Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ПОДАВЛЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХИ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ НА ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛ

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано при обработке электрокардиосигналов.

Наиболее распространенной и опасной аддитивной помехой, действующей на электрокардиосигнал (ЭКС), является наводка от промышленной сети 50 Гц. Полоса частот спектральных составляющих ЭКС, представляющая интерес для практических случаев анализа электрокардиосигнала, простирается до 100 Гц [1]. Таким образом, аддитивная помеха от промышленной сети питания расположена в полосе частот, занимаемой электрокардиосигналом.

Для устранения аддитивной помехи от промышленной сети питания используются различные фильтры.

Применение в качестве устройства устранения аддитивной помехи фильтров нижних частот (ФНЧ) с частотой среза порядка 25-35 Гц [2, с.96-97; 3, с.154] приводит к тому, что вместе с аддитивной помехой от промышленной сети питания из смеси ЭКС и помехи удаляется часть спектральных составляющих электрокардиосигнала. Подавление составляющих в высокочастотной части спектра ЭКС приводит, в свою очередь, к искажению формы ЭКС на выходе ФНЧ, что может повлиять на результаты анализа ЭКС.

Для уменьшения искажений формы ЭКС при устранении аддитивной помехи от промышленной сети питания используют заграждающие (режекторные) фильтры с центральной частотой, равной частоте сигнала промышленной сети 50 Гц [3, с.154-158]. Однако и это устройство для подавления аддитивной помехи от промышленной сети питания имеет недостатки. Так как через фильтр проходят все элементы электрокардиосигнала в случае применения аналоговых фильтров, или все дискретные отсчеты всех элементов электрокардиосигнала в случае применения дискретных фильтров, то происходит искажение спектральных составляющих ЭКС, попадающих в полосу подавления режекторного фильтра, то есть вместе с помехой от промышленной сети подавляются и полезные составляющие ЭКС.

Кроме этого, реальный заграждающий фильтр не может иметь бесконечно узкую полосу подавления, поэтому вместе с полным подавлением составляющей ЭКС на частоте промышленной сети при прохождении через такой фильтр искажаются (уменьшаются по амплитуде) близко расположенные частотные составляющие слева и справа от центральной частоты заграждения.

Таким образом, как и в случае применения ФНЧ, происходит искажение формы ЭКС на выходе заграждающего фильтра, что так же, как и при использовании ФНЧ может повлиять на результаты анализа ЭКС.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является устройство подавления влияния аддитивной помехи на электрокардиосигнал [4]. Устройство содержит блок выделения в каждом цикле сердечных сокращений отсчетов ЭКС, соответствующих TP-сегменту, имеющих длительность τ, кратную периоду колебаний сигнала сетевой помехи. На выходе этого блока образуется последовательность пачек импульсов, заполненных сигналом сетевой помехи. В спектре данной последовательности присутствуют частота сигнала заполнения прямоугольных импульсов, т.е. частота аддитивной помехи 50 Гц, и боковые составляющие, образованные спектральными составляющими модулирующих прямоугольных импульсов длительностью τ и периодом повторения, равным длительности одного цикла сердечных сокращений. При этом в спектре отсутствуют составляющие ЭКС, т.к. TP-сегмент соответствует электрической диастоле сердца и при отсутствии помех имеет нулевое значение. Сформированная последовательность отсчетов ЭКС поступает на полосовой фильтр с центральной частотой, равной частоте аддитивной помехи (50 Гц для помехи от промышленной сети), на выходе фильтра выделится только сигнал помехи. Сигнал с выхода полосового фильтра поступает на усилитель и далее на один из входов блока вычитания, на другой вход которого поступает задержанный в блоке задержки исходный ЭКС с помехой. В блоке вычитания происходит вычитание выделенного сигнала сетевой помехи из исходного ЭКС. На выходе блока вычитания присутствует «очищенный» от сетевой помехи электрокардиосигнал.

Данному устройству присущи следующие недостатки.

1. Длительность отсчетов электрокардиосигнала на TP-сегменте фиксирована. Вследствие этого при отклонении частоты сетевой помехи от номинального значения фазы сигнала помехи в начале отсчета и в конце отсчета не будут совпадать, что приведет к появлению разрывов в сигнале помехи и искажению ее спектральных составляющих.

