一种适于实时滤除ECG工频干扰新方法
作者：武永成 杨玉星
单位：华中理工大学 (430074)
关键词：实测ECG信号；数字滤波；工频干扰抑制
中国医疗器械杂志990306 提要 讨论几种常用数字滤波方法的优缺点，并在Levkov滤波法的基础上，提出一种新的滤波方法。采用上述几种滤波法对50多人实测的心电信号进行滤波，结果表明，新提出的滤波方法效果最好，可满足数字心电图机实时处理的需要。
A New Digital Filter Method for
Eliminating 50Hz Interference from the ECG
Wu Yongcheng Yang Yuxing
, http://www.100md.com
Hua Zhong University of Science and Technology
ABSTRACT The article discusses advantages and disadvantages of several conventienal digital filter methods. Then, based on Levkov method, the author proposed a new filter method. We use these methods to remove 50Hz interference from more than 50 persons' ECG signals. The results show that this new method is the best, and it can satisfy the real time repuirement of digital ECG machine.
, 百拇医药
KEY WORDS Body ECG Signal Digital Filter Power-line Interference Elimination
在生物医学信号检测技术中，由于大多数生理信号是极其微弱的(μV级或mV级)，相对被测信号而言，环境干扰往往要大好几个数量级。以心电记录为例，从人体体表采集的心电图常会受到各种干扰的影响，其中，以工频干扰对信号的影响最大。因此，在生物医学信号检测技术中，如何抑制50Hz工频干扰是最重要的问题之一。通常从两个方面着手滤除干扰：一方面从硬件上，通过采取合理屏蔽和接地措施，采用性能优良的器件和浮地工作等方式，可将噪声减少到一个相当的程度。但仅仅依靠硬件上的措施并不能完全解决干扰问题。另一方面从软件上，采用有效的数字滤波技术。随着计算机在各个领域的广泛应用，数字式心电图代替模拟心电图成为心电图机发展的必然趋势。在数字式心电图机的研制过程中，数字滤波成为必不可少的环节，是准确分析、识别心电波形的前提。目前，常用的数字滤波方法有平滑滤波，简单整系数带阻滤波，自适应滤波，小波变换等。
, 百拇医药
各种滤波方法最终都应通过实测的ECG信号，来检验该方法的优缺点。这是由于，实测心电信号不仅含有50Hz工频干扰，也有肌电干扰，以及由呼吸和运动引起的电极接触等干扰；而且工频干扰有漂移。采用的滤波方法应适合于这种特定测试环境，例如用NOTCH法设计的滤波器，如果在实验中采用“干净”ECG加入50Hz干扰的信号，滤波效果比较好[3]，但是采用实测ECG信号往往不能达到要求。本文对几种比较常用的滤波方法进行了实测条件下的滤波结果比较，在此基础上提出了一种可实时滤除人体实测ECG信号中50Hz干扰的有效滤波新方法。
1. 实验方法
测试过程中采用自行研制的全集成化浮地式心电放大器，该放大器采用集成线性光电隔离放大器ISO130器件，其内部采用高速发光二极管，使信号以数字形式通过光电隔离，保证了在噪声条件下的稳定性和线性度，共模抑制比大于100dB，增益为1000倍，通频带为0.05～150Hz；放大器不含工频陷波电路。模数转换器采用12位A/D转换器，采样频率均为600Hz。测试中采用接地线断开的方法，引入50Hz工频干扰，以检验各种滤波效果。
, 百拇医药
图1(a)原始ECG波形 (b)滤波后ECG波形 (c)被滤除的干扰
2. 几种滤波方法的基本原理和实测效果比较
2.1 平滑滤波：
平滑滤波是数字滤波方法中较早被人们采用的方法，其差分方程为
y(n)=[x(n-11)+x(n-10)+x(n-9)+…+x(n-1)+x(n)]/12
其中x(n)为原始ECG数据，y(n)为滤波后ECG数据。
该算法简单，处理速度快，滤波效果较好，在心电监护仪常被采用。但是该方法也存在明显不足，通频带很窄，不到20Hz。图1为平滑滤波的实测结果，可以看出，该方法能较好的滤除50Hz工频。但对ECG中的QRS波有较大削峰，信号衰减很大，这种数字滤波无法满足临床诊断要求。
, http://www.100md.com
