Способ выделения st-сегмента электрокардиосигнала в реальном времени и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано при измерении параметров ST-сегмента электрокардиосигнала (ЭКС) и их анализе для выявления отклонений от нормы. Способ заключается в том, что на каждом очередном шаге дискретизации формируют отсчеты разностей первого порядка и модули разностей первого порядка. Запоминают N отсчетов модулей разностей первого порядка, следующих после отсчета ЭКС, соответствующего началу кардиоцикла. Суммируют запомненные значения модулей и на каждом шаге дискретизации сравнивают полученное текущее значение суммы с предыдущим. Запоминают большее из них. По максимальному значению суммы формируют пороговый уровень, с которым сравнивают текущие значения суммы модулей. Моменты времени, в которые значение суммы становится сначала больше, а затем меньше порогового уровня, принимают соответственно за начало и окончание ST-сегмента. Отрезок времени между началом и окончанием ST-сегмента принимают за длительность ST-сегмента ЭКС. Устройство для выделения ST-сегмента электрокардиосигнала в реальном времени содержит блок формирования ЭКС, блок первичной обработки ЭКС, блок дискретизации, блок выделения точки начала кардиоцикла и измерения его длительности, блок формирования разностей первого порядка, блок формирования модулей разностей первого порядка, блок запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка, блок определения числа суммируемых отсчетов модулей разностей первого порядка, блок суммирования, блок формирования порогового уровня, блок сравнения и ключевое устройство. Изобретение позволяет более достоверно выделить ST-сегмент для широкого класса электрокардиограмм с различными модификациями формы QRS-комплекса. 2 н.п. ф-лы, 12 ил.
Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано при измерении параметров ST-сегмента электрокардиосигнала (ЭКС) и их анализе для выявления отклонений от нормы. Способ, реализованный в устройстве, обеспечивает повышении достоверности выявления участка кардиоцикла, принадлежащего ST-сегменту.
В системах автоматической оценки параметров ЭКС, в частности, в устройствах холтеровского мониторирования, одной из основных задач является оценка параметров ST-сегмента, изменения формы которого являются диагностическим показателем нарушений деятельности сердечно-сосудистой системы, в частности, ишемической болезни сердца. При этом необходимым условием проведения диагностики является достоверное выделение участка ЭКС, принадлежащего ST-сегменту.
Известен способ, реализованный в устройстве [1], заключающийся в том, что выделяют R-зубец, момент времени выделения R-зубца принимают за начало кардиоцикла (опорную точку), отсчитывают от него определенный временной интервал, чтобы попасть на ST-сегмент, и осуществляют измерение смещения ST-сегмента в данной точке, производят формирование оценки смещения в виде интеграла за время существования ST-сегмента. Полученные величины используют для дальнейшей оценки деятельности сердечно-сосудистой системы.
Недостатками данного способа являются:
1) фиксированная длительность временного интервала от вершины R-зубца до точки, принимаемой за начало ST-сегмента, что приводит к возникновению погрешностей оценки местоположения ST-сегмента, связанных с изменением частоты сердечных сокращений (ЧСС) и варьированием формы QRS-комплекса. При увеличении или уменьшении ЧСС, а также при наличии индивидуальных особенностей ЭКС точка, принимаемая за начало ST-сегмента, может не совпадать с ее фактическим местоположением. Привязка точки начала ST-сегмента к вершине R-зубца при модификациях QRS-комплекса по типу QS, Qr и т.д. приводит к сбоям диагностического алгоритма;
2) фиксированная длительность интервала интегрирования, принимаемая за длительность ST-сегмента, в большинстве случаев не совпадает с реальной длительностью, что снижает точность оценки его параметров.
Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ выделения ST-сегмента [2], заключающийся в том, что сигнал усиливают, фильтруют, обнаруживают QRS-комплекс и выделяют опорные точки, производят коррекцию дрейфа изолинии, исключают из анализа нетипичные для пациента формы сокращений, усредняют формы кардиоцикла на интервале заданной длительности, определяют координаты характерных точек кардиоцикла, при этом выделяют координаты опорной точки, расположенной на вершине R-зубца, измеряют длительность TRR кардиоцикла и осуществляют поиск точки начала ST-сегмента скользящим перемещением окна размером 10 миллисекунд (мс) в зоне поиска правее опорной точки. При этом начальную координату левой границы окна выбирают отстоящей на 50 мс от опорной точки. Сравнивают размах сигнала А в окне с заданным порогом гладкости AFJ. Если размах А сигнала в окне превышает заданный порог гладкости AFJ, то окно перемещается вправо до положения, в котором A<AFJ. Положение левой границы окна на оси времени принимают за точку JN начала ST-сегмента. Длительность ST-сегмента, отсчитанную от точки JN, определяют по формуле:
TST=56 мс +0.05 ТRR.
Недостатками данного способа являются:
1) Привязка опорной точки к вершине R-зубца приводит к тому, что при вариациях формы QRS-комплекса, связанных с заболеваниями (расщепление R-зубца, трансформация QRS-комплекса в QS или Qr и т.п.), возможны ошибки при выделении ST-сегмента.
2) Возникновение запаздывания данных на величину скользящего окна (как минимум). Применительно к выделению ST-сегмента это означает, что информация об обнаружении точки JN будет получена спустя некоторое время после ее появления, что делает невозможной обработку сигнала в реальном времени и требует усложнения процедуры оценки параметров ST-сегмента.
3) Запаздывание данных, связанное с процедурой усреднения нескольких кардиоциклов.
Предлагаемый способ выделения ST-сегмента электрокардиосигнала в реальном времени позволяет устранить указанные недостатки прототипа.
