快速中值滤波在滤除心电信号基线漂移中的应用

-50-/2012.02/科研发展》》快速中值滤波在滤除心电信号基线漂移中的快速应用中国矿业大学信息与电气工程学院 赵健郝继飞张道明【摘要】 文中给出 了 一种非线性的滤除心电信号基线漂移的滤波方法, 把基于排序统计理论的中值中快速中值滤波方法应用于处理心电信号, 通过多次对心电信号中选择的滤波滤除窗口 数据进行排序, 然后取中值的心电信号方法来达到滤波的效果。 试验中以Windows Mobile系统的基线智能手机为平台, 对取自 人体体表带有基线漂移的漂移心电信号使用快速中值滤波算法, 有效地滤除了 基线漂移,应用 而且信号失真小,快速 不影响原心电信号的中值中诊断。 解决了 常用的滤波滤除高通滤波器不能有效滤除心电信号中的基线漂移问题。【关键词】 数字信号处理; 快速中值滤波; 心电信号; 基线漂移引言为了 滤除心电信号中的心电信号基线漂移, 提高检测的基线准确率, 人们已经提出了 许多方法来对心电信号进行预处理,漂移 如FIR数字滤波器[1]、应用 IIR数字滤波器、快速 自 适应滤波器[2]、 小波滤波器[3] [4]等。 一般采用的是线性数字滤波器, 它们利用干扰信号和有用信号在频带上存在的区别, 然后设计具有一个或几个通带的滤波器, 使原始信号在通过这一系列的不同通带滤波器后, 获得保留有用信号而剔除噪声的最终处理信号。

心电信号的频率范围是0. 05~100Hz,在滤除基线漂只能使用截止频率为稍低于0. 05Hz高通滤波器。 然而基线漂移[5] [6]的频率很大一部分在0. 05Hz以上, 这样常用的高通滤波器将不再适用。 本文尝试采用了 快速中值滤波, 用非线性的方法滤除心电漂移。1. 中值滤波器1. 1 中值滤波器原理中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术,被广泛应用于去除脉冲噪声。 自1970年被提出以来, 因其具有良好的边缘保持特性和滤除脉冲噪声的能力, 被广泛用于数字图像处理[7]。中值滤波的定义[8]:信号为12+= ML( M为 正 整数) 的 滤波窗口, 设在第n时刻输入信号序列在窗口中的采样点为x(n-M) , …, x(n) , …, x(n+M) 。此时的输出为:, 取长度}{)() ,(,) , ()(M nxnxMnxmedny+−=L L (1. 1-1)其中 , med表示对窗口 内 所有数按从小到大排序后取中值的运算。 由公式( 1. 1-1) 可以看出 , 中 值滤波的主要运算是对窗口 内 的数据进行排序, 然后取中值, 所以对窗口 内 数据的排序速度决定 了 中 值滤波算法的 处理速度 。

假设原始心电数据序列长度为 N, 表示为 (x(0) , x(1) , …, x(N-1) ) , 滤波窗口长度为2M+1, 表示为(w(0) , w(1) , …, w(2M) ) ,中 值滤波算法共需要N-2M次对长度为2M+1的心电数据进行排序。 由数据结构中的知识可知, 对n个元素进行排序时,所需的比较次数在理论上的最小值为:)log(nO。 数据元素间的比较次数是影响排序速度的一个重要因素。 当原始心电信号数据序列较长或滤波窗口宽度较大时, 传统中值滤波算法需要大量的计算时间。文献[7] 提出 一种快速中 值滤波算法, 此算法可以大幅提高传统中值滤波算法的计算速度。 快速中值滤波算法首先对窗口内的数据(x(i) , x(i+1) , …, x(i+2M) )进行由 小 到 大的 排序 , 得到 有序 序 列(w(i) , w(i+1) , …, w(i+2M) ) , 有序序列的中值为w(i+M) , 接着窗口 向下移动成为(x(i+1) , x(i+2) , …, x(i+2M+1) ) , 因为 滤波窗 口 内 的 数据 基本有序 了 , 从(x(i+1) , x(i+2) , …, x(i+2M) ) 都是从小到大排列的, 只有x(i+2M+1) 一个数据没有2n开始结束L=0H=2ML≤HMid=(L+H)/2keyw(Mid)图1. 2-1 对分查找Fi g. 1. 2-1 Bi secti ng Search Method开始结束kjw(j)=w(j-1)w(j)=w(j+1)j=j-1j=j+1w(k)=x(i+2M+1)输出w(M)NYNNYY图1. 2-2 有序序列w中元素的删除和内插Fi g. 1. 2-2 Order of Data w Del ecti ng and Swi ft I nterpol ati on El ement当选择电阻R14、 R15。

R16理论上取值为4kΩ 时, 1kΩ 负载分压得到峰峰值为2V的输出电压Uo3, 实际仿真时峰峰值达不到2V。 将R17改为3. 6kΩ , 负载得到峰峰值为2V的输出电压。比较器输出PSPICE仿真波形见图9。五、 结语LM324综合实验并不难, 可以分为三步:第一步, 根据各个单元电路的技术指标设计单元电路。第二步, 进行级连调试。 电路级连时, 有时信号会衰减, 这时需要对电路调整, 可首先适当加大输入端电阻, 再调整其它电阻。第三步, 虽然仿真正确, 以后进行的硬件调试与仿真相比会有一些误差, 这时又要对电路进行调整。 调整时从分析原理入手, 结合经验, 一级一级调, 直至基本满足技术指标为止。总之, 利用LM324的四个运算放大器组成四个不同的单元电路, 再将四个单元电路级连成一个完整的电路, 是一个很好的综合实验项目。 设计、 调试的过程不会一帆风顺, 会遇到一些问题, 解决问题的过程就是学生能力提高的过程。 对培养学生综合运用所学知识、 启 发学生发散思维、 提高动手能力具有积极意义。注释:①二阶巴特沃斯带通滤波器设计方法见参考文献中“5.4.1滤波器的快速设计方法” .参考文献[1]罗 杰,谢自 美.电子线路设计.实验.测试(4版)[M].电子工业出版社,2010,9.作者简介:刘伟俊(1950—) , 女, 湖南长沙人, 大学本科,厦门大学嘉庚学院副教授, 研究方向: 电子技术。张立民(1944—) , 湖北武汉人, 硕士研究生, 仰恩大学副教授。

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