CN104706347A - 一种心电信号滤波方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种心电信号滤波方法及系统，实现肌电滤波下对心电信号的高度保真，克服了现有肌电滤波会削弱有用信号的不足。通过对心电信号进行QRS综合波定位，之后采用带宽可调节的FIR滤波器对信号进行滤波，在QRS综合波处，采用较高的频率带宽，保证QRS综合波能高保真地通过滤波器，而在其他低频部分，采用较小的带宽，取得较好的肌电噪声滤除效果。

Description

一种心电信号滤波方法及系统

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，特别涉及一种心电信号滤波方法及系统。

背景技术

心电信号采集后包含许多噪声，其中就有影响信号质量的高频噪声，也即是肌电噪声。目前对肌电噪声的滤除大多采用固定带宽的有限冲激响应(FIR)滤波方法，虽然该方法比较简单，但在滤除肌电噪声的同时，会削弱有用信号的高频部分，特别是心电信号中频率较高的QRS综合波，这种削弱会更加明显。这样就影响了医疗上对心电信号的诊断，如果采用计算机进行自动诊断时，这种影响会更大。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有肌电滤波会削弱有用信号的不足，提供一种心电信号滤波方法及系统，实现肌电滤波下对心电信号的高度保真。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种心电信号滤波系统，所述心电信号滤波系统包括：

用于接收采集到的模拟心电信号的输入装置（1）；

与所述输入装置（1）相连，用于将所述模拟心电信号转换为数字心电信号的A/D转换器（2）；

与所述A/D转换器（2）相连，用于滤除所述数字心电信号中的肌电噪声的噪声滤除模块（3）；

与所述噪声去除模块（3）相连，用于输出滤除噪声后的数字心电信号的输出装置（4）；

其中，所述噪声去除模块（3）还包括：

与所述A/D转换器（2）相连，用于对所述数字心电信号进行延时的延时模块（31）；

与所述延时模块（31）相连，用于对所述延时后的数字心电信号进行滤波的滤波模块（32）；

与所述A/D转换器（2）相连，用于检测所述数字心电信号的斜率的斜率检测模块（33）；

与所述斜率检测模块（33）、滤波模块（32）分别相连，用于对所述滤波模块（32）的滤波器带宽进行控制的带宽控制模块（34）。

优选地，所述斜率检测模块（33）包括与所述A/D转换器（2）相连，用于对所述数字心电信号中的导联II、V2、V5信号进行差分处理并得到差分信号的差分模块（331）、与所述差分模块（331）相连，用于对差分信号进行取绝对值的取绝对值模块（332）、与所述取绝对值模块（332）相连，用于选取取绝对值后的信号中的最大值的取最大值模块（333）。

优选地，所述带宽控制模块（34）包括与所述取最大值模块（333）相连，用于对取最大值后的信号进行腐蚀处理的腐蚀处理模块（341）、与所述腐蚀处理模块（341）相连，用于对腐蚀后的信号进行膨胀处理的膨胀处理模块（342）、与所述腐蚀处理模块（341）相连，用于选取腐蚀后的信号的最大斜率的状态机（343）、与所述膨胀处理模块（342）以及状态机（343）分别相连，用于得到并输出经所述膨胀处理模块（342）处理后的信号与经所述状态机（343）处理后的信号的比率的比值模块（344）。

一种心电信号滤波方法，包括如下步骤：

S1、将接收到的模拟心电信号转化为数字心电信号；

S2、对所述数字心电信号进行预处理；

S3、对所述数字心电信号进行滤波处理，滤去所述数字心电信号中的肌电信号；

S4、输出滤波后得到的结果。

优选地，所述步骤S2包括：

S21、对所述数字心电信号进行延时处理；

S22、对所述数字心电信号中的导联II、导联V2、导联V5信号进行预处理,确定所述滤波模块（32）所需的滤波器带宽。

优选地，所述步骤S22包括：

S221、对所述数字心电信号中的导联II、导联V2、导联V5信号进行最大斜率检测；

S222、对所述经过最大斜率检测后的数字心电信号中的导联II、导联V2、导联V5信号进行膨胀斜率检测与参考斜率检测并将得到的所述参考斜率与膨胀斜率的值相除，并将得到的比值输出。

