Устройство для выделения @ -зубца электрокардиосигнала Советский патент 1987 года по МПК A61B5/04 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для опрееления параметров электрокардиосигнала при измерении частоты сердечных сокращений.

Цель изобретения - повышение импульсной помехозащищенности.

На фиг. 1 . представлена структурная лектрическая схема устройства для выделения R-зубца электрокардиосигнала; на иг. 2-5 - структурные электрические хемы соответственно селектора помехи, блоа формирования порогового уровня, блока правления и формирователя импульсов; на фиг. 6 - диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг. 7-9 - диаграммы, поясняющие работу соответственно селектора помехи, блока формирования порогового уровня и блока управления.

Устройство для выделения R-зубца электрокардиосигнала содержит (фиг. 1) последовательно соединенные усилитель 1, входы которого подключены к входным шинам устройства, фильтр 2 и выпрямитель 3, первый компаратор 4, блок 5 управления, од- новибратор 6, выход которого соединен с выходной шиной устройства, последовательно соединенные второй компаратор 7, селектор 8 помехи и блок 9 формирования порогового уровня, второй вход которого подключен к первому выходу блока 5 управления и к второму входу селектора 8 помехи, третий вход - к первому (неинвертирующему) входу второго компаратора 7, а первый выход - к второму (инвертирующему) входу второго компаратора 7 и к первому (неинвертирующему) входу первого компаратора 4, выход которого соединен с первым входом блока 5 управления, второй вход которого подключен к выходу селектора 8 помехи, а второй выход - к входу одно- вибратора 6, и управляемый аттенюатор 10, выход которого подключен к первому входу второго компаратора 7 и к второму входу первого компаратора 4, первый (управляющий) вход - к второму выходу блока 9 формирования порогового уровня, а второй (информационный) вход - к выходу выпрямителя 3.

Селектор 8 помехи содержит (фиг. 2) последовательно соединенные первый счет- чикЛ I, первый триггер 12, первый элемент И 13, выход и второй вход которого являются соответственно выходом и первым входом селектора 8 помехи, второй счетчик 14, второй триггер 15, первый вход которого является вторым входом селектора 8 помехи и соединен с первым входом первого счетчика 11, второй вход которого подключен к первому входу первого триггера 12, второй вход которого соединен с выходом и вторым входом второго счетчика 14, третий вход которого подключен к выходу второго триггера 15, второй вход которого соединен с первым входом второго счетчика 14.

Блок 9 формирования порогового уровня содержит (фиг. 3) счетверенный элемент И-ИЛИ 16, последовательно соединенные усреднитель 17, первый ключ 18 и пиковый

детектор 19, последовательно соединенные ждущий мультивибратор 20 и третий счетчик 21, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам счетверенного элемента

И-ИЛИ 16, пятый вход которого соединен с вторым входом пикового детектора 19 и с первым входом третьего счетчика 21, пятый выход которого подключен к его второму входу, четыре элемента 22-25 выборки и хранения, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами усреднителя 17, а первые входы -- соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами счетверенного элемента И-ИЛИ 16, последовательно соединенные триггер Шмитта 26, вход которого подключен к выходу усреднителя 17, и формирователь 27 импульсов, первый выход которого подключен к шестому, седьмому, восьмому, девятому и десятому входам счетверенного элемента И-ИЛИ

16, второй к;1юч 28, первый вход которого соединен с вторым выходом фор.мирователя 27 импульсов, а второй вход - с первой шиной опорного напряжения, и третий ключ 29, первый вход которого подключен к третьему выходу формирователя 27 импульсов,

второй вход - к второй шине опорного напряжения, а выход - к выходу второго ключа 28, к выходу пикового детектора 19 и к вторым входам четырех элементов 22-25 выборки и хранения. Причем второй вход lepBoro ключа 18, вход ждущего мультивибратора 20, третий вход пикового детектора 19, выход усреднителя 17 и выход триггера Шмитта 26 являются соответственно первым, вторым и третьим входами, первым и вторым выходами блока 9 формиро- вания порогового уровня.