Этот случай иллюстрируется фиг.1. На фиг.1 показаны огибающие спектра амплитуд последовательности отсчетов TP-сегмента, заполненных сигналом помехи промышленной частоты. Длительность отсчетов (40 мс) равна двум периодам сигнала сетевой помехи при номинальном значении ее частоты - 50 Гц. Период повторения (1 с) соответствует частоте сердечных сокращений в 60 ударов/мин. Цифрой 1 обозначена огибающая спектра при номинальном значении частоты промышленной помехи, цифрой 2 - при пониженном, а цифрой 3 - при повышенном значениях частоты сетевой помехи. Цифрой 4 обозначен уровень (0.04 В), которого достигает спектральная составляющая сетевой помехи (обозначена точкой) при номинальном значении ее частоты и указанных выше временных параметров отсчетов в случае, если амплитуда помехи равна 1 В. При отклонении частоты сети от номинала амплитуда ее спектральной составляющей будет отличаться от номинального значения: при уменьшении частоты помехи она увеличится, а при увеличении - уменьшится (показано крестиками на фиг.1).

2. При изменении частоты сетевого сигнала в полосу пропускания полосового фильтра (амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра показана пунктирной линией 1 на фиг.2) будут попадать боковые составляющие спектра (показаны вертикальными сплошными линиями на фиг.2) последовательности выделенных на TP-сегменте пачек импульсов, заполненных сигналом сетевой помехи, что приведет к искажению сигнала помехи на выходе фильтра в виде ее амплитудной модуляции (фиг.3).

Суть предлагаемого изобретения заключается в следующем. В устройство, содержащее блок выделения интервала времени, соответствующего TP-сегменту ЭКС, ключевой элемент, фильтр, усилитель, блок задержки и блок вычитания, причем первый (информационный) вход ключевого элемента и вход блока задержки соединены вместе, образуя вход устройства, выходом устройства является выход блока вычитания, введены блок формирования второй производной ЭКС, компаратор, RS-триггер, схема И, двоичный счетчик импульсов, дешифратор, второй, третий, четвертый и пятый ключевые элементы и масштабирующий усилитель, вход блока формирования второй производной ЭКС соединен с входом устройства, с входом блока задержки и с первыми (информационными) входами второго, третьего, четвертого и пятого ключевых элементов, выход блока формирования второй производной ЭКС подключен к входу блока выделения интервала времени, соответствующего TP-сегменту ЭКС, и к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с «нулевым» проводом, выход блока выделения интервала времени, соответствующего TP-сегменту ЭКС соединен с первым входом (установка «1») RS-триггера, выход которого соединен с первым входом схемы И, второй вход которой подключен к выходу компаратора, выход схемы И соединен с первым (счетным) входом двоичного счетчика импульсов, разрядные выходы двоичного счетчика импульсов соединены с соответствующими входами дешифратора, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы дешифратора соединены соответственно со вторыми (управляющими) входами первого, второго, третьего, четвертого и пятого ключевых элементов, выходы которых подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому входам масштабирующего усилителя, шестой выход дешифратора соединен со вторым входом (установка «0») RS-триггера и со вторым входом (установка «0») двоичного счетчика импульсов, выход масштабирующего усилителя подключен к входу фильтра, который выполнен на базе полосового фильтра с центральной частотой, равной частоте сетевой помехи, выход фильтра соединен с входом усилителя, выход усилителя подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого подключен к выходу блока задержки, выход блока вычитания является выходом устройства.

Предложенное устройство позволяет устранить недостатки известного устройства, а именно ослабить влияние аддитивной помехи на электрокардиосигнал, не искажая составляющих самого сигнала.

Сущность предлагаемого изобретения и вариант реализации устройства поясняются следующим графическим материалом:

фиг.4 - структурная схема предлагаемого устройства;

фиг.5 и фиг.6 - временные диаграммы, поясняющие процесс формирования отсчетов ЭКС на TP-сегменте;

фиг.7 - спектр последовательности отсчетов TP-сегмента;

фиг.8 - сигнал помехи, оставшийся после вычитания из исходного ЭКС с помехой сигнала выделенной сетевой помехи.

