CC BY
44of a time standing of R-waves ECG is surveyed. Results of computer simulation in program MicroCap 8 offered alternatives of the hardware structures on model actual ECG are given.
Measurement of RR-intervals, R-wave detector
Статья поступила в редакцию 24 февраля 2009 г.
УДК 615.47:621.375.134
К. В. Зайченко, Т. В. Сергеев
Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения
Аналоговая обработка биоэлектрических сигналов
2
со сверхвысоким разрешением2
Рассмотрена аналоговая обработка электрокардиосигналов с выделением низкоамплитудных высокочастотных составляющих для электрокардиографии сверхвысокого разрешения. Сформулированы основные проблемы, возникающие при ее технической реализации, определены пути их решения. Предложена обобщенная структурная схема блока двухканальной регистрации ЭКС с одного стандартного отведения. Рассмотрен способ нелинейной полосовой фильтрации, обеспечивающий выделение высокочастотных информационных компонентов ЭКС.
ЭКГ, сверхвысокое разрешение, нелинейная полосовая фильтрация
При электрофизиологических исследованиях клеток, тканей, органов и систем живых организмов регистрируемые биоэлектрические сигналы на большей части своей протяженности низкоамплитудны и шумоподобны, однако содержат полезные компоненты, несущие важную информацию о протекающих в исследуемых тканях нормальных физиологических процессах, а также о развитии патологических явлений. Поскольку наибольшее число тяжелых болезней для людей активного рабочего возраста приходится на заболевания сердечно-сосудистой системы, особенно актуальной является возможность регистрации и анализа сигналов биоэлектрической активности сердца.
В кардиологии все большее значение приобретают диагностические методики предупреждения кардиозаболеваний на ранних стадиях их развития, использующие средства электрокардиографии высокого разрешения (ЭКГ ВР)3. Регистрация электрокардиосигна-ла (ЭКС) с высоким разрешением достигается за счет его обработки в расширенном, по сравнению с классической электрокардиографией, частотном диапазоне (до 250 Гц), что позволяет выявлять признаки кардиопатологий, не обнаруживаемые при анализе обычной электрокардиограммы [1], [2]. Следует выделить метод так называемой дополнительно усиленной ЭКГ, расширяющий амплитудный диапазон регистрации и анализа кардиосиг-
2 Исследование поддержано грантом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе У.М.Н.И.К.
3 Иванов Г. Г. Электрокардиография высокого разрешения // URL: http://www.ecg.ru/books/hrm/igg/kniga01/index.html
© Зайченко К. В., Сергеев Т. В., 2009 27
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2009. Вып. 3======================================
нала, а также позволяющий выявлять дополнительные признаки кардиопатологий по сравнению с анализом обычной электрокардиограммы [3].
Указанное расширение амплитудно-частотного диапазона обработки сигналов электрофизиологической активности сердца позволило увеличить диагностическую информативность регистрируемого ЭКС. В работе [4] сформулированы теоретические предпосылки дальнейшего увеличения амплитудно-частотного разрешения при регистрации и анализе ЭКС для выявления новых признаков кардиопатологий. Для данного направления ЭКГ, работающего с электрокардиосигналами в частотном диапазоне с верхней граничной частотой выше 250 Гц и амплитудном диапазоне с минимальным значением менее 1 мкВ, авторами [5] предложен термин "электрокардиография сверхвысокого разрешения" (ЭКГ СВР). Следует отметить, что аппаратная и алгоритмическая реализация ЭКГ СВР связана с решением ряда научно-технических проблем. Основными из них являются следующие:
1. Реализация более высокого, порядка 103 ...104, коэффициента усиления при ограниченности динамического диапазона канала обработки и, в частности, пропускной способности АЦП.
2. Расширение частотного диапазона регистрации ЭКС до 2 кГц и более при значительном уровне внутренних помех, связанных с биоэлектрической активностью органов и тканей человека, в частности, миопомех - сигналов электрической активности мышц, частотный спектр которых перекрывает указанный частотный диапазон полезного сигнала.
