Способ и устройство для селекции r-зубца кардиосигнала

 

Способ селекции R-зубца электрокардиосигнала состоит в том, что с целью сокращения времени селекции при одновременном повышении точности способа, выделяют фронт QRS-комплдексов кардиосигнала, увеличивая его размах в 2-3 раза относительно исходной величины и одновременно подавляя высокочастотную составляющую сигнала, обостряют фронты QRS-комплекса дол соотношения сигнал-шум в 15-20 раз и подавляют высокочастотную составляющую сигнала, увеличивают амплитуду участка RS, превышающего амплитудное значение шумовой составляющей, до заданного уровня, получая таким образом выделенный R-зубец электрокардиосигнала, причем отведение выполняют в первом стандартном отведении, помещая пальцы рук обследуемого в электропроводящую жидкость, являющуюся электродами. Устройство для селекции R-зубца электрокардиосигнала содержит основной дифференциальный усилитель с присоединенными к его входом электродами, последовательно соединенные первые дифференцирующая цепочка и усилитель, вторые дифференцирующая цепочка и усилитель, ограничитель и светодиод индикации, последовательно соединенные третья дифференцирующая цепочка и интегрирующий усилитель, а также преобразователь интервал-код с цифровой индикацией и компьютер, причем входы первой и третьей дифференцирующих цепочек подключены к выходу основного дифференциального усилителя, выходы ограничителя и интегрирующего усилителя подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, подключенного к компьютеру, а выход ограничителя, кроме того, подключен к входу преобразователя интервал-код. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к системам профотбора или предрейсовой экспресс-диагностики частоты сердечных сокращений, и может использоваться в системах автоматической обработки кардиосигналов.

Для наиболее полной секции функционального состояния сердца по его электрическим потенциалам применяют разнообразные специальные методики отведения, регистрации и анализа электрокардиограмм.

Специфические требования к обследованию предъявляются в процессе проведения массовых профилактических осмотров в сжатые сроки, например, предрейсовые медицинские осмотры водителей. В этом случае использование методик с наложением электродов или закреплением датчиков требует использования специально обученного медперсонала и затягивает время обследования. Применяемая усилительная аппаратура требует установки нуля самописца, что связано с различным сопротивлением контакта поверхности кожи и электродов у разных обследуемых. Использование неэлектрических методов кардиографии требует применения еще более жестких условий как для установки датчиков, так и для положения самого обследуемого, ограничивающих свободу его движений. Так известные преобразователи для фонокардиографии (1) или фотоплетизмографы (2,3) требуют особых навыков в обращении и индивидуальной установки на теле в зависимости от конструкции человека. Наличие помех при отведении электрических сигналов, а также изменение амплитуды R и Т составляющих кардиограммы в процесс отведения ведет к разработке различных устройств (4, 5, 6), позволяющих повысить помехозащищенность выделения R-зубца или повысить точность измерений. С целью повышения достоверности диагностических заключений разрабатываются специализированные вычислители (7), сложность аппаратной реализации которых в настоящеевремя с успехом заменяется применением персональных ЭВМ с возможностью реализации алгоритмов анализа значительной сложности и накоплением персонофицированных банков данных (8). Различные способы наложения электродов (9,10), применяемые в клиниках, также не решают стоящих перед нами задач быстрого кардиомониторинга.

За прототип приняты способ селекции R-зубца электрокардиосигнала (11), по своей цели повышение надежности селекции и по манипуляциям с амплитудой электрокардиосигнала наиболее совпадающий с предлагаемым способом, и устройство для детектирования R-зубца (12), по наличию в нем узлов и блоков и их назначению наиболее совпадающее с заявляемым устройством. Однако способ селекции используют числовые отсчеты кардиосигнала и требует 3-10 предшествующих значений измеренных временных интервалов для формирования дополнительных сигналов на основании которых, корректируя значения уровней выделения в каждом кардиоцикле, выдают сигнал наличия R-зубца. Использование указанного способа уменьшает вероятность принятия неверного решения, но он оказывается громоздким и позволяет получать решение о наличии кардиосигнала только после его регистрации в нескольких циклах. В устройстве, принятом за прототип, фиксация R-зубца осуществляется путем сравнения сигнала, прошедшего усиление, фильтрацию и выпрямление с экспоненциально убывающим пороговым уровнем, начальное значение которого определяется амплитудой предыдущего импульса, превысившего порог, а скорость убывания зависит от частоты сердечных сокращений. Однако в таком устройстве возможен пропуск R-зубца в случае аритмий или регистрация Т составляющей электрокардиоритма в качестве R-зубца в случае значительного уменьшения порога в R-R интервале. Это не позволяет получать объективную оценку каждого R-R интервала, что имеет большое значение в диагностике заболеваний сердца. Кроме того в известных устройствах не рассматриваются способы и условия отведения электрокардиосигнала, хотя от них зависит возможность дальнейшего применения тех или иных методов анализа сердечной деятельности.

Таким образом целью изобретения являются сокращение времени селекции R-зубца электрокардиосигнала при одновременном повышении точности способа, повышение помехозащищенности выделения R-зубца, непосредственная визуализация кардиоритма и исключение регулировочных и настроечных операций для регистрации ЭКГ.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе обработка электрокардиосигнала происходит в реальном масштабе времени непосредственно в процессе отведения, в результате которой выделяют фронт RS-кардиосигнала, увеличивая его размах в 2-3 раза относительно исходной величины и одновременно подавляя высокочастотную составляющую сигнала. Далее еще более обостряют фронты QRS комплекса до соотношения сигнал/шум в 15-20 раз, формируя положительный и отрицательный импульсы, амплитуда которых пропорциональна размаху и скорости нарастания и спада соответственно QR и RS составляющих электрокардиосигнала, и вновь подавляют высокочастотную составляющую сигнала. Далее увеличивают амплитуду участка RS, превышающего амплитуду шумовой составляющей до заданного уровня, получая таким образом выделенный R-зубец электрокардиосигнала.

В устройстве для реализации предлагаемого способа кроме усилителя на входе дополнительно введены последовательно присоединенные к его выходу первые дифференцирующая цепочка и усилитель с ограничением верхней полосы пропускания, вторые дифференцирующая цепочка и усилитель с ограничением верхней полосы пропускания, со смещением нулевой линии и нелинейным коэффициентом усиления и ограничитель. К выходу ограничителя подключены светодиод индикации, преобразователь интервал-код, выход которого выведен на цифровой индикатор, и вход аналого-цифрового преобразователя платы сопряжения с ЭВМ. К выходу основного усилителя дополнительно подключены последовательно соединенные третья дифференцирующая цепочка и интегрирующий усилитель, выход которого подключен к второму входу аналого-цифрового преобразователя платы сопряжения.

На фиг.1 показана блок-схема заявляемого устройства, где 1 основной дифференциальный усилитель, 2 входы для подключения регистрирующих электродов, 3 первая дифференцирующая цепочка, 4 первый усилитель, 5 - вторая дифференцирующая цепочка, 6 второй усилитель, 7 ограничитель, 8 - светодиод индикации, 9 преобразователь интервал-код, 10 цифровой индикатор, 11 аналого-цифровой преобразователь, 12 персональный компьютер, 13 третья дифференцирующая цепочка, 14 интегрирующий усилитель, 15 и 16 - выходы соответствующих усилителей других устройств селекции R-зубца.

На фиг. 2 фрагмент реальных записей сигналов в различных точках схемы, где 17 сигнал электрокардиограммы на выходе основного усилителя 1, 18 - сигнал на выходе первого усилителя 4, 19 сигнал на выходе второго усилителя 6, 20 сигнал выделенного R-зубца на выходе ограничителя 7.

Способ селекции R-зубца основан на том, что задний фронт комплекса QRS в норме имеет большую скорость спада электрического сигнала, последовательность примененных действий над которым в результате прямой обработки в реальном масштабе времени позволяет выделить каждый R-зубец электрокардиосигнала. Особенность способа заключается еще и в том, что выделяемый сигнал, соответствующий R-зубцу электрокардиограммы, имеет противоположную полярность регистрируемому под электродами всему комплексу потенциалов деятельности сердца, и следовательно, легко селектируется и отождествляться может только с комплексом QRS.

Способ может быть выполнен повторным применением операций дифференцирования над кардиосигналом и последующего интегрирования, в результате которых после первого дифференцирования получаем при сохранении общей формы кардиосигнала больший диапазон относительного изменения напряжений (размах) в комплексе QRS, а после второго увеличение диапазона изменения сигнала, соответствующего интервалу RS, формирующего значительной амплитуды импульс, который, кроме того, подвергается усилению в той части, которая превышает по амплитуде уровень шума, таким образом выделяя чистый сигнал, соответствующий R-зубцу электрокардиосигнала.

Порядок операций при реализации способа заключается в выделении фронта RS-электрокардиосигнала увеличением в 2-3 раза его размаха, например дифференцированием, относительно исходного уровня в электрокардиосигнале и подавлении высокочастотной составляющей сигнала, например, в результате интегрирования или ограничения полосы пропускания, применении повторного обострения в 15-20 раз фронтов QRS комплекса и ограничения высокочастотной составляющей сигнала, после которых увеличением амплитуды соответствующего RS участку сигнала до заданного уровня в той его части, которая превышает амплитуду шумовой составляющей, получаем выделенный R-зубец электрокардиосигнала.

Пример конкретной реализации способа поясняется осциллограммами фиг.2, где сигнал на пятом канале (цифра слева у каждой осциллограммы соответствует номеру канала регистрирующего прибора) соответствует электрокардиосигналу. В результате последовательного применения операций обострения (постоянная времени 0,01 с) и ограничения высокочастотной составляющей сигнала (постоянная времени 0,0056 с) увеличиваем в 2 раза размах RS-участка (осциллограмма на втором канале) при сохранении общей формы кардиосигнала. Повторноеприменение операций (постоянная времени 0,01 с) с коэффициентом усиления 17,4 и подавлении высокочастотной составляющей сигнала в результате интегрирования (постоянная времени 0,018 с), а также сдвига нулевой линии так, чтобы шумовая составляющая сигнала не пересекла уровень нулевого потенциала, получаем сигнал (верхняя осциллограмма на фиг.2), отрицательная составляющая которого увеличивается до заданного уровня. Применение операции ограничения позволяет выделить сигнал (нижняя осциллограмма на фиг.2), точно соответствующий R-зубцу электрокардиосигнала.

Увеличение размаха отрицательного фронта QRS комплекса в 2-3 раза при первой операции обострения и ограничения высокочастотной составляющей вызвано тем, что при большем соотношении этой величины будут увеличиваться амплитуда и обостряться все колебания, так как операция применяется непрерывно к всему электрокардиосигналу, а не только к его части. При этих условиях амплитуда размаха и скорость изменения заднего фронта QRS комплекса достаточны, чтобы надежно и точно селектировать момент появления R-зубца. Последующее обострение сигнала с увеличением размаха в 15-20 раз необходимо, чтобы надежно селектировать R-зубец при изменении амплитуды исходного электрокардиосигнала, наблюдаемом, в частности, в процессе дыхания (известно, что при вдохе и выдохе электрокардиосигналы имеют разную амплитуду), а также для уверенной селекции R-зубца в случае его малой величины, что может проявляться как при сердечной недостаточности, так и в зависимости от конституции и соотношения размеров тела человека. Большое соотношение увеличит амплитуду шумовой линии и в условиях ограничения амплитуды сигнала не даст положительного эффекта.

Решая комплексно задачу селекции R-зубца кардиосигнала в стандартных отведениях, для уменьшения затрачиваемого на обследование времени регистрацию электрокардиосигнала осуществляем в первом стандартном отведении опусканием концевых фаланг пальцев рук обследуемого в жидкую проводящую среду, являющуюся электродами.

Устройство для селекции R-зубца содержит основной дифференциальный усилитель 1 по постоянному току, к входам 2 которого подключены отводящие электроды, а к выходу последовательно соединенные первые дифференцирующая цепочка 3 и усилитель 4, вторые дифференцирующая цепочка 5 и усилитель 6 и ограничитель 7, выход которого соединен с светодиодом 8 индикации, входом преобразователя 9 интервал-код с цифровым индикатором 10 и первым входом аналого-цифрового преобразователя 11 платы сопряжения с персональным компьютером 12. Выход основного усилителя дополнительно соединен с последовательно включенными третьей дифференцирующей цепочкой 13 и интегрирующим усилителем 14, выход которого подключен к второму входу аналого-цифрового преобразователя 11. Выходы усилителей могут быть подключены к входам осциллографа для наблюдения за соответствующими сигналами в процессе регистрации. На входы 15 и 16 подключены соответственно выходы усилителей 14 и ограничителей 7 от других устройств селекции R-зубца для одновременного мониторинга несколько обследуемых.

Работа устройства и способ селекции R-зубца поясняются осциллограммами на фиг.2. При отведении ЭКГ на выходе основного усилителя наблюдается сигнал 17 электрокардиограммы с характерными Р, QRS и Т потенциалами, характеризующими работу сердца. После прохождения первой дифференцирующей цепочки 3 на выходе усилителя 4 получаем сигнал 18 с обострением и большим размахом заднего фронта R-зубца, а в результате повторного дифференцирования, смещения нулевой линии и нелинейного усиления на выходе усилителя 7 получаем сигнал 19, соответствующий выделяемым R-зубцам. В результате ограничения сигнала относительно нулевого уровня потенциала отсекается зашумленная линия, и на выходе ограничителя 7 наблюдаем импульсы 20, частота следования которых и каждый межимпульсный интервал точно соответствуют R-R-интервалам. Сигналы с выхода ограничителя 7 вводятся в ЭВМ для статистической обработки, а прошедшие преобразователь 9 интервал-код на цифровом индикаторе 10 могут непосредственно высвечивать частоту сердечных сокращений за определенный интервал времени или показывать длительность R-R-интервала. Электрокардиосигнал, прошедший третью дифференцирующую цепочку 13 и интегрирующий усилитель 14, соответствует сигналу на выходе основного усилителя 1, но без колебаний основной линии, что соответствует проведенным математическим операциям над аналоговым сигналом. Сигнал с выхода интегрирующего усилителя 14, соответствующий полному электрокардиосигналу, поступает в ПЭВМ для комплексной диагностической оценки. Для связи с ПЭВМ использовали стандартное устройство СЭТ-1 многоканального ввода аналоговых сигналов и разработанную в ЛИАП на кафедре АСУ в отделе АИС программу ANDEX для визуализации и первичной обработки введенных в ЭВМ кардиосигналов. Все усилители выполнены на базе операционных усилителей интегральных схем, а ограничитель выполнен как эмиттерный повторитель сигнала только одной полярности.

В процессе работы с устройством при отведении и регистрации ЭКГ не требуется проведения никаких регулировочных и настроечных операций. При присоединении одного из электродов к отводящей поверхности наблюдается увеличение яркости непрерывного свечения светодиода индикации 8, которое пропадает после подсоединения второго электрода и заменяется яркими вспышками в соответствии с ритмом и амплитудой сердечных сокращений. Селекция R-зубца осуществляется в реальном масштабе времени в каждом электрокардиоцикле.

Преимущества способа подтверждаются сокращением по сравнению с прототипом по крайней мере в 3-10 раз времени селекции, так как выделение R-зубца электрокардиосигнала осуществляется в реальном масштабе времени непосредственно на каждом кардиоцикле без операций определения моментов времени появлений возможных R-зубцов и вычисления средних из 3-10 R-R предшествующих интервалов, на основании которых определяется возможность принадлежности следующего выделенного "R"-зубца к выделяемому кардиоциклу.