2.2 简单整系数带阻滤波[3]：
其原理为用一个全通网络减去一个具有相同传输延迟和增益的窄带带通线性相位FIR滤波器的输出，得到一个具有尖锐陷波特性的陷波滤波。称之为NOTCH滤波器。
在600Hz采样频率下，其差分方程为
H1(n)=X(n-444)
H2(n)=X(n)+X(n-300)-X(n-600)-X.(n-900)+H(n-12)
H(n)=H1(n)-H2(n)/100
其滤波结果见图2。
, http://www.100md.com
与平滑滤波相比，滤波后信号衰减大为减少。该方法具有线性相位，可配置在一般的8位微处理机上，可实现实时处理。但不足之处在于，其延时很大，并且只能滤除固定频率，当工频有波动时，其滤波效果明显下降，如图2(b)是对实测ECG信号用NOTCH法滤波后的结果，可以看出由于干扰信号不仅是50Hz信号，滤波效果不满意。
图2 (a) 原始ECG波形(b) NOTCH滤波后ECG波形
2.3 小波变换[4]：
小波变换目前已广泛用于地震、语音、图像等信号处理，并取得较好结果。由于其分析方法把ECG信号按频率分成几个频段，可比较灵活地对ECG信号进行处理。从实验测得结果看，其滤波效果不错，而且，信号失真小，便于对ECG信号的分解、识别和处理。但其算法复杂，计算量大，难以实现需实时处理的ECG信号。此外，由于干扰与心电信号的频率范围重叠，在消除干扰时，也会去除一部分有用的ECG信号。
, 百拇医药
2.4 一种新的Levkov滤波法[1]：
1984年，Levkov首先提出对ECG信号的线性段和非线性段采用不同处理方式的数字滤波方法。1988年Christov对该算法改进，引入ECG信号的线性段判据M来加快滤波的速度，称之为改进的LevkovL滤波法。用该方法滤波，它要求原始ECG信号满足以下两个条件：1)采样频率fs应是工频干扰的整数倍。2)在一个工频干扰周期T内，工频干扰采样点的幅值的代数和为0。在滤波过程中首先要识别出一个线性段，该线性段滤波后的值为这个线性段原始数据的平均值；同时求出工频干扰的值作为非线性段的工频干扰的模板。而在非线性段，其真值是用原始数据减去在临近线性段求得的干扰模板值。
图3 实测ECG滤波结果
上：原始ECG波形 中：Levkov法滤波后ECG波形 下：被滤除的工频干扰
, http://www.100md.com
设Yi为原始的ECG信号，设
i为工频干扰，
滤波后信号，在采样频率fs=600Hz，工频干扰f=50Hz情况下，一个工频干扰周期T内ECG信的采样点数为 N=fs/f=600/50=12。则：Y0+Y1+…+Y11=
(1)
其中
d=(Y12-Y0)/12(2)
把(2)代入(1)得通式：
, http://www.100md.com
在线性段
Yl+5=[Yl+0+Yl+1+…+Yl+11) -(Yl+12+Yl+0)/2]/12l+5=Yl+5-l+5
在非线性段l+5=Yl+5-l+5
, 百拇医药
我们用上述改进的Levkov法进行实测滤波，结果如图3(a)，(b)。图3(a)滤波效果较好，而图3(b)的滤波效果就不好。分析原因可知：在该算法中引入的M是用来判定线性段和非线性段的指标，也是滤波方法中的关键因素。Levkov在fs=400Hz工频f=50Hz情况下经过大量(>200次)实验，认为M=12.0是较为理想的值。而在fs=600Hz，通过对50多人的实测ECG信号滤波，发现采用同样的硬件，在同样的环境下，不同人的ECG噪声水平也不完全相同。而对于噪声较大的ECG波形，该方法滤波效果不好，如图3所示，这与M取值有关。根据该原理调整M值，实测ECG信号滤波发现，M<12.0，对线性段的识别条件变宽，对于有些线性段，幅值较高的噪声，判据｜D1-D2｜1=Yi+12-Yi；D2=Yi+13-Yi+1，(详见参考文献[1][2])；不满足，即把其当作非线性的QRS波处理，则出现类似图3(b)中滤波不干净现象。M值越小，滤波效果越差。M>12.0，(实验中取M=18.0)，滤波结果如图3(c)，工频干扰滤除很干净，但出现QRS波严重削峰。因为M值过大，在QRS波中，｜D1-D2｜
综述两方面的问题，作者认为，仅仅依靠M值的调整，并不能完全解决问题，必须加入另一个限制条件来解决。M取值要大一些，才能较好地实现滤波，而M较大又要保持不失真，可引入QRS波开关控制的方法，即在Levkov基础上，加入QRS识别的开关函数法。其具体实现过程如下：首先对ECG信号微分，并设定阈值进行识别，若满足一定条件，认为是QRS波，单独处理滤波，否则按照Levkov法，(此时，M值取值较大，M=18.0)进行滤波。算法中，采用自适应调整阈值法判别QRS波，阈值能很好地跟随信号变化，而又不会把干扰当作QRS误检，其中引入两个变量来确定是否出现QRS波，当连续出现两个点的微分值大于阈值，并且不曾检测过QRS波，即判定为QRS波。当检测一QRS波后，求出其最大值，调整阈值，并置一标志，作为Levkov法中单独处理QRS波的依据。