3. Осуществление регистрации ЭКС со сверхвысоким разрешением в условиях большой внешней зашумленности (сетевая помеха, радиопомехи и т. д.) и изменчивости информационной составляющей сигнала от пациента к пациенту.
4. Значительное искажение кардиосигнала при использовании аналоговой высокоселективной частотной фильтрации из-за возникновения свободных слабозатухающих колебаний - так называемый звон фильтра. Чем уже полоса пропускания или режекции фильтра, тем больше помех в виде собственной реакции ("звона") он будет вносить в сигнал, заирудняя определение временного положения выделенного частотного компонента.
5. Выбор длительности окна, т. е. выборки конечной длительности, при использовании цифровой фильтрации требует компромисса между точностью локализации искомого низкоамплитудного сигнала (что требует сужения окна) и сохранением спектрального разрешения - различения двух соседних частот, для чего необходим анализ протяженных сегментов. Следует также упомянуть ухудшение точности измерений, связанное с применением для анализа выборок, а не непрерывного сигнала4. Величина частоты дискретизации сигнала также накладывает ограничения на точность измерений.
6. Использование методов синхронного накопления для выявления низкоамплитудных информационных составляющих осложнено квазипериодичностью ЭКС [4], [5].
Целью настоящей статьи является рассмотрение путей решения указанных проблем при реализации аппаратной аналоговой части устройства ЭКГ СВР на основе специально разрабо-
4 Иванов Г. Г. Электрокардиография высокого разрешения //
URL: http://www.ecg.ru/books/hrm/igg/kniga01/index.html 28
танного способа регистрации ЭКС и методов нелинейной полосовой фильтрации, адаптированных к обработке низкоамплитудных высокочастотных составляющих (микропотенциалов).
При разработке структурных и принципиальных схем, реализующих предлагаемый способ регистрации и обработки ЭКС в расширенных амплитудном и частотном диапазонах, проводилось математическое моделирование с использованием программы структурного и схемотехнического моделирования MicroCAP. Оценка эффективности работы спроектированных схем проводилась на записях электрокардиосигналов из базы данных MIT-BIH и на модели на основе оцифрованных ЭКС, полученных с помощью разработанного макета устройства их широкополосной регистрации.
Экспериментальный макет реализован в виде блока двухканальной обработки и записи ЭКС для первого стандартного отведения. При его создании использована современная элементная база, в частности, высокоточные малошумящие операционные усилители. Для обработки данных, полученных с экспериментального макета, использовалось программное обеспечение, реализующее специально разработанные алгоритмы сверхточной синхронизации [5], [6], а также стандартные математические и статистические средства, в частности, спектрального и корреляционного анализа, на основе программ MathCAD и Derive.
Поскольку в кардиографе СВР узел аналоговой обработки кардиосигнала, с одной стороны, должен максимально усиливать низкоамплитудные высокочастотные составляющие ЭКС, а с другой стороны, обеспечивать усиление его низкочастотных составляющих, имеющих амплитуду на порядки выше высокочастотных, обеспечивая при этом неискаженное прохождение R-зубца как источника информации для синхронизации, применена раздельная обработка низкочастотных и высокочастотных составляющих ЭКС. Структурная схема двухканального блока аппаратной части ЭКГ СВР представлена на рис. 1 и включает в себя: ОРФ - отключаемый режекторный фильтр; МУУ - масштабирующий управляемый усилитель; ФВЧ - фильтр верхних частот; ФНЧ - фильтр нижних частот; БНПФ - блок нелинейных полосовых фильтров.
