Reduction of Baseline Wander in Electrocardiography Using Kalman Filters

Thumbnail Image

Files

master_Toivonen_Kirsi_2020.pdf (3.64 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2020-06-15

Department

Major/Subject

Biosensing and Bioelectronics

Mcode

ELEC3045

Degree programme

LST - Master's Programme in Life Science Technologies (TS2013)

Language

en

Pages

54

Series

Abstract

Developments in sensor technology have enabled the continuous electrocardiography monitoring during daily activities. These recordings can be valuable in the detection of arrhythmias and abnormal cardiac cycles that occur only under certain circumstances or infrequently. Unfortunately, the activities of the patient cause severe motion artifacts to the ECG signal that affect the signal quality and complicate the signal interpretation. The motion based baseline wander artifact can be reduced to a certain point by improving the stability of the electrode-skin interface. However, also computational signal processing methods, like adaptive filtering, are needed. The signal processing methods can be improved by utilizing additional variables that correlate with the artifact sources. For example, acceleration and impedance signals have been studied as possible references of motion. However, being able to do the measurements without additional sensors would enable the measurement device to be simpler, lighter, and lower in cost. This thesis presents an accelerometer-free ECG signal baseline wander reduction algorithm that uses electromyography signal as a Kalman filter reference signal. The EMG signal is extracted from the ECG signal itself and used as an estimate of local electrode motion. The motion estimate is then used as a reference signal for an adaptive Kalman filter baseline wander compensation algorithm. The algorithm is evaluated on data collected in clinical trials. In addition, the feasibility of removing the baseline wander using a reduced number of accelerometers as a motion reference for Kalman filter is studied. The results showed that the proposed method removed baseline wander successfully and without significant alterations in the signal morphology. The method proved to be at least equally proficient with the methods it was compared to. The results suggested that the baseline wander reduction from ambulatory ECG measurements could be achieved without additional sensors using EMG signal as a motion reference for the Kalman filter. In addition, also the reduced number of accelerometers proved to be a feasible source of the motion reference signal.

Sensoriteknologian kehitys on mahdollistanut sydänsähkökäyrän jatkuvan mittaamisen päivittäisten aktiviteettien aikana. Jatkuvat mittaukset voivat auttaa havaitsemaan sellaisia rytmihäiriöitä ja epänormaaleja sydämen toimintakiertoja, jotka esiintyvät vain tietyissä olosuhteissa tai epäsäännöllisesti. Potilaan liikkeet kuitenkin aiheuttavat sydänsähkökäyrään voimakkaita liikeartefakteja, jotka heikentävät signaalin laatua ja vaikeuttavat signaalin tulkintaa. Liikkeestä aiheutuvaa perustason vaellushäiriötä voidaan hieman vähentää parantamalla ihon ja elektrodin välisen rajapinnan vakautta. Kuitenkin myös laskennallisia signaalinkäsittelymenetelmiä kuten adaptiivisia suotimia tarvitaan. Signaalinkäsittelymenetelmiä voidaan tehostaa hyödyntämällä lisämittaussuureita, jotka korreloivat artefaktien lähteen kanssa. Esimerkiksi kiihtyvyys- ja impedanssisignaaleja on tutkittu mahdollisina liikereferensseinä. Tässä diplomityössä ehdotetaan perustason vaellushäiriön vähentämiseen sydänsähkökäyrästä menetelmää, joka ei hyödynnä lisäsensoreita, vaan käyttää lihassähkökäyrää Kalman-suotimen liike-estimaattina. Lihassähkökäyrä erotetaan sydänsähkökäyrästä ja sitä käytetään estimaattina elektrodien paikallisesta liikkeestä. Liike-estimaattia puolestaan hyödynnetään adaptiiviseen Kalman-suotimeen perustuvan perustason vaellushäiriön kompensaatioalgoritmin referenssisignaalina. Algoritmi arvioidaan kliinisissä kokeissa kerätyllä datalla. Lisäksi tutkitaan Kalman-suotimen toimivuutta käytettäessä pienempää määrää kiihtyvyysantureita liike-estimaatin lähteenä. Tulokset osoittivat, että ehdotettu menetelmä poisti onnistuneesti perustason vaellushäiriön muuttamatta signaalin muotoa merkittävästi. Ehdotettu menetelmä osoittautui toimivan vähintään yhtä hyvin kuin menetelmät, joihin sitä verrattiin. Tulosten mukaan perustason vaellushäiriön vähentäminen liikkeen aikaisista sydänsähkökäyrämittauksista olisi mahdollista ilman lisäsensoreita käyttämällä lihassähkökäyrää Kalman-suotimen liikereferenssinä. Lisäksi, vähennetty määrä kiihtyvyysantureita osoittautui myös toimivaksi liike-estimaatin lähteeksi.

Description

Supervisor

Vujaklija, Ivan

Thesis advisor

Särkkä, Simo

Keywords

electrocardiography, Kalman filter, baseline wander, artifact reduction, signal processing

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202006213973

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC