УСТРОЙСТВО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА
ELECTRIC-CARDIO SIGNAL PRE-PROCESSOR

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано для осуществления предварительной обработки электрокардиосигнала, заключающейся в устранении влияния помех, вызванных как двигательной активностью пациента, так и внешними наводками (в частности от электрической сети питания).
В автоматизированных электрокардиографических диагностических системах наибольшее значение для проведения точного анализа имеет помехоустойчивость анализируемого сигнала электрокардиограммы. Шумы и помехи, воздействующие на электрокардиосигнал (ЭКС), приводят к значительному уменьшению точностных характеристик работы систем автоматической диагностики.
Предлагаемое устройство позволяет обеспечить существенное ослабление воздействующих на сигнал помех, минимизировав при этом вносимые в процессе обработки искажения электрокардиосигнала, что позволяет создать условия для более точного его анализа в дальнейшем.
Известен способ устранения влияния наводок от электрической сети на ЭКС, реализованный в устройстве ЭКЦП-01 фирмы НПО «Доникс», заключающийся в устранении наводок от электрической сети питания (помех с частотой 50 Гц) с помощью электрического фильтра. Зафиксированный ЭКС усиливают, преобразуют в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя и подвергают операции фильтрации. Для устранения наводок от электрической сети используется либо фильтр нижних частот (ФНЧ), который кроме этого устраняет и влияние на ЭКС мышечного дрожания, либо режекторный фильтр (РФ). Они реализуются таким образом, чтобы фильтр имел требуемую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), а именно - высокий коэффициент подавления сигнала на частоте помехи. Для ФНЧ это реализуется настройкой частоты среза на величину 35 Гц, а для РФ - обеспечением центральной частоты полосы подавления равной 50 Гц. В результате происходит значительное ослабление помехи с частотой 50 Гц.
Основными недостатками представленного устройства являются:
- ослабление всех высокочастотных составляющих ЭКС при использовании ФНЧ для борьбы с наводками от электрической сети и помехами от мышечного дрожания и, как следствие, искажение самого ЭКС, которое выражается в сглаживании QRS-комплекса, изменении характеристик сегментов ST и PQ, удлинении элементов QRS-комплекса (фиг.1а);
- ослабление составляющих ЭКС на частотах промышленной сети и смежных с ней при использовании РФ для борьбы с наводками от электрической сети и, как результат, искажение самого ЭКС.
Наиболее близким к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство Cardimax FX-7402 фирмы FUKUDA DENSHI. В нем реализован описанный выше фильтрационный способ устранения помех из электрокардиосигнала, который использован для устранения не только наводок от электрической сети, но и низкочастотных аддитивных помех (дрейфа изолинии), а также высокочастотных шумов. Для этого в состав устройства после АЦП, преобразующего усиленный блоком усиления ЭКС в цифровую форму, дополнительно введены блок режекторного фильтра, блок фильтра нижних частот и блок фильтра верхних частот (ФВЧ). Режекторный фильтр ослабляет влияние помехи от электрической сети 50 Гц. Частота среза ФВЧ обычно выбирается равной 0,25 или 0,5 Гц, что позволяет подавить все составляющие с меньшей частотой, в том числе и дрейф изолинии. Частота среза ФНЧ не превышает 35 Гц, что обеспечивает ослабление мышечных шумов.
Процессу устранения наводок от электрической сети с помощью РФ и высокочастотных шумов с помощью ФНЧ сопутствуют описанные выше недостатки, связанные с применением данных электрических фильтров для обработки ЭКС. В результате фильтрации низкочастотных помех с помощью фильтра верхних частот происходит ослабление всех низкочастотных составляющих ЭКС, смещение отфильтрованного сигнала ниже изоэлектрической линии (фиг.1б).
Блоки, выполняющие фильтрацию ЭКС от наводок электрической сети, высокочастотных шумов и дрейфа изолинии, в устройстве [2] включены последовательно (фиг.2а), поэтому вносимые ими искажения диагностического сигнала складываются. Это связано с перекрытием спектров ЭКС (область 1 на фиг.2б, в) и помех (область 2 на фиг.2б, в). АЧХ фильтра (область 3 на фиг.2б, в) подбирается таким образом, чтобы обеспечить наименьший коэффициент передачи составляющих сигнала, находящихся на частоте помехи. На фиг.2б область 3 - это АЧХ ФНЧ. На фиг.2в область 3 - это АЧХ ФВЧ. Результатом фильтрации является также ослабление информативных составляющих ЭКС, частоты которых совпадают с частотой устраняемой помехи. Ослабление этих составляющих приводит к паразитному изменению формы диагностического сигнала. Таким образом, помимо обеспечения высокой помехоустойчивости обрабатываемого сигнала, это устройство является источником значительных искажений ЭКС.
