Reducción de interferencia de línea de potencia en señales electrocardiográficas mediante el filtro dual de Kalman

Reduction of power line interference in electrocardiographic signals by dual Kalman filtering

En este artículo se presenta el desarrollo de un filtro para la reducción de la interferencia de línea de potencia en señales electrocardiográficas (ECG), basado en estimación dual de parámetros y de estado, empleando la filtración Kalman, en el cual se consideran modelos independientes entre la interferencia de línea de potencia y la señal ECG. Ambos modelos son combinados para simular la señal ECG medida sobre la que se realiza la estimación de estado para separar la señal de la interferencia. El algoritmo propuesto es sintonizado y comparado en un conjunto de pruebas realizadas sobre la base de datos QT de electrocardiografía. Inicialmente se hacen pruebas de sintonización del algoritmo para el rastreo de la señal ECG limpia, cuyos resultados son utilizados después para las pruebas de filtrado. Luego se llevan a cabo pruebas exhaustivas sobre la base de datos QT en la filtración de interferencia de línea de potencia, la cual ha sido introducida artificialmente en los registros, para una relación de señal a ruido (SNR) dada, obteniendo así curvas del desempeño del algoritmo, que permiten a su vez comparar con el desempeño de otros algoritmos de filtración, a saber, un filtro notch recursivo de respuesta infinita al impulso (IIR) y un filtro de Kalman, basado en un modelo más simple para la señal ECG. Como resultado, se demuestra que el algoritmo de filtrado obtenido es robusto a los cambios de amplitud de la interferencia; además, conserva sus propiedades para los diferentes tipos de morfologías de señales ECG normales y patológicas.

Introducción

Un problema básico en el análisis automático de electrocardiografía está en la reducción de perturbaciones que afectan sus registros, tales como la interferencia de línea de potencia, de línea base, el ruido electromiográfico, artefactos por desconexión de electrodos, etc. En particular, se analiza la interferencia de línea de potencia causada porque los cables que transportan la señal ECG del paciente al dispositivo de monitoreo son susceptibles a la interacción electromagnética de la línea de alimentación (con frecuencia nominal 60 Hz), haciendo que el análisis y la interpretación del ECG sean más complicados, ya que la delineación de ondas de baja amplitud no es confiable y se introducen ondas falsas (Huhta y Webster, 1973).

La complejidad del filtrado de la interferencia de alimentación está condicionada por la variabilidad en el tiempo de su frecuencia, cuyo rango espectral se traslapa con el rango de frecuencias de la señal ECG. Además, la influencia de  los armónicos superiores de la interferencia no puede ser disminuida en la medida en que se tiene una tasa baja de muestreo para las señales electrocardiográficas. En el proceso de reducción de la interferencia de la línea de potencia se utilizan diversas técnicas, por ejemplo, seleccionando el lugar de registro de las señales electrocardiográficas rodeado de pocos dispositivos eléctricos en operación o aislando y conduciendo adecuadamente a tierra el dispositivo de registro; sin embargo, aún sigue siendo necesario el procesamiento digital de la señal, para lo que se han planteado diversos métodos: filtros recursivos de respuesta infinita al impulso (IIR), filtros adaptativos, filtro de Kalman.