После предварительного дифференциального частотно-независимого усиления, обеспечивающего согласование по сопротивлению и значительное подавление синфазных помех, и высокодобротной режекторной фильтрации, служащей для подавления наиболее высокоамплитудной помехи, возникающей от силовой сети, кардиосигнал поступает в два параллельных канала аналогового частотно-избирательного управляемого усиления. Первый канал -
От ЦАП
Рис. 1
канал синхронизации - обеспечивает обработку ЭКС в классическом для электрокардиографии амплитудно-частотном диапазоне: усиление в 100.. .150 раз (40...44 дБ) в полосе частот 0.05.100 Гц. Для этого используются ФВЧ и ФНЧ четвертого порядка с частотами среза 0.05 и 100 Гц соответственно, а также масштабный программно-управляемый усилитель. Второй канал - высокочастотный - обеспечивает обработку ЭКС как в высоком, так и в сверхвысоком амплитудно-частотном разрешении: коэффициент усиления для высокочастотных (ВЧ) компонентов 1000.10 000 (60.80 дБ); общая полоса частот 100.2000 Гц; специальные полосы частот с возможностью изменения их границ, эффективной ширины и положения. Для этого используются ФВЧ и ФНЧ четвертого порядка с частотами среза 100 и 2000 Гц соответственно, а также применяется масштабирующий программно-управляемый усилитель. Для обработки в специальных узких частотных полосах применяется нелинейная полосовая фильтрация.
Таким образом, для преодоления рассмотренных ранее проблем обработки кардиосигнала при обеспечении регистрации его низкоамплитудных высокочастотных составляющих (микропотенциалов) разработан способ двухканальной регистрации ЭКС с одного отведения, позволяющий проводить его расширенную обработку в широком амплитудно-частотном диапазоне за счет наличия синхронизирующего канала, являющегося источником информации для дополнительной вторичной обработки данных в высокочастотном канале. Предложенный способ может быть использован и в оборудовании для других стандартных отведений ЭКГ. На рис. 2 представлены полученные в результате моделирования амплитудно-частотные характеристики разработанного блока аналоговой обработки ЭКС.
Кривые 1 и 2 показывают предельные (максимальные и минимальные соответственно) амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) канала синхронизации для усиления в 150 и 100 раз соответственно. Кривые 3 и 4 - предельные АЧХ канала ВЧ для усиления в 1000 и 10 000 раз соответственно. Управление величиной усиления в каналах в данных пределах возможно благодаря наличию масштабирующих управляемых усилителей (МУУ), имеющих изменяемый коэффициент усиления от 1 до 10. Необходимо отметить наличие резкого провала АЧХ в области 50 Гц, создаваемого работой отключаемого ре-жекторного фильтра (ОРФ), обеспечивающего подавление сетевой частоты. В рассматриваемом устройстве предусмотрена возможность его отключения для проведения регистрации ЭКС в экранированных помещениях или при использовании цифровой режекторной фильтрации. Кривая 5 демонстрирует один из возможных вариантов АЧХ линейного полосового фильтра (ПФ) второго порядка, используемого для выделения микропотенциалов. В представленном случае ПФ имеет резонансную частоту 500 Гц и добротность, равную 10.
На рис. 3 представлены записи реального кардиосигнала, иллюстрирующие работу блока аналоговой двухканальной обработки ЭКС, снятые при регистрации ЭКС, проводившейся в условиях минимальных помех в специально экранированном помещении.
Рис. 2
и, В 0.02 0.01 0
- 0.01
и, В 2 1 0 - 1
0
0
0.2
0.2
0.4
0.4
0.6
0.8 1.0
а
1.2
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.4
1.6
1.6
t, с
t, с
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
t, с
в
Рис. 3
На рис 3, а показан кардиосигнал, записанный с выхода предварительного дифференциального инструментального усилителя, не осуществляющего амплитудно-частотной коррекции в диапазоне от 0 до 10 кГц, т. е. сигнал записан в расширенном амплитудно-частотном диапазоне. На рис. 3, б и в показаны результаты обработки исходного сигнала в канале синхронизации и канале ВЧ соответственно. Следует отметить соотношение напряжений в каналах при заданных параметрах усиления и кажущийся хаотичный характер сигнала на выходе канала ВЧ. Однако при сравнении выходного напряжения этого канала (рис. 4, кривая 1) и исходного ЭКС (рис. 4, кривая 2) в большем масштабе при взаимной нормализации амплитуд оказывается, что сигналы имеют сходную форму, а коэффициент их взаимной корреляции для коротких (до 100 мс) участков лежит в диапазоне от 0.7 до 0.85.