Технический результат в предлагаемом устройстве достигается следующим образом. Выделение сигнала наводки от электрической сети осуществляется на основе фильтрационной обработки отсчетов ЭКС, взятых на TP-сегменте. TP-сегмент соответствует электрической диастоле сердца, поэтому данные отсчеты не несут информации об электрической активности сердца, а содержат только составляющие помехи, действующей на ЭКС. В связи с этим восстановление сигнала помехи с помощью фильтрации отсчетов TP-сегмента не приводит к искажению самого ЭКС. При этом с целью учета изменения частоты сетевой наводки и снижения за счет этого погрешности восстановленного сигнала помехи отсчеты TP-сегмента синхронизированы с сигналом сетевой помехи. Начало каждого отсчета совпадает с моментом перехода сигналом сетевой помехи нулевой линии (например, от отрицательной полуволны к положительной), а окончание отсчета формируется по прошествии двух периодов сигнала сетевой помехи, независимо от ее частоты. Использование пяти отсчетов TP-сегмента, амплитуды которых определяются масштабными коэффициентами, вычисленными по определенным правилам при заданном расстоянии между отсчетами, позволяет подавить в спектре отсчетов TP-сегмента, заполненных сигналом сетевой помехи, две спектральные зоны слева от спектральной составляющей на частоте помехи и две спектральные зоны - справа. Это исключает попадание в полосу пропускания полосового фильтра составляющих спектральных зон, соседних с составляющей на частоте сетевой помехи, даже при изменении ее частоты.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.4.

Устройство содержит блок 1 формирования второй производной ЭКС, блок 2 выделения интервала времени, соответствующего TP-сегменту ЭКС в каждом цикле сердечных сокращений, компаратор 3, RS-триггер 4, схему И 5, двоичный счетчик импульсов 6, дешифратор 7, первый 8, второй 9, третий 10, четвертый 11 и пятый 12 ключевые элементы, масштабирующий усилитель 13, фильтр 14, выполненный на базе полосового фильтра с центральной частотой, равной частоте помехи промышленной частоты, усилитель 15, блок 16 задержки и блок 17 вычитания сигнала сетевой помехи.

Вход блока 1 формирования второй производной ЭКС соединен с входом устройства, с входом блока задержки 16 и с первыми (информационными) входами первого 8, второго 9, третьего 10, четвертого 11 и пятого 12 ключевых элементов, выход блока 1 формирования второй производной ЭКС подключен к входу блока 2 выделения интервала времени, соответствующего TP-сегменту ЭКС, и к первому входу компаратора 3, второй вход которого соединен с «нулевым» проводом, выход блока 2 выделения интервала времени, соответствующего TP-сегменту ЭКС, соединен с первым входом (установка «1») RS-триггера 4, выход которого соединен с первым входом схемы И 5, второй вход которой подключен к выходу компаратора, выход схемы И 5 соединен с первым (счетным) входом двоичного счетчика импульсов 6, разрядные выходы двоичного счетчика импульсов 6 соединены с соответствующими входами дешифратора 7, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы дешифратора 7 соединены соответственно со вторыми (управляющими) входами первого 8, второго 9, третьего 10, четвертого 11 и пятого 12 ключевых элементов, выходы которых подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому входам масштабирующего усилителя 13, шестой выход дешифратора 7 соединен со вторым входом (установка «0») RS-триггера 4 и со вторым входом (установка «0») двоичного счетчика импульсов 6, выход масштабирующего усилителя 13 подключен к входу фильтра 14, который выполнен на базе полосового фильтра с центральной частотой, равной частоте помехи промышленной частоты, выход фильтра 14 соединен с входом усилителя 15, выход усилителя 15 подключен к первому входу блока 17 вычитания, второй вход которого подключен к выходу блока задержки 16, выход блока 17 вычитания является выходом устройства.

Функционирование предлагаемого устройства поясняется диаграммами, приведенными на фиг.5, 6, 7 и 8.