Блок 5 управления содержит (фиг. 4) последовательно соединенные первый дифференциатор 30, вход которого является первым входом блока 5 управления, третий

триггер 31, второй вход которого является вторым входом блока 5 управления, элемент И - НЕ 32, второй дифференциатор 33 и второй элемент И 34, выход которого является первым выходом блока 5 управления, и последовательно соединенные генератор

35 импульсов и четвертый счетчик 36, выход которого подключен к его второму входу и к второму входу второго элемента И 34, а третий вход - к входу первого дифференциатора 30 и к второму входу эле- .мента И-НЕ 32, выход которого является

вторым выходом блока 5 управления.

Формирователь 27 импульсов может быть выполнен в виде схемы, содержащей элемент НЕ 37 и элемент И-НЕ 38, соединенные друг с другом и с источником питания через конденсаторы 39 и 40 и резисторы 41 и 42 (фиг. 5). Усреднитель 17 может быть выполнен в виде четырех параллельно включенных резисторов, одни выводы которых являются входами усреднителя 17, а другие выводы объединены и являются выходом усреднителя 17. Усилитель 1 может быть выполнен в виде дифференциального усилителя, а фильтр 2 - в виде полосового фильт- . ра. Первый компаратор 4 и второй компаратор 7 имеют на неинвертирующем входе делитель с коэффициентом деления, например, 1:2.

Устройство для выделения R-зубца элек- трокардиосигнала работает следующим образом.

Электрокардиосигнал, поступающий на входы усилителя 1, усиливается (например, в 1000 раз) и подается на вход фильтра 2, который устраняет дрейф изолинии и высокочастотные составляющие электрокардиосиг- нала. С выхода фильтра 2 сигнал подается на вход выпрямителя 3, который сигнал положительной полярности пропускает без изменений, а сигнал отрицательной полярности инвертирует. Поэтому при любой полярности R-зубца электрокардиосигнала на выходе выпрямителя 3 всегда будет положительный R-зубец.

Затем сигнал поступает на информационный вход управляемого аттенюатора 10, коэффициент передачи которого в зависимости от величины поступающего сигнала принимает два значения: верхнее и нижнее (например, 10 и 1). Если в исходном состоянии сигнал отсутствует, то на управляющий вход управляемого аттенюатора 10 с второго выхода блока 9 формирования порогового уровня подается напряжение логического нуля (фиг. 6(3), устанавливающее коэффициент передачи управляемого аттенюатора 10 равным верхнему значению. С выхода управляемого аттенюатора 10 одновременно на неинвертирующий вход второго компаратора 7, на инвертирующий вход первого компаратора 4 и на третий вход блока 9 формирования порогового уровня поступает напряжение щумов (фиг. 6а). Пороговое напряжение с первого выхода блока 9 формирования порогового уровня поступает (фиг. 6г) на неинвертирующий вход первого компаратора 4 и на инвертирующий вход второго компаратора 7. Так как амплитуда сигнала в данном случае не достигает порогового уровня, то компараторы 4 и 7 не срабатывают. При этом блок 5 управления вырабатывает тактовые импульсы с заданным периодом повторения, соответствующим максимальному R-R интервалу, например, равным 2 с (фиг. бе), которые поступают на второй вход блока 9 формирования порогового уровня и поддерживают на его первом выходе заданное по

роговое напряжение, превышающее уровень щумов, а также поступают на второй вход селектора 8 помехи и устанавливают режим слежения за появлением помех.

При появлении на выходе управляемого аттенюатора 10 сигнала, превьпиаю- щего по амплитуде величину напряжения щумов (фиг. 6а), но не достигающее уровня срабатывания второго компаратора 7, на первом и втором выходах блока 5 управления

синхронно с R-зубцами электрокардиосигнала формируются импульсы, которые с первого выхода блока 5 управления поступают на второй вход блока 9 формирования порогового уровня и на второй вход селектора 8 помехи для обеспечения фиксации пиковых значений R-зубцов и определения их среднего пикового значения. С второго выхода блока 5 управления импульсы поступают на одновибратор 6 для окончательного формирования нормированных синхроимпульсов, соответствующих R-зубцам (фиг. бе).

