CN103417206A

CN103417206A - Ecg去除工频干扰的方法及系统

Info

Publication number: CN103417206A
Application number: CN2012101606630A
Authority: CN
Inventors: 罗娱; 张凤娟; 聂泽东; 王磊
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: CN103417206B

Abstract

本发明公开了一种ECG去除工频的方法，包括如下步骤：接收ECG前端采集的信号；将采集的信号进行加窗处理；对加窗数据进行FFT变换；计算变换后数据中的工频点；判断所述工频点的幅值与周围频点的幅值的差值是否大于预设阈值；若大于预设阈值，则为工频干扰，将该工频点的振幅替换为周围频点的均值；将处理后的数据进行IFFT变换，转换到时域；及输出所述时域的数据。本发明还提供了一种ECG去除工频干扰的系统。本发明提供的ECG去除工频干扰的方法及系统，通过对采集的信号进行时频转换，快速的去除工频的干扰，无需外援的设备，可以使相关设备的应用更加简单、便携。

Description

ECG去除工频干扰的方法及系统

技术领域

本发明涉及数字信号处理方法，尤其涉及一种ECG去除工频干扰的方法及系统。

背景技术

心电描记术(Electrocardiography，ECG)是一种经胸腔的以时间为单位记录心脏的电生理活动，并通过皮肤上的电极捕捉并记录下来的诊疗技术。这种记录方式的优点是无创，因此，ECG作为一种生理的电信号，经常被用来作为诊断标准。

但是，ECG是非常的微弱的信号，很容易受到外界的影响。其中，工频干扰就是一个极为严重的干扰。工频干扰是周围的电网引起的。在中国，其频率是50Hz，与供电网络的交流电频率相同。而ECG的主要频带是0.5-40Hz，主要的频率集中在4-12Hz，即ECG的有效频带和工频干扰的频率50Hz没有重叠的。因此，如何滤除工频干扰是处理ECG信号中急需解决且从技术角度可以解决的问题。

目前，数字滤波器在滤除工频干扰中有很多的应用，但是现在的技术，普遍是采集到心电信号之后，再连接到电脑(PC机)上对其进行滤波和分析的处理。PC机所需的功耗大，体积笨重，不易挪动。这给病理监护带来一个很大的局促性。另一方面，传统的数字陷波器需要信号有很窄的带宽，这可能会在信号频域较广时导致滤波失效。而自适应的陷波器滤波时间较长，特别是在陡峭的QRS波群的时候。

综上，如何设计一种无需外援设备的即可滤除工频干扰的方法与系统则成为ECG领域的新课题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题在于避免上述提到的现有技术的不便之处，而提出的一种ECG去除工频干扰的方法及系统。

本发明解决所述的技术问题可以通过下面的技术方案实现：

提供一种ECG去工频的方法，一种ECG去除工频的方法，包括如下步骤：(1)接收ECG前端采集的信号；(2)将所述采集的信号进行加窗处理；(3)对所述加窗数据进行FFT变换；(4)计算变换后数据中的工频点；(5)判断所述工频点的幅值与周围频点的幅值的差值是否大于预设阈值；(6)若大于所述预设阈值，则为工频，将所述工频点的振幅替换为周围频点的均值；(7)将处理后的数据进行IFFT变换，转换到时域；(8)输出所述时域的数据。

进一步，在步骤(4)中，计算工频点的公式为：工频点K＝频率值/频率分辨率，其中频率分辨率＝采样频率/FFT的点数。

进一步，还包括步骤(9)若判断结果为不大于所述预设阈值，则无工频干扰，直接输出步骤(1)中接收的采集信号。

进一步，所述工频的频率值为50Hz。

进一步，步骤(6)还以替换为：若大于所述预设阈值，则为工频，将所述工频点的振幅减小。

还提供一种ECG去除工频干扰的系统，其特征在于，包括：ECG前端采集部分、数据处理部分与显示部分。其中，所述ECG前端采集部分，用于采集ECG信号。所述数据处理部分，包括存储模块与处理模块，其中，所述存储模块用于接收并存储ECG前端采集的信号；处理模块用于将所述采集的信号进行加窗处理，并对所述加窗数据进行FFT变换，并计算变换后数据中的工频点，判断所述工频点的幅值与周围频点的幅值的差值是否大于预设阈值，并当大于预设阈值时，将该工频点的振幅替换为周围频点的均值，将处理后的数据进行IFFT变换，转换到时域，并输出所述时域的数据。显示部分，用于显示所述数据处理部分处理后的数据结果。

