Способ подавления влияния аддитивной помехи на электрокардиосигнал и устройство для его осуществления

Способ подавления влияния аддитивной помехи на электрокардиосигнал и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано при обработке электрокардиосигналов.

Типовой аддитивной помехой, действующей на электрокардиосигнал (ЭКС), является наводка от промышленной сети 50 Гц. Принято, что полоса частот спектральных составляющих ЭКС, представляющая интерес для практических случаев анализа электрокардиосигнала, простирается до 100 Гц [1]. Таким образом, аддитивная помеха от промышленной сети питания расположена в полосе частот, занимаемых электрокардиосигналом.

Наиболее распространены в настоящее время способы устранения аддитивной помехи от промышленной сети питания, основанные на фильтрации этой помехи.

Возможен способ устранения аддитивной помехи [2], заключающийся в том, что осуществляют фильтрацию электрокардиосигнала фильтром нижних частот (ФНЧ).

Недостатком данного способа является то, что вместе с аддитивной помехой от промышленной сети питания из смеси ЭКС и помехи удаляется часть спектральных составляющих электрокардиосигнала. Подавление составляющих в высокочастотной части спектра ЭКС приводит, в свою очередь, к искажению формы ЭКС на выходе ФНЧ, что может повлиять на результаты анализа ЭКС.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ устранения аддитивной помехи от промышленной сети питания [3], заключающийся в том, что осуществляют фильтрацию электрокардиосигнала заграждающим (режекторным) фильтром с центральной частотой, равной частоте сигнала промышленной сети 50 Гц. При этом через фильтр проходят все элементы электрокардиосигнала в случае применения аналоговых фильтров или все дискретные отсчеты всех элементов электрокардиосигнала в случае применения дискретных фильтров.

Данному способу присущи следующие недостатки:

1) В спектре истинного электрокардиосигнала содержатся составляющие с частотой, равной частоте промышленной сети, и при прохождении ЭКС через заграждающий фильтр вместе с помехой от этой сети подавляются и полезные составляющие ЭКС.

2) Реальный заграждающий фильтр не может иметь бесконечно узкую полосу подавления, поэтому вместе с полным подавлением составляющей ЭКС на частоте промышленной сети при прохождении через такой фильтр искажаются (уменьшаются по амплитуде) близкорасположенные частотные составляющие слева и справа от центральной частоты заграждения.

3) Подавление и искажение частотных составляющих ЭКС приводит, в свою очередь, к искажению формы ЭКС на выходе заграждающего фильтра, что так же, как и в способе [2], может повлиять на результаты анализа ЭКС.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем.

В каждом цикле сердечных сокращений из смеси электрокардиосигнала и аддитивной помехи выделяют участок, соответствующий ТР-сегменту ЭКС, формируя этим последовательность пачек импульсов, заполненных сигналом аддитивной помехи, причем длительность выделенного участка выбирают из условия

τ=nT_C,

где n=1, 2, …, int(T_TPмин/T_C) - коэффициент, указывающий, сколько периодов сигнала аддитивной помехи укладывается в длительности выделенного участка ЭКС; int(a/b) - означает взятие целого от деления а на b, T_C - период колебаний сигнала аддитивной помехи; Т_TPмин - минимальная длительность ТР-сегмента электрокардиосигнала.

Полученную последовательность сигналов подают на вход фильтра, выполненного на базе полосового фильтра с центральной частотой, равной частоте аддитивной помехи. Сигнал с выхода фильтра усиливают и после этого вычитают из сигнала исходного сигнала, являющегося аддитивной смесью ЭКС с помехой, который предварительно задерживают на время задержки фильтра.

Предложенный способ позволяет устранить недостатки известного способа, а именно ослабить влияние аддитивной помехи на электрокардиосигнал, не искажая составляющих самого сигнала.

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.