对QRS波单独处理过程为：l+5=Yl+5-l+5/2；l+5=l+5/2
, 百拇医药
程序流程如图4。用这种新的Levkov法对图3(b)、图3(c)原始ECG信号再次滤波，结果如图5。将图5(b)与图3(b)相比较，滤波效果得到进一步改善；将图5(a)与图3(c)相比较，也可发现波形明显改善，不再出现QRS波削峰情况。对50多人的ECG信号滤波结果满意。
图4
图5 新滤波法实测分析结果
(a)对图3(a)中原始ECG滤波结果
(b)对图3(b)中原始ECG滤波结果
由图5看出，其滤波效果优于上述几种数字滤波方法，不仅有效滤除工频干扰，而且ECG各波段信号几乎没有失真。由实验测得，其通频带接近50Hz大大优于平滑滤波，且算法简单，参数可调，运算量小，在作者开发的运动条件下心电向量分析系统应用中效果很好。
, http://www.100md.com
实测实验也表明该方法并非十全十美。其不足在于：1. 该方法无法抑制基线漂移，所以实际应用中还应加入高通数字滤波。2. 对个别ECG波形(QRS波斜率较小或QRS波较宽)，在S-T段有微小失真。在改进Levkov法中，引入一控制量A，A的作用是，当检测出非线性段后，A被置为12，至少在当前被检测到的非线性段点以后12个点才可能是线性段，这有利于防止把QRS波峰当作线性段而产生削波情况，实验中通过改变A的值可以解决这一问题。
4. 结果与讨论
由上述实验结果比较可知，在数字滤波去除ECG中50Hz干扰中，平滑滤波算法简单但效果不好；NORCH算法效果较好但延时较大，并且当工频有漂移时，滤波效果不满意；小波算法对ECG信号处理灵活方便但运算量大，不易实现实时。以上这几种滤波方法均存在明显不足，有些是其算法本身所致，而有些是由于不适于实时处理。新的Levkov法是在Levkov对ECG信号采取线性段和非线性段分别处理的基础上，分离处理QRS，这样既保证滤波效果好，又不引起QRS波削峰，在作者开发的心电向量检测仪中，使用该滤波法取得满意效果。该算法不失为一种简单有效的方法，其滤波效果好，几乎无任何失真，可实现实时处理，在临床上使用价值大，在Levkov法上加开关函数控制的新方法，滤除50Hz的效果最好。
, 百拇医药
参 考 文 献
1 C.Levkov,et al, Subtraction of 50Hz interference from the electrocardiogram, &Biol.&Comput,1984;22:371-373
2 王海滨等.一种消除ECG信号中50Hz工频干扰的数字滤波方法.中国医疗器械杂志.1997；21：327
3 赵捷等.一种滤除ECG基线漂移和交流干扰的简单算法.中国医疗器械杂志1991 15：262
4 秦前清.实用小波分析.西安电子科技大学出版社.1994
(1998年7月10日收稿), 百拇医药
单位：华中理工大学 (430074)
关键词：实测ECG信号；数字滤波；工频干扰抑制
中国医疗器械杂志990306 提要 讨论几种常用数字滤波方法的优缺点，并在Levkov滤波法的基础上，提出一种新的滤波方法。采用上述几种滤波法对50多人实测的心电信号进行滤波，结果表明，新提出的滤波方法效果最好，可满足数字心电图机实时处理的需要。
A New Digital Filter Method for
Eliminating 50Hz Interference from the ECG
Wu Yongcheng Yang Yuxing
, http://www.100md.com
Hua Zhong University of Science and Technology
ABSTRACT The article discusses advantages and disadvantages of several conventienal digital filter methods. Then, based on Levkov method, the author proposed a new filter method. We use these methods to remove 50Hz interference from more than 50 persons' ECG signals. The results show that this new method is the best, and it can satisfy the real time repuirement of digital ECG machine.
