几种去心电基线漂移算法的实现和比较

滤波器。设定高通滤波器的技术要求为：通带截止频 率 fp 为 0.7Hz，阻带截止频率为 fs0.2Hz，通带最大衰 减为 ap0.2dB,阻带最小衰减为 ocs30dB。转换到低通的 技术 要求为：
4 = + = U, = + = 3.5,nc = 2zfp = 4.39822145.593 e = VlO01^ -1 = 0.217091
基线漂移时，也要尽量避免 ST 段等低频部分产生 明 的信号预处理。
显变形导致检测和分析失真。去除基线漂移的基本 思 想是：对 ECG 信号中漂移了的基线进行估计和提取，再 将它从原始信号中减去，得到滤除漂移后的新信号。对 滤波效果的判断主要是观察 ECG 的 PR 段是否与基
1 中值滤波 简单的来说，中值滤波就是取该点前长度为 N(取
Tl+z
2l-z~l H(z) = Ha(s)\s ¥l+z~l
l-3z_1 +3z'
1.8697 - 5.5963z 4 + 5.5836z "2 - l.B57z
反 z 变换后，最后的差分方程为
y(n) = [x(») — 3x(n — 1)十 3x(» - 2) - x{n — 3> 十 5.5963y(n -1) -5.58356y(n- 2) + 1.875y(n - 3)]/1.8697
经过试验发现该滤波器对波形有缩小，再乘以一 个 系数 1.972,即：
y n{n ) = \. 912y {n ) 高通滤波的方法能很有效的去除基线漂移，速度 也比
滤波器阶数c#o=s^h^^(人 = 2.） 95,取 N=3 戊
G(p)：
"fliP-Pi)
i=l
2N
2N
4 = j^rasiah(务）
经计算得
形的 S-T 段发生较大形变，影响医生的判断。
4 形态学处理 数学形态学主要应用于图像处理领域，用来描述
图像的基本特征。其中最基本的概念是结构元素，它 是 一段一定形态的数据，再处理过程中相当一个探针。在 图形中不断移动结构元素，提取出图像的形状信息。 形态学中的最基本运算是膨胀和腐蚀。
关键字：心电基线漂移
The Implement and the Relative of Several Kinds of Arithmetic to Take
Base-Line Excursion from ECG Signal
YANGTao3 WANG Jia-wang2 WULing-yan1 YUANYi-ping4 LINWan-hua3 1Nan-Jing Medical University Affiliated Jiangsu Renmin Hospital (Nanjing 210000) 2 Institute of Biomedical Engineering，Nan-Jing Medical University (Nanjing 210000) 3 Nan-Jing Pu-Ao Medical Equipment Company (Nanjing 210032) 4 Institute of Biomedical Engineering, School of Info-physics，Central South University (Changsha 410083)
阵相乘的形式：
性，但存在相位非线性的问题；FIR 有严格的线性相位,
3
3
co
X2
3
C1
Xs m C2 滤波 1__:
但只能用比较高的阶数达到髙的选掙性。心电信号处 理 中对线性相位的要求不是很高，而希望处理后延时 比 较小，所以这里选择 HR 滤波器。
3
C3 于 基 线 漂 移 信 号 是 低
在这里我们用切比雪夫滤波器来逼近 IIR 数宇高通
内容提要：本文介绍了中值滤波、曲线拟合、高通滤波、形态学处理等几种不同的去心电基线漂移算法的实现。 通过对 MIT/BIH 数据库中 36 份数据的比较，发现在处理效果上，中值滤波和基于形态学的方法处理效 果都比较好，形态学结果比中值滤波的结果在正方向上略有偏移。高通滤波的方法对平整的 S-T 段的 抬 升很明显，而曲线拟合在处理较大的漂移时，效果就不明显了。
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技术 技术报告 Technology Report
两个阈值 0.5max、0.5min,只有值在 这两个阈值间的点
才被保留，其余均置为零。
然后，按照 A 中的方法计算出拟合曲线的参数，再
2 曲线拟合[2] 曲线拟合的主要目的是从原始 ECG 信号中拟合出
漂移的基线。在这里，拟合问题主要包括两个方面： 拟 合方法的选择和拟合基准点的选捍。 ①首先介绍曲线拟合基本方法，也就是目标拟合函数 的 选捍，可以将数据拟合到多项式、指数函数等等。在 这 里，我们选择了三次多项式拟合，即将数据拟合到
这种中值滤波方法的关键在于选择合适的棑序数 据段长度 N。若 N 太小，拟合出来的基线将仍有较多 的 高频成分^导致滤波后 ECG 信号失真；若 N 太大, 将导致 运算量过大，影响算法的实时性。当采样频率为 1000Hz 时，N 取 501〜1001 之间都是比较合理的，能 得到较好 的滤波效果。
Abstract: The paper introduce the implement of several kinds of arithmetic to take base-line excursion from ECG signal， including median filtering，curve fitting，high pass filtering and morphologic process. After comparing the processing result of 36 shares of MIT/BIH ECG data，we found that median filtering and morphologic process is better than else, the morphologic process has a little offset in positive direction comparing with median filtering; high pass filtering is obvious in raising smooth S-T segment; The result is unobvious when processing high base-line excursion using curve fitting.