Анализ ЭКГ как нормальных (приведены на фиг.1,а и 2,а), так и с различными отклонениями в форме QRS-комплекса, показал, что форма и амплитуда QRS-комплекса может варьировать в значительных пределах, вплоть до исчезновения одного из зубцов или, напротив, его расщепления. Однако независимо от этих факторов основной чертой, отличающей QRS-комплекс от других участков ЭКС, является высокая скорость изменения уровня сигнала (нарастания или убывания), что характеризуется большими значениями первой производной на данном интервале.
При дискретизации ЭКС по времени аналогом первой производной являются разности первого порядка, то есть разность амплитуд очередного и предыдущего отсчетов. Авторами установлено, что при перемещении временного окна длительностью, равной длительности QRS-комплекса TQRS, и включающего в себя N дискретных отсчетов, вдоль электрокардиосигнала, сумма модулей разностей первого порядка, определенных для отсчетов, попавших в окно, имеет выраженный максимум в момент окончания QRS-комплекса, то есть в точке JN (фиг.1,б).
Использование именно модулей разностей первого порядка увеличивает скорость изменения сигнала суммы в области QRS-комплекса. При этом влиянием на форму кривой суммы модулей первой производной других зубцов (Р, Т, патологический ST-сегмент), даже значительных по амплитуде, можно пренебречь, как, по крайней мере, на порядок меньшей величиной. Влияние шумовых компонент в сигнале при этом уменьшается за счет суммирования сигналов во временном окне. Полученную точку максимума можно рассматривать как точку JN начала ST-сегмента.
При увеличении длительности временного окна TW по сравнению с TQRS точка максимума превращается в «полочку» постоянного уровня длительностью
ТC=TW-TQRS,
направленную в сторону ST-сегмента, начало которой совпадает с точкой JN начала ST-сегмента, как показано на фиг.2,б.
Известны соотношения [3,4], связывающие длительности кардиоцикла (Т), интервала QT (TQT), QRS-комплекса (TQRS) и сегмента ST (ТST):
На основании этих соотношений суммарная длительность QRS-комплекса и сегмента ST составит
Таким образом, задав длительность временного окна преобразования TW=TQRS+ST, получим:
ТC=TW-TQRS,=TQRS+TST-TQRS,=TST.
Во временном окне длительностью Tw умещается N периодов дискретизации. Обозначив длительность периода дискретизации Δt, получим
В этом случае момент достижения максимума, соответствующий началу «полочки», совпадает с точкой JN начала ST-сегмента, а длительность участка максимального уровня («полочки») равна расчетной длительности ST-сегмента.
Для исключения влияния изменений формы и амплитуды QRS-комплекса на формирование опорной точки, от которой начинается перемещение скользящего окна вдоль ЭКС, в качестве опорной точки можно выбрать точку на сегменте ТР, который, как известно, соответствует электрической диастоле сердца и наименее подвержен изменениям формы [5].
Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Электрокардиосигнал фильтруют с целью устранения наводки от сети 50 Гц, корректируют дрейф изолинии, исключают из анализа нетипичные формы сокращений, дискретизируют по времени, выделяют опорную точку начала каждого кардиоцикла и измеряют длительность Т кардиоцикла. После этого предлагается следующая последовательность действий. Из каждой пары следующих друг за другом отсчетов ЭКС формируют разности первого порядка путем вычитания из значения амплитуды текущего отсчета значения амплитуды предыдущего отсчета, затем формируют модули разностей первого порядка. Запоминают значения N отсчетов модулей разностей первого порядка, следующие после отсчета, соответствующего опорной точке, при этом число N определяется соотношением
где T - длительность кардиоцикла;
Δt - период дискретизации.
Временной интервал, на котором укладываются эти N отсчетов, следующих с периодом Δt, будет равен расчетному значению TQRS+ST, т.е. сумме длительностей QRS-комплекса и ST-сегмента. Запомненные значения модулей разностей первого порядка, количество которых равно N, суммируют. Обозначим эту сумму как S. На каждом очередном шаге дискретизации исключают из числа запомненных отсчетов модулей разностей первого порядка первый ближайший к началу кардиоцикла отсчет и добавляют очередной вновь сформированный отсчет. Для новой совокупности запомненных отсчетов также определяют сумму модулей разностей первого порядка S.
Далее на каждом очередном шаге дискретизации сравнивают полученное текущее значение суммы модулей разности первого порядка с предыдущим и запоминают большее из них, а в случае равенства последнее, Sмакс, которое используется для формирования порогового уровня сравнения. Значение Sмакс определяется амплитудой и формой QRS-комплекса анализируемого кардиосигнала и может изменяться в значительных пределах для различных пациентов, но слабо изменяется в пределах одной записи электрокардиограммы. Далее формируют пороговый уровень, равный (0.85-0.98)Sмакс. Исследование ряда ЭКГ с различными модификациями формы QRS-комплексов показало, что нижняя граница порогового уровня определяется допустимой погрешностью определения длительности ST-сегмента, а верхняя граница - точностью элементов, задающих пороговый уровень. Для практической реализации способа наиболее пригоден для формирования порогового уровня диапазон от 0.85 Sмакс до 0.9 Sмакс.
Текущие значения S сумм N отсчетов модулей разностей первого порядка на каждом шаге дискретизации сравнивают с пороговым уровнем. Момент времени, в который значение S становится равно или превысит пороговый уровень, принимают за начало JN ST-сегмента. Момент времени, в который значение S, до этого превышавшее пороговый уровень, становится равно или меньше порогового уровня, принимают за окончание JK ST-сегмента. Время между моментами начала JN и окончания JK принимают за длительность ST-сегмента ЭКС.
Предложенный способ позволяет более достоверно, по сравнению с известным способом (прототипом), выделить ST-сегмент для более широкого класса электрокардиограмм с различными модификациями формы QRS-комплекса. При этом получение сигнала о наличии ST-сегмента совпадает по времени с его началом, что соответствует выделению ST-сегмента в реальном времени.
