数字滤波器在实时滤除心电干扰中的设计与应用

　　引言

　　在医疗电子电路设计中, 考虑到模拟滤波器引入了噪声、温度、体积、电压漂移、温度漂移等方面的问题将影响系统地安全性和稳定性, 所以以数字滤波代替模拟滤波, 以避免这些影响。

　　以ADI DSP 为核心的便携式心电监护仪能够通过体表信号进行分析, 识别和诊断, 这个过程中的一个重要的环节就是对输入信号的有效滤波, 干扰主要是基线漂移和 50Hz 工频干扰, 基线漂移是受到患者的呼吸影响和传感器与皮肤的接触不良引起的, 频率范围是0.5Hz 以下的低频部分, 工频干扰是 50Hz 及其谐波。本文设计了一种能同时滤除基线漂移和工频干扰的简单整系数多窄带带阻滤波器, 利用 ADSP2188 使用循环缓冲区实现算法, 具有算法简单, 效率高的优点。

　　1 数字滤波基本原理

　　所谓的数字滤波器, 就是一种把一个采样信号或一系列的值转换为另一系列的数值的计算过程或算法, 这个计算过程可以是低通滤波( 平滑), 带通滤波,平滑, 插值, 求导等。(J.F.Kaiser), 数字滤波原理框图如下:

　　设一个长度为 n 的数字滤波器对单位取样序列

　　其相应的频谱关系式为: (3)式(3) 中X(e^jω)与 Y(e^jω)分别为输入和输出序列的频谱; H(e^jω)为单位取样响应h(n)的频谱, 称为频率响应。可见按照 X(e^jω)的特点和处理数据的目的, 只要选择适当的H(e^jω)便可以使滤波以后的X(e^jω) 即Y(e^jω)符合要求, 这就是数字滤波的基本原理。

　　2 基于零极点对消原理的数字陷波器的设计

　　心电信号(ECG)容易受到基线漂移和工频干扰的影响, 基线漂移的频率范围是 0.5Hz 以下的低频部分; 工频干扰主要是 50Hz , 由于人体的分布电容引起的。因此, 滤除 ECG 信号中的基线漂移和工频干扰成为 ECG 信号分析的关键。

　　陷波滤波器是指对某一特定频率有抑制作用的滤波器。

　　对于心电信号的滤波处理必须具有严格的线性相位和稳定性, FIR 滤波器具有这些特点, 但是由于产生的系数非整系数, 用定点 DSP 来处理比较困难,所以本设计利用零极点对消的方法设计出一个简单整系数滤波器。

　　基线漂移的低频成份低于0.5Hz , 工频干扰基频为50Hz , 二次谐波为 100Hz , 三次谐波为 150Hz, 高于100Hz 的频率已经在电路中被100Hz 低通滤波器滤除, 所以在数字滤波时只需要滤除基线漂移和 50Hz及100Hz 干扰。所以滤除基线漂移和工频干扰, 滤波器的频率响应应该具有如图1 的幅频特性。

　　要设计出上图的陷波滤波器, 需要首先设计出一个如图2 的多通带滤波器, 该滤波器的特点是在梳状滤波器的基础上进行个别零极点对消, 在对消之后的频率点上为通带, 其它的频率点上则是阻带。