Аналоговый выделитель R-зубца электрокардиосигнала Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Список литературы

1. Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.

2. Нахмансон Г. С., Бакаева Г. А. Обнаружение фазоманипулированного широкополосного сигнала, принимаемого на фоне шумов квадратурным приемником с входным полосовым фильтром // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 2008. Т. 51, № 9. С. 20-29.

3. Нахмансон Г. С. О точности оценки параметра сигнала при неоптимальном приеме на фоне шума // Радиотехника и электроника. 1971. Т. 16, № 8. C. 1495-1498.

G. S. Nakhmanson

Military aviation engineering university (Voronezh) G. A. Bakaeva

State fire service military institute

Time delay estimation of the phase manipulated wideband signal, assumed in noise by the quadrature receiver with input band-pass filter

The reception of the phase manipulated wideband signal in noise by the quadrature receiver with the input band-pass filter is considered. The maximum likelihood time delay estimation is analyzed. It is found the expressions for the statistical characteristics. It is shown, that the time delay estimation is removed. The displacement and dispersion dependence are analyzed as functions of a wide band.

Phase manipulated wideband signal, pseudorandom sequence, input band-pass filter, mean value, dispersion, time delay, time delay estimation accuracy

Статья поступила в редакцию 23 марта 2009 г.

УДК 621.375.147.3

А. В. Белов, Т. В. Сергеев

Институт экспериментальной медицины РАМН

Д. Г. Пуликов

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

| Аналоговый выделитель R-зубца электрокардиосигнала

Рассмотрена структура аппаратной части аналогового выделителя R-зубцов электрокардиосигнала (ЭКС) в режиме реального времени, разработанного на основе анализа патентованных отечественных и зарубежных схем известных технических решений обнаружения временного положения R-зубцов ЭКС. Приведены результаты компьютерного моделирования предложенных вариантов структур аппаратной части в программе MicroCap 8 на модели реального ЭКС.

RR-интервалометрия, выделитель R-зубца

Выделители R-зубца электрокардиосигнала (ЭКС) с формированием импульса в момент его появления (английское название R-wave trigger), являющиеся основным элементом электрокардиоритмографических систем, находят широкое применение в кардиомо-ниторной технике, устройствах для анализа вариабельности ритма сердца (ВРС), системах биологической обратной связи (БОС), кардиосинхронизаторах дефибрилляторов и водителях ритма. В последнее время наметилась тенденция к использованию для обнаружения

20

© Белов А. В., Сергеев Т. В., Пуликов Д. Г., 2009

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2009. Вып. 3

R-зубца ЭКС только цифровых методов. Однако им, несмотря на универсальность и высокую эффективность, присущ ряд недостатков:

1. Точность обнаружения временного положения R-зубца ЭКС ограничена периодом дискретизации сигнала. Например, для стандартных ЭКГ-систем с частотой дискретизации ЭКС 250 Гц погрешность выделения R-зубца ЭКС составляет ±2 мс. Однако последние медицинские исследования в области ВРС показали повышение требований к точности определения длительности ЯЯ-интервалов [1]. Решение данной проблемы цифровыми методами требует увеличения частоты дискретизации ЭКС (в общем или локально в районе Я-зубца), что значительно усложняет систему.

2. При использовании Я-зубца ЭКС в качестве основного элемента синхронизации или управления, например в дефибрилляторах и системах поударного измерения давления крови, требуется режим реального времени, нарушаемый при проведении цифровой обработки в процессе выделения Я-зубца.

3. Сложные и точные алгоритмические методы цифрового выделения Я-зубца ЭКС, включающие в себя цифровую фильтрацию, требуют значительной вычислительной мощности при низком энергопотреблении (порядка единиц и десятков милливатт), что затрудняет их использование в переносных устройствах с автономным питанием.

4. Использование методов цифровой фильтрации, особенно фильтров с конечной импульсной характеристикой высоких порядков, вносит значительную задержку (равную половине произведения порядка фильтра на период дискретизации) в формирование значений ЯЯ-интервалов. Кроме того, цифровые алгоритмы, применяемые для определения временного положения Я-зубца, обычно используют временные окна с протяженностью, сопоставимой с длительностью QRS-комплекса ЭКС. Подобные задержки затрудняют работу в режиме реального времени, особенно важного в системах БОС, где недопустимы задержки в фазовых характеристиках кардиореспираторного взаимодействия даже в диапазоне единиц миллисекунд.

Аналоговые методы обнаружения временного положения Я-зубца ЭКС лишены указанных недостатков. Существует множество незаслуженно забытых технических решений выделения Я-зубца, реализованных на основе аналоговой схемотехники в 70-90-е гг. XX в. и наиболее полно освещенных в отечественных и зарубежных патентах.

