心电信号中的常见噪声及其特点

心电信号中的常见噪声及其特点

引用

CSDN

1.

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心电信号（ECG）是心脏电生理活动在体表的电位变化的记录，它能够提供关于心脏节律和功能的重要信息。尽管心电信号携带了丰富的心脏活动信息，但其幅度相对较低，因此在采集、传输和模拟至数字信号转换过程中，极易受到各种外部和内部噪声的干扰。

在心电信号处理领域，常见的噪声类型包括：肌电干扰、工频干扰、基线漂移和其他噪声。

基线漂移

基线漂移是指心电信号的一个重要特征，频率范围低，一般在0.05Hz至几Hz。其是在心电信号从导联输入到接收端的过程中，由于各种原因引起的心电信号在传输过程中发生的变化，使得心电波形失真，最终导致心电波形失真，这一变化就称为基线漂移，如图1所示。

图1 带有基线漂移的信号

工频干扰

工频干扰，主要指50/60Hz工频电源线与人体之间的电磁耦合作用所产生的电势变化，其幅值一般在几毫伏到几十毫伏之间，与人体和电源线的相对位置密切相关。人体内分布的电容，相当于一个小电容器，其产生的电场与人体内部电场相互作用，导致工频干扰被引入人体，对心电信号造成显著影响，如图2所示。这种干扰与人体运动电流具有相似性，表现为非线性特性，且干扰强度与人体运动电流的大小有关。在运动电流较小的情况下，工频干扰可能难以被检测到。因此，工频干扰的控制对于心电信号的准确分析至关重要。这种干扰普遍存在，难以避免，对心电信号QRS波群的定位和测量有显著影响，对自动监测和分析心电信号至关重要。

图2 原始心电信号带有工频干扰

肌电干扰

肌电信号的频率一般非常低，低于200Hz，是由于人体自由活动或者肌肉紧张收缩而引起的mV级干扰。在心电信号中可检测到极微弱的肌电干扰，而且肌电干扰与动作电位之间存在很大的相位差，所以使肌电干扰不能用电路滤波器完全滤除，如图3所示。它的分布与心电信号的分布相似，由于人体活动、肌肉紧张收缩，心电图的导联上还会出现一些不规则细小的波纹。肌肉收缩时，可使人体电位升高或降低，并可能产生人体电位差波形，其大小与肌肉收缩的强弱和持续时间有关。由于人体皮肤相对于固定电极的微小摆动或抖动，导致接触阻抗发生变化，从而产生了运动伪迹；在测量时，由于电极间的距离不一致而影响到所得到的数据。此外，还存在着电极接触不良或脱落所导致的电极接触噪声、电极极化噪声，以及电子设备在信号记录和处理过程中所产生的干扰等问题。

图3 带有肌电干扰的心电信号

其他噪声

除了上述的噪声来源之外，还有一些特殊的噪声，如呼吸干扰和心肌震颤等。

4.1 呼吸干扰

呼吸干扰是由于呼吸运动引起的胸腔和膈肌的电位变化而产生的噪声，它的频率一般为0.15~0.5 Hz，可以通过滤波来消除。

图4 心电信号与其衍生呼吸

4.2 心机震颤

心肌震颤是一种高频、低振幅的噪声，一般发生在心肌缺血或心肌损伤等情况下，可以通过分析心电信号的时频特性来判断是否存在心肌震颤。

图5 心肌震颤

4.3 趋势成分

心电信号通常包含有趋势成分，这些成分来自于身体位置、呼吸和其他生理因素的影响。这些趋势成分在心电信号的分析中扮演着重要的角色，它们可能会模糊或干扰到心电信号的分析，甚至会对心电诊断产生误解。

趋势通常由慢速变化、周期性变化和不规则变化等组成，这些趋势的来源包括心率变化、呼吸运动、体位变化、体表电阻值变化等。这些趋势的干扰使得心电信号包含非常低频的成分，并且这些成分难以通过滤波器进行滤除。

图6 具有趋势的典型心电图

总的来说，心电信号中的噪声主要分为以上几种。对动态心电而言，在采集 ECG时，被采集对象可以进行自由活动或者其他影响，所以这种干扰会更加严重。

心电信号中的噪声干扰是一个常见的问题，需要采用多种方法来对信号进行预处理和降噪。