張梅梅 魏恒燁 周宇 太和縣人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備科 （安徽 阜陽 236600）

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是指生命體發(fā)出的能夠用來反應(yīng)所處狀態(tài)以及身體特征的一種不穩(wěn)定自然信號(hào)，其主要包括心電、呼吸、脈搏等[1]。心電信號(hào)的研究是治療心臟病的主要依據(jù)。人體心電圖（ECG）作為心臟電活動(dòng)在人體體表的表現(xiàn)能夠客觀反映人體心臟各部位的生理狀況。人體心電信號(hào)在采集過程中易受到各種噪聲干擾，導(dǎo)致很多非常重要的特征信息被干擾淹沒，不利于識(shí)別診斷[2]。因此需要對心電信號(hào)的噪聲干擾進(jìn)行濾波。

1.心電信號(hào)

1.1 心電信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理與特征

心電信號(hào)是由人體心臟的心肌電活動(dòng)的一種體現(xiàn)，能夠?qū)π呐K電活動(dòng)是否異常進(jìn)行判定，心電信號(hào)作為生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的一種，既有生物醫(yī)學(xué)信號(hào)得共同特征，同時(shí)又有噪聲背景強(qiáng)、信噪比低、幅度在mv級、隨機(jī)性強(qiáng)等特征。心電信號(hào)能夠客觀反映人體心臟各部位的生理狀況[3]，圖1為一段正常人體心電信號(hào)波形圖。

圖1.

1.2 心電信號(hào)的常見噪聲與來源

人體心電信號(hào)在采集過程中易受到各種噪聲干擾，其中常見的心電信號(hào)噪聲干擾主要為工頻干擾、肌電干擾，頻率在5～20KHz之間，通常會(huì)與心電的頻譜混在一起；基線漂移，為頻率小于1Hz的低頻干擾。

1.3 常見降噪方法

消除或降低心電信號(hào)噪聲的方法主要包括屏蔽過濾法、對消濾除法、電場及磁場干擾的發(fā)現(xiàn)及抑制、通過帶阻進(jìn)行濾波以及現(xiàn)代數(shù)字濾波等方式、方法[4]。隨著現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字濾波器的功能變得越來越全面，同時(shí)應(yīng)用面也越來越廣泛，能夠很好地實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的降噪效果。

2.小波變換與小波閾值降噪

2.1 小波變換

小波變換能夠很好實(shí)現(xiàn)信號(hào)在時(shí)-頻域的局部化，同時(shí)由于其具有的“變焦”特征，非常適合用于非線性、非穩(wěn)態(tài)的生物醫(yī)學(xué)心電信號(hào)的處理。

小波基函數(shù)的窗口面積與a，b無關(guān)，時(shí)間、尺度分辨率相互制約，不能同時(shí)增大或減小，使得小波變換非常適合處理突變信號(hào)。

2.2 小波閾值降噪

小波閾值降噪是通過對信號(hào)進(jìn)行小波變換后，根據(jù)產(chǎn)生的細(xì)節(jié)系數(shù)幅值較大而噪聲對應(yīng)的細(xì)節(jié)系數(shù)的幅值較小，在不同尺度上設(shè)置一合理閾值，閾值以下的系數(shù)置零，高于閾值的系數(shù)進(jìn)行處理，最后經(jīng)小波逆變換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)重構(gòu)，最終達(dá)到抑制噪聲的目的的一種降噪方法。

小波閾值降噪方法中的參數(shù)選取主要包括閾值函數(shù)的選取、小波基函數(shù)的選取、閾值選取規(guī)則選取。

（1）閾值函數(shù)選取

閾值函數(shù)主要包含軟閾值和硬閾值兩種，其中硬閾值處理是當(dāng)小波系數(shù)絕對值不小于閾值時(shí)其大小不變，小于閾值時(shí)則置零；軟閾值處理是對較小的小波系數(shù)置零[3]，較大的小波系數(shù)會(huì)向零作收縮。

同一信號(hào)用不同小波基進(jìn)行分析時(shí)，由于時(shí)頻特性不同，從而使同一信號(hào)在分析后得到的時(shí)頻特性也會(huì)不同。

在小波閾值降噪的過程中，小波系數(shù)閾值的選取通常是最為關(guān)鍵的一步，盡管不恰當(dāng)?shù)倪x擇會(huì)對降噪的效果產(chǎn)生直接影響，但截至目前仍未能提出一種通用的模型。

