Способ выделения начала кардиоцикла в реальном времени и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано для измерения длительности кардиоцикла, сегментации сигнала, а также в методиках анализа вариабельности сердечного цикла. Способ заключается в том, что электрокардиосигнал фильтруют, дискретизируют по времени, формируют пороговые уровни и осуществляют сравнение значения каждого дискретного отсчета электрокардиосигнала с этими уровнями. Подсчитывают число поочередно взятых отсчетов, находящихся между пороговыми уровнями, причем в случае достижения в результате подсчета числа n принимают за начало опорную точку очередного кардиоцикла положение n-го дискретного отсчета электрокардиосигнала на оси времени, а в случае выхода значений дискретных отсчетов за пороговые уровни раньше, чем достигнуто при подсчете заданное число n, подсчет начинают снова с нуля. Для определения числа счета n дополнительно формируют два пороговых уровня, один уровень устанавливают выше нулевой линии на половину значения амплитуды Т-зубца, а другой - ниже нулевой линии на то же значение. Осуществляют сравнение значения каждого дискретного отсчета ЭКС с данными пороговыми уровнями и подсчитывают число поочередно взятых отсчетов, находящихся между этими уровнями. В каждом кардиоцикле определяют максимальное такое число Nm, причем число счета n принимается равным половине этого значения Nm. Устройство содержит фильтр, аналоговый ключ, генератор тактовых импульсов, четыре компаратора, четыре источника пороговых уровней, четыре схемы И, два счетчика импульсов, цифровой компаратор, блок формирования максимального значения и умножитель. Изобретение обеспечивает повышение достоверности определения начала кардиоцикла при наличии аритмии и вариациях формы QRS-комплекса. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано для измерения длительности кардиоцикла, сегментации сигнала, а также в методиках анализа вариабельности сердечного цикла. Способ, реализованный в устройстве, обеспечивает повышение достоверности определения начала кардиоцикла.

В системах автоматической оценки параметров электрокардиосигнала (ЭКС), в частности, в устройствах холтеровского мониторирования, одной из основных задач является оценка степени вариабельности сердечного цикла, т.е. выявление наличия аритмий, которые являются диагностическим показателем нарушений деятельности сердечно-сосудистой системы, в частности, нарушение проводимости прохождения импульсов возбуждения водителя ритма. При этом необходимым условием проведения диагностики является достоверное определение начала кардиоцикла или выделение так называемой опорной точки.

Известен способ, реализованный в устройстве [1], заключающийся в том, что выделяют R-зубец, по амплитуде которого формируют пороговый уровень для ЭКС. В момент пересечения кардиосигнала с пороговым уровнем формируют опорную точку.

Недостатками данного способа являются:

1. В ряде случаев амплитуда зубца R QRS комплекса может быть сравнима с амплитудой зубца Т (это выявлено в первом стандартном отведении даже у пациентов с нормальной электрокардиограммой), что затрудняет надежное выделение QRS комплекса.

2. В ЭКС с расщепленным зубцом R надежность выделения начала кардиоцикла снижается.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипу) является способ выделения начала кардиоцикла [2], заключающийся в том, что сигнал усиливают, фильтруют, дискретизируют. После дискретизации ЭКС его дискретные отсчеты сравнивают с двумя пороговыми уровнями. Один уровень устанавливают выше нулевой линии на половину значения амплитуды Р зубца, а другой - ниже нулевой линии на то же значение. Если амплитуда очередного отсчета оказывается между пороговыми уровнями, то начинают счет числа таких отсчетов. При достижении в результате счета заданного числа n принимают за начало очередного кардиоцикла положение на оси времени последнего из сосчитанных, то есть n-го дискретного отсчета. Если же амплитуда очередного дискретного отсчета ЭКС выйдет за пороговые уровни раньше, чем при счете достигнуто число n, то счет начинают заново.

Недостатком данного способа является следующее. Использование постоянного значения числа счета, определяемое на основании статистических данных, снижает надежность выделения начала кардиоцикла при изменении длительности кардиоцикла, в частности, при наличии аритмии. Если число счета n больше длительностей сегментов ТР и ST, например, при увеличении частоты сердечных сокращений и соответственном уменьшении указанных длительностей, то счет отсчетов ЭКС не достигнет значения n, и очередная опорная точка будет пропущена.