Дальнейшая обработка сигналов канала ВЧ в разрабатываемом ЭКГ СВР должна дать ответы на следующие вопросы:
- существуют или нет в области высоких частот информационно-значимые компоненты ЭКС;
- существует ли временная локализация таких компонентов относительно R-зубцов и каково их относительное временное положение;
- каковы абсолютные и относительные величины амплитуд и частот существующих информационно-значимых высокочастотных компонентов ЭКС?
и
207
211
215 Рис. 4
219
t, мс
б
0
0
Определено, что для осуществления адекватной поставленным задачам обработки ЭКС требуется высокоселективная полосовая фильтрация с добротностью 3.10, однако возможность ее использования ограничена величиной вносимых ею же искажений в обрабатываемый сигнал. Для преодоления данного противоречия использована нелинейная по полярности сигнала полосовая фильтрация цепью положительной обратной связи (ПОС). Нелинейный ПФ разработан на основе высокоселективного линейного ПФ, имеющего частотно-зависимую цепь отрицательной обратной связи (ООС) и частотно-независимую цепь положительной обратной связи, служащую для задания величины добротности фильтра.
Используемый нелинейный ПФ имеет следующую передаточную функцию:
Р ю0
н (Р )=
О 0 '
р + Р юо/Q+юо
Р Юр
Р + Р Юо/Q2 + ю0
и
ПОС
> 0;
и
ПОС
< 0,
где р - оператор Лапласа; Ш0 - циклическая резонансная частота; Ql и Q2 - коэффициенты добротности ПФ при положительном и отрицательном напряжении в цепи ПОС соответственно; ипос - напряжение в цепи ПОС.
В результате достигается сохранение амплитуды первой информационной полуволны выходного напряжения и значительное снижение амплитуд последующих полуволн. Это приводит к полному отсутствию слабозатухающих колебаний на выходе нелинейного ПФ после прекращения действия входного импульса. Нелинейный ПФ сочетает в себе свойства двух линейных ПФ с различными значениями добротности и коэффициента передачи на резонансной частоте, зависящими от полярности напряжения в цепи ПОС.
Результаты моделирования нелинейного фильтра представлены на рис. 5. При моделировании использовалась модель ЭКС, полученная из записей кардиосигналов, произве-
0.2
0.4
0.6
0.8
t, с
Рис. 5
0
_Ши^Л -^ии^аХА^д—ииЬлл
0.06
0.08
0.10 а
0.12
t, с
0.18
0.20
0.22 б
0.24
t, с
Рис. 6
денных с помощью разработанного макета ЭКГ СВР. На верхнем эпюре напряжений на рис. 5 приведен входной сигнал нелинейного ПФ. Далее сверху вниз показаны реакции нелинейных ПФ, имеющих резонансные частоты 80, 160, 320, и 640 Гц соответственно, т. е. отличающиеся на октаву. Следует отметить неравномерность распределения выделенных фильтром частотных компонентов. На рис. 6 представлены напряжения на выходе нелинейных ПФ в укрупненном временном масштабе. Показаны участки, соответствующие первому R-зубцу (рис. 6, а) и ST (рис. 6, б).
Предложенная схема двухканальной обработки ЭКС с одного отведения позволяет решить сформулированные ранее проблемы реализации аппаратной аналоговой части кардиографа СВР. В частности, обеспечивается высокий коэффициент усиления порядка
103 ...104 в расширенном частотном диапазоне 100 Гц...2 кГц, при возможном значительном уровне внутренних и внешних помех, в том числе и с частотным спектром, перекрывающимся со спектром полезного сигнала.