3.心電信號(hào)小波降噪應(yīng)用

3.1 工頻干擾濾除

頻干根據(jù)生物醫(yī)學(xué)心電信號(hào)工頻干擾頻帶互相重疊的特點(diǎn)，因此此處選用小波閾值降噪法通過對心電信號(hào)的小波系數(shù)進(jìn)行抑制實(shí)現(xiàn)噪聲濾除。選擇MIT/BIH國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的心電信號(hào)，并截取其中一段作為原始心電信號(hào)，在原始心電信號(hào)基礎(chǔ)上加入工頻干擾后的心電信號(hào)，為小波閾值降噪法進(jìn)行降噪后的心電信號(hào)。其中，圖2加入工頻干擾后的心電信號(hào)的信噪比為6db，小波閾值降噪過程小波基函數(shù)選用coif4，6層分解，采用rigrsure閾值。

原始心電信號(hào)很光滑，加工頻干擾后的心電信號(hào)充滿毛刺，同時(shí)含有大量高頻噪聲，信號(hào)的波形非常不平滑，會(huì)嚴(yán)重干擾對信號(hào)特征的提取，影響分析結(jié)果。可以看出，小波閾值降噪對于工頻干擾的濾除具有較好的效果，同時(shí)很好地保留了生物醫(yī)學(xué)心電信號(hào)的固有特征，未出現(xiàn)嚴(yán)重的失真現(xiàn)象。

3.2 肌電干擾濾除

選擇MIT/BIH國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的心電信號(hào)，并截取其中一段作為原始心電信號(hào)，在原始心電信號(hào)基礎(chǔ)上加入肌電干擾后的心電信號(hào)；小波閾值降噪法進(jìn)行降噪后的心電信號(hào)。其中，圖3加入肌電干擾后的心電信號(hào)的信噪比為6db，小波閾值降噪過程小波基函數(shù)選用coif4，6層分解，采用rigrsure閾值?？梢钥闯觯〔ㄩ撝到翟雽τ诩‰姼蓴_的濾除具有較好的效果，同時(shí)很好地保留了生物醫(yī)學(xué)心電信號(hào)的固有特征，未出現(xiàn)嚴(yán)重的失真現(xiàn)象[5]。

圖2. 濾波工頻干擾后的心電信號(hào)

圖3. 濾除肌電干擾后的心電信

圖4. 濾除基線漂移后的心電信號(hào)

3.3 基線漂移濾除

由于心電信號(hào)基線漂移的頻率在0.05Hz～2Hz，所以無需設(shè)定固定閾值，即可將分量置零，從而實(shí)現(xiàn)對基線漂移干擾的濾除。原始心電信號(hào)在原始心電信號(hào)基礎(chǔ)上加入基線漂移干擾后的心電信號(hào)；小波閾值降噪法進(jìn)行降噪后的心電信號(hào)。其中，加入基線漂移干擾后的心電信號(hào)的信噪比為6db，小波閾值降噪過程小波基函數(shù)選用coif4，6層分解。

可以看出，小波閾值降噪對于心電信號(hào)基線漂移的濾除具有較好的效果，同時(shí)很好地保留了生物醫(yī)學(xué)心電信號(hào)的固有特征，未出現(xiàn)嚴(yán)重的失真現(xiàn)象。

4.結(jié)果與討論

然而心電信號(hào)易受噪聲干擾影響，導(dǎo)致心電信號(hào)波形產(chǎn)生失真，丟失部分重要信息，不利于醫(yī)生做出正確的判斷。因此，需要對采集到的人體心電信號(hào)進(jìn)行降噪處理，本文利用小波變換理論，選擇MIT/BIH國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，小波閾值降噪對于心電信號(hào)三種常見噪聲干擾的濾除具有較好的效果，同時(shí)很好地保留了生物醫(yī)學(xué)心電信號(hào)的固有特征，未出現(xiàn)嚴(yán)重的失真現(xiàn)象。

盡管對于生物醫(yī)學(xué)心電信號(hào)進(jìn)行了有效地降噪，并取得了一定成果，但對于其降噪方法的研究還需繼續(xù)，提出更優(yōu)、更好的方法。

[1] 劉海龍.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理[M].化學(xué)工業(yè)出版社2006.

[2] 魏航.基于小波分析的醫(yī)學(xué)信號(hào)去噪方法的研究[D].太原理工大學(xué),2009.

[3] 白麗榮.基于小波變換的心電信號(hào)處理技術(shù)的研究[D].山東科技大學(xué),2005.

[4] 馬文.基于小波變換的心電信號(hào)去噪研究[D].蘭州大學(xué),2009.

[5] 姚成,吳小培.小波變換與生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理 [J].生物學(xué)雜志,2000,17(1):24-26.