Предлагаемый способ выделения опорной точки в каждом кардиоцикле позволяет устранить указанный недостаток прототипа.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Для определения числа счета n дополнительно формируют два пороговых уровня, один уровень устанавливают выше нулевой линии на половину значения амплитуды Т-зубца, а другой - ниже нулевой линии на то же значение, осуществляют сравнение значения каждого дискретного отсчета ЭКС с данными пороговыми уровнями, подсчитывают число поочередно взятых отсчетов, находящихся между этими уровнями, и в каждом кардиоцикле определяют максимальное такое число Nm, причем число счета n принимается равным половине этого значения Nm.

Сформировать число счета n можно, используя тот факт, что длительность кардиоцикла практически никогда не меняется скачком. Для определения числа счета дополнительно формируют пороговые уровни ±Δ₂, равные, например, половине амплитуды Т-зубца. Поскольку амплитуда Т-зубца больше амплитуды Р-зубца, то . Параллельно осуществляют сравнение каждого отсчета ЭКС с пороговыми уровнями ±Δ₁, ±Δ₂. Если амплитуда очередного отсчета оказывается между пороговыми уровнями ±Δ₂, то начинают счет числа таких отсчетов. Если же амплитуда очередного дискретного отсчета ЭКС выйдет за пороговые уровни ±Δ₂, то счет начинают заново. В каждом кардиоцикле определяют максимальное число соседних отсчетов Nm, расположенных между пороговыми уровнями ±Δ₂. Это число будет больше числа отсчетов, содержащихся в ТР сегменте. Поэтому значение числа счета n для следующего кардиоцикла принимается равным n=k·Nm, где k - коэффициент пропорциональности меньше 1. Для практической реализации k можно принять равным 0,5. Если амплитуда очередного отсчета оказывается между пороговыми уровнями ±Δ₁, то начинают счет числа таких отсчетов. При достижении в результате счета отсчетов между пороговыми уровнями ±Δ₁ числа n принимают за начало очередного кардиоцикла положение на оси времени последнего из сосчитанных, то есть n-го дискретного отсчета (фиг.1). Если же амплитуда очередного дискретного отсчета ЭКС выйдет за пороговые уровни ±Δ₁ раньше, чем при счете достигнуто число n, то счет начинают заново.

Предложенный способ позволяет более достоверно, по сравнению с известным способом (прототипом), выделить начало кардиоцикла для широкого класса электрокардиограмм с различными модификациями формы элементов при наличии аритмии.

Поясним принцип достижения технического результата за счет выполнения предложенных выше действий с электрокардиосигналом.

Сущность изобретения и возможный вариант реализации предложенного способа поясняется следующим графическим материалом:

- фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего предложенный способ;

- фиг.3 - вариант реализации блока 19 формирования максимального значения;

- фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства в целом.

Для достижения технического результата, заключающегося в повышении достоверности выделения начала кардиоцикла при наличии аритмии и вариациях формы QRS-комплекса, и реализации предложенного способа в устройство, содержащее фильтр, вход которого является входом устройства, а выход подключен к информационному входу аналогового ключа, вход управления которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход аналогового ключа соединен с инвертирующим входом первого компаратора и с неинвертирующим входом второго компаратора, к неинвертирующему входу первого компаратора подключен первый источник порогового уровня, а к инвертирующему входу второго компаратора подключен второй источник порогового уровня, выходы первого и второго компараторов соединены с первым и вторым входами первой схемы И, выход которой подключен к первому входу второй схемы И, и к входу установки нуля первого счетчика импульсов, второй вход второй схемы И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - со счетным входом первого счетчика импульсов, дополнительно введены цифровой компаратор, третий и четвертый компараторы, третий и четвертый формирователи пороговых уровней, третья и четвертая схемы И, второй счетчик импульсов, блок формирования максимального значения, умножитель, причем выход аналогового ключа соединен с инвертирующим входом третьего компаратора и с неинвертирующим входом четвертого компаратора, к неинвертирующему входу третьего компаратора подключен третий источник порогового уровня, а к инвертирующему входу четвертого компаратора подключен четвертый источник порогового уровня, выходы третьего и четвертого компараторов соединены с первым и вторым входами третьей схемы И, выход которой подключен к первому входу четвертой схемы И, к входу установки нуля второго счетчика импульсов, и к первому управляющему входу блока формирования максимального значения, второй вход четвертой схемы И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - со счетным входом второго счетчика импульсов, разрядные выходы которого подключены к информационному входу блока формирования максимального значения, выход последнего соединен с входом умножителя, выход первого счетчика импульсов соединен с первым входом цифрового компаратора, второй вход цифрового компаратора подключен к выходу умножителя, выход цифрового компаратора соединен со вторым управляющим входом формирователя максимального значения и является выходом устройства.