Сущность изобретения и возможные варианты реализации предложенного способа поясняется следующим графическим материалом:
- фиг.3 - структурная схема устройства, реализующего предложенный способ;
- фиг.4, фиг.5 - вариант реализации блока 4 выделения точки начала кардиоцикла и измерения его длительности;
- фиг.6 - вариант реализации блока 5 определения числа суммируемых отсчетов модулей разностей первого порядка;
- фиг.7 - вариант реализации блока 8 запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка;
- фиг.8 - вариант реализации блока 9 суммирования;
- фиг.9 - вариант реализации блока 10 формирования порогового уровня;
- фиг.10 - вариант реализации ключевого устройства 12;
- фиг.11, фиг.12 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства в целом и некоторых его узлов.
Для достижения технического результата, заключающегося в повышении достоверности выделения ST-сегмента при вариациях формы QRS-комплекса, ускорении процедуры обработки сигнала и обеспечении возможности выделять ST-сегмент в реальном времени, и реализации предложенного способа в устройство, содержащее последовательно соединенные блок формирования электрокардиосигнала, блок первичной обработки электрокардиосигнала, выполненный с возможностью осуществления усиления, фильтрации, коррекции дрейфа изолинии и исключения из анализа нетипичных форм сокращений, и блок дискретизации, первый выход которого соединен с входом блока выделения точки начала кардиоцикла и измерения его длительности, введены блок формирования разностей первого порядка, блок формирования модулей разностей первого порядка, блок запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка, блок определения числа суммируемых отсчетов модулей разностей первого порядка, блок суммирования, блок формирования порогового уровня, блок сравнения и ключевое устройство. При этом первый выход блока дискретизации подключен к входу блока формирования разностей первого порядка и к первому входу ключевого устройства, второй выход блока дискретизации соединен с первым входом блока определения числа суммируемых дискретных отсчетов модулей разностей первого порядка, второй вход которого соединен с выходом блока выделения точки начала кардиоцикла и измерения его длительности, а выход - соединен с первым входом блока суммирования. Выход блока формирования разностей первого порядка соединен с входом блока формирования модулей разностей первого порядка, выход которого соединен с входом блока запоминания отсчетов модулей разности первого порядка, выход которого соединен со вторым входом блока суммирования, выход которого соединен с входом блока формирования порогового уровня и первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования порогового уровня, а выход - соединен с вторым входом ключевого устройства, выход которого является выходом устройства.
Устройство состоит (фиг.3) из блока 1 формирования электрокардиосигнала, блока 2 первичной обработки электрокардиосигнала, блока 3 дискретизации, блока 4 выделения опорной точки и измерения длительности кардиоцикла, блока 5 определения числа суммируемых дискретных отсчетов модулей разностей первого порядка, блока 6 формирования разностей первого порядка, блока 7 формирования модулей разностей первого порядка, блока 8 запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка, блока 9 суммирования, блока 10 формирования порогового уровня, блока 11 сравнения и ключевого устройства 12.
Блоки 1, 2 и 3 соединены последовательно. Первый выход (сигнальный) блока 3 дискретизации соединен с входом блока 4 выделения точки начала кардиоцикла и измерения его длительности и подключен также к входу блока 6 формирования разностей первого порядка и первому (сигнальному) входу ключевого устройства 12, второй выход (управляющий) блока 3 дискретизации соединен с первым входом блока 5 определения числа суммируемых отсчетов модулей разностей первого порядка, выход блока 4 выделения точки начала кардиоцикла и измерения длительности кардиоцикла соединен со вторым входом блока 5 определения числа суммируемых отсчетов модулей разностей первого порядка, выход блока 5 определения числа суммируемых отсчетов модулей разностей первого порядка соединен с первым (управляющим) входом блока 9 суммирования, выход блока 6 формирования разностей первого порядка соединен с входом блока 7 формирования модулей разностей первого порядка, выход блока 7 формирования модулей разностей первого порядка соединен с входом блока 8 запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка, выход блока 8 запоминания отсчетов соединен со вторым (сигнальным) входом блока 9 суммирования, выход блока 9 суммирования соединен с входом блока 10 формирования порогового уровня и первым входом блока 11 сравнения, выход блока 10 формирования порогового уровня соединен со вторым входом блока 11 сравнения, выход блока 11 сравнения соединен со вторым (управляющим) входом ключевого устройства 12, выход ключевого устройства является выходом устройства.
Блок 4 выделения точки начала кардиоцикла и измерения его длительности может быть выполнен на основе устройства, описанного в [5], по схеме, приведенной на фиг.4. Он содержит схему 13 двойного дифференцирования, два источника 14 и 15 пороговых уровней, первый уровень U1>0, а второй U2<0, схему сравнения 16, формирователь тактовых импульсов 17, первую схему И 18, первый двоичный счетчик 19, вторую схему И 20, схему 21 преобразования импульсов точки начала кардиоцикла (опорной точки (ОТ)) в импульсы «Установка 0» и «Запись», второй двоичный счетчик 22 и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 25. На фиг.5 показан вариант выполнения схемы сравнеия 16 на основе двух компараторов 24 и 25 и схемы ИЛИ 26. Вход схемы 13, являющийся входом блока 4 выделения точки начала кардиоцикла и измерения его длительности, соединен с выходом блока дискретизации 3, с входом формирователя тактовых импульсов 17. Выход схемы 13 двойного дифференцирования соединен с первым входом схемы сравнения 16, второй и третий входы которой соединены соответственно с выходами источников пороговых уровней 14 и 15. Выход схемы сравнения 16 подключен к входу R установки нуля двоичного счетчика 19 и к первому входу первой схемы И 18, второй вход которой подключен к выходу формирователя тактовых импульсов 17. Выход схемы И 18 соединен с входом С счета импульсов. Разрядные выходы двоичного счетчика 19 соединены с соответствующими входами второй схемы И 20, выход которой соединен с входом схемы 21 преобразования импульсов опорной точки в импульсы «Запись» и «Установка 0», первый выход которой соединен с первым входом R (Установка 0) второго двоичного счетчика 22, а второй выход - соединен с первым входом С (Запись) цифроаналогового преобразователя 23. Второй вход С (Счет) двоичного счетчика 22 подключен к выходу формирователя тактовых импульсов 17, а разрядные выходы счетчика 22 соединены с соответствующими входами данных D ЦАП 23, выход которого является выходом блока 4. Схема сравнения 16 отсчетов электрокардиосигнала с двумя пороговыми уровнями может быть выполнена на двух компараторах 24 и 25 и схемы ИЛИ 26 (фиг.5).