ТР-сегмент электрокардиосигнала соответствует электрической диастоле сердца и при отсутствии помех лежит на нулевой линии. Отличие сигнала на ТР-сегменте от нулевой линии обусловлено действием аддитивных помех, в первую очередь помехи от промышленной сети питания (фиг.1,б). Выделяя соответствующие ТР-сегменту участки ЭКС длительностью в n периодов колебаний сигнала аддитивной помехи, формируют последовательность пачек импульсов с амплитудной манипуляцией (фиг.1,в). Спектр этого сигнала приведен на фиг.2 (сплошные вертикальные линии). В спектре данной последовательности присутствуют частота сигнала заполнения прямоугольных импульсов, в данном случае это частота аддитивной помехи 50 Гц, и боковые составляющие, образованные спектральными составляющими модулирующих прямоугольных импульсов длительностью τ. В спектре отсутствуют составляющие ЭКС, так как на ТР-сегменте ЭКС имеет, как было отмечено выше, нулевое значение. Поэтому при прохождении сформированной последовательности отсчетов ЭКС через фильтр, выполненный на базе полосового фильтра с центральной частотой, равной частоте аддитивной помехи (амплитудно-частотная характеристика фильтра показана на фиг.2 пунктирной линией), на выходе фильтра выделится только сигнал помехи. Амплитуда этого сигнала меньше амплитуды исходного сигнала помехи в T/τ раз, где Т - длительность цикла сердечного сокращения. Поэтому сигнал выделенной помехи необходимо усилить в T/τ раз (на фиг.1,г показан усиленный сигнал выделенной помехи). При этом не искажаются составляющие ЭКС, частота которых равна частоте аддитивной помехи, так как этих составляющих нет в спектре фильтруемой последовательности. При фильтрации сигнала происходит его задержка, поэтому исходный сигнал тоже надо задержать на время, равное времени задержки фильтра. Вычитание выделенного и усиленного сигнала аддитивной помехи из исходной задержанной смеси ЭКС и сигнала помехи существенно ослабляет влияние последнего на электрокардиосигнал (фиг.1,д).

Таким образом, после подавления влияния аддитивной помехи электрокардиосигнал содержит все присущие ему полезные частотные составляющие, что обеспечивает более достоверную передачу его формы и способствует более качественному анализу ЭКС.

На фиг.3 приведена структурная схема устройства для реализации предложенного способа подавления влияния аддитивной помехи на электрокардиосигнал, а на фиг.1, 2 и 4 - диаграммы, поясняющие работу устройства.

Для достижения технического результата, заключающегося в подавлении влияния на электрокардиосигнал аддитивной помехи, в устройство, содержащее фильтр, вход которого является входом устройства, а выход - выходом устройства, введены блок выделения интервала времени, соответствующего ТР-сегменту ЭКС, ключевой элемент, усилитель, блок задержки и вычитающий блок. Вход блока выделения интервала времени, соответствующего ТР-сегменту ЭКС, соединен с первым входом ключевого элемента и с входом блока задержки, образуя вход устройства, выход блока выделения интервала времени, соответствующего ТР-сегменту ЭКС, подключен ко второму входу ключевого элемента, выход которого подключен к входу фильтра, который выполнен на базе полосового фильтра с центральной частотой, равной частоте аддитивной помехи. Выход фильтра соединен с входом усилителя, выход которого подключен к первому входу вычитающего блока, второй вход которого подключен к выходу блока задержки, выход вычитающего блока является выходом устройства.

Устройство для реализации предложенного способа подавления влияния аддитивной помехи на электрокардиосигнал содержит блок выделения 1 интервала времени, соответствующего ТР-сегменту ЭКС, ключевой элемент 2, блок задержки 3 исходного сигнала, представляющего собой аддитивную смесь истинного ЭКС и помехи, фильтр 4, усилитель 5, вычитающий блок 6.

Вход блока выделения 1 интервала времени, соответствующего ТР-сегменту ЭКС, соединен с первым входом ключевого элемента 2 и с входом блока задержки 3, образуя вход устройства, выход блока выделения 1 интервала времени, соответствующего ТР-сегменту ЭКС, подключен ко второму (управляющему) входу ключевого элемента 2, выход которого подключен к входу фильтра 4, выход фильтра 4 соединен с входом усилителя 5, выход усилителя 5 подключен к первому входу вычитающего блока 6, второй вход которого подключен к выходу блока задержки 3, выход вычитающего блока 6 является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. Исходный сигнал (аддитивная смесь ЭКС и помехи, фиг.1,б) поступает на вход блока выделения 1 интервала времени, соответствующего ТР-сегменту ЭКС, на первый (информационный) вход аналогового ключевого элемента 2 и на вход блока задержки 3. Блок выделения 1 интервала времени, соответствующего ТР-сегменту ЭКС, может быть выполнен в виде устройства [4]. Входным сигналом этого устройства является аддитивная смесь ЭКС и помехи (фиг.4,а). Выходным сигналом является последовательность прямоугольных импульсов, совпадающих по времени с ТР-сегментом в каждом цикле сердечных сокращений (фиг.4,б). Эта последовательность подается в качестве управляющего сигнала на второй (управляющий) вход ключевого элемента 2, разрешая прохождение сигнала с входа ключевого элемента на его выход и выделяя таким образом участок ЭКС, соответствующий ТР-сегменту. Сигнал с выхода ключевого элемента 2 (фиг.1,в) поступает на вход фильтра 4. Спектральный состав сигнала на входе фильтра 4 и амплитудно-частотная характеристика фильтра показаны на фиг.2 (сплошные вертикальные линии и пунктирная линия соответственно). Фильтр 4, выполненный на базе полосового фильтра с центральной частотой, равной частоте аддитивной помехи, пропускает на выход только составляющую входного сигнала, частота которой равна частоте аддитивной помехи. В приведенном примере это помеха от сигнала промышленной частоты 50 Гц. Как было отмечено выше, амплитуда выделенного фильтром сигнала помехи меньше амплитуды исходного сигнала помехи в T/τ раз, что обусловлено импульсным характером сигнала на входе фильтра. Поэтому сигнал с выхода фильтра 4 поступает на вход усилителя 5, имеющего коэффициент усиления, равный T/τ. Усиленный сигнал аддитивной помехи (фиг.1,г) поступает на один из входов вычитающего блока 6. На второй вход вычитающего блока 6 поступает сигнал с выхода блока задержки 3, который представляет собой задержанный на время задержки фильтра 4 исходный сигнал из аддитивной смеси помехи и ЭКС. На выходе блока вычитания 6 присутствует сигнал ЭКС с существенно подавленной составляющей аддитивной помехи (фиг.1,д). Степень ослабления влияния аддитивной помехи на электрокардиосигнал определяется качеством полосового фильтра, в частности коэффициентами передачи на частоте аддитивной помехи и левой и правой частотных составляющих (фиг.2).

