УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛОВ Российский патент 2012 года по МПК A61B5/02 A61B5/402 

Изобретение относится к медицине, может быть использовано для регистрации, анализа и передачи электрокардиосигнала (ЭКС).

Известно устройство для регистрации электрокардиосигналов [1], содержащее последовательно соединенные усилитель и аналого-цифровой преобразователь с мультиплексором, а также арифметическое устройство, блок памяти, цифровой модем, анализатор кодов приращения, счетчик номеров кода приращения, первый блок переключения и блок управления, причем вход анализатора кодов приращения соединен с выходом арифметического устройства, первый выход анализатора кодов приращения соединен с первым входом первого блока переключения, второй - с первым входом блока памяти, а управляющий выход - с первым входом счетчика номера кода приращения, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, второй и третий выходы последнего соединены соответственно с управляющим входом первого блока переключения и вторым входом аналого-цифрового преобразователя, при этом выход счетчика номеров кода приращения соединен со вторым входом блока памяти, выход которого соединен со вторым входом первого блока переключения, а выход первого блока переключения - с входом модема.

К недостаткам известного устройства относится то, что регистрация ЭКС проводится только во временной области, при этом не фиксируются временные локализации частотных и энергетических компонент сигнала. В последнее время в клинической практике без учета частотных и энергетических компонент ЭКС не принимается решение о состоянии сердечной деятельности [2].

Известно выбранное в качестве прототипа устройство для регистрации электрокардиосигналов [3], содержащее последовательно соединенные усилитель и аналого-цифровой преобразователь с мультиплексором, а также арифметическое устройство, первый и второй блоки памяти, цифровой модем, анализатор кодов приращения, счетчик номеров кода приращения, первый блок переключения и блок управления, причем вход анализатора кодов приращения соединен с выходом арифметического устройства, первый выход анализатора кодов приращения соединен с первым входом первого блока переключения, второй - с первым входом первого блока памяти, а управляющий (третий) выход - с первым входом счетчика номера кода приращения, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, второй, третий и четвертый выходы последнего соединены соответственно с управляющим (вторым) входом первого блока переключения, вторым входом аналого-цифрового преобразователя, входом второго блока памяти, при этом выход счетчика номеров кода приращения соединен со вторым входом блока памяти, выход которого соединен с третьим входом первого блока переключения, а выход первого блока переключения - с входом модема.

На фигуре 1 приведена блок-схема известного устройства для регистрации электрокардиосигналов.

На фигуре 1 (прототип) цифрами обозначено: 1 - усилитель, 2 - аналого-цифровой преобразователь с мультиплексором, 3 - блок цифровой фильтрации, 4 - блок децимации, 5 - арифметическое устройство, 6 - анализатор кодов приращения, 7 - первый блок переключения, 8 - цифровой модем, 9 - блок управления, 10 - второй блок памяти, 11 - счетчик номера кода приращения, 12 - первый блок памяти.

Как следует из описания работы известного устройства для регистрации электрокардиосигналов, при регистрации ЭКС в известном устройстве осуществляется вейвлет-преобразование ЭКС и, таким образом, фиксируются временные локализации частотных компонент ЭКС. Однако при регистрации ЭКС в известном устройстве базисный вейвлет, с помощью которого осуществляется вейвлет-преобразование ЭКС, заранее определен и поэтому невозможно учесть все локальные особенности и сложную внутреннюю структуру конкретного исследуемого ЭКС, что, в свою очередь, приводит к искажению ЭКС при помехоподавлении.

Покажем это. В общем случае выбор базиса разложения определяется структурными свойствами сигнала [4]. Из теории Шеннона [5] следует, что оптимальным является базис, обеспечивающий минимум энтропии коэффициентов разложения, представляющих распределение энергии сигнала по координатам.

Выбрав соответствующую базисную систему функций, учитывающую особенности сигналов и помех, можно уменьшить или вообще устранить перекрытие их спектров. Тем самым создаются условия для наилучшей фильтрации сигналов и более высокое помехоподавление [6].

Известно, что электрокардиосигнал является нестационарным, и его информативные участки могут иметь различную форму [7]. Поэтому практически невозможно подобрать фиксированный базисный вейвлет, обеспечивающий минимум энтропии коэффициентов разложения и, следовательно, эффективный анализ.

Разложение по любому фиксированному базису нестационарного ЭКС не может обеспечить качественное подавление помех (т.е. устранение помех при минимальном искажении полезного сигнала). Основной причиной ошибок автоматической диагностики в электрокардиологии являются погрешности, допущенные на этапе измерения параметров ЭКС [8]. В свою очередь, погрешности измерений напрямую связаны с качеством устранения помех.

Нестационарность ЭКС и сопровождающих его помех требует применения адаптивных процедур на различных этапах обработки. Поэтому целесообразно на этапе регистрации ЭКС выбрать не фиксированный, а адаптивный базис, учитывающий структуру сигнала, изменчивость его параметров, форму информативных участков, присутствие помех различного вида и интенсивности. Такой анализ ЭКС путем разложений по параметрам исследуемого сигнала обеспечит качественное подавление помех на основе разделения в пространстве признаков информации о помехах и сигнале с последующим использованием только информации о сигнале. Подобный подход позволит эффективно обнаруживать и классифицировать информативные участки сигнала (комплексы, зубцы, интервалы) и измерять их параметры с высокой точностью. Кроме того, функции, полученные в результате адаптивного разложения ЭКС, позволяют выявить скрытые модуляции и области концентрации энергии. Приведенные рассуждения показывают, что помехоподавление в известном устройстве для регистрации электрокардиосигналов является неэффективным.

Недостатком известного устройства является низкое помехоподавление, обусловленное применением фиксированного базиса для разложения ЭКС.

Изобретение направлено на повышение помехоподавления путем применения адаптивного базиса для разложения ЭКС.

Это достигается тем, что в устройство для регистрации электрокардиосигналов, содержащее последовательно соединенные усилитель и аналого-цифровой преобразователь с мультиплексором, а также арифметическое устройство, первый и второй блоки памяти, цифровой модем, анализатор кодов приращения, счетчик номеров кода приращения, первый блок переключения и блок управления, причем вход анализатора кодов приращения соединен с выходом арифметического устройства, первый выход анализатора кодов приращения соединен с первым входом первого блока переключения, второй - с первым входом первого блока памяти, а третий выход - с первым входом счетчика номера кода приращения, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, второй, третий и четвертый выходы последнего соединены соответственно со вторым входом первого блока переключения, вторым входом аналого-цифрового преобразователя, входом второго блока памяти, при этом выход счетчика номеров кода приращения соединен со вторым входом первого блока памяти, выход которого соединен с третьим входом первого блока переключения, а выход первого блока переключения - с входом модема, введены последовательно соединенные блок декомпозиции и второе арифметико-логическое устройство, причем последовательно соединены аналого-цифровой преобразователь с мультиплексором и блок декомпозиции, второе арифметико-логическое устройство и первое арифметическое устройство, при этом второй и третий выходы второго арифметико-логического устройства соединены соответственно со вторым и третьим входами блока декомпозиции, выход второго блока памяти соединен со вторым входом второго арифметико-логического устройства, а пятый и шестой выходы блока управления соединены соответственно с четвертым входом блока декомпозиции и третьим входом второго арифметико-логического устройства.

Кроме того, блок декомпозиции содержит второй блок переключения, первый, второй и третий сумматоры, первый и второй блоки определения экстремума, первый и второй интерполяционные фильтры и регистр, причем последовательно соединены первый сумматор, второй блок переключения, первый блок определения экстремума, первый интерполяционный фильтр, второй и третий сумматоры и регистр, выход которого является выходом блока декомпозиции и соединен со вторым входом второго блока переключения, третий и четвертый входы которого являются первым и третьим входами блока декомпозиции соответственно, выход второго блока переключения также соединен с первым входом второго блока определения экстремума и вторым входом третьего сумматора, выход второго блока определения экстремума соединен с первым входом второго интерполяционного фильтра, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора, второй вход блока декомпозиции соединен со вторым входом первого сумматора, а четвертый вход блока декомпозиции соединен соответственно с третьим входом первого сумматора, с четвертым входом второго блока переключения, со вторыми входами первого и второго блоков определения экстремума, со вторыми входами интерполяционных фильтров, с третьими входами второго и третьего сумматора и вторым входом регистра.

Введенные блоки с их связями проявляют новые свойства, которые позволяют при регистрации ЭКС в адаптивном базисе более качественно подавлять помехи различного вида, эффективно обнаруживать и классифицировать информативные участки ЭКС (комплексы, зубцы, интервалы) и измерять их параметры с высокой точностью. Кроме того, функции, полученные в результате разложения ЭКС в адаптивном базисе (набор эмпирических мод), позволяют выполнить удобное для дальнейшего анализа преобразование, в результате которого сигнал представляется в виде трехмерной поверхности в системе координат энергия-время-частота, показывающей распределение мгновенной энергии в каждой точке частотно-временной плоскости. Такая поверхность увеличивает объем диагностической информации и позволяет получить новые диагностические признаки ЭКС.

Суть предлагаемого изобретения заключается в использовании адаптивного базиса для разложения ЭКС и регистрации кодовых отсчетов его компонент. Если в известном устройстве кодовые отсчеты ЭКС, получаемые в результате вейвлет-преобразования, определяются коэффициентами базисного вейвлета, то в предлагаемом устройстве кодовые отсчеты ЭКС получаются в результате разложения сигнала на эмпирические моды (empirical mode decomposition, ДЭМ) [9-11]. Базис, используемый при разложении, конструируется непосредственно из регистрируемого ЭКС. Это позволяет учесть сложную внутреннюю структуру ЭКС и особенности, свойственные только этому регистрируемому ЭКС. Кроме адаптивности, разложение ДЭМ обладает и другими важными для практических приложений свойствами:

- локальностью, т.е. возможностью учета локальных особенностей сигнала;

- ортогональностью, обеспечивающей восстановление сигнала с заданной точностью;

- полнотой, гарантирующей конечность числа базисных функций при конечной длительности сигнала.

Эмпирические моды (ЭМ) при разложении методом ДЭМ - это монокомпонентные составляющие сигнала, но вместо постоянной амплитуды и частоты, как в простой гармонике, они имеет меняющуюся во времени амплитуду и частоту. ЭМ не имеют строгого аналитического описания, но должны удовлетворять двум условиям [9]:

- общее число экстремумов и число пересечений нуля должны отличаться не более чем на единицу;

- среднее значение двух огибающих - верхней, интерполирующей локальные максимумы, и нижней - интерполирующей локальные минимумы, должно быть приближенно равно нулю.

На фигуре 2 приведена блок-схема предлагаемого устройства для регистрации электрокардиосигналов.

На фигуре 3 приведена блок-схема блока декомпозиции.

На фигуре 4 приведена схема алгоритма декомпозиции ЭКС на эмпирические моды.

На фигуре 5 приведены исходный зарегистрированный ЭКС (а) и набор эмпирических мод ЭКС (б-и).

На фигуре 6 приведены временные диаграммы, поясняющие работу блока декомпозиции.

На фигуре 7 приведены ЭКС с помехой (а) и восстановленные ЭКС с использованием вейвлет-преобразования (б) и метода ДЭМ (в).

На фигуре 8 (а, б) приведены трехмерные поверхности в системе координат энергия-время-частота, построенные по набору эмпирических мод для нормального ЭКС (а) и ЭКС (б) пациента с инфарктом миокарда.

Предлагается при регистрации ЭКС использовать метод декомпозиции на эмпирические моды [9-11], т.е. раскладывать ЭКС по адаптивному ортогональному базису, полученному из самого исследуемого ЭКС.

Устройство для регистрации электрокардиосигналов содержит (см. фигуру 2): 1 - усилитель, 2 - аналого-цифровой преобразователь с мультиплексором, 3 - блок декомпозиции, 4 - второе арифметико-логическое устройство, 5 - первое арифметическое устройство, 6 - анализатор кодов приращения, 7 - первый блок переключения, 8 - цифровой модем, 9 - блок управления, 10 - второй блок памяти, 11 - счетчик номера кода приращения, 12 - первый блок памяти.

Последовательно соединены усилитель 1 и аналого-цифровой преобразователь с мультиплексором 2, блок декомпозиции 3, второе арифметико-логическое устройство 4, первое арифметическое устройство 5, анализатор кодов приращения 6, первый блок переключения 7 и цифровой модем 8. Второй и третий выходы анализатора кодов приращения 6 соединены соответственно с первыми входами счетчика номера кода приращения 11 и первого блока памяти 12, выход которого соединен с третьим входом первого блока переключения 7, а выход счетчика номера кода приращения 11 соединен со вторым входом первого блока памяти 12. Второй и третий выходы второго арифметико-логического устройства 4 соединены соответственно со вторым и третьим входами блока декомпозиции 3, а выход второго блока памяти 10 соединен со вторым входом второго арифметико-логического устройства 4. Выходы блока управления 9 соединены соответственно со вторым входом счетчика номера кода приращения 11, вторым входом первого блока переключения 7, вторым входом аналого-цифрового преобразователя с мультиплексором 2, входом второго блока памяти 10, четвертым входом блока декомпозиции 3 и третьим входом второго арифметико-логического устройства 4.

Усилитель 1 предназначен для усиления сигналов отведений. Аналого-цифровой преобразователь с мультиплексором 2 предназначен для преобразования сигналов отведений из аналогового вида в цифровой вид. Блок декомпозиции 3 предназначен для реализации пошагового режима разложения сигнала на эмпирические моды (ЭМ). Второе арифметико-логическое устройство 4 предназначено для проверки условий останова процесса декомпозиции сигнала, хранения и суммирования полученных ЭМ, пороговой обработки ЭМ для уменьшения интенсивности высокочастотных помех. Первое арифметическое устройство 5 предназначено для формирования разности текущего и предыдущего кодовых отсчетов для каждой ЭМ. Анализатор кодов приращений 6 предназначен для, во-первых, разделения поступившего кода приращения на две части: первая часть состоит из двух младших разряда кода приращения и его знакового разряда (всего 3 разряда), вторая часть - из оставшихся шести старших разрядов кода приращения, и, во-вторых, для анализа второй части поступившего кода приращения. Первый блок переключения 7 предназначен для подключения выхода либо анализатора кодов приращений 6, либо первого блока памяти 12 к входу цифрового модема 8. Цифровой модем 8 предназначен для передачи информации по каналам связи. Блок управления 9 предназначен для синхронизации и управления работой блоков устройства. Второй блок памяти 10 предназначен для хранения пороговых значений останова процесса декомпозиции и пороговой обработки ЭМ. Счетчик номера кода приращения 11 предназначен для определения номера текущего кода приращения. Первый блок памяти 12 предназначен для хранения значений второй части кода приращения при условии отличия от нуля хотя бы одного разряда.