进一步，所述数据处理部分以FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)作为载体。

进一步，计算工频点的公式为：工频点K＝频率值/频率分辨率，其中频率分辨率＝采样频率/FFT的点数。

进一步，当数据处理部分判断所述差值不大于所述预设阈值时，直接输出存储模块中的采集的ECG信号。

进一步，当大于预设阈值时，“将该工频点的振幅替换为周围频点的均值”还以替换为“将该工频点的振幅减小”。

本发明中的ECG去除工频干扰的方法与系统，通过对采集的信号进行时频转换，快速的去除工频的干扰，无需外援的设备，可以使相关设备的应用更加简单、便携。

附图说明

图1为本发明的一种ECG去除工频干扰系统的框架图。

图2为本发明的一种ECG去除工频干扰的方法流程图。

图3为没有工频干扰的ECG信号。

图4为含有50Hz工频干扰的ECG信号。

图5为没有工频干扰的ECG信号的频谱图。

图6为含有50Hz工频干扰的ECG信号的频谱图。

图7为本方法中ECG去除工频干扰的效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的阐述。

如图1所示，为ECG去除工频干扰的系统10的结构框图。

ECG去除工频干扰的系统10包括，ECG前端采集部分11、数据处理部分12及显示部分13。

其中，ECG前端采集部分11，用于采集ECG信号。

数据处理部分12，包括存储模块121与处理模块122。其中，存储模块121用于接收并存储ECG前端采集的信号。处理模块122用于将所述采集的信号进行加窗处理，并对所述加窗数据进行FFT变换，并计算变换后数据中的工频点，判断所述工频点的幅值与周围频点的幅值的差值是否大于预设阈值，并当大于预设阈值时，将该工频点的振幅替换为周围频点的均值，将处理后的数据进行IFFT变换，转换到时域，并输出所述时域的数据；或所述差值不大于所述预设阈值时，直接输出存储模块中ECG前端采集的信号。

数据处理部分12的具体处理流程请参照图2。

在本实施方式中，数据处理部分12以FPGA(Field-Programmable GateArray，现场可编程门阵列)作为载体，其他相近或更先进的技术亦可代替。

显示部分13，用于接收数据处理部分12输出的时域数据，并显示该经过处理后的数据结果。在本实施方式中，显示部分13可以是显示器也可以是打印机等设备，用于以常见的方式显示数据结果。

如图2所示，为ECG去工频的方法流程图。在本实施方式中，ECG去工频的方法主要由图1所示ECG去工频系统10中的数据处理部分12完成，而ECG前端采集部分11主要负责采集信号，显示部分13主要用于显示处理后的数据结果。

在步骤S21中，数据处理部分12接收ECG前端采集部分11采集的信号。在本实施方式中，数据处理部分12包括存储模块121，用于存储输入的采集信号。

在步骤S22中，将采集的信号进行加窗处理。

例如，采集的信号的采样频率是128Hz，采样时间是10s，共有1280个数据。以步长为20点为基准，每次截取区间为256点的加窗数据。

在步骤S23中，对加窗数据进行FFT变换。

定义加窗数据中的输入信号为x(n)，对其进行快速傅里叶变换(FFT)，变换后的信号为X(k)。例如，对该加窗数据进行256点的FFT变换，此时，频率分辨率为0.5Hz。其计算公式为：

频率分辨率fk＝fs/N，其中fs为采样频率，N为FFT的点数

在步骤S24中，计算变换后的数据中的工频点。在本实施方式中，以工频为50Hz为例，在其他实施方式中，亦可按照本案之方法去除其他频率的干扰。

在本实施方式中，通过找到工频，例如50Hz，对应的谱线值。计算公式为：则X(k)的每一个k值对应的频率值为k*频率分辨率，即K＝频率值/频率分辨率。

可以计算出，当分辨率为0.5Hz，频率为50Hz时，K＝100，即50Hz对应的是频谱变换后K＝100的点。

在步骤S25中，判断该工频点的幅值和周围频率点的幅值的差值是否大于预设阈值。其中，若大于预设阈值，则进入步骤S26；或若不大于预设阈值，则进入步骤S29。

在本实施方式中，可以设定周围频点的个数，例如周围3个频率点，亦可以设定预设阈值，例如30％。即，当差值大于周围三个频率点幅值的百分之三十，就认为这是一个工频干扰，需要滤除。

