专利名称：一种微弱电生理信号的滤波器设计方法及滤波方法
技术领域：
本发明涉及医学信号数字处理技术领域，具体涉及以中国去除微弱电生理信号经常受到的基线漂移干扰和工频干扰的滤波技术。
背景技术：
门诊系统通过计算机辅助工具对高风险的心脏病患者进行长期的心电图(ECG)监测，要求有快速、实时的微弱电生理信号分析方法，来提供高精度的心脏病自动诊断[I]。这样，对微弱电生理信号进行预处理滤波就显得至关重要。微弱电生理信号受到的多种外部干扰中最为常见的是工频干扰和基带干扰。工频是固定的(我国是50Hz)，然而基线漂移是不确定地变化的，基线漂移是常见的外部干扰，人的呼吸、人体部位轻微移动等都会使得微弱电生理信号产生漂移。基线漂移的特点是低频特性，需要通过高通滤波的手段给予消除。基线漂移的去除既可以通过模拟滤波实现，也可以通过数字滤波实现。模拟滤波是传统的实现方式，其优点是时延小、成本低，但是滤波精度低、灵活性差；最近，基线漂移的去除逐步趋向用数字滤波实现，数字滤波精确度高、灵活性高，但是计算复杂度和成本高。因而如何降低数字滤波的成本(具体说来是乘法器和加法器资源)和计算复杂度是消除心电漂移的核心问题。而基线漂移滤波器的截止频率的确定在学术界和工程界一直存在争议和矛盾，如果高通截止频率太高，则意味着基线漂移消除得过于彻底，这容易把T波低频成分也滤除掉而影响诊断；若截止频率太低，则意味着基线漂移消除得很轻微，容易把本该去除的基线漂移而没滤除掉，保留了下来。1990年美国AHA组指出，最长的RR间期与微弱电生理信号的最低频率(通常是指每分钟心脏跳动40下的心率)是对应的，这就意味着高通截止频率为O. 67Hz的数字滤波器，即可满足大部分的基线漂移给消除[2]。—直以来国内外有很多学者对去除微弱电生理信号的噪声的滤波方法进行了研究，提出了很多滤波方法。比如国外学者H. Govaerts提出一种反复应用移动平均滤波器来满足通带和阻带的要求的方法。文献[3]则提出一种用Kaiser窗设计的FIR滤波器和移动平均相结合的滤波器[4];国内也有很多相关的文献[5-9]。尽管已经有如此多的滤波器能满足要求，但这些方法都有各自的缺点。有的计算量大，不适于小系统的实现；有的参数设置不灵活，如文献[6]中的小波基函数的选择，只能通过实验和经验来选取，容易影响滤波的效果；有的需要对微弱电生理信号进行预处理，导致了信号分析的延迟。本发明提出一种基于内插的数字滤波方法，相比于传统数字滤波方法，其计算复杂度非常低，耗费的计算资源非常少(主要是乘法器资源)，适合于便携式心电仪来实现。参考文献[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]邹波，周远.一种滤除基线漂移和工频干扰的数字滤波算法[J].深圳职业技术学院学报，2005，4 (4) :3-5[6]李安，李东.小波分析法在微弱电生理信号数字滤波中的应用[J].计算机仿真，2001，18(6) 70-73[7]陈静，钱立峰，向馗，周林海.便携式心电监护中实时信号处理方法研究[J].生物医学工程学进展，2009，30(4) =200-204[8]陈天华，陈茜.一种消除微弱电生理信号噪声的数字滤波方法[J].世界科学技术，2005，7(1) :123-126[9]于娇，曲波.微弱电生理信号处理中的数字滤波器的设计[J].信息技术，2009，第五期61-6
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出了一种微弱电生理信号的滤波器设计方法及滤波方法，了为去除微弱电生理信号的基线漂移干扰而提出了滤波器的设计方法。本发明的一种微弱电生理信号的滤波器设计方法，包括以下步骤步骤一，根据内插因子D和延拓周期数N，令d= (N-I)/2，d表示滤波器的群延时；步骤二，将滤波器系数h (η)初始化为长度为2d-l的全I矩阵，对滤波器h进行D点的上采样，即在滤波器h的每个系数h(n)后面插入D-I个零值点；以及步骤三，根据上述参数，滤波器系数h (η)的表达式为