Блок 5 определения числа суммируемых отсчетов модулей разностей первого порядка может быть выполнен на основе устройства извлечения квадратного корня [6] по схеме, приведенной на фиг.6. Он содержит схему 27 вычисления квадратного корня, АЦП 28, двоичный счетчик 29, схему И 30, схему сравнения 31 двух двоичных чисел, инвертор 32 и генератор 33 импульсов «Счет». Вход схемы 27 вычисления квадратного корня является входом блока 5 и подключен к выходу блока 4 определения точки начала кардиоцикла и измерения его длительности. Выход схемы 27 соединен с аналоговым входом АЦП 28, разрядные выходы которого подключены к группе входов В схемы сравнения 31, группа входов А которой соединена с разрядными выходами двоичного счетчика 29, которые являются и выходом блока 5. Выход схемы сравнения 31 соединен с входом инвертора 32. Выход инвертора 32 соединен с первым входом схемы И 30, второй вход которой соединен с выходом генератора 33 импульсов «Счет». Выход схемы И 30 соединен с первым входом С (Счет) двоичного счетчика 29, второй вход которого R (Установка 0) соединен с вторым выходом блока дискретизации 3.
Один из возможных вариантов реализации блока 8 запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка показан на фиг.7. Он состоит из формирователя 34 импульсов «Пуск», АЦП 35 и регистра памяти 36. Аналоговый вход АЦП 35 и вход формирователя 34 импульсов «Пуск» соединены между собой и являются входом блока 8 запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка, который соединен с выходом блока 7 формирования модулей разностей первого порядка. Разрядные выходы АЦП 35 соединены с входами данных D регистра памяти 36. Выход АЦП 35 «Готовность данных» соединен с входом С (Запись) регистра памяти 36. Разрядные выходы регистра являются выходом блока 8 запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка.
Блок суммирования 9, формирующий на каждом шаге дискретизации сумму N модулей разностей первого порядка, может быть выполнен на основе накапливающего сумматора [7] по схеме, приведенной на фиг.8. В его состав входят мультиплексор 37, схема суммирования 38, первый регистр 39 хранения текущих значений суммы, второй регистр 40 хранения суммы значений N модулей разностей первого порядка, формирователь 41 импульсов «Запись 1» и «Запись 2». Адресные входы мультиплексора 37 (группа входов А) соединены с выходом блока 5 определения числа суммируемых отсчетов модулей разностей первого порядка, а входы данных (группа входов D) - с выходом блока 8 запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка. Выходы мультиплексора 37, число которых определяется разрядностью чисел, представляющих в двоичной форме значения модулей разностей первого порядка, соединены с группой входов А схемы суммирования. Выходы схемы суммирования 38 соединены с входами данных (D) первого регистра 39, выходы которого соединены с группой входов В схемы суммирования 38 и с входами данных (D) второго регистра 40, разрядные выходы которого являются выходом блока суммирования 9. Входы С (Запись) регистров 39 и 40 соединены соответственно с первым («Запись 1») и вторым («Запись 2») выходами формирователя импульсов 41.
Возможная реализация блока 10 формирования порогового уровня показана на фиг.9. Блок 10 содержит схему запоминания максимального значения суммы N модулей разностей первого порядка, состоящую из схемы сравнения двоичных чисел 42, схемы ИЛИ 43, мультиплексора двоичных чисел 44, первого регистра 45 запоминания максимального значения суммы N модулей разностей первого порядка и формирователя 46 импульсов «Запись», и формирователя порогового уровня, который может быть выполнен на основе второго регистра 47 при формировании порогового уровня в цифровом виде или на основе ЦАП 48 и резистивного делителя 49 при формировании порогового уровня в аналоговом виде (аналоговый вариант показан пунктиром на фиг.9). Входы группы А схемы сравнения 42, являющиеся входом блока 10, соединены с выходом бока суммирования 9 и с входами группы А мультиплексора 44. Выход «А>В» схемы сравнения 42 соединен входом разрешения VA мультиплексора 44. Выходы «А=В» и «А<В» соединены соответственно с первым и вторым входами схемы ИЛИ 43, выход которой соединен с входом разрешения VB мультиплексора 44.
Выходы мультиплексора 44 соединены с входами данных (D) первого регистра 45, выходы которого соединены с входами группы В схемы сравнения 42 и мультиплексора 44 и с входами данных (D) второго регистра 47 или с входами ЦАП 48. Входы С (Запись) регистров 45 и 47 соединены соответственно с первым («Запись 1») и вторым («Запись 2») выходами формирователя импульсов 46. Выход ЦАП 48 соединен с входом резистивного делителя 49. Если пороговый уровень представлен в цифровом виде, то выходом блока 10 формирования порогового уровня являются выходы второго регистра 47, а если в аналоговом виде - то выход резистивного делителя 49.