Целью настоящей статьи является рассмотрение аппаратной части аппаратно-программного комплекса БОС по сердечному ритму, а также надежного и точного в условиях помех аналогового выделителя Я-зубцов ЭКС, созданных на основе обобщения материалов патентов и опыта разработки устройств обнаружения временного положения Я-зубцов ЭКС. При анализе структурных и разработке принципиальных схем аппаратной части электро-кардиоритмометрической системы использовалась программа схемотехнического моделирования MicroCap 8 и записи реального ЭКС человека в виде дискретных отсчетов.

Структурная схема разработанного устройства представлена на рис. 1. Основное ее отличие от схемы одноканального электрокардиографа состоит в наличии выделителя Я-зубцов ЭКС, в параметрах частотных фильтров и в наличии устройства сопряжения с компьютером, не требующего АЦП.

Электроды Инструментальный усилитель

J к *

"Активная

земля"

Нелинейные фильтры

Выделитель R-зубца

Гальвани- Сопряжение

ческая —► с компьюте-

развязка ром

Автономный блок питания

Индикатор пульса

Рис. 1

Параметры частотных фильтров электрокардиоритмометрической системы имеют отличие от стандартных фильтров электрокардиографов по полосе пропускания. Поскольку для выделения Я-зубца ЭКС не требуется полная полоса ЭКГ 0.05.. .150 Гц, а достаточна полоса всего 5.40 Гц, то требуемое усиление (около 60 дБ) обеспечивается последовательным включением фильтров нижних частот (ФНЧ) и фильтров верхних частот (ФВЧ) первого или второго порядков. Из опыта проектирования и эксплуатации электрокардио-ритмометрических систем следует необходимость использования узкополосного режек-торного фильтра (РФ) на частоту питающей сети с добротностью 1.3 при подавлении напряжения частоты сети 30.40 дБ. АЧХ системы фильтров предлагаемой системы приведена на рис. 2. В качестве РФ использовано устройство, описанное в [2].

Кроме того, обычно применяют линейный полосовой фильтр (ПФ) Я-зубца с частотой резонанса 16 Гц при добротности 2.5 [3]. Однако высокая добротность фильтра при воздействии Я-зубцов ЭКС вызывает длительный колебательный процесс на выходе фильтра, затрудняющий работу выделителя. Имеется противоречие: для частотного выделения Я-зубца ЭКС требуется высокая селективность (добротность), приводящая к появлению слабозатухающих колебаний с резонансной частотой фильтра. Это противоречие разрешалось различными способами: включением в фильтр дополнительной реактивности [4] либо отключением питания активного усилительного элемента фильтра в соответствующий момент времени [5].

В рассматриваемой системе это противоречие разрешается применением нелинейного по полярности напряжения в цепи положительной обратной связи (ПОС) ПФ. Предложен новый способ изменения селективных свойств ПФ в зависимости от полярности напряжения в цепи ПОС.

Нелинейный ПФ реализован на основе схемы линейного ПФ (рис. 3) с помощью подключения к частотно-независимой цепи ПОС нелинейного элемента. При подаче на цепь ПОС нелинейного ПФ напряжения полярности, при которой нелинейный элемент (например, "идеальный" диод) находится в непроводящем состоянии, добротность фильтра и коэффициент передачи на резонансной частоте максимальны (рис. 4, кривая 1) и соответствуют параметрам исходного линейного ПФ. При перемене полярности "идеальный" диод переходит в проводящее состояние, а добротность и коэффициент передачи на резонансной частоте снижаются (рис. 4, кривая 2). Так, например, при

10

0

10 20 Рис. 2

100 F, Гц

100 п I

100 к

и

100 п

100 к

100 к

-

+

и

вых ■О

56 к

Н, дБ

20

10

0

- 10 - 20

Рис. 3

10 20 Рис. 4

смене полярности напряжения в цепи ПОС коэффициент передачи на резонансной частоте изменяется на 28 дБ (рис. 4).

Таким образом достигается сохранение амплитуды первой отрицательной информационной полуволны выходного напряжения и значительное снижение амплитуды последующей положительной полуволны. Практически это приводит к полному отсутствию слабозатухающих колебаний на выходе фильтра после прекращения действия входного импульса.

