數(shù)字濾波器在實(shí)時濾除心電干擾中的設(shè)計與應(yīng)用

1、技 術(shù) 創(chuàng) 新中 文 核 心 期 刊 微 計 算 機(jī) 信 息 (嵌 入 式 與 SOC 2006年 第 22卷 第 4-2期 /:現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用 200例嵌 入 式 軟 件 應(yīng) 用魏陽 :碩士基金項(xiàng)目 :四川省科技攻關(guān)項(xiàng)目 . 編號 :04GG006-025數(shù)字濾波器在實(shí)時濾除心電干擾中的設(shè)計與應(yīng)用A Design and Application of Digital Filter in Real-tim e Filtrating the Disturbance from the Electrocardiogram (ECG Signal(西南交通大學(xué) 魏陽 索忠偉 李文容Wei,Yang

2、Suo,Zhongwei Li,Wenrong摘要 :在 醫(yī) 療 電 子 中 的 心 電 (ECG 監(jiān) 護(hù) 儀 的 設(shè) 計 中 , 針 對 心 電 信 號 的 特 殊 信 號 和 干 擾 頻 率 范 圍 , 進(jìn) 行 了 分 析 , 并 且 設(shè) 計 了 一 個 基 于 零 極 點(diǎn) 對 消 的 簡 單 整 系 數(shù) 濾 波 器 , 該 濾 波 器 具 有 嚴(yán) 格 線 性 相 位 , 穩(wěn) 定 性 能 好 , 利 用 DSP 匯 編 語 言 進(jìn) 行 算 法 的 實(shí) 現(xiàn) , 提 高 了 計 算 速 度 , 有 效 地 濾 除 了 干 擾 。關(guān)鍵詞 :心電 (ECG 信號 ; 干擾 ; 數(shù)字濾波器 中圖分類

3、號 :TN912.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :AAbstract:In the medical electronics instrument of electrocardiogram (ECG monitor design , the range of the frequency of the disturbance was analyzed , and a filter based on pole-zero elimination was designed.The filter has a good linear phase character and good stability.The arithm

4、etic was programmed with assemble language of DSP, speed of the operation was accelerated and the result is satisfactory.Keywords:electrocardiogram(ECG signal, disturbance,digital filter文章編號 :1008-0570(200604-2-0040-02引言在醫(yī)療電子電路設(shè)計中 , 考慮到模擬濾波器引入 了噪聲、 溫度、 體積、 電壓漂移、 溫度漂移等方面的問題 將影響系統(tǒng)地安全性和穩(wěn)定性 , 所以以數(shù)字濾波代替

5、模擬濾波 , 以避免這些影響。以 ADI DSP 為核心的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀能夠通過 體表信號進(jìn)行分析 , 識別和診斷 , 這個過程中的一個重 要的環(huán)節(jié)就是對輸入信號的有效濾波 , 干擾主要是基 線漂移和 50Hz 工頻干擾 , 基線漂移是受到患者的呼吸 影響和傳感器與皮膚的接觸不良引起的 , 頻率范圍是 0.5Hz 以下的低頻部分 , 工頻干擾是 50Hz 及其諧波。 本 文設(shè)計了一種能同時濾除基線漂移和工頻干擾的簡單 整系數(shù)多窄帶帶阻濾波器 , 利用 ADSP2188使用循環(huán)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)算法 , 具有算法簡單 , 效率高的優(yōu)點(diǎn)。1數(shù)字濾波基本原理所謂的數(shù)字濾波器 , 就是一種把一個采樣信號或

6、一 系 列 的 值 轉(zhuǎn) 換 為 另 一 系 列 的 數(shù) 值 的 計 算 過 程 或 算 法 , 這個計算過程可以是低通濾波 (平滑 , 帶通濾波 , 平滑 , 插值 , 求導(dǎo)等。 (J.F.Kaiser , 數(shù)字濾波原理框圖如 下 :設(shè)一個長度為 n 的數(shù)字濾波器對單位取樣序列 (1的響應(yīng)為 h(n , 當(dāng)輸入序列為 x (n 時輸出序列 y (n 可以用差分方程表示為 :(2其相應(yīng)的頻譜關(guān)系式為 :(3 式 (3 中 X(e j 與 Y(e j 分別為輸入和輸出序列的 頻譜 ; H(e j 為單位取樣響應(yīng) h(n 的頻譜 , 稱為頻率響 應(yīng)。 可見按照 X(e j 的特點(diǎn)和處理數(shù)據(jù)的目的 ,

