采用多抽樣率方法設(shè)計(jì)頻率抽樣FIR數(shù)字濾波器，可以獲得性能優(yōu)異的濾波器，以消除心電信號(hào)ECG中的基線漂移和工頻干擾，對(duì)目前類似濾波器存在的截止頻率不易控制、通帶和阻帶紋波過大、工頻阻帶過窄、易受工頻波動(dòng)干擾或消除基線漂移時(shí)對(duì)ECG的低頻部分削得過多等問題，提出了一個(gè)較好的解決辦法。相對(duì)于IIR濾波器或模擬濾波器避免了因非線性相位濾波帶來(lái)的失真問題。
關(guān) 鍵 詞 多抽樣率； 頻率抽樣FIR數(shù)字濾波器； 基線漂移； 工頻干擾

在生物醫(yī)學(xué)工程中，心電信號(hào)ECG因其反映了人體心臟電活動(dòng)而受到重視。由于心電信號(hào)作為心臟電活動(dòng)在人體體表的表現(xiàn)，信號(hào)一般比較弱，幅度僅在10 μV~5 mV，頻率通常為0.05~100Hz，而心電信號(hào)受到的干擾因素很多，如肌電信號(hào)、工頻干擾等，而最主要的干擾是工頻干擾和受呼吸影響及電極與皮膚接觸不良產(chǎn)生的基線漂移。目前國(guó)內(nèi)外研究人員提出了多種處理方案，總體上可分為硬件和軟件兩大類。硬件方面如采用模擬工頻陷波器、耦合電路去除基線漂移等；軟件方面如采用平滑處理、自適應(yīng)陷波、小波處理等[1,2]。硬件方案和自適應(yīng)及IIR濾波器均會(huì)產(chǎn)生非線性相位失真(非線性相位失真會(huì)帶來(lái)時(shí)域波形的失真)，文獻(xiàn)[3]提出了基于多抽樣率的窗函數(shù)FIR濾波器方案，巧妙地解決了基線漂移和工頻干擾問題，但由于窗函數(shù)法本身的特點(diǎn)，該濾波器通帶波紋和阻帶衰減互相矛盾，當(dāng)在阻帶(寬度為0.4 Hz)邊沿的衰減僅為25 dB時(shí)，通帶波紋達(dá)6％。

對(duì)工頻干擾，文獻(xiàn)[4]規(guī)定：在電力系統(tǒng)正常狀況下,供電頻率的允許偏差為：
1) 電網(wǎng)裝機(jī)容量在3×106 kW及以上的為±0.2 Hz；
2) 電網(wǎng)裝機(jī)容量在3×106 kW以下的為±0.5 Hz。
在電力系統(tǒng)非正常狀況下，供電頻率允許偏差不應(yīng)超過±1.0 Hz。
目前我國(guó)絕大部分地區(qū)的供電都是從3×106 kW以上電網(wǎng)中獲得。當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生異常時(shí)，市縣級(jí)地區(qū)電網(wǎng)與大電網(wǎng)解列，其時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)天，這時(shí)供電執(zhí)行地方電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即其頻率偏差允許達(dá)±0.5 Hz。設(shè)計(jì)濾波器時(shí)可按照±0.2的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行，不考慮電網(wǎng)解列的情況(當(dāng)作電網(wǎng)異常),阻帶寬度不小于0.4 Hz (49.8~50.2 Hz)。
對(duì)基線漂移，本文對(duì)數(shù)個(gè)樣本的ECG信號(hào)進(jìn)行了研究，其采樣頻率均為250 Hz。首先采用1 000階的FIR濾波器濾除了原始ECG信號(hào)中50 Hz工頻干擾和99 Hz以上干擾信號(hào)，未濾除基線漂移，以盡量保持信號(hào)的原貌，然后對(duì)輸出ECG作頻譜分析發(fā)現(xiàn)，心電信號(hào)在0.05 Hz處有一個(gè)峰，相對(duì)峰值為8 000，下一個(gè)峰出現(xiàn)在約1.1 Hz處，相對(duì)峰值為10 000，以后大約每隔1.0~1.2 Hz就出現(xiàn)一個(gè)峰，且峰值的總體趨勢(shì)逐漸下降，到35 Hz處，相對(duì)峰值降到300，而峰谷比為7~10左右。如果將ECG的頻譜看作離散譜，其離散頻率為1.1 Hz，則ECG的時(shí)域波形一定是周期的，其周期重復(fù)頻率就是心率。1.1 Hz對(duì)應(yīng)心率為66 BPM，可以認(rèn)為0.4 Hz是可以被濾掉的部分，而0.8 Hz是必須保留的部分。
除基線漂移和工頻干擾外，對(duì)100 Hz以上的信號(hào)在采樣前就被濾掉了(因?yàn)楸疚牡牟蓸宇l率是250 Hz，為滿足采樣定理必須進(jìn)行模擬低通濾波，另外ECG的有效信號(hào)在0~100 Hz)。
由于計(jì)算機(jī)芯片速度的飛速提高，可以采用高階FIR濾波器進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理；因?yàn)橛?jì)算機(jī)的廣泛運(yùn)用，對(duì)ECG信號(hào)的處理越來(lái)越依賴于計(jì)算機(jī)而不是靠醫(yī)生直接觀察ECG時(shí)域波形，有了高質(zhì)量濾波器便可保留有效信息供計(jì)算機(jī)提取處理的迫切需要。基于以上分析，可以采用線性相位頻率采樣FIR濾波器以免產(chǎn)生非線性相位失真，準(zhǔn)確控制阻帶及通帶頻率，運(yùn)用多抽樣率方法大大壓縮FIR濾波器系數(shù)以滿足實(shí)時(shí)處理需要。
1 濾波器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
1.1 數(shù)字高通濾波器的設(shè)計(jì)
設(shè)采樣頻率為F =250 Hz，為了減少孔徑誤差，其頻率穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率穩(wěn)定度(由需要的處理精度確定)。
孔徑誤差：指因采樣頻率不穩(wěn)定造成采樣脈沖未在預(yù)定時(shí)刻t0出現(xiàn)，而是在t0之前或之后出現(xiàn)，所采樣的值與實(shí)際t0時(shí)刻的值之差。