[发明专利]基于双层形态学滤波的心电信号预处理方法

说明书

技术领域

本发明属于生物医学信号处理技术，尤其涉及一种基于双层形态学滤波的心电信号预处理方法。

背景技术

生物医学信号处理是近年来信号处理领域研究的一个热点，心电（ECG，Electrocardiogram）诊断技术自十九世纪诞生以来，已经发展成为一门专业学科，而对ECG信号的采集、处理、存储、传输、远程实时监控及自动诊断等方面更是当今的研究重点。

心电图是通过心电描记术从体表引出多种形式的电位变化图形，是临床了解心脏功能状况、辅助诊断心血管疾病、评估各种治疗方法的重要手段。

如图1所示，典型的心电图主要包括以下几部分：

P波，在QRS波之前，前半部分主要为右心房的电活动，后半部分主要为左心房的电活动；QRS波群代表电激动通过心室肌；T波代表心室的复极过程，波形比较宽且圆钝；不同的波形反应出不同的生理性能。但是在心电信号采集和处理过程中，常常由于人体运动和外部环境刺激，内部器官受到影响，造成心电信号被噪声所干扰，给后续处理带来困难。

常见的心电噪声包括以下几种类型：

（1）工频干扰：由电力系统及其他设备产生的固定频率的干扰。该干扰的频率为50/60Hz及其谐波，幅值最高可占到ECG峰值的50%，对心电信号的影响较大。受到工频干扰的心电信号特征，表现为心电图与正弦波相叠加。

（2）基线漂移：由被测对象的呼吸、电极移动等低频干扰所引起。其频率小于5Hz，受到基线漂移干扰的心电信号特征，其表现为心电信号与呼吸信号同频率的正弦分量的叠加。

（3）肌电干扰：由人体活动或肌肉收缩等刺激所引起的干扰。其频率在5-2000Hz之间，属高频干扰，受到肌电干扰的心电表现为不规则的快速变化波形。

心电信号具有信号微弱、信噪比低、易受环境影响等特点，通常情况下，幅度范围为50微伏至50毫伏，而频率90%集中在0.5～35Hz。心电信号波形直接关系到后续进行心电参数测量、特征识别和病情诊断评估等相关应用，而其中的噪声极易导致心电信号波形畸变。因此心电信号预处理过程中去除噪声干扰显得尤为重要，是心电信号处理的必需步骤。

现有技术中，往往采用硬件电路来完成噪声去除，但去除噪声的种类和能力有限。随着现代数字信号理论的提出及发展，使得软件滤波器去除心电噪声成为可能。现将数字信号处理心电噪声移除方法大致分类如下：

（1）FIR和IIR滤波器：该类数字滤波器可设定某一频率的干扰滤除，适合对工频干扰作处理。但工频干扰一旦发生波动就不能发挥陷波器作用，且去除与ECG信号同频率范围的加性噪声效果不好；

（2）曲线拟合的方法：利用多项式拟合估计出基线漂移的曲线，再从原始信号减去基线漂移曲线，就可以达到基线矫正的目的。拟合问题主要包括：拟合方法的选择和拟合基准点的选择。曲线拟合的方法，处理效果与待处理信号的长度有很大的关系，信号越长，处理效果才越好，这就影响了信号处理的实时性；

（3）基于独立分量分析的方法：独立分量分析是近年发展起来的一种新的信号处理技术。基本原理是基于信源之间的相互统计独立性，从多个源信号的混合信号中分离出源信号的技术。作为一种新的信号处理技术，独立分量分析理论体系并不完善，一些实际问题还有待于进一步解决；

（4）自适应滤波：自适应滤波在处理过程中，能自动跟随实际噪声信号频率变换，克服传统滤波器频率固定不足，但需要采集除原始信号以外与噪声信号有关而与有用信号无关的参考信号，难以满足要求。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种基于双层形态学滤波的心电信号预处理方法，结合心电信号波形的具体形态，利用三角型结构元素和直线型结构元素相结合，构成双层形态学滤波器，有效去除心电信号中的高频噪声和基线漂移，提高R波检测时的准确率。

为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于双层形态学滤波的心电信号预处理方法，其关键在于按照以下步骤进行：

步骤1：利用三角型结构元素构建的第一层形态滤波器对原始心电信号f₀进行处理获得初次滤波信号f₁；

步骤2：利用直线型结构元素构建的第二层形态滤波器对所述初次滤波信号f₁进行处理获得二次滤波信号f₂；

步骤3：将步骤1获得的初次滤波信号f₁与步骤2获得的二次滤波信号f₂作差，获得预处理后的心电信号f₃。