\-3IN ,η=0
//{//) = ； -1 /W， n = nil·), m = ± 1,+2,.....± ((/..— I)
O,其他n、m表示整数，根据上述公式计算出滤波器系数h(η)的所有非零系数；步骤四、中心样点Xn乘以(1-3/Ν)的值减去步骤二算出的平均值，即为当前时刻的滤波输出y (η)，N为延拓周期数，从而设计出该滤波器h。CN 102940489 A
书
明
说
3/7页所述步骤二还包括将波器系数h (η)最后一次内插的点删掉的步骤。该方法的滤波样点的选取采用以Xn及与其相邻的Xlri和xn+1为中心样点，以D为数据选取的采样周期，分别对称地选择第一组样点数据Xn、xn-D、Xn+D ;第二组样点数据Xn-PXn-D-I、xn+D-i ;第三组样点数据xn+1、xn_D+1、Xn+D+1的规则进行选取。所述内插因子D设置为采样频率fs和工频干扰频率fp的比值D = fs/fp。所述延拓周期数N采用枚举法求得，具体包括以下步骤
令co=2Jif/fs/f = Q 67 代入到
权利要求
1.一种微弱电生理信号的滤波器设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一，根据内插因子D和延拓周期数N，令d= (N-I) /2，d表示滤波器的群延时；步骤二，将滤波器系数h(η)初始化为长度为2d-l的全I矩阵，对滤波器h进行D点的上采样，即在滤波器h的每个系数h (η)后面插入D-I个零值点；以及步骤三，根据上述参数，滤波器系数h (η)的表达式为
2.如权利要求I所述的微弱电生理信号的滤波器设计方法，其特征在于，所述步骤二还包括将波器系数h (η)最后一次内插的点删掉的步骤。
3.如权利要求I所述的微弱电生理信号的滤波器设计方法，其特征在于，该方法的滤波样点的选取采用以Xn及与其相邻的Xlri和Χη+1为中心样点，以D为数据选取的采样周期，分别对称地选择第一组样点数据Xn、Xn-D > Xn+D ;第二组样点数据Xn-I、Xn-D-I > Xn+D-1 ;第三组样点数据xn+1、xn-D+1、Xn+D+1的规则进行选取。
4.如权利要求I所述的微弱电生理信号的滤波器设计方法，其特征在于，所述内插因子D设置为采样频率fs和工频干扰频率fp的比值D = fs/fp。
5.如权利要求I所述的微弱电生理信号的滤波器设计方法，其特征在于，所述延拓周期数N采用枚举法求得，具体包括以下步骤令
6.一种微弱电生理信号的滤波方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一、输入η个样点集，I, …,彥样点集的相邻的两个样点间隔D个采样周期；步骤二、对样点集中的η个样点进行累加求平均；步骤三、将中心样点xn乘以(1-3/Ν)的值减去步骤二算出的平均值，即为当前时刻的滤波输出y (η)，N为延拓周期数。
全文摘要
本发明公开了一种微弱电生理信号的滤波器设计方法及滤波方法，滤波器设计方法包括根据内插因子D和延拓周期数N，令d=(N-1)/2；将滤波器系数h(n)初始化为长度为2d-1的全1矩阵，对滤波器h进行D点的上采样，即在滤波器h的每个系数h(n)后面插入D-1个零值点；根据上述公式计算出滤波器系数h(n)的所有非零系数；修改计算中心点的系数，从而设计出该滤波器h；滤波方法包括步骤一、输入n个样点集，即该样点集的相邻的两个样点间隔D个采样周期；对样点集中的n个样点进行累加求平均；将中心样点xn乘以(1-3/N)的值减去步骤二算出的平均值，即为当前时刻的滤波输出y(n)，N为延拓周期数。与现有技术相比，本发明具有减少乘法器的使用，计算复杂度低，滤波时间短以及参数设置灵活的优点。
文档编号A61B5/0402GK102940489SQ201210498628
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者黄翔东, 张元俊, 王玲, 李海亮, 李国翚, 张宇 申请人:天津开发区奥金高新技术有限公司