Повышение точности селекции, во-первых, связано с тем, что в текущем масштабе времени непосредственно в процессе регистрации выделяется каждый R-зубец, если не существует. Во-вторых, если в прототипе R-зубец выделяется с некоторой вероятностью, причем за R-зубец может быть принято любое отклонение в исходном электрокардиосигнале, модуль прироста которого составляет 20-80 мкВ и он попадает в установленные (вычисляемые по предыдущим вычисленным кардиоциклам) пороговые границы как по времени, так и по амплитуде, то в заявляемых способе и устройстве выделенный сигнал точно соответствует не только моменту R-зубца кардиосигнала, позволяя точно вычислять каждый R-R-интервал, а формируется во время протекания нисходящей фазы QRS-комплекса, т. е. его длительность равна длительности RS-интервала. Это особенно важно при обследовании больших с нарушением сердечной деятельности, выраженной в нестабильности следования R-R интервалов, появлении экстрасистол или в случае независимых сокращений предсердий и желудочков.

С целью проведения быстрого мониторинга ЭКГ и осуществления надежного контакта между электродами и отводящей поверхностью предложено использовать емкости из изоляционного материала, в которые помещены электроды и жидкая проводящая среда. В этом случае снятие электрокардиограммы осуществляется в первом стандартном отведении опусканием концевых фаланг пальцев в указанные емкости. Отпадает необходимость в закреплении электродов на теле человека, обеспечивается надежный и постоянный контакт между электродами и поверхностью тела, значительно уменьшается время обследования, что очень важно при проведении массовых проверок функционального состояния сердечно-сосудистой системы в ограниченные сроки. К обследуемому не предъявляется никаких специальных требований, ограничивающих его движения или направленных на длительное поддержание определенной позы. Осциллограммы, представленные на фиг.2, получены при отведении с концевых фаланг указательных пальцев, когда контакт между поверхностью кожи и электродами обеспечивался через воду, а обследуемый стоял в свободной позе.

Предложенный способ и устройство селекции R-зубца имеют диагностическую ценность, так как при нарушении сердечной деятельности или аномалии в формировании электрического сигнала сердца уменьшается крутизна заднего фронта QRS-комплекса и на выходе устройства не формируется в полном объеме выделяемый импульс 20. Это является основанием для проведения более детального анализа электрокардиосигнала и направления обследуемого к врачу-кардиологу.

Кроме клинического предлагаемого устройства может использоваться в качестве индивидуального средства за слежением за сердечной деятельностью как амбулаторно на производстве, так и в домашних условиях.

Формула изобретения

1. Способ селекции R-зубца кардиосигнала, снимаемого в стандартном отведении, включающий выделение фронтов QRS-комплексов кардиосигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности и увеличения точности способа при одновременном сокращении времени регистрации и анализа кардиосигнала, увеличивают его амплитуду в 2 3 раза, подавляя высокочастотную составляющую вновь полученного сигнала, повторно увеличивают амплитуду кардиосигнала до соотношения сигнал/шум 15 20 раз, формируя положительный и отрицательный импульсы, амплитуда которых пропорциональна размаху и скорости нарастания и спада соответственно QR- и RS-составляющих кардиосигнала, с одновременным подавлением высокочастотной составляющей в повторно полученном сигнале, и увеличивают амплитуду отрицательного импульса в части превышения им амплитудного значения шумовой составляющей пропорционально параболической функции от величины этого превышения, формируя таким образом сигнал, соответствующий моменту появления RS-составляющей кардиосигнала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кардиосигнал снимают в первом стандартном отведении, помещая пальцы рук обследуемого в электропроводящую жидкость, выполняющую функцию электродов.

3. Устройство для селекции R-зубца кардиосигнала, содержащее дифференциальный усилитель с присоединенными к его входам электродами, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные первая дифференцирующая цепь, первый усилитель, вторая дифференцирующая цепь, второй усилитель, ограничитель и светодиод-индикатор, подключенный к выходу ограничителя, преобразователь интервал код и соединенный с его выходом цифровой индикатор, последовательно соединенные третья дифференцирующая цепь, вход которой подключен к выходу дифференциального усилителя и входу первой дифференцирующей цепи, интегрирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь и персональный компьютер, кроме того, выход ограничителя подключен к входу преобразователя интервал код и соответствующему входу аналого-цифрового преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2