Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией
ELECTRIC CARDIOSIGNAL PROCESSING UNIT WITH ANALOGUE-DIGITAL FILTRATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии и может быть использовано для обработки электрокардиосигнала в целях контроля и диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека в медицинской, спортивной практике, а также в произвольных условиях жизнедеятельности человека.
Уровень техники
Государственные стандарты Российской Федерации (в частности, но не ограничиваясь ГОСТ Р МЭК 60601-2-25-2016, ГОСТ Р МЭК 60601-2-47-2017) предъявляют требования к выходной амплитуде ЭКГ в полосе частот полезного сигнала. Сигналы вне этой полосы частот, а также помехи на частоте сети подавляются фильтрами. В общем случае электрокардиографы содержат следующие фильтры:
- фильтр верхних частот (ФВЧ);
- фильтр нижних частот (ФНЧ);
- узкополосный режекторный фильтр (РФ) для подавления помехи на частоте сети.
Блоки обработки сигналов современных цифровых электрокардиографов можно условно разделить на две группы в зависимости от преобладающего типа фильтрации сигналов:
1) исполнение с аналоговой обработкой сигналов и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) низкой разрядности;
2) исполнение с цифровой обработкой сигналов и АЦП высокой разрядности.
В электрокардиографах с аналоговой обработкой сигналов фильтрация сигнала осуществляется при помощи фильтров на аналоговых электронных компонентах. В качестве подобного устройства известен блок аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов (патент №2149581. Блок аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов / Якунин А.Г., Тушев А.Н., Эндека М.Е. // 27.05.2000 [РИ]), который содержит входной каскад, дифференциальный усилитель, фильтры высокой и низкой частоты, выполненные по стандартной схеме активных фильтров с пассивными частотозадающими элементами.
Поскольку стандартами установлены требования к выходной амплитуде ЭКГ, аналоговые фильтры должны обладать соответствующей амплитудно-частотной характеристикой, что требует использования фильтров высокого порядка, как минимум второго, причем для сохранения качества сигнала целесообразно в схемах с аналоговыми фильтрами использовать активные фильтры.
Соответственно, недостатком подобных устройств являются сложность аналоговых цепей устройства, габариты, а также разброс параметров электронных компонентов, влекущий за собой необходимость в настройке устройства, которая снижает технологичность его производства.
Для осуществления фильтрации при цифровом способе обработки сигнала применяются АЦП высокой разрядности, чтобы на фоне постоянной составляющей полезный сигнал ЭКГ имел достаточное для дальнейшей обработки разрешение. Уровень постоянной составляющей, которая оцифровывается вместе с полезным сигналом, существенно превышает размах полезного сигнала, таким образом применять усилители с высоким коэффициентом усиления невозможно. Поэтому для сохранения разрешения полезного сигнала ЭКГ повышают разрядность АЦП.
Примером такого устройства может служить радиоканальная система кардиомониторинга и предупреждения критических ситуаций (патент №2646128 (RU). Радиоканальная система кардиомониторинга и предупреждения критических ситуаций / Бондарик А.Н., Давыдов Д.В., Егоров А.И., Терещенко В.В., Кадников А.Ф., Харченко Г.А. // 16.10.2017 [РИ]), содержащая модуль ЭКГ с использованием специализированного АЦП ADS1293. Помимо собственно измерений и сопутствующего анализа, он осуществляет дополнительную цифровую фильтрацию ЭКГ.
Указанный специализированный АЦП ADS1293 согласно документации производителя (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads1293.pdf) производит оцифровку кардиосигнала с разрешением 24 разряда. Дальнейшая обработка сигнала осуществляется цифровыми методами.
Недостатком таких устройств является необходимость применения АЦП высокой разрядности, которая влечет за собой увеличение габаритов устройства за счет размещения в нем отдельной микросхемы АЦП, а также высокие требования к источнику питания и предусилителям сигнала по уровню шумов.
Существуют также устройства, содержащие в своем составе и аналоговые фильтры, и цифровые.
Примером такого устройства является усилитель биопотенциалов с диагностированием обрыва электродов (патент №174958 (RU). Усилитель биопотенциалов с диагностированием обрыва электродов / Давыдов Д.В., Егоров А.И., Филимонов П.В. // 13.11.2017 [ПМ]), выбранный в качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения, содержащий в своем составе аналоговые фильтры нижних частот, а основную фильтрацию сигнала осуществляющий в цифровом виде после оцифровки сигнала при помощи 24-разрядного АЦП.
Однако в этом устройстве фильтры реализуются либо полностью в цифровом, либо полностью в аналоговом виде. Также поскольку в данном решении также применяется АЦП высокой разрядности, то его недостатками по-прежнему остаются увеличение габаритов устройства за счет размещения в нем отдельной микросхемы АЦП, а также высокие требования к источнику питания и предусилителям сигнала по уровню шумов.