Введенные блок декомпозиции 3 (см. фигуру 3) и второе арифметико-логическое устройство 4 обеспечивают разложение ЭКС по адаптивному ортогональному базису, полученному из самого исследуемого сигнала, что позволяет качественно устранить помехи различного вида; эффективно обнаружить и классифицировать информативные участки ЭКС и измерить их параметры с высокой точностью; получить трехмерную поверхность в системе координат энергия-время-частота, которая показывает распределение мгновенной энергии в каждой точке частотно-временной плоскости, увеличивая объем диагностической информации и позволяя получить новые диагностические признаки ЭКС.

На фигуре 4 в схеме алгоритма декомпозиции ЭКС на эмпирические моды используются следующие обозначения: f(n) - исходный ЭКС; [1, n_mах] - длительность интервала регистрации; r_i(n) - остаток на i-м шаге декомпозиции (i - номер ЭМ, i ∈ [1, ν); g_ij(n) ^- промежуточный результат при выделении монокомпонентных составляющих на j-м шаге декомпозиции (j - номер приближения к ЭМ); f_i(n) - выделенные ЭМ; верхняя u_ij(n) и нижняя d_ij(n) огибающие на j-м шаге декомпозиции.

Схема алгоритма декомпозиции ЭКС по эмпирическим модам содержит следующие действия (см. фигуру 3):

Действие 1 - начало.

Действия 2 и 3 - инициализация (присвоение переменным начальных значений) i=1, r_i(n)=f(n), n∈[1,n_max] (действие 2) и j=1, g_j(n)=r_i(n), n∈[1,n_max] (действие 3).

Действие 4 - определение локальных экстремумов g_ij(n) по следующим правилам:

- отсчет [g_ij(n)]_k является локальным максимумом, если выполняется условие:

где k - номер отсчета, в противном случае этот отсчет приравнивается к нулю;

- отсчет [g_ij(n)]k является локальным минимумом, если выполняется условие:

в противном случае этот отсчет приравнивается к нулю.

Действие 5 - вычисление верхней u_ij(n) и нижней d_ij(n) огибающих с помощью кубической сплайн-интерполяции по найденным локальным экстремумам. Для вычисления верхней огибающей в промежутках между точками локальных максимумов осуществляется аппроксимация кубическим полиномом:

Коэффициенты h_i,j, o_ij, p_ij, v_ij рассчитываются независимо для каждого промежутка исходя из условий сопряжения в узлах (локальных максимумах) [12]. Задача интерполяции состоит в получении значении u_ij(n) в любой точке k. Нижняя огибающая d_ij(n) вычисляется аналогично.

Действие 6 - вычисление среднего значения огибающих (локального тренда) в соответствии с выражением:

Действие 7 - получение приближения к ЭМ, заключается в вычитании локального тренда из результата, полученного на предыдущем шаге декомпозиции:

Действие 8 - проверка приближения к ЭМ g_ij+1(n) на соответствие критерию останова 1. По мере увеличения количества итераций функции m_ij(n) и g_ij+1(n), стремятся к неизменяемой форме. С учетом этого, естественным критерием останова итераций приближения к очередной ЭМ является установка определенного порога по среднеквадратической разности между двумя результатами последовательных операций приближения, определяемой как:

Таким образом, если:

- δ_ij>δ_пор, при δ_пор=0.001, то критерий останова 1 не удовлетворен, тогда выполняется итерация j=j+1 (действие 9) и осуществляется переход к действию 4 для вычисления следующего (более точного) приближения к ЭМ;

- δ_ij<δ_пор, то критерий останова 1 удовлетворен, при этом условии выделяется эмпирическая мода f_i(n)=g_ij(n) (действие 10).

Действие 11 - исключение полученной ЭМ из состава сигнала для оставления в нем более низкочастотных составляющих:

Действие 12 - проверка выделенной компоненты r_i+1(n) на соответствие количеству осцилляции (K) (критерий останова 2). Если количество осцилляции (количество пересечений нуля) больше порогового значения K>С_пор>2, то осуществляется переход к блоку 3 с итерацией i=i+l (действие 13). Функция r_i+1(n) обрабатывается как новые данные с вычислением следующей ЭМ. Если количество осцилляции меньше или равно пороговому значению K≤С_пор≤2, то процесс декомпозиции закончен, переход к действию 14.

Действие 14 - получение декомпозиции ЭКС на эмпирические моды

где f_i(n) - набор монокомпонентных функций (эмпирических мод);

r_V(n) - глобальный тренд исходного ЭКС f(n), который дальнейшему разложению не подлежит.

