采用多抽樣率方法設計頻率抽樣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ECG中的基線漂移和工頻干擾，對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、易受工頻波動干擾或消除基線漂移時對ECG的低頻部分削得過多等問題，提出了一個較好的解決辦法。相對于IIR濾波器或模擬濾波器避免了因非線性相位濾波帶來的失真問題。
關 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)學工程中，心電信號ECG因其反映了人體心臟電活動而受到重視。由于心電信號作為心臟電活動在人體體表的表現(xiàn)，信號一般比較弱，幅度僅在10 μV~5 mV，頻率通常為0.05~100Hz，而心電信號受到的干擾因素很多，如肌電信號、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。目前國內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、自適應陷波、小波處理等[1,2]。硬件方案和自適應及IIR濾波器均會產(chǎn)生非線性相位失真(非線性相位失真會帶來時域波形的失真)，文獻[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，該濾波器通帶波紋和阻帶衰減互相矛盾，當在阻帶(寬度為0.4 Hz)邊沿的衰減僅為25 dB時，通帶波紋達6％。

對工頻干擾，文獻[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)裝機容量在3×106 kW及以上的為±0.2 Hz；
2) 電網(wǎng)裝機容量在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超過±1.0 Hz。
目前我國絕大部分地區(qū)的供電都是從3×106 kW以上電網(wǎng)中獲得。當大電網(wǎng)發(fā)生異常時，市縣級地區(qū)電網(wǎng)與大電網(wǎng)解列，其時間可能長達數(shù)天，這時供電執(zhí)行地方電網(wǎng)標準，即其頻率偏差允許達±0.5 Hz。設計濾波器時可按照±0.2的標準來進行，不考慮電網(wǎng)解列的情況(當作電網(wǎng)異常),阻帶寬度不小于0.4 Hz (49.8~50.2 Hz)。
對基線漂移，本文對數(shù)個樣本的ECG信號進行了研究，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信號中50 Hz工頻干擾和99 Hz以上干擾信號，未濾除基線漂移，以盡量保持信號的原貌，然后對輸出ECG作頻譜分析發(fā)現(xiàn)，心電信號在0.05 Hz處有一個峰，相對峰值為8 000，下一個峰出現(xiàn)在約1.1 Hz處，相對峰值為10 000，以后大約每隔1.0~1.2 Hz就出現(xiàn)一個峰，且峰值的總體趨勢逐漸下降，到35 Hz處，相對峰值降到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的時域波形一定是周期的，其周期重復頻率就是心率。1.1 Hz對應心率為66 BPM，可以認為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100 Hz以上的信號在采樣前就被濾掉了(因為本文的采樣頻率是250 Hz，為滿足采樣定理必須進行模擬低通濾波，另外ECG的有效信號在0~100 Hz)。
由于計算機芯片速度的飛速提高，可以采用高階FIR濾波器進行實時信號處理；因為計算機的廣泛運用，對ECG信號的處理越來越依賴于計算機而不是靠醫(yī)生直接觀察ECG時域波形，有了高質量濾波器便可保留有效信息供計算機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，準確控制阻帶及通帶頻率，運用多抽樣率方法大大壓縮FIR濾波器系數(shù)以滿足實時處理需要。
1 濾波器設計及實現(xiàn)
1.1 數(shù)字高通濾波器的設計
設采樣頻率為F =250 Hz，為了減少孔徑誤差，其頻率穩(wěn)定度遠遠高于電網(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定時刻t0出現(xiàn)，而是在t0之前或之后出現(xiàn)，所采樣的值與實際t0時刻的值之差。