Устройство для выделения и анализа R-зубцов электрокардиосигнала Советский патент 1988 года по МПК A61B5/04 

(Л

вА/ход

со О 4 ND

СО 00

Изобретение относится к медицинской технике, а именно кдиагности еским кардиологическим устройствам.

Цель изобретения - повышение надежности выделения R-зубцов и проведение дифференциальной диагностикти типов желудочковых экстрасистол.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства для выделения и анализа R-зубцов электрокардиосигнала; на фиг. 2 - схема временного селектора; на фиг. 3 - схема блока логического анализа; на фиг. 4 - схема регистра, входящего в состав блока логического анализа; на фиг. 5 - временные диаграммы сигналов; на фиг. 6 - таблица, поясняющая выполняе- 15 мую устройством классификацию входных импульсных сигналов, и основные типы желудочковых комплексов электрокардиосигнала, выделяемые с помощью устройства; на фиг. 7 - эпюры сигналов на выходах

10

Каждый пиковый детектор 1 и 4 содержит (фиг. 1) первый 16 и второй 17 операционные усилители, элемент 18 задержки, ключ 19, диод 20, конденсатор 21 и два резистора 22 и 23. Диод 20 и конденсатор 21 образуют диодно-емкостную запоминающую ячейку. Конструкция пиковых детекторов 1 и 4 отличается только полярностью включения диода 20 между выходом первого операционного усилителя 16 и конденсатором 21, которая, и определяет полярность запоминаемых экстремальных значений входного сигнала.

Временной селектор 8 содержит (фиг. 2) два генератора 24 и 25 пилообразного напряжения, входы которых являются соответственно первым и вторым входами временного селектора 8, два логических элемента ИЛИ 26 и 27, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами временного селектора 8, и четыре комТI -л

блоков, осуществляющих формирование паратора 28-31, стробирующие входы кото- строба заднего фронта в блоке логического рых объединены и являются третьим входом

анализа.

Устройство для выделения и анализа R-зубцов электрокардиосигнала содержит (фиг. 1) последовательно соединенные первый пиковый детектор 1, первый компаратор 2 и первый формирователь 3 строба, последовательно соединенные второй пиковый детектор 4, второй компаратор 5, второй формирователь 6 строба, триггер 7, временной селектор 8, второй вход которого подключен к второму выходу триггера 7, блок 9 логического анализа, второй вход которого подключен к второму выходу вре- ме нного селектора 8, и блок 10 индикации, блок 11 вычитания, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого пикового детектора 1 и второго пикового детектора 4, первый вход которого подключен к входной шине устройства, к первому входу первого пикового детектора 1 и к вторым входам первого 2 и второго 5 компараторов, третий 12, четвертый 13 и пятый 14 компараторы, первые входы которых соединены с выходом блока 11 вычитания, вторые входы - соответственно .с первой, второй и третьей щинами опорного напряжения U,, U, и Uj, а выходы - соответственно с третьим, четвертым и пятым входами блока 9 логического анализа, второй выход которого подключен к выходной шине устройства, и логический элемент

30

35

временного селектора 8. Опорные входы компараторов 29 и 30 подключены к четвертой шине опорного напряжения Ц, а опорные

25 входы компараторов 28 и 31 - к пятой шине опорного напряжения Uj.

Блок 9 логического анализа содержит (фиг. 3) первый 32 и второй 33 триггеры, одновибраторы 34-39, элементы 40-42 задержки, инверторы 43-45, логические элементы И 46-55, логические элементы ИЛИ-НЕ 56 и 57, логические элементы ИЛИ 58-61, регистр 62 и счетчик 63 импульсов. При этом регистр 62 может быть выполнен, например, в виде четырех ячеек 64-67 памяти на 1К-триггерах и элемента 68 задержки (фиг. 4). Счетчик 63 импульсов может содержать, например, четыре параллельно включенных счетных элемента. Первый 3 и второй 6 формирователи строба могут быть выполнены, например, в виде одновибрато40 ров, а в качестве блока 11 вычитания может быть использован, например, дифференциальный усилитель.