Действие 15 - конец.

Пример декомпозиции ЭКС на эмпирические моды показан на фигуре 5 (а - и), где приведены исходный зарегистрированный ЭКС (а) и набор эмпирических мод ЭКС (б - и).

Блок декомпозиции 3 (см. фигуру 3) содержит: 13 - первый сумматор, 14 -второй блок переключения, 15 - первый блок определения экстремума, 16 - второй блок определения экстремума, 17 - первый интерполяционный фильтр, 18 - второй интерполяционный фильтр, 19 - второй сумматор, 20 - третий сумматор, 21 - регистр.

Последовательно соединены первый сумматор 13, второй блок переключения 14, первый блок определения экстремума 15, первый интерполяционный фильтр 17, второй 19 и третий 20 сумматоры и регистр 21, выход которого (26) является выходом блока декомпозиции 3 и соединен со вторым входом второго блока-переключения 14, выход которого также соединен с первым входом второго блока определения экстремума 16 и вторым входом третьего сумматора 20. Выход второго блока определения экстремума 16 соединен с первым входом второго интерполяционного фильтра 18, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора 19. Первый (22) и второй (23) входы блока декомпозиции 3 соединены с первым и вторым входами первого сумматора 13, третий вход (24) блока декомпозиции 3 соединен с третьим входом второго блока переключения 14, а четвертый вход (25) блока декомпозиции 3 соединен с третьим входом первого сумматора 13, с четвертым входом второго блока переключения 14, со вторыми входами первого 15 и второго 16 блоков определения экстремума, со вторыми входами интерполяционных фильтров 17 и 18, с третьими входами второго и третьего сумматоров 19 и 20 и вторым входом регистра 21.

Первый сумматор 13 предназначен для вычитания суммы выделенных ЭМ из входного сигнала. Второй блок переключения 14 предназначен для переключения входных сигналов (остатка на i-м шаге декомпозиции - r_i(n) или очередного приближения к i-й ЭМ - g_ij{n)). Первый блок определения экстремума 15 предназначен для определения локальных максимумов. Второй блок определения экстремума 16 предназначен для определения локальных минимумов. Первый и второй интерполяционные фильтры 17 и 18 предназначены для получения верхней и нижней огибающих входного сигнала. Второй сумматор 19 предназначен для вычисления среднего значения огибающих (локального тренда). Третий сумматор 20 предназначен для вычитания локального тренда из результата, полученного на предыдущем шаге декомпозиции. Регистр 21 предназначен для хранения данных, полученных в результате декомпозиции на предыдущем этапе.

Предлагаемое устройство для регистрации электрокардиосигналов работает следующим образом.

Предварительно пользователь заносит во второй блок памяти 10 пороговые значения останова декомпозиции и пороговой обработки ЭМ. Затем блоком управления 9 формируются управляющие и адресные сигналы, которые поступают на соответствующие входы блоков устройства для регистрации электрокардиосигналов.

Блок декомпозиции 3 совместно со вторым арифметико-логическим устройством 4 формируют для ЭКС каждого отведения набор эмпирических мод в соответствии с алгоритмом декомпозиции, приведенным на фигуре 3. Временные диаграммы, поясняющие работу блока декомпозиции, приведены на фигуре 5.

Тактовые импульсы с выхода блока управления 9 поступают на вход аналого-цифрового преобразователя с мультиплексором 2, так что на его выходе и, соответственно, на первом входе (22) блока декомпозиции 3 появляются коды амплитуд ЭКС последовательно в каждом отведении.

На первом шаге декомпозиции (вычисление первого приближения к первой ЭМ) на первом входе первого сумматора 13 присутствует ЭКС, а на втором входе первого сумматора 13 - нулевой код, так как ни одна ЭМ еще не получена. Второй блок переключения 14 по управляющему сигналу (код А), который поступает на его третий вход, пропускает ЭКС на выход.

Блоки определения экстремума 15 и 16 определяют локальные максимумы и локальные минимумы соответственно, согласно 4 действию алгоритма декомпозиции (см. фигуру 4). Первый и второй интерполирующие фильтры 17 и 18 вычисляют верхнюю u_ij(n) и нижнюю d_ij(n) огибающие ЭКС соответственно, согласно действию 5 алгоритма декомпозиции (см. фигуру 4). Второй сумматор 19 вычисляет среднее значения огибающих (локальный тренд), в соответствии с действием 6 алгоритма декомпозиции (см. фигуру 4). Третий сумматор 20 вычитает локальный тренд из ЭКС (в соответствии с действием 7 алгоритма декомпозиции), получая первое приближение к первой ЭМ, которое записывается в регистр 21. Второе АЛУ 4 проверяет первое приближение к первой ЭМ на соответствие критерию останова 1 (в соответствии с действием 8 алгоритма декомпозиции). Если критерий останова 1 не удовлетворен, то выполняется следующий шаг (вычисление второго приближения к первой ЭМ), при этом на третий вход второго блока переключения 14 поступает управляющий сигнал (код В), который переключает сигнал с регистра 21 (первое приближение к первой ЭМ) на выход второго блока переключения 14.