在步骤S26中，若大于预设阈值，则判断该工频点的值为工频，将该工频点的振幅替换为周围频点的均值。

在其他实施方式中，也可以采用其他方式将这个频率点的幅值减小。

请参照图3-图6，图3是没有工频干扰的ECG信号，图4是有工频干扰的ECG信号；图5和图6分别是他们的频谱图。从图中可以看出没有工频干扰的情况下，在50Hz处，几乎没有幅值。如果判断50Hz处的幅值，明显比周围正负5Hz的幅值要大很多，就认为该ECG受到了工频干扰的影响。这种情况需要将该频率点的幅值减小，将这一点的幅值减小为周围正负5Hz频率点幅值的均值。

在本实施方式中，根据公式K＝频率值/频率分辨率，将频率值50±5，得到K＝90及K＝110的点。比较k＝100点的幅值与K＝90到K＝110的各点的幅值。如果发现K＝100处的幅值是其中最大的，且大于k＝90到k＝110各点幅值均值的百分之三十，就可以判断该信号受到了工频干扰。将K＝100处的幅值降低为K＝90到K＝110这些点幅值的均值。

在步骤S27中，将处理后的数据的频谱经过IFFT(逆快速傅立叶)变换，转换到时域。在本实施方式中，此时得到的信号是干净的，没有工频干扰的信号。

在步骤S28中，输出去除工频干扰后的数据。

在步骤S29中，判断结果是无工频干扰，直接输出存储模块中采集的ECG信号即可。

在本实施方式中，可以通过图1的显示部分查看或打印的经由步骤S28或步骤S29输出的无工频干扰的数据。其数据的展示请参阅图7，所示为本发明实施方式中，ECG去除工频干扰的效果图，亦为显示或打印的效果图。

在本实施方式中，执行完步骤S28或步骤S29后，再继续从数据处理部分的存储模块再取ECG数据，重复步骤S22。

就目前技术而言，例如采用xilinx的spartan3E开发板来实现一个优化了的硬件256点的蝶形硬件FFT，每次计算256点FFT只需要2063个时钟周期。所以在时钟周期为2MHz的情况下，每处理256点数据只需要不到2ms，相对于采样频率而言，是非常快的处理速度。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种ECG去除工频干扰的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)接收ECG前端采集的信号；

(2)将所述采集的信号进行加窗处理；

(3)对所述加窗数据进行FFT变换；

(4)计算变换后数据中的工频点；

(5)判断所述工频点的幅值与周围频点的幅值的差值是否大于预设阈值；

(6)若大于所述预设阈值，则为工频干扰，将所述工频点的振幅替换为周围频点的均值；

(7)将处理后的数据进行IFFT变换，转换到时域；

(8)输出所述时域的数据。

2.如权利要求1所述的一种ECG去除工频干扰的方法，其特征在于：在步骤(4)中，计算工频点的公式为：工频点K＝频率值/频率分辨率，其中频率分辨率＝采样频率/FFT的点数。

3.如权利要求1所述的一种ECG去除工频干扰的方法，其特征在于：还包括步骤(9)若判断结果为不大于所述预设阈值，则无工频干扰，直接输出步骤(1)中接收的采集信号。

4.如权利要求1所述的一种ECG去除工频干扰的方法，其特征在于：所述工频的频率值为50Hz。

5.如权利要求1所述的一种ECG去除工频干扰的方法，其特征在于：步骤(6)还以替换为：若大于所述预设阈值，则为工频，将所述工频点的振幅减小。

6.一种ECG去除工频干扰的系统，其特征在于，包括：

ECG前端采集部分，用于采集ECG信号；

数据处理部分，包括存储模块与处理模块，其中，所述存储模块用于接收并存储ECG前端采集的信号；处理模块用于将所述采集的信号进行加窗处理，并对所述加窗数据进行FFT变换，并计算变换后数据中的工频点，判断所述工频点的幅值与周围频点的幅值的差值是否大于预设阈值，并当大于预设阈值时，将该工频点的振幅替换为周围频点的均值，将处理后的数据进行IFFT变换，转换到时域，并输出所述时域的数据；

显示部分，用于显示所述数据处理部分处理后的数据结果。

7.如权利要求6所述的一种ECG去除工频干扰的系统，其特征在于：所述数据处理部分以FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)作为载体。

8.如权利要求6所述的一种ECG去除工频干扰的系统，其特征在于：计算工频点的公式为：工频点K＝频率值/频率分辨率，其中频率分辨率＝采样频率/FFT的点数。

9.如权利要求6所述的一种ECG去除工频干扰的系统，其特征在于：当数据处理部分判断所述差值不大于所述预设阈值时，直接输出存储模块中的采集的ECG信号。

10.如权利要求6所述的一种ECG去除工频干扰的系统，其特征在于：当大于预设阈值时，“将该工频点的振幅替换为周围频点的均值”还以替换为“将该工频点的振幅减小”。