Устройство работает следующим образом.

5 Электрокардиограмма с пациента снимается с помошью униполярных отведений, причем расположение сигнального электрода соответствует одному из стандартных грудных отведений V или Vg.. Электрокардиографический сигнал (фиг. 5, U) подаИЛИ 15, выход которого соединен с треть- 50 ется на входную шину устройства, а затем

5

0

Каждый пиковый детектор 1 и 4 содержит (фиг. 1) первый 16 и второй 17 операционные усилители, элемент 18 задержки, ключ 19, диод 20, конденсатор 21 и два резистора 22 и 23. Диод 20 и конденсатор 21 образуют диодно-емкостную запоминающую ячейку. Конструкция пиковых детекторов 1 и 4 отличается только полярностью включения диода 20 между выходом первого операционного усилителя 16 и конденсатором 21, которая, и определяет полярность запоминаемых экстремальных значений входного сигнала.

Временной селектор 8 содержит (фиг. 2) два генератора 24 и 25 пилообразного напряжения, входы которых являются соответственно первым и вторым входами временного селектора 8, два логических элемента ИЛИ 26 и 27, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами временного селектора 8, и четыре комл

паратора 28-31, стробирующие входы кото- рых объединены и являются третьим входом

временного селектора 8. Опорные входы компараторов 29 и 30 подключены к четвертой шине опорного напряжения Ц, а опорные

входы компараторов 28 и 31 - к пятой шине опорного напряжения Uj.

Блок 9 логического анализа содержит (фиг. 3) первый 32 и второй 33 триггеры, одновибраторы 34-39, элементы 40-42 задержки, инверторы 43-45, логические элементы И 46-55, логические элементы ИЛИ-НЕ 56 и 57, логические элементы ИЛИ 58-61, регистр 62 и счетчик 63 импульсов. При этом регистр 62 может быть выполнен, например, в виде четырех ячеек 64-67 памяти на 1К-триггерах и элемента 68 задержки (фиг. 4). Счетчик 63 импульсов может содержать, например, четыре параллельно включенных счетных элемента. Первый 3 и второй 6 формирователи строба могут быть выполнены, например, в виде одновибраторов, а в качестве блока 11 вычитания может быть использован, например, дифференциальный усилитель.

Устройство работает следующим образом.

Электрокардиограмма с пациента снимается с помошью униполярных отведений, причем расположение сигнального электрода соответствует одному из стандартных грудных отведений V или Vg.. Электрокардиографический сигнал (фиг. 5, U) подается на входную шину устройства, а затем

Устройство для выделения и анализа R-зубцов электрокардиосигнала содержит последовательно соединенные пиковый де тектор 1, компаратор 2 и формирователь 3 строба и компаратор 5. С целью повышения надежности выделения R-зубцов и проведения дифференциальной диагностики типов желудочковых экстрасистол в него введены пиковый детектор 4, последовательно соединенные формирователь 6 строба, триггер 7, временной селектор 8, блок 9 логического анализа и блок 10 индикации, блок 11 вычитания, компараторы 12, 13 и 14 и логический элемент ИЛИ 15. 7 ил. а S

ими входами временного селектора и компараторов 12-14 и с шестым входом блока 9 логического анализа первый вход - с вторыми входами триггера 7 и второго пикового детектора 4 и с выходом первого формирователя 3 строба, а второй вход - с вторым входом первого пикового детектора 1 и с выходом второго формирователя 6 строба.

