СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ НАЧАЛА КАРДИОЦИКЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК A61B5/02 

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано для определения начала очередного кардиоцикла при анализе временных параметров электрокардиосигнала (ЭКС), выполняемом как аппаратными, так и программными средствами.

Наиболее распространены в настоящее время способы выделения начала кардиоцикла, основанные на обнаружении QRS комплекса, которые подразделяют на аналоговые, цифровые и комбинированные.

Известен способ выделения R-R интервалов [1], заключающийся в выполнении следующей последовательности действий. ЭКС фильтруют, осуществляют двухполупериодное выпрямление для исключения пропуска QRS комплекса при отрицательном зубце R, детектируют с помощью пикового детектора, из детектированного сигнала формируют порог сравнения, с которым сравнивают ЭКС, момент сравнения ЭКС с пороговым уровнем принимают за начало очередного R-R интервала (кардиоцикла).

Данный способ имеет ряд недостатков. Поскольку все преобразования выполняются с аналоговыми сигналами, способ не отличается высокими помехоустойчивостью и стабильностью. Попытка реализовать этим способом выявитель R-R интервалов, к которому предъявляются повышенные требования по помехоустойчивости, стабильности и точности детектирования R зубца, приводит к ухудшению массогабаритных показателей устройства, что связано с увеличением порядка фильтров и применением более сложного узла детектирования R зубца.

Этих недостатков лишены способы выделения R-R интервалов, основанные на цифровой обработке ЭКС [2]. Для перехода к цифровой обработке ЭКС преобразуют из аналогового сначала в дискретный, а затем в цифровой сигнал. Преобразование аналогового сигнала в дискретный осуществляют с помощью операции дискретизации, при которой непрерывный сигнал заменяют совокупностью дискретных отсчетов (выборок), взятых через интервалы времени, определяемые известной теоремой В. А. Котельникова и требуемой точностью представления непрерывного сигнала дискретными отсчетами. Отличие от описанного выше способа [1] заключается в двух новых операциях: дискретизации и квантовании ЭКС. Дальнейшие действия по выделению R-R интервалов схожи с действиями при аналоговом способе. ЭКС фильтруют, дифференцируют, чтобы обострить QRS комплекс, вычисляют модули дискретных отсчетов, то есть выпрямляют, и выделяют QRS комплекс. В ряде случаев оказывается проще выполнить фильтрацию кардиосигнала аналоговыми методами, а непосредственное выделение QRS-комплексов осуществлять цифровыми методами.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ определения начала кардиоцикла [2], заключающийся в том, что ЭКС фильтруют, затем дискретизируют и преобразуют в цифровой сигнал. Далее для выделения начала кардиоцикла выполняют следующие действия: определяют модуль каждого отсчета ЭКС, формируют пороговый уровень, с которым сравнивают модуль каждого отсчета ЭКС. Момент превышения отсчетом порогового уровня принимают за начало очередного кардиоцикла.

Данному способу присущи следующие недостатки:
1) в ряде случаев амплитуда зубца R QRS комплекса может быть сравнима с амплитудой зубца Т (это выявлено в 1 стандартном отведении даже у пациентов с нормальной электрокардиограммой), что затрудняет надежное выделение QRS комплекса;
2) в кардиограммах с расщепленным зубцом R надежность выделения начала кардиоцикла снижается.

Предлагаемый способ позволяет устранить указанные недостатки и обеспечить надежное выделение начала очередного кардиоцикла.

Анализ электрокардиограмм с различными отклонениями от нормы показал, что при снятии электрокардиограммы в условиях поликлиники или стационара, то есть при спокойном состоянии пациента, наиболее стабильным участком электрокардиосигнала является часть изолинии между зубцами Т и Р. На ЭКС можно выделить еще две области, лежащие на изолинии: сегмент PQ - отрезок от окончания зубца Р до начала зубца Q; сегмент ST - отрезок от конца комплекса QRS до начала зубца Т. Сравнение длительностей указанных отрезков показывает, что в спокойном состоянии пациента длительность отрезка ТР существенно превышает длительность сегмента PQ и сегмента ST. Это обстоятельство и положено в основу предлагаемого способа выделения начала кардиоцикла.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Пропущенный через фильтр нижних частот для устранения низкочастотных помех и очищенный от помехи промышленной частоты с помощью режекторного фильтра или фильтра высоких частот электрокардиосигнал дискретизируют.