优选地，所述步骤S221包括：

S223、对所述数字心电信号中的导联II、导联V2、导联V5信号进行进行差分处理；

S225、对差分处理后的所述导联II、导联V2、导联V5信号进行取绝对值处理；

S227、对取绝对值处理后的所述导联II、导联V2、导联V5信号进行取最大值处理，取得所述导联II、导联V2、导联V5信号中的最大值。

优选地，所述步骤S222包括：

S224、对取最大值处理后得到的所述导联II、导联V2、导联V5信号中的最大值做腐蚀处理；对取最大值处理后得到的所述导联II、导联V2、导联V5信号中的最大值中的相邻的5个样本作取最小值处理，并将该最小值作为腐蚀处理的结果；

S226、对腐蚀处理后的值同时作膨胀处理和参考斜率检测处理，并输出膨胀斜率和参考斜率；具体地，所述膨胀处理为：对腐蚀处理后的值取相邻的47个样本的最大值作为膨胀结果；所述参考斜率检测处理为将腐蚀处理后的值输入所述状态机（343）进行检测；

S228、将得到的所述参考斜率与膨胀斜率的值相除，并将得到的比值输出。

优选地，所述步骤S3包括：

S31：对所述数字心电信号做多次延迟，得到多级延迟信号；

S32：将步骤S22中确定的滤波器带宽作为系数与所述各级延迟信号相乘；

S33：将所得各乘积进行加和，作为滤波处理结果；

S34：将所述滤波处理结果输出。

本发明通过对心电信号进行QRS综合波定位，然后采用带宽可调节的FIR滤波器对信号进行滤波，在QRS综合波处，采用较高的频率带宽，保证QRS综合波能高保真地通过滤波器，而在其他低频部分，采用较小的带宽，使肌电噪声滤除效果达到最好。

本发明采用带宽可调节的FIR滤波器对心电信号进行肌电滤波，与现有技术相比，其优势在于在保护信号的高频信息同时去除了肌电噪声。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一个实施例的心电信号滤波系统的总体结构示意图；

图2是图1所示的心电信号滤波系统的心电信号滤波方法的流程图；

图3是图1所示的心电信号滤波系统的斜率检测模块与带宽控制模块的产品结构示意图；

图4是图3所示的心电信号滤波方法中状态机343的工作原理图；

图5是图1所示的心电信号滤波系统的滤波模块32的心电信号滤波方法的流程图。

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。

图1为本发明一个实施例的心电信号滤波系统的总体结构示意图。如图1所示，本发明的心电信号滤波系统包括：输入装置1、A/D转换器2、噪声去除模块3、输出装置4；其中噪声去除模块3包括延时模块31、滤波模块32、斜率检测模块33、宽带控制模块34。

其中，输入装置1用于接收采集到的模拟心电信号；A/D转换器2与输入装置1相连，用于将模拟心电信号转换为数字心电信号；噪声滤除模块3与A/D转换器2相连，用于滤除数字心电信号中肌电噪声；输出装置4与噪声去除模块3相连，用于输出滤除噪声后的数字心电信号。

延时模块31与A/D转换器2相连，用于对数字心电信号进行延时；滤波模块32与延时模块31相连，用于对延时后的数字心电信号进行滤波；斜率检测模块33与A/D转换器2相连，用于检测数字心电信号的斜率。

带宽控制模块34与斜率检测模块33、滤波模块32分别相连，用于对滤波模块32的滤波器带宽进行控制。

请参考图2，为图1所示的心电信号滤波系统的心电信号滤波方法的流程图，包括以下步骤：

S1、将接收到的模拟心电信号转化为数字心电信号；具体的，输入装置1接收模拟心电信号并将该模拟心电信号传送至与输入装置1相连的A/D转换器2，将模拟心电信号转换为如图1所示的数字心电信号12，数字心电信号12包含了病人身上采集的所有导联信号。

S2、对数字心电信号进行预处理；作为优选实施方式，将数字心电信号12同时进入延时模块31和斜率检测模块33；具体来说，所有的心电信号12都进入延时模块31，而进入斜率检测模块33的心电信号12只选取十二导联中的导联II、V2和V5三个导联的信号，需要注意的是，所有导联的信号均是并行处理，保证同一时刻内所有导联的时间偏移均相同，不会发生两个导联之间由于时间偏移量的不同而产生的信号错位。

S3、对经过预处理后的数字心电信号进行滤波处理，滤去所述数字心电信号中的肌电信号；作为较佳实施例，导联II、V2和V5信号通过斜率检测模块33后，进入带宽控制模块34，将通过延时模块31处理后的心电信号与通过带宽控制模块34处理后的心电信号输入滤波模块32进行滤波，以带宽控制模块34确定的带宽滤除心电信号中的肌电信号。

S4、输出滤波后得到的结果；具体地，将经过滤波处理的信号传输到输出装置4进行输出。

请参考图3，为图1所示的心电信号滤波系统的斜率检测模块与带宽控制模块的产品结构示意图。

其中，斜率检测模块33包括：差分模块331、取绝对值模块332、取最大值模块333。

差分模块331与A/D转换器2相连，用于对数字心电信号中的导联II、V2、V5信号进行差分处理得到差分信号，取绝对值模块332与差分模块331相连，用于对差分信号进行取绝对值、取最大值模块333与取绝对值模块332相连，用于求取绝对值后的信号中的最大值。

带宽控制模块34包括：腐蚀处理模块341、膨胀处理模块342、状态机343、比值模块344

腐蚀处理模块341与取最大值模块333相连，用于对求最大值后的信号进行腐蚀处理、膨胀处理模块342与腐蚀处理模块341相连，用于对腐蚀后的信号进行膨胀处理、状态机343与腐蚀处理模块341相连，用于选取腐蚀后的信号的最大斜率、比值模块344与膨胀处理模块342以及状态机343分别相连，用于得到并输出比率。

图1所示的斜率检测模块与带宽控制模块的工作过程如下：

取数字心电信号的三个导联信号，一般取十二导联中的II导、V2导和V5导三个导联信号，记为02A、02B和02C，通过差分模块331得到差分信号331A、331B和331C，然后通过与差分模块331相连的取绝对值模块332对该差分信号取绝对值，得到信号332A、332B和332C。再通过与取绝对值模块332相连的取最大值模块333求三个绝对值332A、332B和332C中的最大值。通过与取最大值模块333相连的腐蚀处理模块341对这个求得的最大值作腐蚀处理，腐蚀是图像处理中常用的一个技术，作为较佳实施例，这里将腐蚀处理定义为取该最大值邻域内临近的5个值中的最小值作为腐蚀结果。

腐蚀后的信号分别通过膨胀处理模块342和状态机343，膨胀处理模块342和状态机343并联连接于腐蚀处理模块341和比值输出模块344之间。膨胀也是图像处理的常用技术，作为较佳实施例，这里将膨胀处理定义为取邻域内临近47个值的最大值。之所以选择47个样本是因为在采样率为500Hz时，以秒为单位47/500宽度刚好比QRS综合波宽一点。经上处理后，膨胀模块处理模块342得到膨胀斜率D，并将膨胀斜率D输入比值输出模块344中。

状态机340用于将输入的腐蚀信号处理后输出一个控制值，由该控制值和膨胀处理输出值共同得到带宽控制信号，再由与膨胀处理模块342和状态机340分别相连的信号输出模块341将带宽控制信号输出，从而控制滤波模块32中的线性滤波器的滤波带宽。

正如之前所述，腐蚀处理模块341的输出腐蚀斜率S在进入膨胀处理模块342的同时，还进入了状态机343。状态机343的作用是长时间保持心电信号滤波系统找到的、经过腐蚀处理模块341腐蚀的最大斜率，它的实现过程由如图3所示的状态机343完成：

如图4所示，为图3所示的心电信号滤波方法中状态机343的工作原理图，状态机由“0”、“1”、“2”和“3”四个分别代表逻辑条件的状态组成，逻辑条件取决于L（斜率阈值）、S（腐蚀斜率）和R（参考斜率）等相关值，以及状态机中时钟的值，当这些值改变时，状态机将由一个状态进入另一个状态，在接下来的内容我们将对这点做详细的描述。

在图4中，我们使用“时钟0-3”，分别对应于“状态0-3”。时钟0在初始化后状态0用来做一个时间暂停，保证系统不会由于突然的工作发生信号的突变，时钟1是状态机1在L为常量时的计时器，时钟2是状态2的计时器，时钟3是状态3找到一个新的L时的计时器。图中“==”表示数学上的等于（=）。

状态机开始于步骤40：初始化时钟0为75，时钟1为160，参考斜率R和斜率阈值L均初始化为0。初始化完成后，进入状态0（标注为42），在状态0中，不断衰减时钟0（标注为44），这个过程中完成样本点收集等任务，当时钟0衰减到零时，状态机由状态0经路径45进入状态1（标注为46）。

