EKG-signaalin digitaaliset häiriösuodattimet: FIR-suodattimien suunnittelu ja toteutus

Abstract

Sydänsähkökäyrän eli elektrokardiogrammin (EKG) mittaus on yksi yleisimmistä tavoista diagnosoida sydänsairauksia ja monitoroida elintoimintoja. Mittaus suoritetaan kehon pinnalle asetettavilla elektrodeilla ja mittauslaitteistolla, jotka muuntavat sydämen sähköisen toiminnan aiheuttamat potentiaalierot digitaalisiksi sähkösignaaleiksi. Mitattu signaali sisältää biosignaalin lisäksi kehosta, mittauslaitteistosta ja ympäristöstä peräisin olevia häiriösignaaleja, jotka vaikeuttavat kliinistä tulkintaa sekä terveydenhuollon ammattilaisille että tietokoneille. Häiriösuodattimien tarkoitus on vaimentaa ja poistaa näitä häiriökomponentteja vääristämättä itse EKG-signaalia. Häiriösuodattaminen on kehittynyt ajan saatossa, ja perinteisten aika- ja taajuustason suodattimien rinnalle on noussut uudenlaisia menetelmiä.

Tämän työn tavoitteena on suunnitella ja toteuttaa digitaaliset Finite Impulse Response -tyyppiset (FIR) kaistanpäästö- ja kaistanestosuodattimet vertailukohteeksi uusille EKG-häiriösuodatusmenetelmille. Toteutetuista FIR-suodattimista arvioidaan, kuinka onnistuneita ne ovat EKG:n häiriöiden poistossa ja soveltuvatko ne uusien EKG-häiriösuodatusmenetelmien vertailukohteeksi. Suodattimien suunnittelu- ja toteutusprosessia pohjustetaan käymällä läpi EKG-signaalin fysiologinen tausta, elektrokardiografia mittausmenetelmänä sekä EKG-signaalien yleisimmät häiriöt ja niiden suodatustavat. Suodattimien suunnitteluparametrit haettiin American Heart Association -yhdistyksen julkaisemista ja päivittämistä suosituksista kliiniselle EKG:lle. Suunnittelussa käytetiin ikkunamenetelmää ja toteutuksessa MATLAB-ohjelmiston Signal Processing Toolbox -kirjastoa. Toteutettujen suodattimien testaamiseen käytettiin testiaineistoa, joka sisälsi EKG-signaaleista suodattamattomat ja suodatetut versiot. Mallisuodatustuloksia verrattiin visuaalisesti työssä toteutettujen suodattimien suodatustuloksiin.

Työssä toteutettujen FIR-häiriösuodattimien ikkunafunktioksi valittiin Bartlett-ikkuna, koska se vastasi suunnitteluparametreja ja vaati tarkastelluista ikkunavaihtoehdoista pienimmän määrän suodatinkertoimia. Suodattimilla onnistuttiin poistamaan EKG-signaaleista lähtötason oskillointia ja tuomaan korkeataajuisen kohinan seassa olleita EKG:n aaltomuotoja esiin lähes yhtä hyvin kuin mallisuodattimilla. Suodatustuloksissa esiintyi kuitenkin edelleen verkkovirtahäiriön harmonisia taajuuksia. Lisäksi FIR-suodattimien suurien kertalukujen vuoksi suodatustuloksissa oli suuri viive aikatasossa. Toteutettu kaistanestosuodatin voitaisiin laajentaa kampasuodattimeksi harmonisten taajuuksien poistoa varten. Suodattimien kertalukuja saataisiin pienennettyä kartoittamalla lisää ikkunafunktiovaihtoehtoja ja jakamalla kaistanpäästösuodatin yli- ja alipäästösuodattimiksi, joilla olisi eri siirtokaistanleveydet. Toteutettujen suodattimien suunnitteluparametreja olisi suositeltavaa tarkentaa ja päivittää mahdollisimman ajankohtaisiksi tekemällä katsaus nykyisistä EKG:n suodattamisen standardeista ja viimeaikaisista suosituksista. Toteutettujen suodattimien onnistumisen ja puutteiden laajempi arviointi vaatii monipuolisempaa testausta kuin työn puitteissa tehtiin. Työssä todettiin, että toteutetut EKG-signaalin FIR-häiriösuodattimet eivät ole sellaisenaan valmiita uusien EKG-häiriösuodatusmenetelmien vertailukohteeksi.