Дальнейшие действия можно выполнять как с дискретным сигналом, так и с цифровым сигналом. В последнем случае дискретные отсчеты подвергают операции квантования. Назовем амплитуду дискретного отсчета или соответствующее ей число, полученное в результате квантования при преобразовании дискретного сигнала в цифровой, значением дискретного отсчета и обозначим как D.

После дискретизации ЭКС его дискретные отсчеты (отсчеты в дискретные моменты времени) сравнивают с двумя пороговыми уровнями. В случае работы с дискретными сигналами уровни представляются аналоговыми сигналами постоянного тока с заданной амплитудой, а при работе с цифровыми сигналами - соответствующим этой амплитуде цифровым значением. Один уровень устанавливают на Δ выше нулевой линии, а другой - на Δ ниже нулевой линии. Учитывая временные и амплитудные соотношения между различными частями электрокардиосигнала, значения уровней можно установить равными половине амплитуды зубца. Р. Если амплитуда очередного отсчета D_i+1 оказывается между пороговыми уровнями, то есть |D_i+1|<|Δ|, то начинают счет таких отсчетов D_i+1, D_i+2,..., D_i+n. Обозначим номера этих отсчетов 1, 2,..., n. 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 значения раньше, чем при счете достигнуто число n, то счет начинают заново.

Число n выбирают таким, что значения n при счете можно было бы достигнуть только на отрезке ЭКС между зубцами Т и Р.

Предложенный способ позволяет надежно выделить начало каждого кардиоцикла независимо от возможных отклонений от нормы параметров (формы, амплитуды, длительности) зубцов кардиосигнала, в частности QRS комплекса, что способствует улучшению условий последующей обработки кардиосигнала (вычисление временных параметров отдельных элементов кардиосигнала, вычисление длительности кардиоциклов и т.п.).

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации предложенного способа выделения начала кардиоцикла, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Для достижения технического результата и реализации предложенного способа в устройство, содержащее фильтр, вход которого является входом устройства, аналоговый ключ и генератор тактовых импульсов, осуществляющие преобразование непрерывного сигнала в дискретные отсчеты, источник порогового уровня и компаратор, причем выход фильтра подключен к информационному входу аналогового ключа, управляющий вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, информационный выход аналогового ключа соединен с входом источника порогового уровня, а выход источника порогового уровня соединен с одним из входов компаратора, введены второй компаратор, второй источник порогового уровня, первая, вторая и третья схемы И, счетчик импульсов, причем информационный 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 +Δ, а к инвертирующему входу второго компаратора подключен второй источник опорного уровня -Δ, выход первого компаратора соединен с первым входом первой схемы И, а выход второго компаратора - со вторым входом этой схемы, выход первой схемы И подключен к первому входу схемы И и к входу "Установка нуля" счетчика импульсов, второй вход второй схемы И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход второй схемы И соединен с входом "Счет" счетчика импульсов, разрядные выходы которого подключены к соответствующим входам третьей схемы И, выход которой является выходом устройства.

Устройство для реализации предложенного способа выделения начала кардиоцикла содержит фильтр 1, аналоговый ключ 2, генератора 3 тактовых импульсов (ГТИ), первый 4 и второй 5 компараторы, первый 6 и второй 7 источники порогового уровня, первую 8, вторую 9 и третью 11 схемы И, счетчик импульсов 10.