, 百拇医药
KEY WORDS Body ECG Signal Digital Filter Power-line Interference Elimination
在生物医学信号检测技术中，由于大多数生理信号是极其微弱的(μV级或mV级)，相对被测信号而言，环境干扰往往要大好几个数量级。以心电记录为例，从人体体表采集的心电图常会受到各种干扰的影响，其中，以工频干扰对信号的影响最大。因此，在生物医学信号检测技术中，如何抑制50Hz工频干扰是最重要的问题之一。通常从两个方面着手滤除干扰：一方面从硬件上，通过采取合理屏蔽和接地措施，采用性能优良的器件和浮地工作等方式，可将噪声减少到一个相当的程度。但仅仅依靠硬件上的措施并不能完全解决干扰问题。另一方面从软件上，采用有效的数字滤波技术。随着计算机在各个领域的广泛应用，数字式心电图代替模拟心电图成为心电图机发展的必然趋势。在数字式心电图机的研制过程中，数字滤波成为必不可少的环节，是准确分析、识别心电波形的前提。目前，常用的数字滤波方法有平滑滤波，简单整系数带阻滤波，自适应滤波，小波变换等。
, 百拇医药
各种滤波方法最终都应通过实测的ECG信号，来检验该方法的优缺点。这是由于，实测心电信号不仅含有50Hz工频干扰，也有肌电干扰，以及由呼吸和运动引起的电极接触等干扰；而且工频干扰有漂移。采用的滤波方法应适合于这种特定测试环境，例如用NOTCH法设计的滤波器，如果在实验中采用“干净”ECG加入50Hz干扰的信号，滤波效果比较好[3]，但是采用实测ECG信号往往不能达到要求。本文对几种比较常用的滤波方法进行了实测条件下的滤波结果比较，在此基础上提出了一种可实时滤除人体实测ECG信号中50Hz干扰的有效滤波新方法。
1. 实验方法
测试过程中采用自行研制的全集成化浮地式心电放大器，该放大器采用集成线性光电隔离放大器ISO130器件，其内部采用高速发光二极管，使信号以数字形式通过光电隔离，保证了在噪声条件下的稳定性和线性度，共模抑制比大于100dB，增益为1000倍，通频带为0.05～150Hz；放大器不含工频陷波电路。模数转换器采用12位A/D转换器，采样频率均为600Hz。测试中采用接地线断开的方法，引入50Hz工频干扰，以检验各种滤波效果。
, 百拇医药
图1(a)原始ECG波形 (b)滤波后ECG波形 (c)被滤除的干扰
2. 几种滤波方法的基本原理和实测效果比较
2.1 平滑滤波：
平滑滤波是数字滤波方法中较早被人们采用的方法，其差分方程为
y(n)=[x(n-11)+x(n-10)+x(n-9)+…+x(n-1)+x(n)]/12
其中x(n)为原始ECG数据，y(n)为滤波后ECG数据。
该算法简单，处理速度快，滤波效果较好，在心电监护仪常被采用。但是该方法也存在明显不足，通频带很窄，不到20Hz。图1为平滑滤波的实测结果，可以看出，该方法能较好的滤除50Hz工频。但对ECG中的QRS波有较大削峰，信号衰减很大，这种数字滤波无法满足临床诊断要求。
, http://www.100md.com
2.2 简单整系数带阻滤波[3]：
其原理为用一个全通网络减去一个具有相同传输延迟和增益的窄带带通线性相位FIR滤波器的输出，得到一个具有尖锐陷波特性的陷波滤波。称之为NOTCH滤波器。
在600Hz采样频率下，其差分方程为
H1(n)=X(n-444)
H2(n)=X(n)+X(n-300)-X(n-600)-X.(n-900)+H(n-12)
H(n)=H1(n)-H2(n)/100