На основе методов нелинейной полосовой фильтрации, адаптированных для обработки низкоамплитудных высокочастотных составляющих кардиосигнала (микропотенциалов), решена задача их временной селекции при обеспечении отсутствия значительных искажений ЭКС и сохранении высокой селективности обработки.
Использование двухканального способа регистрации кардиосигнала в каждом отведении ЭКГ СВР позволяет в высокочастотном канале сохранять для дальнейшего исследования информационные высокочастотные низкоамплитудные составляющие ЭКС в условиях его обработки на фоне значительных помех. Это достигается благодаря извлечению информации для синхронизации кардиоциклов из низкочастотного канала (канала синхронизации), обеспечивающей возможность на следующих за аналоговой этапах цифровой обработки сигнала разделять его полезные и помеховые составляющие. Таким образом, примененный способ временной и частотной селекций микропотенциалов кардио-сигнала за счет анализа тонкой структуры ЭКС совместно с классическими методами его обработки дает возможность получать данные о наличии, амплитуде и временном положении компонентов электрокардиосигнала различного частотного состава.
Для дальнейшего совершенствования аналоговой обработки планируется использовать управляемую нелинейную фильтрацию с возможностью регулирования значений резонансной частоты и добротности фильтров. На основе разработанного блока в ходе даль-
33
нейших работ планируется определить оптимальные полосы пропускания для нелинейных ПФ, где критерием оптимальности может служить выявление наличия диагностических признаков кардиопатологий.
Полученные в ходе исследований результаты позволяют сделать вывод о возможности практической реализации анализа ЭКС в расширенном амплитудно-частотном диапазоне для его регистрации со сверхвысоким разрешением. Реализация двухканального способа обработки кардиосигнала с одного отведения для анализа его тонкой структуры в настоящее время осуществляется в составе аппаратно-программного комплекса ЭКГ СВР, создаваемого для выявления новых диагностических признаков кардиопатологий на ранних стадиях их развития. В данном комплексе будут также реализованы аналого-цифровое преобразование с высоким разрешением (19 бит, 4 кГц), алгоритмы сверхточной синхронизации и накопления, а также методы вторичной обработки кардиосигналов на основе генетических алгоритмов. Принципы обработки сигналов, заложенные в данной системе, могут быть использованы для регистрации и анализа других видов биоэлектрических сигналов.
Список литературы
1. Новые методы электрокардиографии / под ред. С. В. Грачева, Г. Г. Иванова, А. Л. Сыркина. М.: Техносфера. 2007. 552 с. (Мир биологии и медицины).
2. Lee G. J. ECG techniques and technologies // Emerg. med. clin. N. Am. 2006. № 24. P. 209-225.
3. Янушкевичус З. И., Чирейкин Л. В., Пранявичус А. А. Дополнительно усиленная кардиограмма. Л.: Медицина, 1990. 192 с.
4. Съем и обработка биоэлектрических сигналов: Учеб. пособие / под ред. К. В. Зайченко; СПбГУАП. СПб., 2001. 140 с.
5. Зайченко К. В., Зяблицкий А. В. Реализация высокоточной синхронизации электрокардиосигналов // Вест. аритмологии / НИИ кардиологии им. В. А. Алмазова. СПб., 2008. С. 155.
6. Зяблицкий А. В. Реализация высокоточной синхронизации двухканальных электрокардиосигналов высокого разрешения // Сб. докл. междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям (SCM'2008). Т. 2. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2008. С. 218-223.
K. V. Zaychenko, T. V. Sergeev
Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation Bioelectric signals analog processing with the ultrahigh resolution
Electric cardio signals (ECS) analogue processing with allocation of low amplitude high frequency components for электрокардиографии the ultrahigh permission is considered. The basic problems arising at its technical realization are formulated, ways of their decision are defined. The generalized block diagram of the block of two-channel ECS registration from one standard lead is offered. The way of a nonlinear strip filtration providing allocation of ECS high frequency information components ЭКС is considered.
ECS, ultrahigh resolution, nonlinear band filtration
Статья поступила в редакцию 22 мая 2009 г.