5

поступает на первый вход первого пикового детектора 1, осуществляющего выделение максимальных значений входного сигнала (фиг. 5, , и на первый вход второго пикового детектора 4, выделяющего минимальные значения входного сигнала (фиг. 5, Uj). Выделение моментов экстремумов производится первым компаратором 2 (моменты максимумов) и вторым компаратором 5

(моменты минимумов), сигналы с выходов которых преобразуются первым 3 и вторым 6 формирователями строба в стробирующие импульсы (стробы), которые управляют работой первого 1 и второго 4 пиковых детекторов, переводя их в режим слежения. Причем сигнал с выхода первого формирователя 3 строба максимума (фиг. 5, U) подается на второй вход второго пикового детектора 4, выделяющего минимумы, а-сигнал с выхода второго формирователя 6 строба минимума подается на второй вход первого пикового детектора 1, выделяющего максиму.мы, что обусловлено чередованием максимумов и минимумов в исходном сигнале.

После выделения экстремумов устройство осуществляет анализ зубцов электрокардио- сигнала по амплитуде и длительности перепадов между двумя смежньгми экстрему.мами. Интервалы, соответствующие длительности перепадов входного сигнала, формируются на первом и втором выходах триггера 7, на первый и второй входы которого подаются сигналы соответственно с выхода первого формирователя 3 строба и с выхода второго формирователя 6 строба, несущие информацию о моментах экстремумов входного сигнала. В результате этого на первый вход временного селектора 8 поступают импульсы, длительности которых равны временным интервалам между соседними локальными .мак- симума.ми и .минимумами, а на его второй вход - импульсы, длительности которых равны вре.менным интервала.м между соседними локальными минимумами и макси.му- мами. Временной селектор 8 производит разделение полученных интервалов по длительности Т на три зоны:

,; ,; ,.

Сигнал, несущий информацию об амплитуде А перепада между любыми двумя смежными экстрему.ма.ми входного сигнала устройства, формируется На выходе блока 11 вычитания, определяющего разность сигналов, поступающих с выходов первого 1 и второго 4 пиковых детекторов. Затем эта разность подается на первые входы третьего 12, четвертого 13 и пятого 14 компараторов, которые производят разделение перепадов по амплитуде А на четыре зоны: А-сЦ; .,; и.,,,; , где L, Uj и Uj - опо-рные уровни напряжения на вторых входах соответственно третьего 12, четвертого 13 и пятого 14 компараторов. Стробы, поступающие на вторые входы компараторов 12-14 с выхода логического элемента ИЛИ 15, обеспечивают сравнение разностного сигнала с заданными порогами в моменты времени, соответствующие каждому локальному экстремуму, что дает возможность проводить сравнение тогда, когда на входе компараторов 12-14 имеется напря0

5

0

жение, равное амплитуде перепада между двумя очередными смежными экстремумами. Сигналы с первого и второго выходов временного селектора.8, а также с выходов компараторов 12-14 поступают соответственно на первый, второй, третий, четвертый и пятый входы блока 9 логического анализа, который на основе данных об амплитуде и длительности перепадов входного сигнала осуществляет достоверное выделение R-зубцов электрокардиосигнала на фоне помех различного вида, таких как дрейф изолинии, сетевая помеха и и.мпульсные артефакты. Подобный анализ позволяет обнаружить R-зубцы также при наличии Т-зуб- цов, сравнимых и даже превосходящих по амплитуде R-зубцы. Кроме того, при анализе перепадов по амплитуде и длительности становится возможным выделение аберрантных желудочковых комплексов и классификация их на желудочковые экстрасистолы трех типов, что также осуществляется блоком 9 логического анализа.

В таблице (фиг. ба), поясняюи.1ей классификацию входных импульсных сигналов устройства в зависимости от попадания зна5 чений амплитуды А и длительности Т перепадов в различные зоны, величины tj и U представляют собой параметры, соответствующие нормальному R-зубцу электрокардиосигнала. Величины пороговых уровней и., и Uj, а также длительность опорного интервала t., выбираются в соответствии с данными электрокардиографических исследований и могут иметь, например, следующие значения: Ь з l,4Ui; U, 0,7 Uj.; t., Gtj. В графах зон таблицы приведены также соответствующие каждой зоне кодовые комбинации (Xf-Xj-, фиг. 1), которые отображают логическое состояние (единичный или нулевой уровни напряжения) входов блока 9 логического анализа и определяются состоянием компараторов 28-31