При поступлении помехи, превышающей на заданную величину среднее пиковое значение R-зубцов электрокардиосигнала. иапример, в 2 раза, на выходе второго компаратора 7 формируется импульс (фиг. бж), передний фронт которого совпадает с моментом достижения помехой на первом входе второго компаратора 7 двойного уровня среднего пикового значения, а задний

фронт - с моментом уменьщения помехи до уровня среднего пикового значения сигнала. Этот импульс, поступая через селектор 8 помехи на второй вход блока 5 управления, блокирует формирование синхроимпульсов на первом и втором его выходах,

т.е. на вход одновибратора 6 не поступают ложные импульсы от помехи. Этот же импульс с выхода селектора 8 помехи поступает на первый вход блока 9 формирования порогового уровня и поддерживает на первом и втором его выходах прежний уровень среднего пикового значения (в течение действия., сформированного селектором 8 помехи импульса). Таким образом полностью устраняется влияние помехи на уровень среднего пикового значения R-зубцов

электрокардиосигнала.

Отдельные блоки устройства для выделения R-зубца электрокардиосигнала работают следующим образом.

В случае отсутствия помех на первый вход селектора 8 помехи импульсы не поступают, и селектор 8 помехи (фиг. 2) находится в режиме слежения. При появлении помехи срабатывает второй компаратор 7, в результате чего на первый вход селектора 8 помехи, а именно на второй вход первого эле- мента И 13, поступает импульс (фиг. 70). При наличии на первом входе первого элемента И 13 напряжения логической единицы на его выходе появляется импульс (фиг. 7ж),

Логическая единица на первом входе первого элемента И 13 устанавливается после прихода с первого выхода блока 5 управления на второй вход селектора 8 помехи не менее четырех импульсов (фиг. 5а). Однако, если по каким-то причинам (например, после переключения отведения) электрокар- диосигнал резко увеличивается (более, чем в два раза по сравнению со средним пиковым значением), первые четыре R-зубца воспринимаются как помехи, т.е. на выходе селектора 8 помехи с каждый R-зубцом появляются импульсы, а на его второй вход, а именно на первые входы второго триггера 15 и первого счетчика 11, импульсы не поступают, но после четвертого R-зубца на первом входе первого элемента И 13 устанавливается напряжение логического нуля. Тогда на выход селектора 8 помехи импульсы проходить не будут, вследствие чего блок 9 формирования порогового уровня будет производить усреднение сигнала и за четыре такта пороговое напряжение на его первом выходе достигнет амплитуды А увеличенных R-зубцов (фиг. 7з,и).

Блок 5 управления (фиг. 4) работает следующим образом. При нарастании сигнала на неинвертируюш,ем входе первого компаратора 4 до половины уровня напряжения на его инвертирующем входе на выходе первого компаратора 4 появляется логический нуль, который подается на первый вход блока 5 управления, а именно на третий вход четвертого счетчика 36, на вход первого дифференциатора 30 и на второй вход элемента И-НЕ 32 (фиг. 9гЗ). На первый вход третьего триггера 31 через первый дифференциатор 30 поступает отрицательный перепад напряжения (фиг. 9а), а на выходе третьего триггера 31 (фиг. 96) и на выходе элемента И-НЕ 32 (фиг. 9е) устанавливается напряжение логической единицы. При уменьшении сигнала на инвертирующем входе первого компаратора 4 до половины уровня напряжения на его неинвертирующем входе на выходе первого компаратора 4 и, следовательно, на втором входе элемента И-НЕ 32 блока 5 управления появляется логическая единица, а на выходе элемента И-НЕ 32, являющимся вторым выходом блока 5 управления, появляется логический нуль, который поступает на вход одновибратора 6, на выходе которого появляется нормированный импульс, синхронный с R-зубцом. Кроме того, с выхода элемента И-НЕ 32 через второй дифференциатор 33 на первый вход второго элемента И 34 подается напряжение логического нуля, а на его выходе, являющимся первым выходом блока 5 управления, появляется импульс (фиг. 9з), который подается на второй вход селектора 8 помехи для обеспечения режима слежения и на второй вход блока 9 формирования порогового уровня для разрешения прохождения на один

