СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ДРЕЙФА ИЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR ELIMINATING DRIFT OF ISOELECTRIC LINE OF ELECTROCARDIOSIGNAL, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано при обработке электрокардиосигналов.
Дрейф изоэлектрической линии обусловлен действием на электрокардиосигнал (ЭКС) аддитивных низкочастотных помех (поляризация электродов, влияние дыхательных волн, переходный процесс при пропадании контакта электрода с телом и последующим его восстановлении и т.п.).
В настоящее время наиболее распространены способы устранения дрейфа изолинии, основанные на фильтрации и интерполяции.
В первом случае низкочастотная аддитивная помеха устраняются с помощью фильтра верхних частот [1].
Недостатком данного способа является то, что вместе с дрейфом изолинии из смеси ЭКС и помехи удаляется часть спектральных составляющих электрокардиосигнала. Подавление составляющих в низкочастотной части спектра ЭКС приводит, в свою очередь, к искажению формы ЭКС на выходе фильтра верхних частот, что может повлиять на результаты анализа ЭКС.
Возможен способ устранения дрейфа изоэлектрической линии электрокардиосигнала, заключающийся в том, что на электрокардиосигнале в каждом цикле сердечных сокращений выделяются опорные точки на PQ-сегменте и через них проводятся аппроксимирующие полиномы. Полученный сигнал вычитают из исходного сигнала. Наиболее распространенной в настоящее время является сплайн-аппроксимация [2].
Недостатком данного способа является то, что погрешность аппроксимации является методической. Кроме того, не всегда в электрокардиосигнале присутствует явно выраженный и лежащий на изолинии сегмент PQ, что затрудняет выделение опорных точек.
Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ устранения дрейфа изолинии [3], заключающийся в том, что на электрокардиосигнале в каждом цикле сердечных сокращений выделяют на TP-сегменте отсчеты ЭКС, формируют на их основе импульсные сигналы сложной формы (ИССФ) и осуществляют фильтрацию последних фильтром нижних частот.
Недостатком данного способа является необходимость дополнительного усиления выделенного сигнала дрейфа изолинии, так как сигнал на выходе фильтра нижних частот ослаблен в Т/τ раз. Использование ИССФ не может полностью компенсировать ослабление исходного сигнала на выходе ФНЧ из-за ограниченной длительности ТР-сегмента [4]. При дополнительном усилении сигнала дрейфа изолинии происходит усиление высокочастотных шумов, присущих усилителю. Это ухудшает условия дальнейшей обработки ЭКС.
Суть предлагаемого способа заключается в следующем.
На электрокардиосигнале в каждом цикле сердечных сокращений выделяют на TP-сегменте отсчеты ЭКС и запоминают амплитуду каждого из них до начала следующего отсчета. Далее полученный сигнал подают на вход фильтра нижних частот. Сигнал с выхода фильтра нижних частот вычитают из исходного сигнала смеси ЭКС с аддитивной помехой, который предварительно задерживают на время запаздывания фильтра нижних частот.
Предложенный способ позволяет устранить недостатки известного способа, а именно получить сигнал дрейфа изолинии с амплитудой, практически равной амплитуде исходного непрерывного сигнала без дополнительного усиления.
Поясним принцип достижения технического результата за счет выполнения предложенных выше действий с электрокардиосигналом.
На фиг.1, а изображен «чистый», т.е. свободный от помех электрокардиосигнал.
TP-сегмент электрокардиосигнала соответствует электрической диастоле сердца и при отсутствии помех лежит на нулевой линии. Отличие сигнала на TP-сегменте от нулевой линии обусловлено действием аддитивной помехи (фиг.1, б). Выделяя на TP-сегменте отсчеты ЭКС, формируем последовательность прямоугольных импульсов, которые в данном случае являются дискретными отсчетами сигнала дрейфа изолинии (фиг.1, в). Амплитуда сигнала на выходе фильтра оказывается ослабленной в Т/τ раз, где τ - длительность выделенного отсчета, Т - период следования импульсов. Амплитуду выделенного отсчета запоминают до начала следующего отсчета, получая последовательность импульсов с длительностью, приблизительно равной периоду следования импульсов (фиг.1, г). Фильтрация полученного сигнала фильтром нижних частот позволяет получить восстановленный сигнал дрейфа изолинии с амплитудой, практически равной амплитуде исходного непрерывного сигнала без дополнительного усиления.
При фильтрации сигнала происходит его задержка, поэтому исходный сигнал тоже надо задержать на время, равное времени запаздывания фильтра. Вычитание выделенного сигнала дрейфа изолинии из исходной задержанной смеси ЭКС и сигнала помехи позволяет устранить последний, освободив от его влияния электрокардиосигнал.
На фиг.3 приведена структурная схема устройства для реализации предложенного способа устранения дрейфа изолинии, а на фиг.1 и 2 - диаграммы, поясняющие работу устройства.