Устройство состоит (фиг.2) из фильтра 1, аналогового ключа 2, генератора тактовых импульсов (ГТИ) 3, компараторов 4, 5, 12, 13, формирователей пороговых уровней 6, 7, 14, 15, схем И 8, 9, 16, 17, счетчиков 10, 18, цифрового компаратора 11, блока 19 формирования максимального значения, умножителя 20.

На вход фильтра 1, являющегося входом устройства, поступает электрокардиосигнал. Выход фильтра соединен с информационным входом аналогового ключа 2, вход управления которого подключен к выходу ГТИ, информационный выход ключа 2 соединен с инвертирующими входами первого 4 и третьего 12 компараторов и с неинвертирующими входами второго 5 и четвертого 13 компараторов, к неинвертирующему входу первого компаратора 4 подключен источник 6 порогового уровня +Δ₁, а к инвертирующему входу второго компаратора 5 подключен источник 7 порогового уровня -Δ₁, к неинвертирующему входу третьего компаратора 12 подключен источник 14 порогового уровня +Δ₂, а к инвертирующему входу четвертого компаратора 13 подключен источник 15 порогового уровня -Δ₂. Выход первого компаратора 4 соединен с первым входом первой схемы И 8, а выход второго компаратора 5 - со вторым входом этой схемы, выход первой схемы И 8 подключен к первому входу второй схемы И 9 и к входу "Счет" (С) счетчика 12, второй вход схемы И 9 соединен с выходом ГТИ 3, выход схемы И 9 соединен с входами "Установка нуля" (R) счетчика 12 и триггера 14, вход "Счет" (С) счетчика 10 подключен к выходу ГТИ 3, разрядные выходы счетчика 10 подключены к соответствующим входам цифрового компаратора 11, выход которого является выходом устройства. Выход третьего компаратора 12 соединен с первым входом третьей схемы И 16, а выход четвертого компаратора 13 - со вторым входом этой схемы, выход третьей схемы И 16 подключен к первому входу четвертой схемы И 17, к входу "Счет" (С) второго счетчика 18 и к первому управляющему входу блока 19 формирования максимального значения, второй вход четвертой схемы И 17 соединен с выходом ГТИ 3, выход схемы И 17 подключен к входу "Счет" (С) второго счетчика 18, разрядные выходы которого соединены с соответствующими разрядными информационными входами блока 19 формирования максимального значения, выход последнего подключен к входу умножителя 20, выход умножителя 20 соединен с вторым входом (В) цифрового компаратора, выход которого подключен к второму управляющему входу блока 19 формирования максимального значения.

Блок 19 формирования максимального значения может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.3. Он содержит регистр 21 и триггер 22. Вход "Входные данные" (D) регистра 21 является информационным входом блока 19. Выход "Выходные данные" (Q) схемы 21 является выходом блока 19 формирования максимального значения. Первый и второй управляющие входы данного блока являются входами "Сброс" (R) и "Установка" (S) триггера 22 соответственно. Выход триггера соединен с входом "Счет" (С) регистра 21.