其滤波结果见图2。
, http://www.100md.com
与平滑滤波相比，滤波后信号衰减大为减少。该方法具有线性相位，可配置在一般的8位微处理机上，可实现实时处理。但不足之处在于，其延时很大，并且只能滤除固定频率，当工频有波动时，其滤波效果明显下降，如图2(b)是对实测ECG信号用NOTCH法滤波后的结果，可以看出由于干扰信号不仅是50Hz信号，滤波效果不满意。
图2 (a) 原始ECG波形(b) NOTCH滤波后ECG波形
2.3 小波变换[4]：
小波变换目前已广泛用于地震、语音、图像等信号处理，并取得较好结果。由于其分析方法把ECG信号按频率分成几个频段，可比较灵活地对ECG信号进行处理。从实验测得结果看，其滤波效果不错，而且，信号失真小，便于对ECG信号的分解、识别和处理。但其算法复杂，计算量大，难以实现需实时处理的ECG信号。此外，由于干扰与心电信号的频率范围重叠，在消除干扰时，也会去除一部分有用的ECG信号。
, 百拇医药
2.4 一种新的Levkov滤波法[1]：
1984年，Levkov首先提出对ECG信号的线性段和非线性段采用不同处理方式的数字滤波方法。1988年Christov对该算法改进，引入ECG信号的线性段判据M来加快滤波的速度，称之为改进的LevkovL滤波法。用该方法滤波，它要求原始ECG信号满足以下两个条件：1)采样频率fs应是工频干扰的整数倍。2)在一个工频干扰周期T内，工频干扰采样点的幅值的代数和为0。在滤波过程中首先要识别出一个线性段，该线性段滤波后的值为这个线性段原始数据的平均值；同时求出工频干扰的值作为非线性段的工频干扰的模板。而在非线性段，其真值是用原始数据减去在临近线性段求得的干扰模板值。
图3 实测ECG滤波结果
上：原始ECG波形 中：Levkov法滤波后ECG波形 下：被滤除的工频干扰
, http://www.100md.com
设Yi为原始的ECG信号，设
i为工频干扰，滤波后信号，在采样频率fs=600Hz，工频干扰f=50Hz情况下，一个工频干扰周期T内ECG信的采样点数为 N=fs/f=600/50=12。则：Y0+Y1+…+Y11=(1)其中
d=(Y12-Y0)/12(2)
把(2)代入(1)得通式：
, http://www.100md.com
在线性段
Yl+5=[Yl+0+Yl+1+…+Yl+11) -(Yl+12+Yl+0)/2]/12
l+5=Yl+5-l+5在非线性段
l+5=Yl+5-l+5, 百拇医药
我们用上述改进的Levkov法进行实测滤波，结果如图3(a)，(b)。图3(a)滤波效果较好，而图3(b)的滤波效果就不好。分析原因可知：在该算法中引入的M是用来判定线性段和非线性段的指标，也是滤波方法中的关键因素。Levkov在fs=400Hz工频f=50Hz情况下经过大量(>200次)实验，认为M=12.0是较为理想的值。而在fs=600Hz，通过对50多人的实测ECG信号滤波，发现采用同样的硬件，在同样的环境下，不同人的ECG噪声水平也不完全相同。而对于噪声较大的ECG波形，该方法滤波效果不好，如图3所示，这与M取值有关。根据该原理调整M值，实测ECG信号滤波发现，M<12.0，对线性段的识别条件变宽，对于有些线性段，幅值较高的噪声，判据｜D1-D2｜