Результат моделирования схем линейного и нелинейного ПФ представлен на рис. 5. Треугольный импульс (рис. 5, а, кривая 1) имитирует R-зубец ЭКС длительностью 30 мс. Реакция высокодобротного линейного ПФ-прототипа (Q = 4.5, коэффициент передачи на

резонансной частоте Н(Fрез) = 22 дБ) (рис. 5, а, кривая 2) характеризуется слабозатухающим колебательным процессом. Напротив, реакция низкодобротного фильтра-прототипа (Q = 0.5, Нрез = -6 дБ) (рис. 5, а, кривая 3) практически свободна от колебаний. Нелинейный ПФ в пределах первой полуволны реакции при отрицательном напряжении в цепи ПОС эквивалентен высокодобротному фильтру-прототипу, а в следующую полуволну (при положительном напряжении в цепи ПОС) - низкодобротному. Результирующая реакция нелинейного ПФ на входной импульс треугольной формы (рис. 5, б, кривая 1) представляет собой сигнал (рис. 5, б, кривая 2), удовлетворительно имитирует R-зубец ЭКС, но свободна от длительного слабозатухающего переходного процесса, затрудняющего ее точное выделение. Таким образом, 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.

Сигнал с нелинейного ПФ является входным для выделителя R-зубца ЭКС, структурная схема которого приведена на рис. 6. Выходной сигнал нелинейного

и, В

2

1

0

- 1 - 2

и, В

0

- 1 - 2

2

V

ЧА! >3 Л

■ > I I ' \ I

Т~г

I ' I' V'

0.1

1

\А

0.2

0.3

0.4

с

0.1

0.2

б

Рис. 5

0.3

0.4

с

От нелинейного фильтра

U

Нелинейный ФНЧ

"Мертвая зона" 1

Нелинейный "Мертвая

ПФ зона" 2

сдв1

4 Т

Весовой коэффициент 1

Весовой коэффициент 2

Импульсный выход выделителя R-зубца

1

Сумматор

Компаратор

иоп = 0

U

сдв2

Рис. 6

фильтра подается на входы нелинейных ФНЧ и ПФ, дополнительно фильтрующих сигнал в заданном частотном диапазоне. АЧХ линейных ФНЧ и ПФ, являющихся основой для упомянутых нелинейных фильтров, представлены на рис. 7 (кривые "ФНЧ1" и "ПФ1" соответственно). Они совпадают с АЧХ нелинейных ФНЧ и ПФ при отрицательном напряжении в цепи отрицательной обратной связи (ООС). Следует отметить высокие добротность ПФ (Q = 3.2) и значения их коэффициентов передачи на резонансной частоте, равные 7 и 9 дБ

для ФНЧ и ПФ соответственно. Кривые "ФНЧ2" и "ПФ2" (рис. 7) демонстрируют АЧХ нелинейных ФНЧ и ПФ при положительном напряжении в цепи ООС. Их коэффициенты передачи на резонансной частоте составляют -14 дБ (ФНЧ) и -12 дБ (ПФ). Таким образом, при смене полярности напряжения в цепи ООС коэффициент передачи на резонансной частоте изменяется на 21 дБ.

Повышению надежности работы выделителя R-зубца ЭКС служат звенья "мертвая зона" ("dead zone") 1 и "мертвая зона" 2 (МЗ1 и МЗ2 соответственно), куда поступают выходные сигналы фильтров. Назначение звена "мертвая зона" 1 состоит в пропускании после инвертирующего нелинейного ФНЧ только составляющих с напряжением, меньшим заданного порога Uмз1 , а звена "мертвая зона" 2 - в пропускании после неинвертирующего нелинейного ПФ только составляющих с напряжением, превосходящим заданный порог Uмз2 :

ив

ив

1°, ивхмз1 > U

-МЗ1

^М32

ивыхмз1 U

1°, UB

ив

LM32

М31 М31

< UМ32

ивх < U

вхМ31

М31;

^М32

- U

М32-

Uв

^М32

> U

МЗ'

Ш\, дБ °

- 1° - 2°

где UвхМ3r w выхМ3г

Uв

напряжения на входе

5 1° 2° Рис. 7

1°° F, Гц

и на выходе звеньев мертвая зона соответственно; г = 1, 2.

Звенья "мертвая зона" отсекают составляющие сигнала с малым размахом. Затем сигналы складываются с напряжениями сдвига Ц^дв! и исдв2, обеспечивающими взаимное смещение выходных сигналов нелиней-

ных ФНЧ и ПФ по напряжению (рис. 8, в). Между ними образуется зона нечувствительности для упомянутых составляющих сигнала, что повышает надежность срабатывания компаратора.

После сложения с напряжениями сдвига сигналы с требуемыми весовыми коэффициентами суммируются, создавая сигнал сравнения с нулем для компаратора. Компаратор на выходе формирует импульсный сигнал с заданным смещением переднего фронта, соответствующим временному положению области максимума R-зубца ЭКС. Изменения весовых коэффициентов при сложении позво-

ляют регулировать временное положение выходного фронта срабатывания компаратора относительно вершины R-зубца ЭКС.