Устройство работает следующим образом. Сигнал ЭКС, включающий и помеху от электрической сети (фиг.5), поступает на вход устройства и, соответственно, на вход блока 1 формирования второй производной ЭКС и первые (информационные) входы первого 8, второго 9, третьего 10, четвертого 11 и пятого 12 ключевых элементов, а также на вход блока задержки 16. В блоке 1 формирования второй производной осуществляется ослабление аддитивных низкочастотных помех типа дрейфа изолинии, если таковые присутствуют во входном сигнале, по сравнению с помехой от сети промышленной частоты. За счет этого обеспечивается более надежное выделение блоком 2 интервала времени, соответствующего TP-сегменту. Сигнал с выхода блока 1 поступает на вход блока 2 выделения интервала времени, соответствующего TP-сегменту ЭКС, и первый вход компаратора 3. Блок 2 выделения интервала времени, соответствующего TP-сегменту ЭКС, может быть выполнен в виде устройства [5] или [6]. Выходным сигналом блока 2 является последовательность прямоугольных импульсов, совпадающих по времени с начальным участком TP-сегмента в каждом цикле сердечных сокращений. Эта последовательность подается в качестве управляющего сигнала на первый вход (установка «1») RS-триггера 4. RS-триггер 4 устанавливается в состояние логической единицы, и сигнал с его выхода, поступая на первый вход схемы И 5, разрешает прохождение на ее выход прямоугольных импульсов с выхода компаратора 3, образованных сравнением сигнала с выхода блока 1 с нулевым потенциалом. Период повторения прямоугольных импульсов на выходе компаратора равен периоду повторения помехи от сети промышленной частоты. Последовательность прямоугольных импульсов с выхода компаратора 3 поступает на второй вход схемы И 5 и при наличии на первом ее входе разрешающего сигнала с выхода RS-триггера 4 проходит на выход схемы И 5 и на первый (счетный) вход двоичного счетчика импульсов 6, который осуществляет счет этих импульсов. Таким образом, переключение двоичного счетчика происходит только в моменты времени, совпадающие с моментами перехода через ноль сигнала сетевой помехи. Сигналы с разрядных выходов двоичного счетчика импульсов 6 поступают на соответствующие входы дешифратора 7, который преобразует двоичный код на его входах в позиционный код на его выходах. При этом начало и окончание импульсов на каждом из выходов дешифратора совпадает с моментами перехода через ноль сигнала сетевой помехи. Таким образом, фазы сигнала помехи в начале отсчета и в конце отсчета будут совпадать, что исключает появление разрывов в сигнале помехи и, соответственно, искажение ее спектральных составляющих Импульсы с первого, второго, третьего, четвертого и пятого выходов дешифратора 7, разнесенные во времени, поступают на вторые (управляющие) входы соответственно первого 8, второго 9, третьего 10, четвертого 11 и пятого 12 ключевых элементов, разрешая поочередно прохождение на выходы этих ключевых элементов участков TP-сегмента электрокардиосигнала, присутствующего на первых (информационных) входах всех ключевых элементов. Сигналы с выходов ключевых элементов поступают соответственно на первый, второй, третий, четвертый и пятый входы масштабирующего усилителя 13 и усиливаются или ослабляются (масштабируются) в заданное число раз. При этом знак сигнала на выходе усилителя 13 может совпадать со знаком соответствующего сигнала на входе или быть противоположным ему.

На фиг.6 показан в более крупном временном масштабе фрагмент TP-сегмента электрокардиосигнала, представленного на фиг.5. Помеха от сети промышленной частоты (sin50(t)) показана пунктирной линией. Участки TP-сегмента (U_TP(t)), прошедшие на выход ключевых устройств и далее прошедшие через масштабирующий усилитель 13, имеют вид пачки импульсов, заполненных сигналом помехи промышленной частоты (показаны на фиг.6 сплошными линиями). Импульсы в пачке расположены симметрично относительного центрального импульса.

Соответствующим выбором сдвига по времени каждой пары импульсов относительно центрального импульса и значений масштабных коэффициентов для каждой пары импульсов можно обеспечить подавление в спектре последовательности таких пачек импульсов спектральных зон с заданными номерами [7]. При заданных значениях сдвигов импульсов внутренней пары τ1 и внешней пары τ2 (фиг.6) значения масштабных коэффициентов K1 и K2 находятся из решения системы уравнений [7]

,

где j, k - номера подавляемых спектральных зон, T - период повторения пачек импульсов, определяемый частотой сердечных сокращений.

В примере, приведенном на фиг.6, длительность импульсов τ равна двум периодам сигнала помехи промышленной частоты, τ1=5τ, τ2=7τ, T=1 с, что соответствует частоте сердечных сокращений 60 ударов/мин, j=1, k=2. При таких исходных данных из решения системы уравнений получены значения масштабных коэффициентов: K1=-0,846 и K2=1,274. Таким образом, знак внутренней пары импульсов противоположен знаку исходного сигнала, а знак внешней пары импульсов совпадает со знаком исходного сигнала.