Устройство работает следующим образом. ЭКС очищается фильтром 1 от низкочастотных аддитивных помех (дрейф изолинии, наводка промышленной частоты 50 Гц) и поступает на первый (информационный) вход аналогового ключа 2, с помощью которого осуществляется преобразование непрерывного сигнала в дискретный. Под действием импульсных сигналов, имеющих период повторения, равный периоду дискретизации, и поступающих с выхода генератора 3 тактовых импульсов (сигналы ГТИ на фиг.4) на второй (управляющий) вход, аналоговый ключ 2 периодически замыкается и на его выходе формируются дискретные отсчеты электрокардиосигнала (сигналы "Отсчеты ЭКС" на фиг.4). Компараторы 4 и 5 сравнивают амплитуды каждого отсчета соответственно с положительным пороговым уровнем и отрицательным пороговым уровнем (уровни +Δ₁ и -Δ₁ на фиг.4, б). Если амплитуды отсчетов не выходят за пороговые уровни, на выходах компараторов устанавливаются сигналы высокого уровня, в противном случае - сигналы низкого уровня. Схема И 8 является для сигналов низкого уровня схемой ИЛИ, поэтому сигнал низкого уровня появляется на выходе схемы И 8 каждый раз, когда амплитуды отсчетов ЭКС превышают пороговые уровни (сигнал "Уст.0 сч.10" на фиг.4, в). Этот сигнал поступает на вход "Установка нуля" (R) счетчика 10 и устанавливает последний в начальное нулевое состояние всякий раз, когда амплитуды дискретных отсчетов превысят пороговые уровни. Когда же амплитуды дискретных отсчетов ниже пороговых уровней, на выходе схемы И 8 присутствует сигнал высокого уровня, который поступает на первый вход схемы И 9 и разрешает прохождение на ее выход тактовых импульсов с выхода генератора 3 тактовых импульсов (сигналы "Счет сч.10" на фиг.4, г). Импульсы, прошедшие через схему И 9 на вход "Счет" (С), считаются счетчиком 10. На фиг.4, д в качестве примера приведены выходные сигналы четырехразрядного двоичного счетчика (сигналы "Выходы счетчика 10"). Соответствующие разрядные выходы счетчика 10 подключены к входам цифрового компаратора И 11. Выходной сигнал этого счетчика посредством цифрового компаратора 11 сравнивается с выходным сигналом умножителя 20, равного числу счета n. Когда счетчик сосчитает это число n, на выходе цифрового компаратора 11 появится сигнал высокого уровня (фиг.4, л). Начало этого импульса принимается за начало очередного кардиоцикла. С приходом следующего отсчета ЭКС выходной сигнал счетчика 10 увеличивается на 1, и на выходе цифрового компаратора 11 появится сигнал низкого уровня.

Компараторы 12 и 13 сравнивают амплитуды каждого отсчета соответственно с положительным пороговым уровнем и отрицательным пороговым уровнем (уровни +Δ₂ и -Δ₂ на фиг.4, б). Если амплитуды отсчетов не выходят за пороговые уровни, на выходах компараторов устанавливаются сигналы высокого уровня, в противном случае - сигналы низкого уровня. Схема И 16 является для сигналов низкого уровня схемой ИЛИ, поэтому сигнал низкого уровня появляется на выходе схемы И 16 каждый раз, когда амплитуды отсчетов ЭКС превышают пороговые уровни (сигнал "Уст.0 сч.18" на фиг.4, е). Этот сигнал поступает на вход "Установка нуля" (R) счетчика 18 и устанавливает последний в начальное нулевое состояние всякий раз, когда амплитуды дискретных отсчетов превысят пороговые уровни. Когда же амплитуды дискретных отсчетов ниже пороговых уровней, на выходе схемы И 16 присутствует сигнал высокого уровня, который поступает на первый вход схемы И 17 и разрешает прохождение на ее выход тактовых импульсов с выхода генератора 3 тактовых импульсов (сигналы "Счет сч.18" на фиг.4, ж). Импульсы, прошедшие через схему И 17 на вход "Счет" (С), считаются счетчиком 18. На фиг.4, з в качестве примера приведены выходные сигналы пятиразрядного двоичного счетчика (сигналы "Выходы счетчика 18"). Этот сигнал поступает на информационный вход блока 19 формирования максимального значения. В момент перехода сигнала высокого уровня в низкий на выходе схемы 11 блок 19 перейдет в «ждущее» состояние (триггер 22 «опрокидывается» и на его выходе появляется сигнал высокого уровня). В этом состоянии он будет находиться до тех пор, пока на его первом управляющем входе не произойдет переход логического сигнала высокого уровня в низкий. В этот момент, т.е. когда отсчет ЭКС выйдет за пороговые уровни ±Δ₂ и на выходе блока 16 появится сигнал низкого логического уровня, блок 19 перейдет в исходное состояние и запомнит значение входного сигнала, которое появится на его выходе (триггер 22 перейдет в исходное состояние и на его выходе произойдет переход логического сигнала высокого уровня в низкий, регистр 21 запомнит входной сигнал) (фиг.4, и). Выходной сигнал блока 19 поступает на умножитель 20, который формирует выходной сигнал, пропорциональный входному с коэффициентом пропорциональности меньше 1 (фиг.4, к) (на фиг.4, и, к для простоты понимания представлены аналоговые сигналы, эквивалентные цифровым) [3].