Суть предлагаемого изобретения заключается в следующем. В устройство, содержащее блок усиления, блок аналого-цифрового преобразователя, блок фильтра нижних частот, введены дополнительно блок формирования опорных отсчетов электрокардиосигнала, первый, второй и третий блоки задержки, блок выделения помех электрической сети, блок выделения дрейфа изолинии, блок формирования результирующего сигнала. При этом выход блока усиления подключен к входу блока аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входами блока формирования опорных отсчетов электрокардиосигнала, первого и второго блоков задержки. Выход блока формирования опорных отсчетов электрокардиосигнала подключен к первому входу блока выделения дрейфа изолинии и первому входу блока выделения помех электрической сети. Выход первого блока временной задержки соединен с первым входом блока формирования результирующего сигнала. Выход второго блока временной задержки связан с вторым входом блока выделения дрейфа изолинии и вторым входом блока выделения помех электрической сети. Выход блока выделения дрейфа изолинии подключен ко второму входу блока формирования результирующего сигнала. Выход блока выделения помех электрической сети соединен с входом третьего блока задержки, выход которого связан с третьим входом блока формирования результирующего сигнала. Выход блока формирования результирующего сигнала подключен к входу блока фильтра нижних частот, выход которого является выходом всего устройства.
Предлагаемое устройство обеспечивает высокую помехоустойчивость исследуемого ЭКС, т.е. устраняет влияние на него низкочастотных аддитивных помех, наводок от электрической сети и высокочастотных шумов, сохраняя при этом неискаженными все информативные составляющие ЭКС. В результате, увеличивается диагностическая ценность получаемых сигналов ЭКГ, большая достоверность диагностических заключений обеспечивается системами автоматической диагностики.
Сущность предлагаемого изобретения и вариант реализации устройства поясняются следующим графическим материалом:
- фиг.3 - структурная схема предлагаемого устройства;
- фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого устройства;
- фиг.5 - вариант структурной реализации блока выделения помех электрической сети;
- фиг.6 - временные диаграммы, поясняющие работу предложенного варианта реализации блока выделения помех электрической сети.
Технический результат в предлагаемом устройстве достигается следующим образом. Выделение сигналов низкочастотных помех и наводок от электрической сети осуществляется независимо одно от другого на основе одновременной обработки отсчетов ЭКС, взятых на ТР-сегменте параллельными ветвями схемы. ТР-сегмент соответствует электрической диастоле сердца, поэтому данные отсчеты не несут информации об электрической активности сердца, а содержат только составляющие помех, действующих на ЭКС. Поэтому восстановление сигналов помех с помощью фильтров не приводит к искажению исследуемого ЭКС, и после вычитания восстановленных сигналов помех из исходного сигнала получается «чистый» ЭКС, сохранивший без искажений все спектральные составляющие и, соответственно, информативные амплитудно-временные параметры.
Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.3. Устройство содержит блок 1 усиления, блок 2 аналого-цифрового преобразователя, блок 3 формирования опорных отсчетов ЭКС, первый 4, второй 5 и третий 6 блоки задержки, блок 7 выделения дрейфа изолинии, блок 8 выделения помех электрической сети, блок 9 формирования результирующего сигнала, блок 10 фильтра нижних частот.
Выход блока 1 усиления связан с входом блока 2 аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом блока 3 формирования опорных отсчетов ЭКС и входами первого 4 и второго 5 блоков задержки. Выход блока 3 формирования опорных отсчетов ЭКС подключен к первому входу блока 7 выделения дрейфа изолинии и первому входу блока 8 выделения помех электрической сети. Выход первого блока 4 задержки связан с первым входом блока 9 формирования результирующего сигнала. Выход второго блока 5 задержки связан с вторым входом блока 7 выделения дрейфа изолинии и вторым входом блока 8 выделения помех электрической сети. Выход блока 7 выделения дрейфа изолинии подключен к второму входу блока 9 формирования результирующего сигнала. Выход блока 8 выделения помех электрической подключен к входу третьего блока 6 задержки, выход которого соединен с третьим входом блока 9 формирования результирующего сигнала. Выход блока 9 формирования результирующего сигнала подключен к входу блока 10 фильтра нижних частот, выход которого является выходом всего устройства.