Раскрытие изобретения:
Технический результат предложенного изобретения состоит в упрощении конструкции и уменьшении габаритов, снижении степени влияния разброса параметров электронных компонентов на аналоговый сигнал и, как следствие, повышении технологичности, снижении степени влияния шумов на результат обработки сигнала и, как следствие, снижении требований к источнику питания устройства и усилителям при сохранении высокого качества обработки сигнала.
Указанный технический результат достигается за счет того, что обработка сигнала начинается с фильтрации верхних частот и цепь обработки сигнала для каждого канала содержит фильтр верхних частот (ФВЧ), который разделен на аналоговую и цифровую части, при этом аналоговая часть ФВЧ имеет порядок равный единице и служит для исключения постоянной составляющей из спектра сигнала, а цифровая часть ФВЧ рассчитана с учетом необходимости компенсации искажений, вносимых аналоговой частью ФВЧ.
Применение цифровой части ФВЧ с компенсацией искажений позволяет отказаться от аналоговых фильтров высокого (второго и более) порядка, которые обладают достаточно крутой амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), но имеют существенные габаритные размеры, а пассивные компоненты аналоговых фильтров имеют разброс, что вызывает необходимость в настройке блока обработки сигналов и снижает технологичность производства. Исключение постоянной составляющей из спектра аналогового сигнала в каждом канале аналоговой частью ФВЧ позволяет усиливать перед оцифровкой исключительно полезный сигнал и использовать внешний или встроенный в микроконтроллер АЦП более низкой разрядности с максимальной эффективностью и без потери качества оцифрованного сигнала, что позволяет упростить аналоговые цепи, заменив в каждом канале аналоговые фильтр нижних частот (ФНЧ) и режекторный фильтр (РФ) цифровыми. Отсутствие АЦП высокой разрядности позволяет снизить требования по уровню шумов, во-первых, к источнику питания, что позволяет упростить схему питания устройства, исключив из нее фильтры, и, во-вторых, к предусилителям сигнала, что позволяет применять менее точные операционные усилители, с низкими требованиями к дополнительным цепям компенсации шумов и термостабилизации, внешние или встроенные в АЦП. Наличие только одного аналогового фильтра - ФВЧ первого порядка позволяет в пределе снизить число электронных компонентов, разброс номинала которых влияет на эксплуатационные показатели всей схемы, до двух: конденсатор и резистор. Высокое качество обработки сигнала достигается за счет того, что цифровая часть ФВЧ рассчитывается таким образом, чтобы компенсировать искажения, вносимые аналоговой частью ФВЧ.
Краткое описание чертежей:
Фигура 1 - Схема устройств с разными преобладающими типами фильтрации сигналов
Фигура 2 - Амплитудно-частотные характеристики цифро-аналогового ФВЧ и его аналоговой и цифровой частей
Осуществление изобретения:
На фигуре 1 представлена структурная схема цепей обработки сигнала устройств с разными преобладающими типами фильтрации сигналов, не вдаваясь в принципы формирования линейно независимых каналов, а также в особенности их оцифровки. В этой структурной схеме показаны только различия в цепях обработки сигналов и не уточняется конкретная техническая реализация АЦП.
Исполнение устройства с аналоговой обработкой сигнала и АЦП низкой разрядности содержит в своем составе аналоговый ФВЧ 1.1, аналоговый ФНЧ 1.2, аналоговый РФ 1.3, АЦП низкой разрядности 1.4.
Исполнение устройства с цифровой обработкой сигнала и АЦП высокой разрядности содержит в своем составе АЦП высокой разрядности 2.1, цифровой ФВЧ 2.2, цифровой ФНЧ 2.3, цифровой РФ 2.4.
Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией является исполнением с разделенным ФВЧ и АЦП низкой разрядности и содержит в своем составе для каждого канала аналоговую часть разделенного ФВЧ 3.1, внешний или встроенный в АЦП усилитель сигнала 3.2, внешний или встроенный в микроконтроллер АЦП низкой разрядности 3.3, цифровую часть разделенного ФВЧ 3.4, цифровой ФНЧ 3.5, цифровой РФ 3.6. При этом обработка сигнала начинается с фильтрации верхних частот.
На фигуре 2 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) цифро-аналогового ФВЧ и его аналоговой и цифровой частей.
А
Ц
CP
У
Р
Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией работает следующим образом. АЧХ аналоговой части аналого-цифрового ФВЧ Н(f) является пологой, поскольку порядок данного аналогового фильтра равен единице. Цифровая часть ФВЧ рассчитана таким образом, чтобы ее АЧХ Н(f) была крутой и имела выброс на частоте среза f выше уровня коэффициента усиления К для компенсации пологой характеристика аналоговой части ФВЧ. Результирующая АЧХ аналого-цифрового ФВЧ Н(f) не имеет выброса, является достаточно крутой и отвечает требованиям к выходной амплитуде ЭКГ в полосе частот полезного сигнала.