中值滤波器的优点是算法简单，处理速度快很适 合 实时处理。同时它的效果很明显，对较大的漂移也 有 孭好的效果，对 ST 段也有一定的保护。
ZZE
X. V V is
A
兮
S:
(
4
；
②直接拟合是将比较长的一段数据（如 1mS)滤去 R 波
峰值，然后将其余数据拟合。首先，取得信号的最大 值
max 和最小值 min，比较他们的绝对值的大小^若 |max|
Key words: ECG，Base-line Excursion 文章编号：1006-6586(2008)06-0030-04 中图分类号：R540.4+2 文献标识码：A
引言
线基本持平。
心电信号中的基线漂移一般是由于人体呼吸、电
去除 ECG 基线漂移的方法有很多，但处理速度不 尽
极移动而产生，频率较低，一般在 0.7Hz 以下，属于低 相同，所以在实时和非实时系统的应用中有些区别。对
奇数）的一段数据，对这段数据进行排序，然后取中间
收稿日期：2008-03-28 作者简介：汪家旺，博士，主任医师，硕士生导师，南京市政府科技计划项目(项目编号：200701032)负责人；吴玲燕，硕士研究生;
杨涛，工程师；苑颐萍，高级工程师；林宛华，硕士研究生 基 金项目：南京市政府科技计划项目（项目编号：200701032)
Technology Report
技术
一位的值作为该点数据。将整段信号都进行如上处理，
Ar Ac = A Ty -»* c = {a1 ^y
提取出信号中的漂移成分^最后将原始信号减去该漂 移 ⑶
成分，便得到滤波后的结果 如 右 图 所 示 ，设 原 始 信 号 y 的 长 度 为 L， 以 第 n(n ^
远远大于 |min|(如 |max|>1.5|min|)，则认为 R 波 是正向的，
设定阈值为 0.5max，将大于该阈值的点之 值均置为 0 ;
若|min|远远大于|max|(如|min 卜 1.5 |max|), 则认为 R 波是
负向的，设定阈值为 0.5min，将小于该 阈值的点之值
均置为 0 ;其余情况，则认为 R 峰是双 向的，设定上下
« = 0,1,K ,M-N 由定义可知，如果不对 ECG 信号作延拓，经过膨 胀运算将减少数据前面 M 个点，而腐蚀运算将减少后 面 M 个点。
G(p)
0.8683644(p3 +2.57964p2 +3.32726p +2.14578) Ha(s) = G (p ) \ ^
采用双线性变换法
2 1-z
(^4)1 此处
和的计算公式如下，在 m=4.
N-1) 点 y(n)为 例 , 需 要排序
的数据段为 y(n_N+l)~y(n)。将 y(n-N+l)~y(n)排 序得到新数组 temp,令 yl(n)=temp[(N-l)/2], 则滤波结 果 y，(n)=y(n)-yl(n)a
当 n<N-l 时，由于其前面的数据不足无法处理, 所以 中值滤波后使数据前比原来少 N-1 个点。
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频干扰。由于基线漂移的频率与 ST 段的频率有重叠 的 于实时系统需要在处理速度和处理效果中找到最好 的
部分，故漂移零电位的基线会对 ST 段产生重大影 响， 平衡点。下面比较了几种不同的算法，不仅在心电 信
影响医生对心肌损伤或缺血等病变的判别。而在 去除 号基线调整中有效，简单调整后也能应用于其他类 型
得到拟合后的新曲线，而这条曲线大致代表了漂移 的 基线。所以将原始信号减去这个拟合后的信号就可 以 得到基线调整后的信号。
曲线拟合的方法的缺点在于对严重的漂移处理能 力相对较弱，处理效果与待处理信号的长度有很大关 系，信号越长处理效果越好，在一定程度上就影响了 处 理的实时性。
简单的记为：乂 = P
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技术
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几种去心电基线漂移算法的实现和比较
汪家旺 1吴玲燕 2杨涛 3苑颐萍 3 林宛华 4 1 南京医科大学第一附属医院江苏省人民医院（南京 210000) 2 南京医科大学生物医学工程研究所（南京 210000) 3 南京普澳医疗设备有限公司（南京 210032) 4 中南大学信息物理工程学院生物医学工程研究所(长沙 410083)
(2)'
为求得;对(2)'式进行变換：
其中 S =
点的坐标值。 设数 成矩
Xi
2
太1
y2 y3 X2
2 X2
⑶
2
3 高通 A
由
2
⑴ 频的，所以设计对应的高通 滤波器，滤除这些低频干
是待求参数，U 是数据
扰也可以达到调整基线的效果。
IIR 滤波器可以用较低的阶数获得较高的频率选择
据 点 数 为 n,将 (1)式 写
设 ECG 信号为 f(n)，长度 N,结构元素 k(m),长 度 为 M，N>M。则膨胀运算的定义为
(/©^)(«) = max { f { n - m ) + k ( m )}, n = M-l,M,K，AT-1 腐蚀的定义为：
(辦)(《)= ^rnin^ ^/Cn + m ) - k{ m )}，