Ключевое устройство 12 может быть реализовано на основе аналоговых ключей [8] по схеме, приведенной на фиг.8. Оно содержит ключевой элемент со схемой управления 50 и инвертор 51. Первый вход ключевого элемента 50, являющийся первым входом ключевого устройства 12, соединен с первым выходом блока дискретизации 3. Второй вход ключевого элемента 50 соединен с выходом инвертора 51, вход которого является вторым входом ключевого элемента 12 и соединен с выходом блока сравнения 11.
Устройство работает следующим образом. Блок 1 формирования электрокардиосигнала производит получение сигнала с тела пациента. Блок 2 первичной обработки электрокардиосигнала выполняет обычные операции: усиливает электрокардиосигнал, освобождает его от действия помехи промышленной частоты с помощью фильтрации и устраняет дрейф изолинии с помощью фильтра высоких частот или путем выделения сигнала дрейфа изолинии с помощью сплайн-аппроксимации с последующим вычитанием полученного сигнала из исходного электрокардиосигнала [2], исключает из анализа нетипичные формы сокращений. Очищенный от действия помех ЭКС (фиг.11, а) поступает на вход блока 3 дискретизации, где преобразуется в совокупность дискретных отсчетов сигнала, следующих с периодом дискретизации Δt.
С первого выхода блока 3 дискретные отсчеты ЭКС поступают на вход блока 4 выделения опорной точки и измерения длительности кардиоцикла, на выходе которого формируются импульсные сигналы в моменты времени, соответствующие началу кардиоцикла (фиг.11, б), и измеряются интервалы между ними. Сигналы с выхода блока 4 поступают на первый вход блока 5 формирования числа N суммируемых отсчетов модулей разностей первого порядка, который управляется тактовыми импульсами, поступающими на второй вход блока со второго выхода блока 3 дискретизации с периодом дискретизации Δt. В блоке 5 вычисляется в соответствии с выражением (1) число N. Поскольку число N определяет число суммируемых дискретных отсчетов модулей разностей первого порядка, хранящихся в блоке запоминания 8, выходные сигналы блока 5 могут быть представлены, например, в виде последовательности адресов ячеек памяти блока 8, из которых считываются значения упомянутых отсчетов модулей разностей первого порядка.
Также с первого выхода блока 3 дискретные отсчеты ЭКС поступают на вход блока 6, который из отсчетов кардиосигнала формирует отсчеты разностей первого порядка. Отсчеты разностей первого порядка преобразуются в значения модулей разностей первого порядка в блоке 7. С выхода блока 7 отсчеты разностей первого порядка поступают в блок запоминания 8, рассчитанный на запоминание М отсчетов. При этом выбор М осуществляется из условия: M≥N.
В блоке суммирования 9 под действием поступающих на первый вход сигналов с выхода блока 5 на каждом шаге дискретизации осуществляется считывание N из М запомненных в блоке 8 отсчетов модулей разностей первого порядка и их суммирование. На выходе блока суммирования 9 формируется на каждом шаге дискретизации сигнал суммы S (фиг.11, в). Сигнал S поступает на вход блока 10 формирования порогового уровня и на первый вход блока 11 сравнения, где текущее значение S сравнивается с пороговым уровнем. В блоке формирования 10 порогового уровня сначала текущее значение суммы S сравнивается с предыдущим значением и запоминается большее значение. Если очередное значение суммы S меньше предыдущего или равно ему, сохраняется предыдущее значение S. На отрезке ЭКС, соответствующем ST-сегменту, каждое очередное значение суммы будет равно предыдущему и равно Sмакс (фиг.11, в). По максимальному значению суммы Sмакс формируется пороговый уровень, составляющий, как упоминалось выше, (0.85-0.98)Sмакс. С выхода блока 10 формирования порогового уровня сигнал этого порогового уровня поступает на второй вход блока сравнения. На выходе блока 11 сравнения во время превышения сигналом S порогового уровня формируется импульсный сигнал, поступающий на управляющий вход ключевого устройства 12 (фиг.11, г). Ключевое устройство 12 открывается и пропускает на выход устройства формируемые в блоке дискретизации 3 дискретные отсчеты ЭКС, принадлежащие ST-сегменту (на фиг.11, д показана огибающая этих отсчетов). Далее параметры выделенного ST-сегмента могут быть оценены любым из известных способов.
Ниже приведено более подробное описание работы некоторых блоков устройства.
Работа блока 4 выделения опорной точки начала кардиоцикла и измерения его длительности (фиг.4) заключается в следующем. С выхода блока дискретизации 3 дискретные отсчеты электрокардиосигнала (ЭКС), следующие с периодом дискретизации Δt, поступают на вход формирователя разностей второго порядка 13, являющийся входом блока 4. На выходе блока 13 присутствуют сигналы разностей второго порядка, формируемые из трех подряд идущих отсчетов ЭКС,
ddUi=Ui-2Ui-l+Ui-2,
где i - номера отсчетов, участвующих в формировании очередной разности второго порядка,
U - амплитуда соответствующего отсчета.
Полученные сигналы разностей второго порядка сравниваются с помощью схемы сравнения 16 с двумя пороговыми уровнями, один из которых положительный +Unop (выход блока 14), а второй отрицательный -Uпop (выход блока 15). Когда сигнал разности второго порядка находится между пороговыми уровнями, сигнал на выходе схемы сравнения 16 имеет потенциал высокого уровня, который поступает на вход R счетчика 19, разрешая его работу в счетном режиме, и на один из входов первой схемы И 18, разрешая прохождение на ее выход поступающих на другой вход тактовых импульсов от формирователя 17. Период следования тактовых импульсов равен периоду дискретизации Δt электрокардиосигнала. Тактовые импульсы с выхода схемы И 18 поступают на счетный вход С счетчика 19, который осуществляет счет этих импульсов. Соответствующие разрядные выходы счетчика 19 соединены с соответствующими входами второй схемы И 20. Сигнал опорной точки (ОТ на фиг.12) в виде прямоугольного импульса положительной полярности появляется на выходе второй схемы И 20 только тогда, когда счетчик 19 сосчитает Q подряд идущих тактовых импульсов. Выходной сигнал схемы И 20 принимается за опорную точку в данном кардиоцикле.