Полученные в результате моделирования совместно с моделью реального ЭКС временные диаграммы работы предварительного нелинейного ПФ и выделителя (рис. 6) приведены на рис. 8.

На вход предварительного нелинейного ПФ подавался входной ЭКС с аддитивной помехой (рис. 8, а), являвшейся суммой напряжений, имитирующих остаточные сетевую и электромиографическую помехи. Выходное напряжение фильтра представлено на рис. 8, б. Видно, что осуществляется эффективное подавление Р-, Q-, S- и Т-зубцов ЭКС, а также аддитивных помех. Выходные напряжения нелинейных ПФ и ФНЧ представлены на рис. 8, в (кривые 1 и 2 соответственно). Импульсный сигнал выделителя R-зубца на выходе компаратора приведен на рис. 8, г. На рис. 9 представлены временные диаграммы обработки исходного сигнала (рис. 9, кривая 3) в укрупненном масштабе. Передний фронт отрицательного импульса на выходе выделителя (компаратора) соответствует области максимума R-зубца (рис. 9, кривая 2) и является моментом равенства амплитуд напряжений с выходов нелинейных ФНЧ и ПФ (рис. 9, кривые 1 и 4 соответственно) с учетом напряжений сдвига. Изменение весовых коэффициентов позволяет регулировать временное положение выходного фронта срабатывания компаратора относительно вершины R-зубца ЭКС.

и, В

1

0

- 1 - 2

и, В

А*

- 2.5 -5

и, В 2 0 - 2

- 4

- 6

и, В 5 2.5 0

- 2.5 - 5

t, с

t, с

t, с

г

Рис. 8

t, с

0

1

2

3

а

0

0

1

2

3

б

0

1

2

3

в

0

1

2

3

U, В

2

Результаты. Разработанный выделитель R-зубца ЭКС позволяет:

- 2

- 4

0

1. Точно определять временное положение R-зубца за счет возможности регулировки момента срабатывания выходного компаратора в области максимума R-зубца.

- 6

0.4

0.5 Рис. 9

t, с

2. Стабильно работать в условиях значительных помех благодаря использованию узкоселективной частотной нелиней-

ной фильтрации.

3. Надежно выделять R-зубцы ЭКС с различной амплитудой с помощью изменения напряжений звеньев "мертвой зоны", сдвига и весовых коэффициентов сумматора.

Представленная разработка внедрена в отделе экологической физиологии Института экспериментальной медицины РАМН, а аппаратно-программный комплекс на ее основе планируется к использованию в области решения исследовательских и терапевтических задач

Перспективы дальнейших работ. В следующих модификациях аппаратной части электрокардиоритмометрической системы планируется отказаться от низкодобротных ПФ, использовав для частотной селекции только один нелинейный ПФ, а необходимую величину усиления набирать масштабным частотно-независимым усилителем. Это должно повысить точность выделения временного положения R-зубца и помехоустойчивость. Кроме того, планируется ввести элементы адаптивного автоматического управления пороговыми напряжениями звеньев "мертвых зон", напряжениями сдвигов и весовыми коэффициентами сумматора для повышения адаптивности системы к условиям съема и особенностям ЭКС испытуемого человека.

1. Ruha A., Sallinen S., Nissila S. A real-time microprocessor QRS detector system with a 1-ms timing accuracy for the measurement of ambulatory HRV // IEEE Trans biomed eng. 1997. Vol. 44, № 3. P. 159-167.

2. Пат. РФ на полезную модель № 59911. МПК: H03H7/12. Регулируемый активный режекторный фильтр / А. В. Белов, Д. Г. Пуликов, Т. В. Сергеев. (РФ). Опубл 27.12.2006. Бюл. 36.

3. Томпкинс У., Уэбстер Дж. Микрокомпьютерные медицинские системы: Проектирование и применения. М.: Мир, 1983. 544 с.

2

4. А. с. СССР 879432. МКИ A61B5/02. Устройство для выделения R-зубца электрокардиосигнала / М. М. Ратнер, Б. Ф. Шкапин (РФ). Опубл. 25.06.74. Бюл. 23.

5. US Pat. 3927377. мки4 , H03D13/00. Nonlinear filter for detecting electrocardiogram R-waves and other physiological signals / I. Tatsumo (USA). Pb. 1975/12/16.

A. V. Belov, T. V. Sergeyev

Institute of experimental medicine RAMS

D. G. Pulikov

Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI" Analogue R-wave trigger of electrocardiosignal

БОС.

Список литературы

The structure of the hardware of an R-waves analogue extractor ECG real time, developed on the basis of the analysis patents domestic and foreign circuits of known designs of detection

of 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