【心电信号ECG】基于自适应滤波LMS LLMS NLMS从母体心电图提取胎儿心电图附Matlab代码和报告

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一、引言:FECG 提取的临床价值与技术挑战

胎儿心电图(Fetal Electrocardiogram, FECG)作为反映胎儿心脏电活动的核心生理信号,在产前监护中具有不可替代的作用 —— 通过分析 FECG 的心率、波形形态、ST 段变化等参数,可早期诊断胎儿宫内缺氧、心律失常、先天性心脏病等异常情况,为临床干预提供关键依据。

然而,从母体腹部采集的混合心电信号中提取纯净 FECG 面临严峻挑战:母体心电图(Maternal ECG, MECG)干扰强度是 FECG 的 5-10 倍,且两者频谱高度重叠(主要集中在 0.5-30Hz);同时混合信号还包含肌电噪声、呼吸干扰、工频干扰(50/60Hz)等噪声成分,导致 FECG 被严重掩盖。

传统滤波方法(如高通滤波、 notch 滤波)因无法自适应跟踪 MECG 的时变特性,难以有效分离重叠频谱的信号。自适应滤波(Adaptive Filtering)凭借无需先验信号统计特性、实时跟踪信号变化、动态调整滤波系数的优势,成为 FECG 提取的主流技术方案。其中,最小均方(LMS)、泄漏最小均方(LLMS)、归一化最小均方(NLMS)算法因结构简洁、计算量小、工程实现难度低,被广泛应用于临床心电信号处理。

本文将系统阐述三类自适应滤波算法的原理,对比其在 FECG 提取中的性能差异,通过仿真验证不同算法的干扰抑制效果与适用场景。

二、FECG 与 MECG 的信号特性分析

(一)核心信号特征对比

信号类型

幅值范围

心率范围

频谱分布

关键波形特征

MECG(母体)

0.5-2mV

60-100 次 / 分钟

0.5-30Hz(主峰 1-10Hz)

P 波(正向)、QRS 波群(高幅窄带)、T 波(正向 / 负向)

FECG(胎儿)

0.01-0.1mV

120-160 次 / 分钟

0.5-40Hz(主峰 5-20Hz)

QRS 波群窄而尖(持续时间<0.05s)、P 波与 T 波微弱

(二)混合信号模型构建

从母体腹部电极采集的混合信号可表示为:

三、三类自适应滤波算法的原理与实现

自适应滤波的核心思想是:通过参考输入与期望输入的误差信号,动态调整滤波系数,使输出信号与目标信号的均方误差(MSE)最小化。针对 FECG 提取场景,三类经典算法的原理与实现细节如下:

(一)最小均方算法(LMS)

  1. 核心原理:LMS 算法基于最速下降法,通过梯度估计调整滤波系数,无需计算自相关矩阵,结构简洁、计算量小。

(三)归一化最小均方算法(NLMS)

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