Число Q выбирается таким образом, чтобы оно могло быть достигнуто при счете подряд идущих тактовых импульсов только на ТР-сегменте электрокардиосигнала. На всех других сегментах (PQ, ST) кардиосигнала отсчеты разностей второго порядка выйдут за пределы пороговых уровней раньше, чем счетчик 19 сосчитает до числа Q. При этом на выходе схемы сравнения 16 появится сигнал низкого уровня, который устанавливает счетчик 19 по входу R в нулевое состояние и запрещает прохождение тактовых импульсов через первую схему И 18. При очередном входе сигналов разностей второго порядка в зону между пороговыми уровнями счетчик начинает считать тактовые импульсы с начала. Таким образом, на выходе второй схемы И 20 формируется последовательность импульсов (опорных точек в каждом кардиоцикле) (ОТ на фиг.12), расстояние между которыми определяет длительность соответствующего кардиоцикла T, которая в блоке 5 преобразуется в число N суммируемых отсчетов модулей разностей первого порядка, пропорциональное 
.
Известны типовые аналоговые устройства [6], реализующие операцию извлечения корня 
где E - коэффициент пропорциональности с размерностью [В]. Поэтому длительность кардиоцикла Т надо выразить в виде пропорционального ей напряжения U, которое будет являться входным (Uвх) для устройства извлечения корня в блоке 5.
Поскольку при изменении Т меняется число расположенных между опорными точками тактовых импульсов, следующих с периодом дискретизации Δt, то преобразование Т в пропорциональное напряжение U выполнено на основе двоичного счетчика и цифроаналогового преобразователя (ЦАП) (фиг.4). Схема 21 формирования импульсов «Запись» и «Установка 0» выделяет из импульсов ОТ (фиг.12) соответственно передний и задний фронты (сигналы Запись и Уст. 0 на фиг.12). Импульсом «Установка 0» счетчик 22 устанавливается в нулевое состояние, после чего счетчик начинает считать тактовые импульсы, расположенные между соседними ОТ. В конце каждого кардиоцикла импульсом «Запись» содержимое счетчика 22 переписывается в входной регистр цифроаналогового преобразователя 23. Напряжение на выходе ЦАП 23, являющемся и выходом блока 4, пропорционально числу сосчитанных счетчиком 22 тактовых импульсов, то есть длительности кардиоцикла Т, и не меняется в течение следующего кардиоцикла.
Блок 5 определения числа суммируемых дискретных отсчетов модулей разностей первого порядка (фиг.6) работает следующим образом.
Число N суммируемых дискретных отсчетов модулей разностей первого порядка пропорционально квадратному корню из длительности кардиоцикла Т. В блоке 4 длительность кардиоцикла Т представляется в виде пропорционального ей напряжения U. В устройстве 27 осуществляется операция извлечения квадратного корня из входного сигнала Uвх, который пропорционален длительности кардиоцикла Т. Выходной сигнал устройства 27 извлечения квадратного корня пропорционален . Цифровое представление этого сигнала 
устройства извлечения корня 27 дает число N, определяющее, сколько значений модулей разностей первого порядка суммируется в блоке суммирования 9. Преобразование сигнала Uвых в двоичный код реализовано с помощью функционально законченного АЦП 28 (например, типа 1113ПВ1). Адреса N значений модулей разностей первого порядка, хранящихся в блоке 8 и подлежащих суммированию в блоке 9, можно сформировать с помощью двоичного счетчика 29 (фиг.6). Счетчик 29 устанавливается в исходное нулевое состояние импульсами (Уст. 0), поступающими со второго выхода блока дискретизации 3 с периодом дискретизации Δt. На счетный вход счетчика 29 поступают через схему И 30 тактовые импульсы (ТИ) с периодом ТT≤Δt/Nмакс с выхода генератора ТИ 33. На разрядных выходах счетчика 29, являющихся выходом блока 5, формируется код адреса, значение которого возрастает на единицу при поступлении на счетный вход каждого тактового импульса. Код каждого адреса сравнивается схемой сравнения 31 с кодом числа N, присутствующим на выходе АЦП в течение очередного кардиоцикла. При равенстве кодов на выходе «=» схемы сравнения 31 формируется сигнал высокого уровня, который инвертируется инвертором 32 и блокирует прохождение через схему И 30 тактовых импульсов с выхода генератора импульсов 33 на счетный вход двоичного счетчика 31.
За время между установкой счетчика 29 в «0» и остановкой счета при достижении числа N с разрядных выходов счетчика в блок суммирования 9 поочередно выдаются адреса N отсчетов модулей разностей первого порядка, хранящихся в блоке запоминания 8, обеспечивая суммирование последних в течение одного периода дискретизации. С началом очередного периода дискретизации счетчик 29 (фиг.6) обнуляется и начинает новый цикл формирования адресов. В блоке 8 запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка при этом происходит сдвиг информации на один шаг (см. ниже), поэтому из числа суммируемых значений модулей разностей первого порядка исключается первое и добавляется очередное.
В блоке 8 запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка осуществляются запоминание М отсчетов модулей разностей первого порядка и операции исключения на каждом очередном шаге дискретизации из числа запомненных отсчетов модулей разностей первого порядка ближайшего к началу кардиоцикла отсчета и добавления очередного, вновь сформированного отсчета. Блок 8, как отмечено выше, рассчитан на запоминание М отсчетов модулей разностей первого порядка. Поскольку заранее неизвестно число N суммируемых значений модулей разностей первого порядка (это число определяется в блоке 5 для каждого очередного кардиоцикла), для надежной работы устройства должно выполняться условие М≥Nмакс.
