生物医学信号处理及其仪器应用
生物医学仪器研制原理
利用数据采集技术，采集人体的各种生物电信号，如
心电、脑电、胃电、肌电等，借助虚拟仪器技术，记录、 显示各种生物电波形，并利用虚拟仪器技术的开放性和柔 性，集成先进的信号分析方法来有效提取各种生物电信号 中包含的特征参数，从而为医生提供更加丰富的临床诊断 信息。
输入信号x(j): 心电信号小波变换后的高尺度下低频信号； 参考信号d(j): 常量序列。
心
小
电
波
信
变
号
换
低频信息 j=8尺度
高频信息 j=1~8尺度
自适应滤波
消
器
噪
心
电
小波重构
信
号
小波与自适应滤波相结合，最大限度的保证了滤波后ECG信号低频信息不失 真，这为保持心电P波和T波信息的完整性提供了基础。为心电检测分析仪 准确分析ST段偏移、QT离散度等其他重要指标提供了保证。
自适应模板算法
采样心电信号： X (n) S (n) N (n)
模板信号：
T (n) 1 M X (n fs i)
M i1
fp
1
M S(n k i) 1
M
N(n k i)
M i1
M i1
去噪心电信号：
T (n) 1
M
X (n k i) N (n)
M 理技术
• 平滑滤波法
n k 1
2
s in(i
c) 0
ik
n
y(i) 1 [x(i) x(i 1) x(i N 1)] N fs
N
fp
滤波器传函：
( fs 1)
Y (z) [ X (z) X (z) z1 X (z) z f p ]
( fs )
fp
(a) 原始ECG波形 (b) 滤波后的ECG波形 (c) 被滤除的工频干扰
特点：由于心电信号的TP段是真正的零电位段，因此拟合点应选择 在TP段。这需要先探测出R波位置，来确定TP段。简洁快速， 只能除基线漂移。
❖ 基于窗函数的FIR带通滤波器设计
特点：只有零点，系统总是稳定的； 它容易实现线性相位； 允许设计多通带（或多阻带）滤波器。
❖ 自适应相干模板法及其改进算法
常自动识别方法。
❖ 对HRV信号分别从时域和频域角度进行了研究。探讨了其时域评价指标 和散点图的实现。引入三维“色谱图”展现HRV信号的能量分布状况。
3）国内外研究现状
❖ 心电信号预处理研究现状
三种方式 硬件滤波：
专用模拟陷波电路滤工频、耦合电路去基线漂移。
软件滤波： Levkov法、简单整系数滤波法、估计合成法； 级联滤波器法、神经网络法、小波变换法、形态滤波法等； 频率抽样滤波器、自适应模板法；
特点：快捷简单，适合监护仪，检测心率。但对QRS复合波有一 定的衰减。
• 梳状滤波器
H1 (z)
1 zN N
H (z) b 1 z N
1 z N
b 1
2
a\b\c 为H(z)的幅频响应曲线、相频响应曲线和极零图
特点：运算量小，可以滤除工频及其高次谐波，被广泛采用。不 能滤基线漂移。
• 曲线拟合法
句法模板法；
演化算法；
小波变换结合神经网络法；小波变换结合翼形函数法等。
❖ 心电检测分析仪开发现状
静态ECG系统。主要功能是检测病人安静状态下的心脏 功能，用于医院病房。
动态ECG，也常称Holter系统。对病人在正常生理和外 界环境下的ECG进行长期记录。
心律失常检测及监护ECG系统。用于冠心病，外科手术， 急救中心等对心律失常节拍检测，或对病人ECG进行实 时监护。
X (n) T (n)
X (n) 1
M
X (n k i)
M i 1
特点：利用改进的自适应相干模板法，可以有效地消除工频干扰和 基线漂移。图中b）是使用改进前的自适应相干模板法所得结果； 图中c）是使用改进后的自适应相干模板法所得结果。可以看出， 改进后，更能有效的滤除工频干扰和基线漂移。
W2 f
f
(
x) 2
j
(2
j
t
k )dt
jZ
原信号频带
低频
高频
低频 高频
低频 高频
高尺度下
置零
消
心小
低频信息
噪
电波
心
信变
电
号换
高频信息
小波重构
信
号
小波消噪实验
问题：直接对高尺度下的低频信息置零，导致心电信号中低频 特征波的部分信息丢失，表现为滤波后心电低频特征波 波形失真。
小波与自适应滤波相结合
❖ 小波与自适应滤波器相结合的算法
小波消噪原理
连续变换
Wf (a, b) a 1 2 f (t)( t b )dt
R
a
离散变换
1
W2 j f (k ) 2 j
f (t)ˆ (2 j t k )dt
R
f (t) 1
C
R
R
1 a2
Wf
(a, b) t
b dadb a
f (t)
软硬结合: 将软件滤波算法固化到DSP器件中。
❖ 心电特征波检测算法研究现状
QRS复合波：
基于经验逻辑的检测
基于数学模型的检测
基于数学形态的检测
可
峰
变
值
斜
检
率
测
阈
法
值
法
滤 波 器 法
模 板 匹 配 法
句 法 算 法
概 率 估 计 法
小 波 分 析 法
神 经 网 络 法
小
形
波
态
形
变
态
换
联
法
合
法
P、T波:
❖ 探索更好的综合心电预处理方法，降低信号滤波后的失真度，为心 电信号的准确分析提供更好的基础；
❖ 开发出检测灵活的心电图检测分析仪，并使其成为可用于临床的产 品。
2）研究的主要内容
❖ 研究三种综合抑止心电噪声的方法。 ❖ 研究小波变换对奇异信号检测的原理，在此基础上形成基于小波变换
的心电特征波联合检测算法。 ❖ 对心律失常的分类和自动识别技术进行了研究。并给出常见的心律失
运动ECG系统。在病人完成一系列规定运动后测量其 ECG以诊断其冠状动脉疾病。
国外：美国GE公司、强生公司、安捷伦公司，日本光 电，荷兰Philip公司等。
国内：北京美高仪、深圳迈瑞、成都恒升等。
4）心电信号预处理研究 ❖ 主要干扰
工频：50/60Hz及其谐波
基线漂移：一般低于1Hz
肌电干扰：一般在5～2KHz之间
病人
生物医学 传感器
生物医电 放大系统
数据 采集卡
虚拟式生物 医学仪器
1 心电图仪的研制
1） 研究的目的
❖ 寻求准确的特征波识别和起止点定位算法，这是心电图仪能否有效 应用的关键。心电图仪是检测和诊疗心血管疾病的重要工具，它的 准确与否在很大程度上取决于其中的心电分析算法。目前对于心电 信号分析方法的相关文献尽管较多，但对于心电特征波起止点定位 的分析还不理想；