Функционирование предлагаемого устройства поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.4.
Устройство работает следующим образом. Сигнал ЭКС, включающий и помеху в виде суммы дрейфа изолинии и наводки от электрической сети, поступает на вход устройства и усиливается блоком 1 усиления. Сигнал на выходе блока 1 усиления представлен на фиг.4а. Он содержит ярко выраженные низкочастотную аддитивную помеху и наводки от электрической сети. Этот сигнал поступает с выхода блока 1 усиления на вход блока 2 аналого-цифрового преобразователя, который осуществляет преобразование формы представления сигнала из аналоговой в цифровую. Сигнал с выхода АЦП поступает на входы трех блоков: первого 4 и второго 5 блоков задержки и блока 3 формирования опорных отсчетов ЭКС.
В блоке 3 формирования опорных отсчетов ЭКС происходит выделение отсчетов, принадлежащих ТР-сегменту, и формирование на его выходе последовательности вспомогательных сигналов, опорных отсчетов, соответствующих ТР-сегментам обрабатываемого ЭКС (фиг.4б). Вариант выполнения блока 3 формирования опорных отсчетов ЭКС приведен в [1].
Опорные отсчеты ЭКС поступают на первые (управляющие) входы блока 7 выделения дрейфа изолинии и блока 8 выделения помех электрической сети.
На второй (информационный) вход блока 7 выделения дрейфа изолинии поступают с выхода второго блока 5 задержки отсчеты смеси ЭКС и помехи. Под действием сигнала управления (опорного отсчета) на первом входе блока 7, из этой последовательности отсчетов выделяются отсчеты, принадлежащие ТР-сегменту, которые, как было отмечено выше, являются отсчетами суммы помех (дрейфа изолинии и наводки от электрической сети), действующих на ЭКС. Из этих отсчетов на выходе блока 7 формируются отсчеты сигнала дрейфа изолинии (фиг.4д). Для наглядности представления графики на фиг.4 приведены в виде аналоговых сигналов, восстановленных по их дискретным отсчетам. Вариант выполнения блока 7 выделения дрейфа изолинии приведен в [2].
Одновременно с выхода второго блока 5 задержки отсчеты смеси ЭКС и помехи поступают на второй (информационный) вход блока 8 выделения помех электрической сети. Так же, как и в блоке 7, из этих отсчетов выделяются отсчеты, принадлежащие ТР-сегменту и являющиеся отсчетами суммы помех (дрейфа изолинии и наводки от электрической сети). Из этих отсчетов на выходе блока 8 формируются отсчеты сигнала помехи электрической сети (фиг.4г).
Вариант выполнения блока 8 показан на фиг.5, а на фиг.6 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс его функционирования. Работа блока осуществляется следующим образом: на первый (информационный) вход ключевого элемента 11 поступает исходный сигнал, изображенный на фиг.6а и представляющий собой смесь ЭКС и помехи. На второй (управляющий) вход ключевого элемента 11 подается последовательность опорных отсчетов, сформированных блоком 3 формирования опорных отсчетов ЭКС, разрешая прохождение сигнала с входа ключевого элемента на его выход и выделяя таким образом участок ЭКС, соответствующий ТР-сегменту. С выхода ключевого элемента 11 сигнал, изображенный на фиг.6б, поступает на вход полосового фильтра 12. Полосовой фильтр пропускает на выход только составляющую входного сигнала, частота которой равна частоте сигнала промышленной помехи. Амплитуда выделенного фильтром сигнала помехи меньше амплитуды исходного сигнала помехи в T/τ раз, где Т - длительность цикла сердечного сокращения, τ - длительность интервала времени, в течении которого ключевой элемент открыт, что обусловлено импульсным характером сигнала на входе фильтра. Поэтому сигнал с выхода фильтра 12 поступает на вход усилителя 13, имеющего коэффициент усиления, равный T/τ. На выходе усилителя 13 присутствует выделенный из смеси ЭКС и помехи сигнал помехи от сети промышленной частоты (фиг.6в).