Управляющие коды А и В генерируются вторым арифметико-логическим устройством 4 и поступают с его третьего выхода на третий вход (24) блока декомпозиции 3 и, соответственно, на третий вход второго блока переключения 14.

При вычислении последнего приближения к первой ЭМ второе АЛУ 4 определяет, что критерий останова 1 удовлетворен, т.е. получена первая ЭМ, при этом на третий вход второго блока переключения 14 поступает управляющий сигнал (код А), который подключает на его выход разность ЭКС и первой ЭМ (первая ЭМ поступает со второго выхода второго арифметико-логического устройства 4 на второй вход (23) блока декомпозиции 3 и, соответственно, на второй вход первого сумматора 13. На следующих шагах при вычислении приближений ко второй ЭМ входным сигналом для декомпозиции снова является выходной сигнал регистра 21 (приближения ко второй ЭМ, вычисленные на предыдущих шагах).

При вычислении первого приближения к третьей ЭМ входной сигнал (первые входы блоков определения экстремума 15 и 16) - разность ЭКС и двух первых ЭМ r₂=f(n)-(f₁(n)+f₂(n)). При определении второго, третьего и т.д. приближений к третьей ЭМ входной сигнал - выходной сигнал регистра 21 (приближения, вычисленные на предыдущих шагах). После получения остатка:

удовлетворяющего критерию останова 2, процесс декомпозиции заканчивается, оцифрованный ЭКС представляется следующим образом:

Второе АЛУ 4 обеспечивает проверку условий останова при вычислении каждой ЭМ (в соответствии с действием 8 алгоритма декомпозиции - критерий останова 1) и проверку условия всего разложения (в соответствии с действием 12 алгоритма декомпозиции - критерий останова 2). Пороговые значения останова хранятся в памяти второго блока памяти 10. Для уменьшения уровня высокочастотных помех полученные ЭМ во втором АЛУ подвергаются пороговой обработке (thresholding) в соответствии с функцией [13]:

где P - пороговое значение.

Приведенная пороговая функция обращает в ноль отсчеты ЭМ f_i(n), содержащие лишь шумовую компоненту, а также уменьшает значения отсчетов на величину P, что соответствует подавлению шумов в информативных ЭМ.

Кодовые отсчеты ЭМ, после подавления высокочастотных помех, с первого выхода второго арифметико-логического устройства 4 поступают на вход арифметического устройства 5, которое формирует для кодовых отсчетов каждой ЭМ разность текущего и предыдущего отсчета, и, таким образом, на вход анализатора кодов приращения 6 поступает 8-й разрядный код приращения сигнала со знаком (9-й разряд) последовательно по каждому отведению. Одновременно с выхода блока управления 9 тактовые импульсы поступают на счетный вход счетчика номера кода приращения 11, в результате чего на выходе счетчика 11 формируется код номера вычисляемого приращения сигнала, т.е. его временная координата.

В анализаторе кодов приращений 6 происходит разделение поступившего кода приращения на две части; два младших разряда кода приращения и его знаковый разряд (всего 3 разряда) через вход первого блока переключения 7 поступают непосредственно на цифровой модем 8 и далее в канал связи и передаются на приемный конец. Значения оставшихся шести старших разрядов кода приращения анализируются и при отличии от нуля хотя бы одного разряда через выход блока 6 анализатора кодов приращений эти 6 разрядов поступают на вход первого блока памяти 12, где запоминаются. Одновременно при выполнении условия отличия от нуля блок анализатора кодов приращений 6 вырабатывает команду записи временной координаты, поступающую с анализатора 6 на вход счетчика номера кода приращения 11, где определяется номер текущего кода приращения (временная координата).

Если все 6 старших разрядов поступающего кода приращения равны нулю, то два младших и знаковый разряд кода приращения, как и ранее, поступают в линию для передачи, и анализатор кода приращений 6 ждет прихода следующего кода приращения.

Описанная процедура происходит до тех пор, пока не кончится заданное время регистрации ЭКС, которое определяется длительностью временного интервала, отрабатываемого блоком управления 9. По окончании интервала регистрации блок управления 9 прекращает подачу тактовых импульсов на входы блоков 2, 3, 11, завершая их работу. Затем он подает команду на второй (управляющий) вход первого блока переключения 7, подключая вход модема 8 к выходу первого блока памяти 12 и начиная передачу содержимого памяти, т.е. запомненных старших разрядов кодов приращения и их временных координат.