7、 只要選 擇適當(dāng)?shù)?H(e j 便可以使濾波以后的 X(e j 即 Y(e j 符 合要求 , 這就是數(shù)字濾波的基本原理。2基 于 零 極 點(diǎn) 對 消 原 理 的 數(shù) 字 陷 波器的設(shè)計心電信號 (ECG 容易受到基線漂移和工頻干擾的 影響 , 基 線漂移的頻 率范圍是 0.5Hz 以 下的低頻部 分 ; 工頻干擾主要是 50Hz , 由于人體的分布電容引起 的。 因此 , 濾除 ECG 信號中的基線漂移和工頻干擾成 為 ECG 信號分析的關(guān)鍵。陷波濾波器是指對某一特定頻率有抑制作用的 濾波器。對于心電信號的濾波處理必須具有嚴(yán)格的線性相位和穩(wěn)定性 , FIR 濾波器具有這些特點(diǎn) , 但是由于

8、產(chǎn)生的系數(shù)非整系數(shù) , 用定點(diǎn) DSP 來處理比較困難 ,所以本設(shè)計利用零極點(diǎn)對消的方法設(shè)計出一個簡單 整系數(shù)濾波器。( ( ( j j j Y e H e X e w w w =- :360元 /年 技 術(shù) 創(chuàng) 新嵌 入 式 軟 件 應(yīng) 用PLC 技術(shù)應(yīng)用 200例您 的 論 文 得 到 兩 院 院 士 關(guān) 注 基線漂移的低頻成份低于 0.5Hz , 工頻干擾基頻 為 50Hz , 二次諧 波為 100Hz , 三次諧 波 為 150Hz , 高 于 100Hz 的 頻率已經(jīng)在 電路中被 100Hz 低 通濾波器 濾除 , 所以在數(shù)字濾波時只需要濾除基線漂移和 50Hz 及 100Hz 干擾

9、。所以濾除基線漂移和工頻干擾 , 濾波 器的頻率響應(yīng)應(yīng)該具有如圖 1的幅頻特性圖 1陷波濾波器幅頻特性要設(shè)計出上圖的陷波濾波器 , 需要首先設(shè)計出一 個如圖 2的多通帶濾波器 , 該濾波器的特點(diǎn)是在梳狀 濾波器的基礎(chǔ)上進(jìn)行個別零極點(diǎn)對消 , 在對消之后的 頻率點(diǎn)上為通帶 , 其它的頻率點(diǎn)上則是阻帶。圖 2多通帶濾波器幅頻特性該多阻帶窄帶濾波器的特點(diǎn)是阻帶的帶寬很窄 , 約 1Hz , 設(shè)計這樣一個濾波器就需要將圖 2的多通帶 濾波器和一個帶寬約 1Hz 的全通濾波器相減 , 同時需 要全通濾波器和帶通濾波器具有相同的時延和增益 , 如圖 3所示。圖 3帶阻濾波器結(jié)構(gòu)圖該帶通濾波器 的頻率響應(yīng)

10、是 由 它 的 幅 頻 響 應(yīng) 的 零點(diǎn)和極點(diǎn)在 Z 平面的位置決定的 , 在本設(shè)計中 , 我 們在 Z 平面單位圓上以每赫茲布置一個零點(diǎn) , 設(shè) f sa =200Hz 為采樣頻率 , 以每赫茲為一個零點(diǎn) , 從 f=0,1,2 49,50,51, fsa 處都安排上零點(diǎn) , 形成一個梳狀 濾波器 , 要對 0Hz 和 50Hz 及 100Hz 處形成帶通 , 需要 在這里各設(shè)置一個 極點(diǎn) , 來和零 點(diǎn)對消 , 就形 成了一 個只有三個單頻率才能通過的帶通數(shù)字濾波器。 對于小于 0.5Hz 的帶通中心頻率設(shè)置在 =0處 , 50Hz 帶通中心則設(shè)在 =/2處 , 100Hz 帶通頻率點(diǎn)設(shè)