0 вре.менного селектора 8 (градации по дли- тельности перепада) и компараторов 12-14 (градации по амплитуде перепада). На фиг. 6 также представлены четыре типа желудочковых комплексов электрокардиосигнала, выделение которых устройством дает диагностическую информацию о состоянии и функционировании сердца: желудочковый б - комплекс с нормальным R-зуб- цом (норма); в - желудочковая экстрасистола I типа (Ж-1), у которой R-зубец имеет нормальную амплитуду, но повышенную длительность заднего фронта (перепада до б.ти- жайщего миниму.ма); г - желудочковая экстрасистола II типа (Ж-П) с R-зубцом, имеющим повышенную амплитуду и повы- Н1енную длительность заднего фронта (перепада); д - желудочковая экстрасистола III типа (Ж-111), R-зубец которой имеет пониженную амплитуду и нормальную длительность заднего фронта (перепада).

0

5

5

0

5

На первые входы пиковых детекторов.подается входной электрокардиосигнал, типичный вид Ua которого представлен на фиг. 5, где R - нормальный желудочковый комплекс; ЭС - желудочковая экстрасистола. В момент локальных экстремумов происходит смена знака, прикладываемого к диоду 20 напряжения, что приводит к изменению его проводящего состояния. Строби- рующие импульсы, поступающие с выходов формирователей 3 и 6 строба на вторые вхо- ды пиковых детекторов 1 и 4 (фиг. 5, U и и ), управляют работой ключей 19, которые замыкаются только на время длительности стробирующих импульсов. Элементы 18 задержки, включенные между вторыми входами пиковых детекторов 1 и 4 и управляющими входами ключей 19, обеспечивают задержку сигнала с выхода блока 11 вычитания на время, необходимое для срабатывания логического элемента ИЛИ 15 и компараторов 12-14.

Пиковые детекторы 1 и 4 имеют два режима работы: слежения и запоминания экстремальных значений. На фиг. 5 изображены временные диаграммы напряжений на выходе первого пикового детектора 1 (точка d, фиг. 1) Ud, и на выходе второго пикового детектора 4 (точка е, фиг. 1) Ug. Пиковые детекторы 1 и 4 работают в противофазе. Интервалы времени t t, tj. t, t 1, t t, ... являются интервалами работы в режиме слежения для первого пикового детектора 1 и одновременно интервалами работы в режиме заполнения локальных минимумов для второго пикового дет ектора 4, а интервалы времени t t , t i, , t, t , ... - интервалами работы в режиме смежения для второго пикового детектора 4 и одновременно интерва- лами работы в режиме запоминания локальных максимумов для первого пикового детектора 1.

Значения длительности i, стробирующих импульсов (фиг. 5) и емкости конденсато- ров 21 выбираются оптимальными, при которых обеспечивается своевременный разряд конденсаторов 21 для перехода пиковых детекторов .1 и 4 в режим слежения. Параметры схемы пиковых детекторов 1 и 4 также обеспечивают необходимую точность фиксации амплитуды перепада между локальными экстремумами входного сигнала (порядка 0,1% при максимальном времени запоминания, которое определяется максимально возможной длительностью временного интер- вала между соседними локальными экстремумами, порядка 200 мс.

Сигналы с выходов триггера 7, поступающие на первый и второй входы временного селектора 8, запускают генераторы 24 и 25 пилообразного напряжения, которые преоб- разуют длительности перепадов между смежными экстремумами в напряжение, поступа

