Il filtraggio dei biosegnali serve a isolare la banda utile del biosegnale e ad attenuare componenti non informative: deriva della linea di base, rumore ad alta frequenza, artefatti nei biosegnali e interferenza di rete.
Il filtro non è una correzione universale. Deve essere scelto dopo aver definito segnale di interesse, ampiezza, banda utile, frequenza di campionamento, tipo di sensore e vincoli diagnostici. Filtrare troppo può rendere il tracciato più “pulito” ma meno fedele.
Catena minima
In una catena di acquisizione biomedicale il filtraggio si colloca dopo protezione e amplificazione differenziale, ma prima della conversione analogico-digitale serve almeno un filtro anti-aliasing analogico:
Le tre famiglie più usate sono:
| Filtro | Scopo | Rischio se mal scelto |
|---|---|---|
| passa-alto | rimuove deriva lenta, offset elettrodico e variazioni quasi continue | deforma componenti lente utili |
| passa-basso | limita rumore ad alta frequenza e prepara il campionamento | smussa dettagli fisiologici rapidi |
| notch | attenua selettivamente il residuo di rete a 50 Hz o 60 Hz | cancella contenuto utile vicino alla rete |
Per un filtro RC del primo ordine la frequenza di taglio è:
Le funzioni di trasferimento ideali del primo ordine, nei casi passa-basso e passa-alto RC, sono:
Bande utili indicative
La frequenza di taglio deve essere scelta in funzione del segnale, non per abitudine strumentale:
| Segnale | Banda utile indicativa | Attenzione principale |
|---|---|---|
| ECG diagnostico | \displaystyle 0{,}05\text{--}150\,\text{Hz} | preservare linea di base, QRS e tratto ST |
| EEG | \displaystyle 0{,}5\text{--}100\,\text{Hz} | artefatti oculari, muscolari e rumore a basso SNR |
| EMG | \displaystyle 20\text{--}500\,\text{Hz} | evitare notch e passa-basso troppo aggressivi |
| EOG | \displaystyle 0\text{--}10\,\text{Hz} | conservare componenti molto lente |
Un ECG diagnostico richiede di conservare componenti lente della linea di base e dettagli del complesso QRS; un EMG ha contenuto più alto in frequenza; un EEG è molto sensibile ad artefatti oculari, attività muscolare e rumore ambientale.
Notch e anti-aliasing
Il filtro notch va usato con cautela. Il suo parametro operativo è:
dove f_0 è la frequenza centrale e BW la larghezza di banda attenuata. Se il notch è troppo largo o troppo aggressivo, può deformare componenti utili vicine alla frequenza di rete, soprattutto in EMG e in alcune analisi ECG.
Prima della conversione analogico-digitale serve inoltre un filtro anti-aliasing analogico. Il campionamento richiede:
ma in pratica si usa margine perché il passa-basso reale non ha transizione verticale. L’aliasing non si corregge dopo il campionamento: le frequenze già ripiegate nella banda utile sono indistinguibili da componenti reali.
Un buon filtraggio non sostituisce un buon front-end: elettrodi stabili, alto CMRR, cablaggio corretto, schermatura e riferimento adeguato restano la prima difesa contro i disturbi.
Errori comuni: usare lo stesso filtro per ECG, EEG ed EMG, confondere rimozione estetica del rumore e conservazione dell’informazione, applicare un notch prima di aver corretto il cablaggio, oppure filtrare digitalmente dopo l’ADC sperando di rimuovere aliasing già avvenuto.