在状态1中，斜率阈值L保持常量，腐蚀斜率S不断与L做比较，当时钟1大于零并且S小于L时，保持在状态1并且衰减时钟1，当S大于等于L时，状态机将由状态1经路径49进入过程58。若时钟1衰减到零时，状态机仍然处在状态1，此时状态机将由状态1经路径47进入过程50。

过程50初始化时钟2为1000，然后状态机进入状态2（标注为52）。状态2中，同样不断比较腐蚀斜率S与斜率阈值L，当S小于L时，衰减时钟2同时减小L，当S大于等于L时，状态机由状态1经路径57进入过程58。若时钟2衰减到零时状态机仍维持在状态2，初始化时钟2为1000同时令R和L为两个比较小的值，重新进入状态2，比较S和L的大小。

过程58初始化时钟3为75同时令L等于S，然后状态机进入状态3（标注为60）。状态3中，不断比较S与L的大小，当S小于L时，保持在状态3并衰减时钟3，当S大于等于L时，状态机将由状态3经路径59进入进程58。若时钟3衰减到零时状态机仍处在状态3，将由路径63进入进程64。

进程64初始化时钟1为160并令R等于L，然后状态机进入状态1，开始新的比较判断。

请参考图3，状态机343不断输出参考斜率R到比值输出模块344中。在比值输出模块344中，将由膨胀模块处理模块342得到的膨胀斜率D和状态机343得到的参考斜率R这两个值相比，得到比率r，最后将比率r传输给滤波模块32以确定所需的滤波器带宽。

滤波模块32接收延时模块31得到的各导联心电信号，通过比值输出模块344传递的比率r，确定所需的滤波器带宽（也即是确定图5中参数C0到C12的值），之后使用滤波器对信号进行肌电滤波，并输出最后的滤波结果。

以下介绍本发明的滤波模块32的工作过程：在本发明的一个实施例中，滤波模块32采用FIR滤波器对信号进行肌电滤波，并输出最后的滤波结果。

作为较佳实施例，设输入信号为x(n)，输出信号为y(n)：则本发明的一个实施例的FIR滤波器滤波过程可由以下公式表示：

y(n)=A*[C0*x(n)+C1*x(n-1)+C2*x(n-2)+...+C12*x(n-12)]

其中，x(n)表示最近一次的信号，x(n-1)表示最近一次的信号之前的第1个信号，以此类推，x(n-12)表示的是之前的第12个信号。以上公式表示把同一个信号做多次延迟后再进行和，实际上就是分别取当前信号之前的第1到第12个信号，再将比值输出模块344确定的滤波器带宽作为系数(C0、C1、C2…C12)与所述各级延迟信号相乘，并将所得各乘积进行加和，得到输出结果y(n).

如图5所示，为图1所示的心电信号滤波系统的滤波模块32的心电信号滤波方法的流程图，步骤70表示输入信号x(n)，步骤72表示对输入信号x(n)作多级延迟，得到多级延迟信号：x(n-1)、x(n-2)、x(n-3)...x(n-12).步骤74表示将比值输出模块344确定的滤波器带宽作为系数即（C0、C1、C2…C12）与各级延迟信号相乘，步骤76表示将所得各乘积进行加和得到结果y(n)，步骤78表示将所得结果y(n)输出。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围。

本发明通过对心电信号进行QRS综合波定位，然后采用带宽可调节的FIR滤波器对信号进行滤波，在QRS综合波处，采用较高的频率带宽，保证QRS综合波能高保真地通过滤波器，而在其他低频部分，采用较小的带宽，使肌电噪声滤除效果达到最好。

本发明采用带宽可调节的FIR滤波器对心电信号进行肌电滤波，与现有技术相比，其优势在于在保护信号的高频信息同时去除了肌电噪声。

Claims (9)

