檢測ECG疊加基準(zhǔn)點的FIR帶通濾波器的優(yōu)化設(shè)計

1、    檢測ECG疊加基準(zhǔn)點的FIR帶通濾波器 的優(yōu)化設(shè)計        摘要利用CAD軟件對FIR帶通濾波器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，該濾波器用于心室晚電位中疊加基準(zhǔn)點的檢測。本文介紹了FIR帶通濾波器的設(shè)計原理和設(shè)計方法，給出了FIR濾波器的差分方程、頻率特性曲線等性能指標(biāo)。實驗結(jié)果表明用該濾波器可準(zhǔn)確檢測ECG疊加基準(zhǔn)點。關(guān)鍵詞FIR帶通濾波器優(yōu)化設(shè)計基準(zhǔn)點檢測 An Optimum Design of FIR Bandpass Filter for Detecting

2、 ECG Superposition Trigger JitterWu Shuicai, Lin Jiarui, Deng Dongyun(Bioengineering department of Huazhong University of Science and Technology430074)AbstractCAD software is used to design optimum FIR bandpass filter,which is used to detect ECG supperposition trigger jitter in ventricular late dete

3、ction.The principle and method of design are introduced, and the indexes of performance like the difference equation of FIR filter,and frequency response curses etc.are shown.Experimental result show that ECG superposition trigger jitter can be detected accurately by using the filter.Key words:FIR b

4、andpass filter; Optimum design; Trigger jitter detection0前言基于疊加平均法的心室晚電位檢測中，疊加基準(zhǔn)點的確定直接影響到檢測的準(zhǔn)確性。由于心電信號中QRS波能量最大，易于檢測，故在心電疊加中多以R波頂點作為疊加基準(zhǔn)點。目前R波的檢測算法已有很多，如差分閾值法、濾波檢測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和子波變換等新的檢測方法。這些檢測方法取得了一定的效果，但它們至今在某些方面還不完善，有些算法在精確性和快速性之間存在較大的矛盾。在提高QRS波檢測算法的抗干擾方面，子波變換法取得了較好的結(jié)果，但其運算量較大，快速性較差。從實時處理和精確性方面考慮，差分閾值法比

5、較理想，它主要是利用QRS波的幅度較高和上升及下降斜率較大的特點，但在干擾嚴(yán)重或非典型R波等情況下檢測錯誤率較大。我們采用FIR帶通濾波法檢測心電疊加基準(zhǔn)點，因FIR濾波器具有線性相位特性，能較好地保持未濾除信號的形態(tài)，且它在準(zhǔn)確性和快速性方面也能滿足心室晚電位檢測的要求。用帶通濾波檢測疊加基準(zhǔn)點其基本思路如下13：首先用一個中心頻率為17Hz的帶通濾波器對所分析的心電信號進(jìn)行濾波，去除ECG信號中非QRS波頻率成分(如高頻干擾、工頻干擾、呼吸波干擾以及肌電干擾等)，然后在濾波后的信號波形中用閾值法確定各R波頂點，并把它作為特征點，最后由這個特征點根據(jù)線性相位數(shù)字濾波器具有確定的延時量這一特性

6、，推算出原始信號中特征點的相應(yīng)位置，該位置就是我們所需要的疊加基準(zhǔn)點。我們用生物醫(yī)學(xué)數(shù)字信號處理軟件UW Digiscope4對FIR濾波器進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)計，獲得了較好的通帶和阻帶性能，以下將詳細(xì)介紹其設(shè)計原理和方法，并給出設(shè)計后的有關(guān)參數(shù)、性能指標(biāo)和實驗結(jié)果。1FIR濾波器設(shè)計原理和方法1.1設(shè)計原理有限沖擊響應(yīng)FIR濾波器的輸出僅取決于輸入，其差分方程和傳遞函數(shù)如下：(1)(2)式中T為采樣時間間隔，y（nT)為輸出信號，x(nT)為輸入信號，hi是濾波器的沖擊響應(yīng)系數(shù)，N是濾波器的長度。FIR濾波器的設(shè)計就是根據(jù)希望的理想頻率響應(yīng)指標(biāo)求得濾波器的沖擊響應(yīng)系數(shù)hi。心室晚電位是出現(xiàn)在QR

7、S波末端部位的高頻低幅微弱信號，且出現(xiàn)的時間短，故需采用高的采樣率(一般取1000Hz)來提高其分辨率。而檢測QRS波的帶通濾波器中心頻率應(yīng)為17Hz，與1000Hz采樣率相比很小，為達(dá)到帶通濾波器阻帶衰減大，通帶波動小以及過渡帶窄等性能指標(biāo)，濾波器的長度N就需要很大，這就加大了運算量，延長了檢測時間。為此我們通過減少沖擊響應(yīng)系數(shù)數(shù)目和利用沖擊響應(yīng)的對稱性來減少運算量。減少沖擊響應(yīng)系數(shù)數(shù)目實際上是對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重抽樣以降低采樣率。因QRS波能量集中在17Hz，當(dāng)考慮的僅是檢測QRS波時，這樣做是允許的。設(shè)濾波器沖擊響應(yīng)長度為N，我們將沖擊響應(yīng)系數(shù)數(shù)目由N減為M，則有式中K為自然數(shù)，KT為重采樣