На фигурах 6 и 7 приведены результаты работы предлагаемого устройства для регистрации электрокардиосигналов. На фигуре 6 показаны: эталонный ЭКС с аддитивной помехой (тремор мышц) (а); результат фильтрация тремора мышц с применением технологии вейвлет-преобразования (базовый вейвлет Доубеши 6) (б); результат фильтрации тремора мышц с применением технологии ДЭМ и пороговой обработки высокочастотных ЭМ (в). Для количественной оценки качества помехоподавления была использована среднеквадратическая ошибка отклонения (percent root-mean-square difference, PRO) восстановленного сигнала f*(n) от эталонного ЭКС f{n) [14]:

.

Для сигналов, изображенных на фигуре 6, значения среднеквадратической ошибки (PRD) составляют:

- для сигнала, полученного с применением технологии вейвлет-преобразования (см. фигуру 6 б) - 25,5%,

- для сигнала, полученного с применением технологии ДЭМ (см фигуру 6 в) - 1,27%.

Полученные изображения сигналов и значения PRD доказывают повышение качества подавления помех в ЭКС при применении технологии ДЭМ.

Таким образом, положительным эффектом предлагаемого устройства для регистрации электрокардиосигналов является снижение уровня высокочастотных помех в зарегистрированном ЭКС. Действительно, в случае пороговой обработки нескольких высокочастотных ЭМ при реконструкции ЭКС обеспечивается значительное уменьшение уровня высокочастотных помех.

Другим положительным эффектом предлагаемого устройства для регистрации электрокардиосигналов является построение трехмерной поверхности в системе координат энергия-частота-время по набору эмпирических мод, полученных при декомпозиции ЭКС (см. фигуру 8 б - и).

Для этого каждая из эмпирических мод ЭКС подвергается преобразованию Гильберта следующим образом [15]:

где f_i(τ) - эмпирическая мода, подвергнутая преобразованию Гильберта;

φ_i(n) - сопряженный по Гильберту сигнал, соответствующий ЭМ f_i(n)

τ - независимая переменная.

Затем для каждой эмпирической моды ЭКС определяется аналитический

(комплексный) сигнал:

где - мнимая единица.

Далее определяются мгновенные значения амплитуды и частоты для каждой эмпирической моды ЭКС:

Мгновенная амплитуда, мгновенная частота и время (номер отсчета) связаны следующем выражением [15]:

Выражение (6) позволяет построить трехмерную поверхность в системе координат амплитуда-частота-время.

Чтобы представить энергетическую плотность ЭКС и построить 3-D поверхность в системе координат энергия-частота-время мгновенной амплитуде a _i(w) придают квадратичную форму:

Представление ЭКС в виде 3-D поверхности в системе координат энергия-частота-время характеризует распределение мгновенной энергии ЭКС в каждой точке частотно-временной плоскости, что открывает возможность выделения новых диагностических признаков в электрокардиосигнале. Примеры 3-D поверхностей в системе координат энергия-время-частота, для нормального ЭКС и ЭКС пациента с инфарктом миокарда приведены на фигурах 8а и 8б соответственно. Из анализа фигур 8а и 8б следует, что на 3-D поверхностях имеются отличия в характерных особенностях ЭКС (масштабе, интенсивностях циклических изменений, трендах).

Таким образом, предлагаемое устройство для регистрации ЭКС в адаптивном базисе позволяет;

- уменьшить уровень помех и повысить исходную точность измерения параметров в регистрируемом ЭКС;

- увеличить объем диагностической информации;

- повысить информативность и наглядность представления ЭКС;

- сохранить достоинства известного устройства по уменьшению требуемого объема буферной памяти и времени занятости канала связи.

Литература

1. Баум О.В., Костов Г.К., Попов Л.А. Устройство для регистрации электрокардиосигналов. Патент RU №2008796 С1, МКИ⁵ А61В 5/0402, 1994.

2. Polikar R. The Engineer's Ultimate Guide to Wavelet Analysis (Введение в вейвлет-преобразование). Перевод Грибунина В.Г. http://www.autex.spb.ru

3. Бодин О.И., Бартош Л.Ф., Бартош Ф.Л,, Бурукина И.П. Устройство для регистрации электрокардиосигналов. Патент RU №2256400 С1, МПК⁷ А61В 5/0402, 2003.

4. Ватанабе С. Разложение Карунена-Лоэва и факторный анализ. Теория и приложения. Автоматический анализ сложных изображений. Под. ред. Э.М.Браверманна. - М.: Мир, 1969.

5. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. - М. Иностранная литература, 1963.

6. Трахтман A.M. Введение в обобщенную спектральную теорию сигналов. - М.: Советское радио, 1972.

7. Анищенко B.C., Янсон Н.Б., Павлов А.Н. Может ли режим сердца здорового человека быть регулярным? // Радиотехника и электроника, 1997, т.42, №8, 1005-1010 c.

8. Чирейкин Л.В., Шурыгин Д.Я., Лабутин В.К. Автоматический анализ электрокардиограмм. - Л.: Наука, 1977.