На вход фильтра 1, являющийся входом устройства, поступает электрокардиосигнал. Выход фильтра соединен с информационным входом аналогового ключа 2, вход управления которого подключен к выходу ГТИ 3, информационный выход ключа 2 соединен с инвертирующим входом первого компаратора 4 и с неинвертирующим входом второго компаратора 5, к неинвертирующему входу первого компаратора 4 подключен источник 6 порогового уровня +Δ, а к инвертирующему входу второго компаратора 5 подключен источник 7 порогового уровня -Δ, 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 "Установка нуля" (R) счетчика 10, второй вход схемы И 9 соединен с выходом ГТИ 3, выход схемы И 9 соединен с входом "Счет" (С) счетчика 10, разрядные выходы счетчика 10 подключены к соответствующим входам третьей схемы И 11, выход которой является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. Электрокардиосигнал очищается фильтром 1 от низкочастотных аддитивных помех и поступает на 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.2), аналоговый ключ 2 периодически замыкается и на его выходе формируются дискретные отсчеты электрокардиосигнала (сигналы "Отсчеты ЭКС" на фиг.2). Компараторы 4 и 5 сравнивают амплитуды каждого отсчета соответственно с положительным пороговым уровнем и отрицательным пороговым уровнем (уровни +Δ и -Δ на фиг.2). 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" на фиг. 2). 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" на фиг.2). Импульсы, прошедшие через схему И 9 на вход "Счет" (С), считаются счетчиком 10. Соответствующие разрядные выходы счетчика 10 подключены к входам схемы И 11. На фиг.2 в качестве примера приведены выходные сигналы четырехразрядного двоичного счетчика (сигналы "Выходы счетчика"). Входы схемы И 11 соединены с выходами счетчика 10 таким образом, чтобы сигнал на выходе этой схемы появлялся только в тот момент времени, когда счетчик сосчитает определенное заданное число n импульсов (в примере на фиг.2 это число равно 8). Число n выбирается на основании априорно известных периода дискретизации и длительностей интервалов PQ, ST и ТР таким образом, чтобы оно могло быть достигнуто счетчиком 10 только на интервале ТР. Начало импульса на выходе схемы И 11 принимается за начало очередного кардиоцикла.

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. 75...77.

2. Подлепецкий Б. И., Торубаров С.В. Анализ метрологических и эксплуатационных характеристик микроэлектронных QRS-детекторов// Измерительная техника. 1990. 7. С. 50, 51.

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии. Дискретные отсчеты электрокардиосигнала (ЭКС) сравнивают с двумя пороговыми уровнями (ПУ), один из которых расположен на некотором расстоянии выше изолинии, а другой - на таком же расстоянии ниже изолинии. В устройстве эта операция реализуется с помощью двух компараторов. Один из входов каждого компаратора подключен к выходу аналогового ключа, на вход которого подается ЭКС, а их вторые входы соединены с выходом соответствующего источника порогового уровня. Дискретные отсчеты ЭКС, не превышающие пороговых уровней, считают с помощью счетчика импульсов. При достижении в результате счета заданного числа n принимают за начало очередного кардиоцикла положение на оси времени n-го дискретного отсчета. Если значение очередного дискретного отсчета выйдет за пороговые уровни раньше, чем при счете достигнуто число n, то счет начинают снова с нуля. Число n выбирают таким образом, чтобы оно могло быть достигнуто только на интервале электрокардиосигнала между зубцами Т и Р. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ выделения начала кардиоцикла, заключающийся в том, что непрерывный электрокардиосигнал фильтруют, представляют его в виде дискретных отсчетов, формируют пороговый уровень, с которым осуществляют сравнение значения каждого дискретного отсчета электрокардиосигнала, отличающийся тем, что формируют второй пороговый уровень, с которым также осуществляют сравнение значения каждого дискретного отсчета электрокардиосигнала, при этом пороговые уровни устанавливают относительно изолинии равными половине амплитуды зубца Р, подсчитывают поочередно взятые отсчеты, находящиеся 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. 2. Устройство для выделения начала кардиоцикла, содержащее фильтр, вход которого является входом устройства, а выход подключен к информационному входу аналогового ключа, вход управления которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, первый источник порогового уровня и первый компаратор, отличающееся тем, что оно снабжено вторым компаратором, вторым источником порогового уровня, тремя схемами И и счетчиком импульсов, причем 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, к входу установки нуля счетчика импульсов, второй вход второй схемы И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - со счетным входом счетчика импульсов, разрядные выходы которого подключены к соответствующим входам третьей схемы И, выход которой является выходом устройства.