣，對濾波器h進行D點的上采樣，即在濾波器h的每個系數h (η)后面插入D-I個零值點；以及步驟三，根據上述參數，濾波器系數h (η)的表達式為
2.如權利要求I所述的微弱電生理信號的濾波器設計方法，其特征在于，所述步驟二還包括將波器系數h (η)最后一次內插的點刪掉的步驟。
3.如權利要求I所述的微弱電生理信號的濾波器設計方法，其特征在于，該方法的濾波樣點的選取采用以Xn及與其相鄰的Xlri和Χη+1為中心樣點，以D為數據選取的采樣周期，分別對稱地選擇第一組樣點數據Xn、Xn-D > Xn+D ;第二組樣點數據Xn-I、Xn-D-I > Xn+D-1 ;第三組樣點數據xn+1、xn-D+1、Xn+D+1的規則進行選取。
4.如權利要求I所述的微弱電生理信號的濾波器設計方法，其特征在于，所述內插因子D設置為采樣頻率fs和工頻干擾頻率fp的比值D = fs/fp。
5.如權利要求I所述的微弱電生理信號的濾波器設計方法，其特征在于，所述延拓周期數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個樣點集，I, …,彥樣點集的相鄰的兩個樣點間隔D個采樣周期；步驟二、對樣點集中的η個樣點進行累加求平均；步驟三、將中心樣點xn乘以(1-3/Ν)的值減去步驟二算出的平均值，即為當前時刻的濾波輸出y (η)，N為延拓周期數。
全文摘要
本發明公開了一種微弱電生理信號的濾波器設計方法及濾波方法，濾波器設計方法包括根據內插因子D和延拓周期數N，令d=(N-1)/2；將濾波器系數h(n)初始化為長度為2d-1的全1矩陣，對濾波器h進行D點的上采樣，即在濾波器h的每個系數h(n)后面插入D-1個零值點；根據上述公式計算出濾波器系數h(n)的所有非零系數；修改計算中心點的系數，從而設計出該濾波器h；濾波方法包括步驟一、輸入n個樣點集，即該樣點集的相鄰的兩個樣點間隔D個采樣周期；對樣點集中的n個樣點進行累加求平均；將中心樣點xn乘以(1-3/N)的值減去步驟二算出的平均值，即為當前時刻的濾波輸出y(n)，N為延拓周期數。與現有技術相比，本發明具有減少乘法器的使用，計算復雜度低，濾波時間短以及參數設置靈活的優點。
文檔編號A61B5/0402GK102940489SQ201210498628
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月29日 優先權日2012年11月29日
發明者黃翔東, 張元俊, 王玲, 李海亮, 李國翚, 張宇 申請人:天津開發區奧金高新技術有限公司