из элементов 22-25 выборки и .хранения (фиг. 3) пикового значения данного R-зубца. Если после установления логического нуля на втором входе блока 9 формирования порогового уровня, на второй вход третьего

триггера 31 поступает импульс от селектора 8 помехи (что свидетельствует о появлении помехи, а не R-зубца), то на выходе третьего триггера 31 устанавливается напряжение логического нуля, а на выходе элемента И - НЕ 32 - напряжение логической единицы, в результате чего одновибратором 6 импульс не вырабатывается, а также отсутствует импульс и на первом выходе блока 5 управления. Таким образом, запрещается прохождение пикового значения по5 мехи к элементам 22-25 выборки и хранения (фиг. 3) и исключается влияние помехи на среднее пиковое значение усредняемого сигнала.

На третий вход блока 9 формирования порогового уровня (фиг. 3), а именно на тре тий вход пикового детектора 19, поступает сигнал с выхода управляемого аттенюатора 10 (фиг. 8а), а на второй вход пикового детектора 19 подается импульс сброса от ждущего мультивибратора 20 (пиковый де5 тектор 19 сбрасывается задним фронтом импульса). Пиковый детектор 19 фиксирует максимальные значения сигнала (фиг. 86), которые передаются на вторые входы четырех элементов 22-25 выборки и хранения. При поступлении на первый вход третьего

0 счетчика 21 последовательности импульсов (фиг. 80) на его выходах происходит смещение логической единицы (фиг. 8д, е,ж,з), которая поочередно поступает на первые четыре входа счетверенного элемента И- ИЛИ 16 и при наличии на его пято.м вхо5 де логической единицы передается на его соответствующий выход (фиг. 8л,м,н,о).

Таким образом, на первые входы элементов 22-25 выборки и хранения поочередно подается логическая единица, переводящая последовательно один из элементов 22-25

0 выборки и хранения в режим выборки,-а по окончании импульса ждущего мультивибратора 20 соответствующий элемент выборки и хранения переводится в режи.м хранения. Усредение содержимого элементов 22- 25 выборки и хранения осуществляется

усреднителем 17. Для уменьшения времени установления рабочего режима при изменении коэффициента передачи управляемого аттенюатора 10 в .момент изменения состояния триггера Шмитта 26 с помощью форQ мирователя 27 импульсов и счетверенного элемента И-ИЛИ 16 формируются управляющие напряжения для второго 28 и третьего 29 ключей и элементов 22-25 выборки и хранения. При поступлении на вход формирователя 27 импульсов отрицательного

5 перепада с выхода триггера Шм.итта 26 замыкается второй ключ 28 и на вторые входы всех элементов 22-25 выборки и хранения подается первое опорное напряжение

Uj , равное произведению минимального среднего пикового значения сигнала (например, 0,2 В), и нижнего значения коэффициента передачи управляемого аттенюатора 10. Одновременно на первые входы всех элементов 22-25- выборки и хранения от счетверенного элемента И-ИЛИ 16 подается логическая единица и всеми элементами 22-25 выборки и хранения фиксируется напряжение Ui , которое в данный момент равно амплитуде сигнала на третьем входе пикового детектора 19.

При поступлении на вход формирователя 27 импульсов положительного перепада с выхода триггера Шмитта 26 замыкается третий ключ 29 и на вторые входы всех элементов 22-25 выборки и хранения подается второе опорное напряжение Uj., равное отношению максимального среднего пикового значения сигнала (например, 6 В) к верхнему значению коэффициента передачи управляемого аттенюатора 10 (например, U 0,6 В). При этом всеми элементами 22-25 выборки и хранения фиксируется напряжение Ui, которое в данный момент равно амплитуде сигнала на третьем входе пикового детектора 19.