Реализовать данное устройство можно на основе микросхем 555 серии. Например, в качестве цифрового компаратора 11 можно использовать микросхему К555СП1, схемы И 16, 17 - К555ЛИ1, счетчик 18 - К555ИЕ19, регистр 21 - К555ИР43, триггер 22 - К555ТР2. Если коэффициент пропорциональности умножителя 20 равен, например, 0.5, то этот блок можно реализовать, например, на сдвиговом регистре микросхемы К555ИР10. Аналоговые компараторы 12, 13 можно реализовать на операционных усилителях, например, микросхеме КР1049УД1 [4].

Технико-экономический эффект предложенного способа и устройства для его осуществления заключается в повышении надежности выделения в реальном времени начала кардиоцикла при наличии аритмии и независимо от возможных отклонений от нормы параметров QRS-комплекса (формы, амплитуды, длительности). Надежное выделение начала кардиоцикла способствует улучшению условий его дальнейшей обработки (определения его длительности, начала и окончания элементов, анализ вариабельности ритма т.п.), что в свою очередь обеспечивает более качественное диагностирование возможных заболеваний сердечно-сосудистой системы человека.

Литература

1. 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.

2. Патент РФ 2195164, А61В 5/02 Способ выделения начала кардиоцикла и устройство для его осуществления /А.А.Михеев// БИ 2002, №36.

3. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 2000, 289 с.

4. Перельман Б.Л., Шевелев В.И. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги. Справочник, «НТЦ Микротех», 1998 г. - 376 с.

1. Способ выделения начала кардиоцикла в реальном времени, заключающийся в том, что электрокардиосигнал фильтруют, дискретизируют по времени, формируют пороговые уровни, один уровень устанавливают выше нулевой линии на половину значения амплитуды Р-зубца, а другой - ниже нулевой линии на то же значение, и осуществляют сравнение значения каждого дискретного отсчета электрокардиосигнала (ЭКС) с этими уровнями, подсчитывают число поочередно взятых отсчетов, находящихся между пороговыми уровнями, причем в случае достижения в результате подсчета заданного числа n принимают за начало очередного кардиоцикла положение n-го дискретного отсчета электрокардиосигнала на оси времени, а в случае выхода значений дискретных отсчетов за пороговые уровни раньше, чем достигнуто при подсчете заданное число n, подсчет начинают снова с нуля, отличающийся тем, что для определения числа счета n дополнительно формируют два пороговых уровня, один уровень устанавливают выше нулевой линии на половину значения амплитуды Т-зубца, а другой - ниже нулевой линии на то же значение, осуществляют сравнение значения каждого дискретного отсчета ЭКС с данными пороговыми уровнями, подсчитывают число поочередно взятых отсчетов, находящихся между этими уровнями, и в каждом кардиоцикле определяют максимальное такое число Nm, причем число счета n принимается равным половине этого значения Nm.

2. Устройство для выделения начала кардиоцикла в реальном времени, содержащее фильтр, вход которого является входом устройства, а выход подключен к информационному входу аналогового ключа, вход управления которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход аналогового ключа соединен с инвертирующим входом первого компаратора и с неинвертирующим входом второго компаратора, к неинвертирующему входу первого компаратора подключен первый источник порогового уровня, а к инвертирующему входу второго компаратора подключен второй источник порогового уровня, выходы первого и второго компараторов соединены с первым и вторым входами первой схемы И, выход которой подключен к первому входу второй схемы И, и к входу установки нуля первого счетчика импульсов, второй вход второй схемы И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - со счетным входом первого счетчика импульсов, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены цифровой компаратор, третий и четвертый компараторы, третий и четвертый формирователи пороговых уровней, третья и четвертая схемы И, второй счетчик импульсов, блок формирования максимального значения, умножитель, причем выход аналогового ключа соединен с инвертирующим входом третьего компаратора и с неинвертирующим входом четвертого компаратора, к неинвертирующему входу третьего компаратора подключен третий источник порогового уровня, а к инвертирующему входу четвертого компаратора подключен четвертый источник порогового уровня, выходы третьего и четвертого компараторов соединены с первым и вторым входами третьей схемы И, выход которой подключен к первому входу четвертой схемы И, к входу установки нуля второго счетчика импульсов и к первому управляющему входу блока формирования максимального значения, второй вход четвертой схемы И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - со счетным входом второго счетчика импульсов, разрядные выходы которого подключены к информационному входу блока формирования максимального значения, выход последнего соединен с входом умножителя, выход первого счетчика импульсов соединен с первым входом цифрового компаратора, второй вход цифрового компаратора подключен к выходу умножителя, выход цифрового компаратора соединен со вторым управляющим входом формирователя максимального значения и является выходом устройства.