9. Huang N.E., Shen S.S. The Hilbert-Huang transform and its applications - World Scientific Publication, 2005, 323 s.

10. Huang, N.E., Attoh-Okine Nii O. The Hilbert-Huang transform in engineering - Taylor and Francis, 2005, 95 s.

11. Norden E. Huang, Zheng Shen, Steven R. Long. The Empirical Mode Decomposition and the Hilbert Spectrum for nonlinear non-stationary time series analysis - Proc. Roy. Soc. London A, Vol.454 - P.903-995, 1998.

12. Роджерс Д., Адаме Дж. Математические основы машинной графики. - М.: Мир, 2001.

13. Donoho D.L. De-noising by soft-thresholding // IEEE Trans. on Inform. Theory, 1995, - p.613-627.

14. Cohen A., Zigel Y. Compression of Multichannel ECG Through Multichannel Long Term Prediction, IEEE BME magazine. Vol.17, pp.109-115, 1998.

15. Sharpley R.C., Vatchev V.D. Analysis of the intrinsic mode functions - Department of Mathematics University of South Carolina, 2004, 31 s.

Изобретение относится к медицине, а именно к устройствам для регистрации, анализа и передачи электрокардиосигнала (ЭКС). Устройство для регистрации ЭКС содержит последовательно соединенные усилитель и аналого-цифровой преобразователь с мультиплексором, а также арифметическое устройство, два блока памяти, цифровой модем, анализатор кодов приращения, счетчик номера кода приращения, первый блок переключения, блок управления. Устройство для регистрации ЭКС отличается от известных из уровня техники тем, что в него введены последовательно соединенные блок декомпозиции и второе арифметико-логическое устройство. Блок декомпозиции содержит второй блок переключения, два сумматора, два блока определения экстремума, два интерполяционных фильтра и регистр. Блок декомпозиции предназначен для реализации пошагового режима разложения сигнала на эмпирические моды. Второе арифметико-логическое устройство предназначено для проверки условий останова процесса декомпозиции сигнала, хранения и суммирования полученных эмпирических мод. Применение данного изобретения позволит качественно подавлять помехи различного вида, эффективно обнаруживать и классифицировать информативные участки ЭКС (комплексы, зубцы, интервалы) и измерять их параметры с высокой точностью. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для регистрации электрокардиосигналов, содержащее последовательно соединенные усилитель и аналого-цифровой преобразователь с мультиплексором, а также арифметическое устройство, первый и второй блоки памяти, цифровой модем, анализатор кодов приращения, счетчик номера кода приращения, первый блок переключения и блок управления, причем вход анализатора кодов приращения соединен с выходом арифметического устройства, первый выход анализатора кодов приращения соединен с первым входом первого блока переключения, второй - с первым входом первого блока памяти, а третий выход - с первым входом счетчика номера кода приращения, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, второй, третий и четвертый выходы последнего соединены соответственно со вторым входом первого блока переключения, вторым входом аналого-цифрового преобразователя с мультиплексором и входом второго блока памяти, при этом выход счетчика номера кода приращения соединен со вторым входом первого блока памяти, выход которого соединен с третьим входом первого блока переключения, а выход первого блока переключения - с входом цифрового модема, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные блок декомпозиции и второе арифметико-логическое устройство, причем последовательно соединены аналого-цифровой преобразователь с мультиплексором и блок декомпозиции, второе арифметико-логическое устройство и первое арифметическое устройство, при этом второй и третий выходы второго арифметико-логического устройства соединены соответственно со вторым и третьим входами блока декомпозиции, выход второго блока памяти соединен со вторым входом второго арифметико-логического устройства, а пятый и шестой выходы блока управления соединены соответственно с четвертым входом блока декомпозиции и третьим входом второго арифметико-логического устройства.

2. Устройство для регистрации электрокардиосигналов по п.1, отличающееся тем, что блок декомпозиции содержит второй блок переключения, первый, второй и третий сумматоры, первый и второй блоки определения экстремума, первый и второй интерполяционные фильтры и регистр, причем последовательно соединены первый сумматор, второй блок переключения, первый блок определения экстремума, первый интерполяционный фильтр, второй и третий сумматоры и регистр, выход которого является выходом блока декомпозиции и соединен со вторым входом второго блока переключения, третий и четвертый входы которого являются первым и третьим входами блока декомпозиции соответственно, выход второго блока переключения также соединен с первым входом второго блока определения экстремума и вторым входом третьего сумматора, выход второго блока определения экстремума соединен с первым входом второго интерполяционного фильтра, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора, второй вход блока декомпозиции соединен со вторым входом первого сумматора, а четвертый вход блока декомпозиции соединен соответственно с третьим входом первого сумматора, с четвертым входом второго блока переключения, со вторыми входами первого и второго блоков определения экстремума, со вторыми входами интерполяционных фильтров, с третьими входами второго и третьего сумматора и вторым входом регистра.