8、的采樣間隔，則式(1)可改寫為：(3)因FIR帶通濾波器沖擊響應(yīng)具有正對稱性，即有h(i)=h(M-1-i),于是式(3)可變?yōu)?4)具體實現(xiàn)時，我們?nèi)=19(M必須為奇數(shù))，K=20(即每隔20個采樣點取一個數(shù))，則式(4)變?yōu)?5)由差分方程可知，該濾波器的延時時間為180個采樣點。根據(jù)濾波后的波形檢測出R波頂點位置后，減去延時量(180)即得原記錄信號中R波頂點位置。1.2設(shè)計方法在UW DigiScope軟件中含有一個濾波器設(shè)計工具，其中FIR濾波器給出了四種設(shè)計方法：沖擊響應(yīng)法、頻率采樣法、窗口設(shè)計法和零點放置法。我們采用較常用的頻率采樣法，這種設(shè)計方法直接在頻域上確定所需濾波器的

9、理想幅頻特性曲線，然后計算機(jī)自動生成實際濾波器的頻率特性曲線，通過反復(fù)調(diào)整，以使濾波器的頻率特性曲線最佳逼近理想頻率特性。通過濾波器存盤即可獲得所設(shè)計的FIR濾波器沖擊響應(yīng)系數(shù)數(shù)據(jù)文件(為ASCII碼文件)，用DOS命令type顯示該文件內(nèi)容即可獲知濾波器沖擊響應(yīng)系數(shù)hi。我們所需的帶通濾波器理想頻率性能指標(biāo)如下：中心頻率f0=17Hz，通帶為1618Hz，阻帶衰減要大，過渡帶窄和通帶波動要小，所處理信號的采樣頻率為1000Hz。1.3設(shè)計結(jié)果由所需帶通濾波器理想頻率特征指標(biāo)，根據(jù)上述設(shè)計方法，我們設(shè)計出的FIR濾波器頻率特性曲線如1所示。1FIR帶通濾波器頻率特性曲線(a)幅頻特性曲線(b)

10、相頻特性曲線中fs為信號采樣頻率，原始信號采樣頻率為1000Hz，經(jīng)重抽樣后，fs為50Hz。從中可知，濾波器增益為1.145dB，阻帶衰減大(為-50dB)，過渡帶窄，通帶無波動，在通帶范圍內(nèi)相頻特性曲線為線性。此外，利用CAD軟件，通過求濾波器單位沖擊響應(yīng)的功率譜，可精確求得該濾波器的中心頻率f0=17.06Hz，通帶為15.2118.51Hz，沖擊響應(yīng)系數(shù)為h(10)=(0.00158，-0.000857，-0.018，0.047，-0.0214，-0.0938，0.187，-0.0948，-0.145，0.28)。可見我們所設(shè)計的FIR帶通濾波器較好的滿足了設(shè)計要求。2實驗結(jié)果我們把優(yōu)

11、化設(shè)計的FIR帶通濾波器用于ECG疊加基準(zhǔn)點的實際檢測，實驗數(shù)據(jù)由兩個方面獲得，一是我系先前研制開發(fā)的心室晚電位檢測儀1中存有的50多例臨床檢測數(shù)據(jù)，二是用我系研制的“心電信號仿真儀”產(chǎn)生各種心電信號，用晚電位檢測儀進(jìn)行采樣獲取，采樣率為1000Hz，A/D轉(zhuǎn)換器為12bit。對現(xiàn)有的ECG信號檢測結(jié)果表明，用我們所設(shè)計的FIR帶通濾波器檢測ECG疊加基準(zhǔn)點準(zhǔn)確率高達(dá)100%，而且檢測速度也較快，可完全滿足臨床心室晚電位檢測的要求。2給出了其中一例的檢測情況。中(a)為一原始x導(dǎo)聯(lián)ECG信號，(b)為(a)中ECG信號經(jīng)FIR帶通濾波后的波形(已減去延時量)，可見帶通濾波后，ECG信號中的P波

12、、T波等干擾信號被完全濾除，QRS波位置突出，其中濾波后的每個QRS波幅值最大點與(a)中原始ECG信號R波頂點對齊，由此就可檢測出原始ECG信號中R波的頂點(即疊加基準(zhǔn)點)。(c)為基準(zhǔn)點標(biāo)識，豎直點線標(biāo)識出檢測出的疊加基準(zhǔn)點。2基于FIR帶通濾波器的ECG疊加基準(zhǔn)點檢測(a)ECG原始波形(b)帶通濾波后的ECG波形(c)ECG疊加基準(zhǔn)點標(biāo)識本文借助UW DigiScopt軟件對FIR帶通濾波器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明該方法是一種簡單有效的計算機(jī)輔助設(shè)計方法，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的FIR帶通濾波器目前已用于我們研制和改進(jìn)的心室晚電位檢測儀中。作者簡介：吳水才(1964)，男，博士研究生，講師。作者單位：華中理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系(武漢430074)參考文獻(xiàn)1鄧東云.心室晚電位檢測及處理技術(shù)的研究.華中理工大學(xué)博士論文，1995，412Daskalov I K,et al.Developments in ECG acquisition,preprocessing,parameter measurement and recording.IEEE Trans on BME,1998,March/April:503Hamilton P S,et al.Quantitative investigation