1.一种心电信号滤波系统，其特征在于，所述心电信号滤波系统包括：

用于接收采集到的模拟心电信号的输入装置（1）；

与所述输入装置（1）相连的，用于将所述模拟心电信号转换为数字心电信号的A/D转换器（2）；

与所述A/D转换器（2）相连的，用于滤除所述数字心电信号中的肌电噪声的噪声滤除模块（3）；

与所述噪声去除模块（3）相连的，用于输出滤除噪声后的数字心电信号的输出装置（4）；

其中，所述噪声去除模块（3）还包括：

与所述A/D转换器（2）相连的，用于对所述数字心电信号进行延时的延时模块（31）；

与所述延时模块（31）相连的，用于对所述延时后的数字心电信号进行滤波的滤波模块（32）；

与所述A/D转换器（2）相连的，用于检测所述数字心电信号的斜率的斜率检测模块（33）；

与所述斜率检测模块（33）、滤波模块（32）分别相连的，用于对所述滤波模块（32）的滤波器带宽进行控制的带宽控制模块（34）。

2.如权利要求1所述的心电信号滤波系统，其特征在于，所述斜率检测模块（33）包括与所述A/D转换器（2）相连，用于对所述数字心电信号中的导联II、V2、V5信号进行差分处理并得到差分信号的差分模块（331）、与所述差分模块（331）相连，用于对差分信号进行取绝对值的取绝对值模块（332）、与所述取绝对值模块（332）相连，用于选取取绝对值后的信号中的最大值的取最大值模块（333）。

3.如权利要求1所述的心电信号滤波系统，其特征在于，所述带宽控制模块（34）包括与所述取最大值模块（333）相连，用于对取最大值后的信号进行腐蚀处理的腐蚀处理模块（341）、与所述腐蚀处理模块（341）相连，用于对腐蚀后的信号进行膨胀处理的膨胀处理模块（342）、与所述腐蚀处理模块（341）相连，用于选取腐蚀后的信号的最大斜率的状态机（343）、与所述膨胀处理模块（342）以及状态机（343）分别相连，用于得到并输出经所述膨胀处理模块（342）处理后的信号与经所述状态机（343）处理后的信号的比率的比值模块（344）。

4.一种心电信号滤波方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、将接收到的模拟心电信号转化为数字心电信号；

S2、对所述数字心电信号进行预处理；

S3、对所述数字心电信号进行滤波处理，滤去所述数字心电信号中的肌电信号；

S4、输出滤波后得到的结果。

5.如权利要求4所述的心电信号滤波方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21、对所述数字心电信号进行延时处理；

S22、对所述数字心电信号中的导联II、导联V2、导联V5信号进行预处理,确定所述滤波模块（32）所需的滤波器带宽。

6.如权利要求5所述的心电信号滤波方法，其特征在于，所述步骤S22包括：

S221、对所述数字心电信号中的导联II、导联V2、导联V5信号进行最大斜率检测；

S222、对所述经过最大斜率检测后的数字心电信号中的导联II、导联V2、导联V5信号进行膨胀斜率检测与参考斜率检测并将得到的所述参考斜率与膨胀斜率的值相除，并将得到的比值输出。

7.如权利要求6所述的心电信号滤波方法，其特征在于，所述步骤S221包括：

S223、对所述数字心电信号中的导联II、导联V2、导联V5信号进行进行差分处理；

S225、对差分处理后的所述导联II、导联V2、导联V5信号进行取绝对值处理；

S227、对取绝对值处理后的所述导联II、导联V2、导联V5信号进行取最大值处理，取得所述导联II、导联V2、导联V5信号中的最大值。

8.如权利要求7所述的心电信号滤波方法，其特征在于，所述步骤S222包括：

S224、对取最大值处理后得到的所述导联II、导联V2、导联V5信号中的最大值做腐蚀处理；对取最大值处理后得到的所述导联II、导联V2、导联V5信号中的最大值中的相邻的5个样本作取最小值处理，并将该最小值作为腐蚀处理的结果；

S226、对腐蚀处理后的值同时作膨胀处理与参考斜率检测处理，并输出膨胀斜率和参考斜率；具体地，所述膨胀处理为：对腐蚀处理后的值取相邻的47个样本的最大值作为膨胀结果；所述参考斜率检测处理为将腐蚀处理后的值输入所述状态机（343）进行检测；

S228、将得到的所述参考斜率与膨胀斜率的值相除，并将得到的比值输出。

9.如权利要求5所述的心电信号滤波方法，其特征在于，所述步骤S3包括：S31：对所述数字心电信号做多次延迟，得到多级延迟信号；

S32：将步骤S22中确定的滤波器带宽作为系数与所述各级延迟信号相乘；S33：将所得各乘积相加，得到的值作为滤波处理结果；

S34：将所述滤波处理结果输出。