综述两方面的问题，作者认为，仅仅依靠M值的调整，并不能完全解决问题，必须加入另一个限制条件来解决。M取值要大一些，才能较好地实现滤波，而M较大又要保持不失真，可引入QRS波开关控制的方法，即在Levkov基础上，加入QRS识别的开关函数法。其具体实现过程如下：首先对ECG信号微分，并设定阈值进行识别，若满足一定条件，认为是QRS波，单独处理滤波，否则按照Levkov法，(此时，M值取值较大，M=18.0)进行滤波。算法中，采用自适应调整阈值法判别QRS波，阈值能很好地跟随信号变化，而又不会把干扰当作QRS误检，其中引入两个变量来确定是否出现QRS波，当连续出现两个点的微分值大于阈值，并且不曾检测过QRS波，即判定为QRS波。当检测一QRS波后，求出其最大值，调整阈值，并置一标志，作为Levkov法中单独处理QRS波的依据。
对QRS波单独处理过程为：
l+5=Yl+5-l+5/2；l+5=l+5/2, 百拇医药
程序流程如图4。用这种新的Levkov法对图3(b)、图3(c)原始ECG信号再次滤波，结果如图5。将图5(b)与图3(b)相比较，滤波效果得到进一步改善；将图5(a)与图3(c)相比较，也可发现波形明显改善，不再出现QRS波削峰情况。对50多人的ECG信号滤波结果满意。
图4
图5 新滤波法实测分析结果
(a)对图3(a)中原始ECG滤波结果
(b)对图3(b)中原始ECG滤波结果
由图5看出，其滤波效果优于上述几种数字滤波方法，不仅有效滤除工频干扰，而且ECG各波段信号几乎没有失真。由实验测得，其通频带接近50Hz大大优于平滑滤波，且算法简单，参数可调，运算量小，在作者开发的运动条件下心电向量分析系统应用中效果很好。
, http://www.100md.com
实测实验也表明该方法并非十全十美。其不足在于：1. 该方法无法抑制基线漂移，所以实际应用中还应加入高通数字滤波。2. 对个别ECG波形(QRS波斜率较小或QRS波较宽)，在S-T段有微小失真。在改进Levkov法中，引入一控制量A，A的作用是，当检测出非线性段后，A被置为12，至少在当前被检测到的非线性段点以后12个点才可能是线性段，这有利于防止把QRS波峰当作线性段而产生削波情况，实验中通过改变A的值可以解决这一问题。
4. 结果与讨论
由上述实验结果比较可知，在数字滤波去除ECG中50Hz干扰中，平滑滤波算法简单但效果不好；NORCH算法效果较好但延时较大，并且当工频有漂移时，滤波效果不满意；小波算法对ECG信号处理灵活方便但运算量大，不易实现实时。以上这几种滤波方法均存在明显不足，有些是其算法本身所致，而有些是由于不适于实时处理。新的Levkov法是在Levkov对ECG信号采取线性段和非线性段分别处理的基础上，分离处理QRS，这样既保证滤波效果好，又不引起QRS波削峰，在作者开发的心电向量检测仪中，使用该滤波法取得满意效果。该算法不失为一种简单有效的方法，其滤波效果好，几乎无任何失真，可实现实时处理，在临床上使用价值大，在Levkov法上加开关函数控制的新方法，滤除50Hz的效果最好。
, 百拇医药
参 考 文 献
1 C.Levkov,et al, Subtraction of 50Hz interference from the electrocardiogram, &Biol.&Comput,1984;22:371-373
2 王海滨等.一种消除ECG信号中50Hz工频干扰的数字滤波方法.中国医疗器械杂志.1997；21：327
3 赵捷等.一种滤除ECG基线漂移和交流干扰的简单算法.中国医疗器械杂志1991 15：262
4 秦前清.实用小波分析.西安电子科技大学出版社.1994
(1998年7月10日收稿), 百拇医药