Таким образом, сразу после переключения коэффициента передачи управляемого аттенюатора 10 на выходе блока 9 формирования порогового уровня практически мгновенно устанавливается выходное напряжение, приблизительно равное среднему пиковому значению сигнала на выходе управляемого аттенюатора 10. В случае, если на третий вход блока 9 формирования порогового уровня (па третий вход пикового детектора 19) поступает помеха, то на первый его вход, на второй (управляющий) вход первого ключа 18, поступает импульс положительной полярности, в течение которого первый ключ 18 находится в открытом состоянии и через него на первый вход пикового детектора 19 подается среднее пиковое значение сигнала, которое имеет приоритет относительно помехи, поступающей через третий вход блока 9 формирования порогового уровня, так как оно поступает непосредственно на запоминающий конденсатор пикового детектора 19, а помеха подается через входную цепь, т.е. через последовательно включенный резистор. Благодаря этому исключается влияние помехи на результат усреднения пиковых значений R-зуб- цов электрокардиосигнала.

При поступлении на вход формирователя 27 импульсов положительного перепада (фиг. 8ы) на выходе элемента НЕ 37 появляется отрицательный перепад. После дифференцирующей цепи, состоящей из конденсатора 40 и резистора 41, на третьем выходе формирователя 27 импульсов появляется импульс отрицательной полярности (фиг. ,8р), а на выходе элемента И-НЕ 38 появляется импульс положительной полярности (фиг. 8к). При поступлении на вход

0

5

0

5

0

5

0

5

5

формирователя 27 импульсов отрицательного перепада (фиг. 8и) на выходе элемента НЕ 37 и на входе элемента И-НЕ 38 изменений не происходит. После дифференцирующей цепи, состоящей из конденсатора 39 и резистора 42, на втором выходе формирователя 27 импульсов появляется импульс отрицательной полярности (. 8п) а на выходе элемента И-НЕ 38 появляется импульс положительной полярности (фиг. 8к).

Таким образом, устройство обладает высокой помехозащищенностью, так как одиночные и групповые импульсы помехи не влияют на достоверность выделения R-зуб- ца устройством в щироком диапазоне амплитуд электрокардиосигнала.

Формула изобретения

1. Устройство для выделения R-зубца электрокардиосигнала, содержащее усилитель, входы которого подключены к входным щинам устройства, фильтр, выпрямитель, первый компаратор, блок управления и одновибратор , отличающееся тем, что, с целью повыщения импульсной помехозащищенности, в него введены последовательно соединенные второй компаратор, селектор помехи и блок формирования порогового уровня, второй вход которого подключен к первому выходу блока управления и к второму входу селектора помехи, третий вход - к первому входу второго компаратора, а первый выход - к второму входу второго компаратора и к первому входу первого компаратора, выход которого соединен с первым входом блока управления, второй вход которого подключен к выходу селектора помехи, а второй выход - к входу одно- вибратора, выход которого соединен с выходной щиной устройства, и управляемый аттенюатор, выход которого подключен к первому входу второго компаратора и к второму входу первого компаратора, первый вход - к второму выходу блока формирования порогового уровня, а второй вход - к выходу выпрямителя, вход которого соединен с выходом фильтра, вход которого подключен к выходу усилителя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в нем селектор помехи содержит последовательно соединенные первый счетчик, первый триггер, первый элемент И, выход и второй вход которого являются соответственно выходом и первым входом селектора помехи, и второй счетчик, второй триггер, первый вход которого является вторым входом селектора помехи и соединен с первым входом первого счетчика, второй вход которого подключен к первому- входу первого триггера, второй вход которого соединен с выходом и вторым входом второго счетчика, третий вход которого подключен к ВЫХОДУ