5

0

0 5

ющее на информационные входы компараторов 28-31. Опорные напряжения U и Us определяют пороги по длительности для анализируемых временных интервалов. Селекцию импульсов, длительность которых пре- выщает порог U, соответствующий длительности tj, осуществляют компа раторы 29 и 30, выходные сигналы которых через ло- гически-й элемент ИЛИ 26 поступают на первый выход временного селектора 8. Селекцию импульсов, длительность которых превыщает порог U, соответствующий длительности t,, осуществляют компараторы 28 и 31, выходные сигналы которых через логический элемент ИЛИ 27 поступают на второй выход временного селектора 8. Сравнение длительностей производится компараторами 28-31 в момент прихода строба. Кодовая комбинация сигналов X, и Хг.на выходах временного селектора 8 определяет попадание длительностей перепадов между смежными экстремумами входного сигнала устройства в одну из трех зон (фиг. 6а). Блок 9 логического анализа из всех возможных кодовых комбинаций X,-Xj выделяет те кодовые комбинации, которые соответствуют различным типам желудочковых комплексов электрокардиосигнала, приведенным на фиг. 6. Одновибраторы 34-38, инверторы 43-45, логические элементы И 46-53 и логический элемент ИЛИ-НЕ 57 формируют сигналы Y.,, представляющие собой следующие логические функции от входных сигналов.

Y, ,

x,nXjnx,,

Yj X,.nXj-, Х,,ПХ,

где

Y.

Y.-Y,

нормальному

-соответствует R-зубцу;

-соответственно желудочковым экстрасистолам I-1П типов.

Так как наиболее информативной частью электрокардиосигнала (в частности, и для выявления аберрантных комплексов) являются задние фронты (перепады) его зубцов, то в устройстве окончательное рещение о классификации желудочковых комплексов принимается на основе анализа именно заднего фронта. С помощью триггеров 32 и 33, одновибратора 39, логических элементов И 54 и 55, логического элемента ИЛИ-НЕ 56, логических элементов ИЛИ 58-60 и элементов 40-42 задержки осуществляется формирование сигнала окончательного ре- щения (строба заднего фронта), разрещаю- щего перепись информации о наличии желудочковых комплексов того или иного типа в регистр 62 и далее на входы счетчика 63 импульсов и блока 10 индикации. На фиг. 7 приведены эпюры сигналов на выходах блоков, производящих формирование строба заднего фронта (вне зависимости от полярности R-зубца), который подается на стро- бирующий вход регистра 62.

Вхождение устройства в правильный режим работы производится установкой в нулевое состояние первого триггера 32, что позволяет избежать ошибок в классификации R-зубцов. Подобные ошибки могут возникать при наличии импульсных помех, один из фронтов которых имеет параметры, близ- кие к параметрам R-зубца, а также при включении устройства с середины анализируемого желудочкового комплекса (фиг. 7А). Логические элементы И 55 и ИЛИ-НЕ 56

Устройство для выделения и анализа R-зубцов электрокардиосигнала, содержа- ш,ее последовательно соединенные первый

25

обеспечивают сброс первого триггера 32 по / пиковый детектор, первый компаратор и пер- неинформативным строба.м при отсутствии на входах р-гистра 62 сигналов Y.,-Х), т. е. когда сигнал 7 Y U Y, U Х равен единице. Сброс первого триггера 32 производится также сигналом логической единицы с выхода второго триггера 33. Благодаря 20 вхождению в правильный режим работы устройства первый триггер 32 устанавливается в единичное состояние только по переднему фронту R-зубца сигналом Z, формируемым логическим элементом ИЛИ 59, так как любой R-зубец будет иметь передний фронт, соответствующий сигналу Y, или Y.

Сигнал подготовки к работе, формируемый вторым триггером 33 (фиг. 7), обеспечивает сброс первого триггера 32 после каждого идентифицируемого R-зубца, что под- 30 готавливает первый триггер 32 к его переходу в состояние логической единицы при появлении переднего фронта следующего R-зубца электрокардиосигнала. Второй триг- гер 33 переводится в единичное состояние по переднему фронту R-зубца и сбрасывается в ноль по заднему фронту R-зубца. Стро- бирование регистра 62 осуществляется задним фронто.м импульса, формируемого на выходе второго триггера 33. Строб заднего

35

45

фронта формируется также сигналом Y, 40 так как его наличие однозначно определяет, что пришел задний фронт R-зубца.