Технико-экономический эффект предложенного способа и устройства для его реализации заключается в том, что обеспечивается существенное подавление влияния аддитивной помехи на электрокардиосигнал при сохранении всех его частотных составляющих. Это способствует более достоверному определению амплитудно-временных параметров элетрокардиосигнала при его анализе.

Перечень обозначений блоков на фиг.3:

1 - блок выделения интервала времени, соответствующего ТР- сегменту электрокардиосигнала;

2 - ключевой элемент;

3 - блок задержки исходного сигнала;

4 - фильтр;

5 - усилитель;

6 - вычитающий блок.

Литература

1. Бакалов В.П. Основы биотелеметрии. М.: Радио и связь, 2001. С.27.

2. Рангайян P.M. Анализ биомедицинских сигналов. М.: Физматлит, 2007. С.96-97.

3. 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. С.153-159.

4. Патент РФ №2237432, А61В 5/02. Устройство для выделения начала кардиоцикла / О.А.Зуйкова, А.А.Михеев // Открытия. Изобретения. 2004. №28.

1. Способ подавления влияния аддитивной помехи на электрокардиосигнал, заключающийся в том, что электрокардиосигнал (ЭКС) с аддитивной помехой фильтруют, отличающийся тем, что в каждом цикле сердечных сокращений из аддитивной смеси ЭКС и помехи выделяют участок, соответствующий ТР-сегменту ЭКС, формируя этим последовательность пачек импульсов, заполненных сигналом аддитивной помехи, причем длительность выделенного участка выбирают из условияτ=nТ_C,где n=1, 2, …, int(Т_ТРмин/Т_С) - коэффициент, указывающий, сколько периодов сигнала аддитивной помехи укладывается в длительности выделенного участка ЭКС; int(a/b) - означает взятие целого от деления а на b; Т_C - период колебаний сигнала аддитивной помехи; Т_ТРмин - минимальная длительность ТР-сегмента электрокардиосигнала, далее полученную последовательность сигналов подают на вход фильтра, выполненного на базе полосового фильтра с центральной частотой, равной частоте аддитивной помехи, сигнал с выхода фильтра усиливают и вычитают из сигнала исходной аддитивной смеси ЭКС с помехой, который предварительно задерживают на время задержки фильтра.

2. Устройство подавления влияния аддитивной помехи на электрокардиосигнал, содержащее фильтр, отличающееся тем, что в него введены блок выделения интервала времени, соответствующего ТР-сегменту ЭКС, ключевой элемент, блок задержки и вычитающий блок, при этом вход блока выделения интервала времени, соответствующего ТР-сегменту ЭКС, соединен с первым входом ключевого элемента и с входом блока задержки, образуя вход устройства, выход блок выделения интервала времени, соответствующего ТР-сегменту ЭКС, подключен ко второму входу ключевого элемента, выход которого подключен к входу фильтра, который выполнен на базе полосового фильтра с центральной частотой, равной частоте аддитивной помехи, выход фильтра соединен с входом усилителя, выход усилителя подключен к первому входу вычитающего блока, второй вход которого подключен к выходу блока задержки, выход вычитающего блока является выходом устройства.