Поскольку удобнее запоминать цифровые сигналы, на входе блока 8 может быть включен аналого-цифровой преобразователь 35, выполненный, например, на упомянутой ранее микросхеме 1113ПВ1 (фиг.7). Запоминание М значений модулей разностей первого порядка осуществлено с помощью сдвигающего регистра 36.
Работа блока 8 запоминания модулей разностей первого порядка заключается в следующем. АЦП 35 на каждом очередном шаге дискретизации включается в режим преобразования сигналом «Пуск», сформированным из дискретных отсчетов ЭКС формирователем 34, и преобразует значение каждого из модулей разностей первого порядка, поступающих из блока 7, в двоичный код. Разрядные выходы АЦП 35 подключены к соответствующим входам данных (D) регистра 36. Запись данных в регистр осуществляется при появлении сигнала «Готовность» на выходе АЦП 35 «Конец преобразования». Первым в регистр 36 в ячейку с номером 1 записывается двоичный код отсчета модуля разности первого порядка, расположенного первым после точки начала кардиоцикла. На каждом очередном шаге дискретизации этот код продвигается по регистру из ячейки в ячейку. После заполнения всех М ячеек регистра 36 в ячейке с номером М будет записан двоичный код отсчета модуля разности первого порядка, расположенного ближе к началу кардиоцикла, чем отсчеты, коды которых записаны в ячейки с номерами М-1, М-2,..., 1. Для суммирования в блоке 9 будут использоваться коды N отсчетов, хранящиеся в ячейках регистра с номерами М, М-1, М-2,..., M-N. На каждом очередном шаге дискретизации в ячейку регистра с номером 1 будет записан код очередного отсчета модуля разности первого порядка, содержимое каждой ячейки переместится в соседнюю ячейку, а из регистра будет исключен хранившийся в ячейке с номером М код ближайшего к началу кардиоцикла отсчета модуля разности первого порядка.
Операция формирования суммы N отсчетов на каждом шаге дискретизации реализуется в блоке суммирования 9. Работа блока суммирования 9 заключается в следующем. На каждом шаге дискретизации складывается N модулей разностей первого порядка, поступающих из блока 8. Поочередная их подача на вход А сумматора 38 (фиг.8) обеспечивается с помощью мультиплексора 37, число входов которого равно М, т.е. числу ячеек памяти блока 8 запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка. На адресные входы (группа входов А) мультиплексора 37 из блока 5 в течение каждого периода дискретизации Δt поочередно поступают адреса N ячеек памяти блока 8, где хранятся значения модулей разностей первого порядка, которые поступают на входы данных (группа входов D) мультиплексора 37. При этом на выход мультиплексора 37 и далее на сумматор 38 проходят только N модулей разностей первого порядка. Запись в RG1 39 каждого накапливаемого значения суммы осуществляется импульсами «Запись 1», следующими с таким же периодом, как и тактовые импульсы счетчика 29 в блоке 5. Полученное в результате сложения на каждом шаге дискретизации очередных N модулей разностей первого порядка значение суммы записывается в регистр RG2 40. Период следования импульсов «Запись 2» равен периоду дискретизации Δt. Импульсы «Запись 1» и «Запись 2» могут формируются генератором импульсов 41. Выход регистра RG2 40 является выходом блока суммирования.
Поскольку для определения порогового уровня используется максимальное значение суммы, в блоке 10 осуществляются операции сравнения на каждом шаге дискретизации полученного текущего значения суммы модулей разностей первого порядка с предыдущим и запоминание большего из них и формирование порогового уровня. Текущее значение суммы S поступает на входы А схемы сравнения 42 двух двоичных чисел и мультиплексора MX 44 (фиг.9), на входы В которых поступает с выходов первого регистра RG1 45 представленное двоичным числом значение суммы, запомненное на предыдущем шаге дискретизации. Если текущее значение суммы больше предыдущего значения, хранящегося в регистре RG1 45, то на выходе «А>В» схемы сравнения 42 появляется высокий потенциал, который поступает на вход разрешения VA мультиплексора MX 44. При этом на выход MX 44 и далее на вход регистра RG1 45 проходит сигнал с входа А мультиплексора, т.е. текущее значения суммы, которое записывается в регистр 45 сигналом «Запись1», следующим с периодом Δt. При этом хранящееся в регистре 45 значение суммы заменяется большим значением. Если же текущее значение суммы меньше предыдущего или равно ему, то объединенные по ИЛИ схемой ИЛИ 43 сигналы высокого уровня с выхода «А<В» и «А=В» поступают на вход разрешения VB мультиплексора 44. При этом на выход MX 44 и далее на вход регистра RG1 45 проходит сигнал с входа В мультиплексора, т.е. значение суммы, хранящееся в регистре 45. Таким образом, в регистре RG1 45 все время остается максимальное значение суммы N модулей разностей первого порядка Sмакс.
Пороговый уровень, сформированный из Sмакс, может быть представлен как в цифровом, так и в аналоговом виде.
В первом случае сигнал Sмакс переписывается из RG1 45 в RG2 47 сигналом «Запись 2», следующим так же, как и сигнал «Запись 1» с периодом Δt, и из выходного сигнала RG2 47 исключается несколько младших разрядов. Тогда при, например, 8-разрядном представлении Sмакс исключение от 5 до 3 младших разрядов позволяет сформировать пороговый уровень (0.87-0.97) Sмакс. Сигналы «Запись 1» и «Запись 2» могут быть сформированы генератором импульсов 46.
Во втором случае двоичное число Sмакс преобразуется с помощью ЦАП 48 (показано на фиг.9 пунктиром) в аналоговый сигнал, из которого с помощью резистивного делителя 49 формируется пороговый уровень.