Для достижения технического результата, заключающегося в устранении дрейфа изоэлектрической линии электрокардиосигнала, в устройство, содержащее блок выделения отсчетов ЭКС на TP-сегменте, вход которого является входом устройства, фильтр, блок задержки и вычитающий блок, выход которого является выходом устройства, введен блок запоминания амплитуды отсчетов. Вход блока выделения отсчетов ЭКС на ТР-сегменте соединен с входом блока задержки, образуя вход устройства, выход блока выделения отсчетов ЭКС на TP-сегменте подключен к входу блока запоминания амплитуды отсчетов, выход которого подключен к входу фильтра нижних частот. Выход фильтра нижних частот соединен с первым входом вычитающего блока, второй вход которого подключен к выходу блока задержки, выход вычитающего блока является выходом устройства.
Устройство для реализации предложенного способа устранения дрейфа изоэлектрической линии электрокардиосигнала содержит блок выделения 1 отсчетов ЭКС на TP-сегменте, блок задержки 2 исходного сигнала, представляющего собой аддитивную смесь ЭКС и помехи, блок запоминания 3 амплитуды отсчетов, фильтр нижних частот 4, вычитающий блок 5.
Вход блока выделения 1 отсчетов ЭКС на TP-сегменте соединен с входом блока задержки 2, образуя вход устройства, выход блока выделения 1 отсчетов ЭКС на TP-сегменте подключен к входу блока запоминания 3 амплитуды отсчетов, выход которого подключен к входу фильтра нижних частот 4, выход фильтра нижних частот соединен с первым входом вычитающего блока 5, второй вход которого подключен к выходу блока задержки 2, выход вычитающего блока 5 является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом. Исходный сигнал (смесь ЭКС и аддитивной помехи, фиг.1,б) поступает на вход блока выделения 1 отсчетов ЭКС на TP-сегменте и на вход блока задержки 2. Входным сигналом этого устройства является аддитивная смесь ЭКС и сигнала помехи (фиг.1,б). Выходным сигналом является последовательность прямоугольных импульсов, которые являются дискретными отсчетами сигнала дрейфа изолинии (фиг.1,в). Эта последовательность подается на вход блока запоминания 3 амплитуды отсчетов. Выходным сигналом блока запоминания 3 является последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых приблизительно равна периоду следования импульсов (фиг.1, г), а амплитуда - амплитуде соответствующего отсчета. Спектр этого сигнала приведен на фиг. 4 (сплошные вертикальные линии). В спектре данной последовательности присутствуют составляющие, определяющие исходный непрерывный сигнал дрейфа изолинии, которые можно выделить с помощью фильтра нижних частот, амплитудно-частотная характеристика которого показана на фиг.4 пунктирной линией. Таким образом, при прохождении сформированного на выходе блока запоминания 3 сигнала через фильтр нижних частот на выходе фильтра выделится только сигнал дрейфа изолинии. Выделенный сигнал дрейфа изолинии (фиг.2,б) поступает на один из входов вычитающего блока 5. На второй вход вычитающего блока 5 поступает сигнал с выхода блока задержки 2, который представляет собой задержанный на время запаздывания фильтра нижних частот исходный сигнал из смеси дрейфа изолинии и ЭКС. На выходе блока вычитания 5 присутствует электрокардиосигнал (фиг.2,в), освобожденный от влияния аддитивной помехи (дрейфа изолинии).
Технико-экономический эффект предложенного способа и устройства для его реализации заключается в том, что осуществляется устранение дрейфа изоэлектрической линии электрокардиосигнала без дополнительного усиления. Это позволяет получить большее отношение сигнал-шум, что улучшает условия дальнейшей обработки ЭКС.
Расшифровка обозначений к фиг.3:
1 - блок выделения отсчетов ЭКС на ТР-сегменте;
2 - блок задержки;
3 - блок запоминания амплитуды отсчетов;
4 - фильтр нижних частот;
5 - вычитающий блок.
Литература
1. Кравченко В.Ф., Попов А.Ю. Дискретизация и цифровая фильтрация электрокардиограммы. // Зарубежная радиоэлектроника. 1996. №1. С.38-44.
2. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ/А.Л.Барановский, А.Н.Калиниченко, Л.А.Манило и др.: Под ред. А.Л.Барановского и А.П.Немирко. М.: Радио и связь, 1993. 248 с. (С.195-200).
3. Патент РФ №2251968, А61В 5/0402. Способ устранения дрейфа изолинии электрокардиосигнала и устройство для его осуществления/Михеев А.А., Нечаев Г.И.// Открытия. Изобретения. 2005. №14.
4. Мельник О.В., Михеев А.А., Нечаев Г.И. Выделение дрейфа изолинии электрокардиосигнала. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2005. №1-2. С.26-30.