11、在 =處 , 而為了使系數(shù)為簡單整系數(shù) , 需要在 =-/2設(shè)置一個和 =/2共軛的極點(diǎn) , 也 即在 =3/2處增加一個通帶 , 該點(diǎn)的頻率 fp=pfsa/2=150Hz 由 于模擬濾波器已經(jīng)濾除高于 100Hz 的頻率 , 所以增加 該點(diǎn)不會影響濾波器性能。這樣 , 這個多通帶帶通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)的分母 為(4由 此 這 個 多 窄 帶 濾 波 器 的 轉(zhuǎn) 移 函 數(shù) 為 :為了保證嚴(yán)格的線性相位 , 必須使 h(n 為偶對稱 , 即 h(n=h(N-n-1 , 其中 N=200-4=196, 取式 (5 的符號 為負(fù)號即滿足偶對稱 , 所以得到該濾波器的頻率響應(yīng) 為 :(5從式 (6

12、可以看出 , 該 頻 率 響 應(yīng) 滿 足 嚴(yán) 格 的 線 性相 位 :, 并 且 在 =0, =/2, =處幅度最大 , 即 x=0,x=/2,x=時 (6這樣就得到了設(shè)計需要的多通帶濾波器 , 要得到 多窄帶帶阻濾波器 , 再需要設(shè)計一個全通濾波器 , 多 帶通和全通濾波器幅度相位必須嚴(yán)格一致 , 其轉(zhuǎn)移函 數(shù)為 :(7其頻率響應(yīng)為 HAP=50e -j98, 所以要求的多窄帶阻 濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)為 :(8由式 (5 和 式 (7 分 別 得 到 多 窄 帶 帶 通 濾 波 器 和 全通濾波器的輸出為 :(9 (10因 此 可 以 得 到 多 窄 帶 帶 阻 濾 波 器 的 輸 出 為 :3

13、濾波算法的 DSP 實(shí)現(xiàn)本設(shè)計利用 ADSP2188匯編語言實(shí)現(xiàn)算法 , 為了 在抽樣時間間隔進(jìn)行濾波計算 , 本設(shè)計采用環(huán)形緩沖 區(qū)采用匯編語言進(jìn)行計算。由式 (2 可知 , 輸入 x(n 和 濾波器系數(shù) h(n 已知的情況下 , 只需要進(jìn)行式 (2 的乘 加運(yùn)算即可 , 將已知的濾波器系數(shù)存放在 H(m 中 , 輸入 數(shù)據(jù)存放在 X(m 中 , m 為緩沖區(qū)長度。在進(jìn)行濾波計 算的過程中 , 設(shè)置一個指針 P 指向當(dāng)前處理的數(shù)據(jù) X (n , 而 H(n 不需要變化 如圖 4。將對應(yīng)位置的值相乘 之后的累加和 , 當(dāng) 一個輸入值 計算完成之 后 , 進(jìn)行下 一個值的計算 , 需要將 X(n

14、-m+1 舍棄 , 由于使用了循 環(huán)緩沖區(qū) , 指針將圖 5(a 逆時針指向下一個地址 , 該 地址上的值將被新值覆蓋 , 相當(dāng)于圖 5(a 中的環(huán)形順 時針轉(zhuǎn)一個距離 , 然后從該值開始和圖 5(b 中從 H(0 開始的地 址順時針按 照式 (2 依次對 應(yīng)乘加運(yùn)算 , 并 對每個新輸入值按照指針逆時針轉(zhuǎn)動的 (轉(zhuǎn) 247頁 41- :360元 /年技 術(shù) 創(chuàng) 新人 工 智 能PLC 技術(shù)應(yīng)用 200例 您 的 論 文 得 到 兩 院 院 士 關(guān) 注表 2原始圖像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 3含高斯噪聲圖像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 2是對原始圖像樣本集測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 3種核 函數(shù)確定的支持向量數(shù)目幾乎相同 , 它們的