В процессе работы устройства в блоке 10 индикации накапливается информация о числе и характере желудочковых экстрасистол за время обследования пациента, а на выход устройства поступает последовательность импульсов, синхронных с R-зубцами электрокардиосигнала. причем не только с нормальными R-зубцами, но и с R-зубцами повышенной или пониженной амплитуды, а также с аберрантными R-зубцами искажен50

вый формирователь строба и второй компаратор, отличаюш,ееся тем, что. с целью повышения надежности выделения R-зубцов и проведения дифференциальной диагностики типов желудочковых экстрасистат, в него введены второй пиковый детектор, выход которого подключен к первому входу второго компаратора, а первый вход - к входной шине устройства, к первому входу первого пикового детектора и к вторым входам первого и второго компараторов, последовательно соединенные второй формирователь строба, триггер, временной селектор, второй вход которого подключен к второму выходу триггера, блок логического анализа, второй вход которого подключен к второму выходу вре.менного селектора, и блок индикации, блок вычитания, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго пиковых детекторов, третий, четвертый и пятый компараторы, первые входы которых соединены с выходо.м блока вычитания, вторые входы - соответственно с первой, второй и третьей шинами опорного напряжения, а выходы - соответственно с третьим, четвертым и пятым входами блока логического анализа, второй выход которого подключен к выходной шине устройства, и логический элемент ИЛИ, выход которого соединен с третьи.ми входами временного селектора и третьего, четвертого и пятого компараторов и с шестым входом блока логического анализа, первый вход - с вторыми входами триггера и второго пикового детектора и с выходом первого формирователя строба, а второй в.ход - с вторым входом первого пикового детектора и с выходом второго формирователя строба, вход которого подключен к выходу второго компаратора.

ной формы, что обеспечивается логическим элементом ИЛИ 61.

Таким образом, устройство обеспечивает повышение достоверности селекции R-зубца электрокардиосигнала и производит выделение желудочковых экстрасистол различных типов, что позволяет улучшить качество профилактики и лечения опасных желудочковых аритмий в процессе длительности мо- ниторного наблюдения за пациентами.

Формула изобретения

Устройство для выделения и анализа R-зубцов электрокардиосигнала, содержа- ш,ее последовательно соединенные первый

пиковый детектор, первый компаратор и пер-

5

/ пиковый детектор, первый компаратор и пер- 0

0

5

45

0

50

вый формирователь строба и второй компаратор, отличаюш,ееся тем, что. с целью повышения надежности выделения R-зубцов и проведения дифференциальной диагностики типов желудочковых экстрасистат, в него введены второй пиковый детектор, выход которого подключен к первому входу второго компаратора, а первый вход - к входной шине устройства, к первому входу первого пикового детектора и к вторым входам первого и второго компараторов, последовательно соединенные второй формирователь строба, триггер, временной селектор, второй вход которого подключен к второму выходу триггера, блок логического анализа, второй вход которого подключен к второму выходу вре.менного селектора, и блок индикации, блок вычитания, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго пиковых детекторов, третий, четвертый и пятый компараторы, первые входы которых соединены с выходо.м блока вычитания, вторые входы - соответственно с первой, второй и третьей шинами опорного напряжения, а выходы - соответственно с третьим, четвертым и пятым входами блока логического анализа, второй выход которого подключен к выходной шине устройства, и логический элемент ИЛИ, выход которого соединен с третьи.ми входами временного селектора и третьего, четвертого и пятого компараторов и с шестым входом блока логического анализа, первый вход - с вторыми входами триггера и второго пикового детектора и с выходом первого формирователя строба, а второй в.ход - с вторым входом первого пикового детектора и с выходом второго формирователя строба, вход которого подключен к выходу второго компаратора.

ж/

фиг.З

Зб/лод

и.

iPus.S

и.

М&КС5

W-J

й/г.б

энс

фиг.7

VIV

s