9

второго триггера, второй вход которого соединен с первым входом второго ечетчика. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в нем блок формирования порогового уровня содержит счетверенный элемент И-ИЛИ, последовательно соединенные усреднитель, первый ключ и пиковый детектор, последовательно соединенные ждуплий мультивибратор и третий счетчик, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к пер- Бому, второму, третьему и четвертому входам счетверенного элемента И-ИЛИ, пятый вход которого соединен с вторым входом пикового детектора и с первым входом третье- го счетчика, пятый выход которого подключен к его второму входу, четыре элемента выборки и хранения, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами усреднителя, а первые входы - соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами счетверенного элемента И-ИЛИ, последовательно соединенные триггер Шмитта, вход которого подключен к выходу усреднителя, и формирователь импульсов, первый выход которого подключен к шестому, седьмому, восьмому, девятому и десятому входам счетверенного элемента И-ИЛИ, второй ключ, первый вход которого соединен с вторым выходом формирователя импульсов, а вто10

рой вход - с первой шиной опорного напряжения, и третий ключ, первый вход которого подключен к третьему выходу формирователя импульсов, второй вход - к второй шине опорного напряжения, а выход - к выходу второго ключа, к выходу пикового детектора и к вторым входам четырех элементов выборки и хранения, причем второй вход первого ключа, вход ждущего мультивибратора, третий вход пикового детектора, выход усреднителя и выход триггера Шмитта являются соответственно первым входом, вторым входом, третьим входом, первым выходом и вторым выходом блока формирования порогового уровня. 4. Устройство по п. 1, отличающееся

тем, что в нем блок управления содержит последовательно соединенные первый дифференциатор, вход которого является первым входом блока управления, третий триггер, второй вход которого является вторым входом блока управления, элемент И-НЕ, второй дифференциатор и второй элемент И, выход которого является первым выходом блока управления, и последовательн о соединенные генератор импульсов и четвертый счетчик, выход которого подключен к его второму входу и к второму входу второго

элемента И, а третий вход - к входу первого дифференциатора и к второму входу элемента И-НЕ, выход которого является выходом блока управления.

Устройство для выделения R-зубца электрокардиосигнала (ЭКС) содержит усилитель I, фильтр 2, выпрямитель 3, первый компаратор 4, блок 5 управления, одно- вибратор 6, с целью повышения импульсной помехозащищенности, в него введены второй компаратор 7, селектор 8 помехи, блок 9 формирования порогового уровня, управляемый аттенюатор 10. Фильтр 2 устраняет дрейф изолинии и высокочастотные составляющие ЭКС. Если в исходном состоянии сигнал отсутствует, с выхода аттенюатора 10 поступает напряжение шумов. Блок 5 вырабатывает тактовые импульсы с периодом, соответствующим максимальному R-R интервалу. При появлении на выходе аттенюатора 10 сигнала, превышающего амплитуду щумов, но ниже уровня срабатывания компаратора 7 на 1 и 2 выходах блока 5 синхронно с R-зубцами ЭКС формируются импульсы, обеспечивающие фиксацию пиковых значений R-зубцов и определение их среднего пикового значения и использующихся для формирования нормированных синхроимпульсов, соответствующих R-зубцам. При поступлении помехи, превышающей среднее пиковое значение R-зубцов, происходит блокирование синхроимпульсов, и на вход одновибратора 6 не поступают ложные импульсы от помехи. 3 з.п. ф-лы., 9 ил. (С (Л го со со

16X0

Ж

Вы}(од

ЕВ)од

а

р

Фаг. 2

1вкоЗ

ffgxod

ИВынад

58 71

ш BbiTiod

HZ

v5B

Фиг. 5

vwvwwww A л л А ЛИЛI

(И

hi di

ЛАЛЛ

а innr-imr

д I I

пппгтг

- LJl JlJT JLJ1 rL n rL.

-TUTПЛ П П

ЖЖЖ

и нонпоротора 7

й/г 7

и §)(од ноппаратора

IffKof аонпаратора

дыход

Hofinapomopa Ч а -

Помеха

и

1Г

U

Фи.9

Sr