15、識別正確 率都為 92.2%, 即確定的決策分類面所表現(xiàn)的性能是 相近的。表 3是對含高斯噪聲圖像樣本集測試實(shí)驗(yàn)結(jié) 果。 3種核函數(shù)所確定的支持向量數(shù)目也接近相同 , 識 別正確率仍然比較高都為 89.4%。4結(jié)論本文通過使用 SVM 對字符進(jìn)行了模式識別實(shí)驗(yàn) 研究 , 研究結(jié)果表明 :(1 在訓(xùn)練樣本較少的情況下 , 該系統(tǒng)的識別率較高 , 并具有算法簡單 , 無需先驗(yàn)知 識 , 容易控制和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 (2 SVM 具有平移不 變性的功能 , 對含噪聲的圖 像 , 它依然可 保持較高的 識別率 ; 對無噪聲圖像 , 所需的支持向量數(shù)比較少 , 識 別率也很高。 (3 文中對不同的核函數(shù)

16、進(jìn)行了對比 , 結(jié) 果表明識別率相差不大。核函數(shù)的選擇很重要 , 但到 目前為止 , 還沒有一個公認(rèn)的比較好的選擇標(biāo)準(zhǔn)。如 何確定適當(dāng)?shù)暮撕瘮?shù)及其參數(shù)還有待進(jìn)一步研究。論文創(chuàng)新點(diǎn) :本文探討了將支持向量機(jī)應(yīng)用于字 符圖像識別的方法 , 研究結(jié)果證明該方法是一種非常 簡單易行且穩(wěn)定可靠的圖像識別方法。在應(yīng)用上豐富 和發(fā)展了支持向量機(jī)理論和機(jī)器學(xué)習(xí)理論。參考文獻(xiàn) :1Yuan-Neng Hsu, H. H. Arsenault. Optical Pattern Recognition Using Circular Harmonic Expansion, APPLIED OPTICS, 1982,

17、vol. 21, No. 22:4016-40192田盛豐等 . 基于支持向量機(jī)的手寫體相似字識別 . 中文信息學(xué) 報 , 第 14卷 , 第 3期 , 1999年 3月3李俊俊 , 陸明泉 , 馮振明 . 一種基于支持向量機(jī)的數(shù)字調(diào)制識 別方法 J微計算機(jī)信息 ,2005,9:27-294邊肇祺 , 張學(xué)工 . 模式識別 M. 第 2版 . 北京 :清華大學(xué)出版社作者簡介 :張宏烈 (1966- , 女 , 漢族 , 哈爾濱工程大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院在讀博士生。工作單位 :齊齊哈 爾大學(xué) ; 教師 , 副教授 , 研究方向 :從事計算機(jī)智能控 制、 模式識別。(161006齊齊哈爾大學(xué)計控

18、學(xué)院 張宏烈(投稿日期 :2005.9.25 (修稿日期 :2005.10.8(接 41頁 順序循環(huán)進(jìn)行新值覆蓋。圖 5(a 圖 5(b 4結(jié)論由于開始初始化 X(m 全部為 0, 所以在 X(m 取滿之前的 m 個數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確 , 應(yīng)該舍棄。全部程序利用ADSP2188匯編語言實(shí)現(xiàn) , 能很好的濾除工頻干擾和 基頻干擾 , 在便攜式心電監(jiān)護(hù)儀中的效果見圖 6, 可見 該濾波器是一個很實(shí)用的濾波器。圖 6(a 原始輸入體表波形圖 6(b 濾波后的波形 參考文獻(xiàn) :1楊奎武 , 魏博 . 擴(kuò)頻通信中匹配濾波器的 FPGA 設(shè)計 J微計算 機(jī)信息 ,2005,3:117-1192趙鶴鳴 肖圣兵 馮子裘等 線性相位數(shù)字濾波器在 ECG 波形 分析中的應(yīng)用 蘇州大學(xué)學(xué)報 1996年 第 12卷第一期3丁玉美 高西全 數(shù)字信號處理 西安 :西安電子科技大學(xué)出 版社 2003:234-2424鄭君理 應(yīng)啟珩 楊為理 信號與系統(tǒng) 北京 :高等教育出版社 20025Sen M.Kou Bob H.Lee 盧伯英譯 實(shí)時數(shù)字信號處理 北京 中國鐵道出版社 2004:138-140作者簡介 :魏陽 男 (1979.3- 漢族 , 碩士 , 專業(yè) :Com-munication and Information System 研究方向 :DSP 技術(shù) 與 應(yīng) 用 E -mail:skiny7822 導(dǎo)