Ключевое устройство 12 предназначено для пропускания на выход устройства только дискретных отсчетов электрокардиосигнала, принадлежащих ST-сегменту. Поскольку отсчеты кардиосигнала, формируемые блоком дискретизации 3, являются непрерывной функцией (напряжением) дискретного аргумента (времени), то ключевое устройство 12 может быть выполнено как аналоговый ключ, например на микросхеме 590КН5 [8]. Ключевой элемент 50 (фиг.10) микросхемы 590КН5 замыкается (соединяет входную цепь, подключенную к выводу 3 микросхемы с выходной цепью, подключенной к выводу 2 микросхемы на фиг.10) при низком уровне сигнала на управляющем входе 1 (фиг.10). Поскольку на выходе блока сравнения 11 формируется сигнал высокого уровня, как показано на фиг.11,г, необходимо перед входом 1 включить инвертор (фиг.10 инвертор 51). Таким образом, когда текущие значения суммы N отсчетов модулей разностей первого порядка превышают пороговый уровень (фиг.11, в), на выходе блока сравнения формируется сигнал управления ключевым устройством (фиг.11, г), под действием которого последнее пропускает на выход устройства в целом только отсчеты электрокардиосигнала, принадлежащие ST-сегменту.
Технико-экономический эффект предложенного способа и устройства для его осуществления заключается в повышении надежности выделения в реальном времени ST-сегмента электрокардиосигнала независимо от возможных отклонений от нормы параметров QRS-комплекса (формы, амплитуды, длительности) и вариабельности сердечного ритма. Надежное выделение ST-сегмента способствует улучшению условий его дальнейшей обработки (определения смещения относительно изолинии, наклона, выпуклости или вогнутости и т.п.), что в свою очередь обеспечивает более качественное диагностирование возможных заболеваний сердечно-сосудистой системы человека.
Литература
1. Патент РФ 2026637, кл. А 61 В 5/04.
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. С.194-204.
3. Bazett H.S. An analysis of time relations of electrocardiograms. Heart 1920; 7:353-376.
4. Милева К.Н. Разработка и исследование методов автоматического анализа ST-сегмента электрокардиограммы в реальном масштабе времени / Автореф. ЛЭТИ, Л., 1989, С.12, 13.
5. Патент РФ 2195164, кл. А 61 В 5/00.
6. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. М.: Мир, 1982. с.164-167, рис.11.44 и 11.47.
7. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 2000. с.89. Рис.2.33.
8. Микросхемы для бытовой аппаратуры: Справочник / И.В.Новаченко, В.М.Петухов, И.П.Блудов, А.В.Юровский. М.: Радио и связь, 1989, с.258, 259.
1. Способ выделения ST-сегмента электрокардиосигнала в реальном времени, заключающийся в том, что электрокардиосигнал (ЭКС) фильтруют, корректируют дрейф изолинии, исключают из анализа нетипичные формы сокращений, дискретизируют по времени, выделяют начало и измеряют длительность Т каждого кардиоцикла, отличающийся тем, что на каждом очередном шаге дискретизации из пары следующих друг за другом отсчетов электрокардиосигнала формируют отсчеты разностей первого порядка, затем формируют отсчеты модулей разностей первого порядка и запоминают N отсчетов модулей разностей первого порядка, следующих после отсчета ЭКС, соответствующего началу кардиоцикла, причем число N определяется соотношением
где Т - длительность кардиоцикла, Δt - период дискретизации, суммируют запомненные значения модулей разностей первого порядка, далее на каждом очередном шаге дискретизации по времени исключают из числа запомненных отсчетов модулей разностей первого порядка первый ближайший к началу кардиоцикла отсчет и добавляют очередной вновь сформированный, для новой совокупности запомненных отсчетов формируют сумму модулей разностей первого порядка, при этом на каждом шаге дискретизации сравнивают полученное текущее значение суммы модулей разностей первого порядка с предыдущим и запоминают большее из них, а в случае равенства последнее, по максимальному из запомненных значению суммы формируют пороговый уровень, сравнивают текущие значения суммы модулей разностей первого порядка с пороговым уровнем и момент времени, в который значение суммы становится равным или больше порогового уровня, принимают за начало ST-сегмента, а момент времени, в который значение суммы, до этого превышавшее пороговый уровень, становится равно или меньше порогового уровня, принимают за окончание ST-сегмента, отрезок времени между началом и окончанием ST-сегмента принимают за длительность ST-сегмента ЭКС.
2. Устройство для выделения ST-сегмента электрокардиосигнала в реальном времени, содержащее последовательно соединенные блок формирования электрокардиосигнала, блок первичной обработки электрокардиосигнала, выполненный с возможностью осуществления усиления, фильтрации, коррекции дрейфа изолинии и исключения из анализа нетипичных форм сокращений, и блок дискретизации, первый выход которого соединен с входом блока выделения точки начала кардиоцикла и измерения его длительности, отличающееся тем, что в устройство введены блок формирования разностей первого порядка, блок формирования модулей разностей первого порядка, блок запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка, блок определения числа суммируемых отсчетов модулей разностей первого порядка, блок суммирования, блок формирования порогового уровня, блок сравнения и ключевое устройство, причем первый выход блока дискретизации подключен к входу блока формирования разностей первого порядка и к первому входу ключевого устройства, второй выход блока дискретизации соединен с первым входом блока определения числа суммируемых дискретных отсчетов модулей разностей первого порядка, второй вход которого соединен с выходом блока выделения точки начала кардиоцикла и измерения его длительности, а выход - соединен с первым входом блока суммирования, выход блока формирования разностей первого порядка соединен с входом блока формирования модулей разностей первого порядка, выход которого соединен с входом блока запоминания отсчетов модулей разностей первого порядка, выход которого соединен со вторым входом блока суммирования, выход которого соединен с входом блока формирования порогового уровня и первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования порогового уровня, а выход - соединен со вторым входом ключевого устройства, выход которого является выходом устройства.