Для синхронизации сформированных на выходах блоков 7 и 8 отсчетов сигналов дрейфа изолинии и помехи электрической сети, соответственно, с отсчетами исходного сигнала, образованного смесью ЭКС и помех, полученными на выходе блока 2 АЦП, в схему введены блоки задержки 4, 5 и 6.
зад.1
Отсчеты исходного сигнала поступают на вход первого блока 4 задержки. Длительность задержки t равна сумме двух составляющих:
1. Задержки в формировании отсчетов сигнала на выходе блока 3 формирования опорных отсчетов ЭКС относительно момента поступления отсчетов исходного ЭКС на его вход;
2. Задержки в формировании отсчетов сигнала дрейфа изолинии на выходе блока 7 выделения дрейфа изолинии относительно момента поступления на его вход задержанных вторым блоком 5 задержки отсчетов исходного ЭКС.
Сигнал на выходе первого блока 4 задержки представлен на фиг.4е.
зад.2
Отсчеты исходного сигнала, поступающие на вход второго блока 5 задержки, задерживаются им на промежуток времени t, равный задержке в формировании отсчетов сигнала на выходе блока 3 формирования опорных отсчетов ЭКС относительно момента поступления отсчетов исходного ЭКС на его вход. Сигнал на выходе второго блока 5 задержки представлен на фиг.4в.
зад.3
Отсчеты сигнала помехи электрической сети, поступающие на вход третьего блока 6 задержки с выхода блока 8 выделения помех электрической сети, задерживаются им. Длительность реализуемой задержки t определяется как разность между двумя составляющими:
1. Задержкой в формировании отсчетов сигнала дрейфа изолинии на выходе блока 7 выделения дрейфа изолинии относительно момента поступления на его вход задержанных вторым блоком 5 задержки отсчетов исходного ЭКС;
2. Задержкой в формировании отсчетов сигнала помехи электрической сети на выходе блока 8 выделения помех электрической сети относительно момента поступления на его вход задержанных вторым блоком 5 задержки отсчетов исходного ЭКС.
Сигнал на выходе третьего блока 6 задержки представлен на фиг.4ж.
На первый (прямой) вход блока 9 формирования результирующего сигнала поступают задержанные отсчеты исходного ЭКС с выхода первого блока 4 задержки. На второй и третий (инверсные) входы блока 9 формирования результирующего сигнала поступают отсчеты сигнала дрейфа изолинии с выхода блока 7 выделения дрейфа изолинии и задержанные третьим блоком 6 задержки отсчеты сигнала помехи электрической сети соответственно. Происходит вычитание отсчетов сигналов, поступивших на инверсные входы блока, из отсчетов сигнала, поступивших на прямой его вход. Сигнал на выходе блока 9 формирования результирующего сигнала представлен на фиг.4з.
Сигнал с выхода блока 9 формирования результирующего сигнала поступает на вход блока 10 фильтра нижних частот, где фильтруется от высокочастотных помех (флуктуационных шумов усилителя и т.п.). Фильтр может быть выполнен с перестраиваемой частотой среза и устранять влияние высокочастотных помех в регулируемом частотном диапазоне. Сигнал с выхода блока 10 фильтра нижних частот является выходным сигналом всего устройства.
Технико-экономический эффект предлагаемого устройства заключается в обеспечении высокой помехоустойчивости исследуемого ЭКС без внесения искажений в информативные составляющие диагностического сигнала, что увеличивает его информативность и, как следствие, повышает общий уровень качества электрокардиографической диагностики, позволяющий своевременно и обоснованно принимать необходимые меры по борьбе или профилактике выявленных заболеваний и отклонений от нормы сердечно-сосудистой системы пациента.
Литература:
7
1. Патент РФ №2219828, МПК A61B 5/02, опубликован в 2002 г.Способ выделения начала кардиоцикла и устройство для его осуществления / О.А. Зуйкова, А.А. Михеев.
7
2. Патент РФ №2251968, МПК A61B 5/0402, опубликован в 2005 г.Способ устранения дрейфа изолинии электрокардиосигнала и устройство для его осуществления /А.А. Михеев, Г.И. Нечаев.