При этом будут подавлены первая и вторая спектральные зоны, если за начало отсчета брать нулевую спектральную зону. Кроме этого, в соответствии с теоремой о переносе спектра низкочастотного сигнала в высокочастотную область при его умножении на более высокочастотное колебание, будут подавлены еще две спектральные зоны, расположенные слева от спектральной составляющей, соответствующей реальной частоте f_C промышленной сети , и две спектральные зоны - расположенные справа .

Спектр сигнала, снимаемого с выхода масштабирующего усилителя 13, приведен на фиг.7. В данном примере частота промышленной сети принята равной 50.1 Гц. Соответственно в спектре сигнала (фиг.6) с принятым выше периодом повторения T=1 с отсутствуют составляющие на частотах 48.1 Гц, 49.1 Гц, 51.1 Гц и 52.1 Гц (фиг.7).

После завершения формирования всей пачки из пяти импульсов сигнал с шестого выхода дешифратора 7 поступает на второй вход (установка «0») RS-триггера 4 и устанавливает RS-триггер 4 в нулевое состояние, при этом сигнал на выходе триггера становится равным логическому нулю и запрещает прохождение через схему И 5 импульсов с выхода компаратора 3 на первый (счетный) вход двоичного счетчика импульсов 6. Также сигнал с шестого выхода дешифратора 7 поступает на второй вход (установка «0») двоичного счетчика импульсов 6 и устанавливает последний в начальное нулевое состояние.

В следующем цикле сердечных сокращений описанный процесс повторяется.

Последовательность пачек импульсов с выхода масштабирующего усилителя 13 (фиг.6) поступает на вход фильтра 14, который выполнен на базе полосового фильтра с центральной частотой, равной номинальной частоте помехи промышленной сети и затуханием амплитудно-частотной характеристики порядка -40…-80 дБ на частотах (50 Гц±2 Гц). На выходе фильтра 14 выделяется сигнал помехи от промышленной сети. Амплитуда этого сигнала меньше амплитуды исходного сигнала помехи (фиг.5 и 6) в τ(1+2K1+2K2)/T раз [8]. Поэтому сигнал с выхода фильтра 14 подается на вход усилителя 15 с коэффициентом усиления Кус=T/[τ(1+2K1+2K2)].

Сигнал с выхода усилителя 15 поступает на первый вход блока 17 вычитания, на второй вход которого поступает с выхода блока задержки 16. Электрокардиосигнал с помехой, задержанный на время, необходимое для получения на выходе усилителя 15 сигнала помехи промышленной частоты в соответствии с описанным процессом. В блоке 17 вычитания осуществляется вычитание из исходного электрокардиосигнала с помехой от промышленной сети выделенного сигнала этой помехи. На выходе блока вычитания 17 присутствует «очищенный» от помехи электрокардиосигнал.

Естественно, неидеальность характеристик реальных блоков, участвующих в выделении сигнала сетевой помехи, не позволяют полностью исключить эту помеху. На фиг.8 представлена «остаточная» помеха Δs(t). При амплитуде исходной помехи 1 В (см. фиг.6) амплитуда «остаточной» помехи не превышает 15 мВ, то есть влияние помехи ослаблено более чем в 60 раз.

Технико-экономический эффект предлагаемого устройства заключается в обеспечении высокой помехоустойчивости исследуемого электрокардиосигнала без внесения искажений в его информативные составляющие. Это обеспечивает, в свою очередь, повышение информативности ЭКС и, как следствие, общего уровня качества электрокардиографической диагностики, что способствует своевременному и обоснованному принятию необходимых мер для борьбы с отклонениями от нормы сердечно-сосудистой системы пациента.

Литература

1. Бакалов В.П. Основы биотелеметрии. М.: Радио и связь, 2001. С.27.

2. Рангайян P.M. Анализ биомедицинских сигналов. М.: Физматлит, 2007. С.96-97.

3. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ / А.Л. Барановский, А.Н. Калиниченко, Л.А. Манило и др.: Под ред. А.Л. Барановского и А.П. Немирко. М.: Радио и связь. 1993. С.153-159.

4. Патент РФ №2428107, A61B 5/04, A61B 5/0402. Способ подавления влияния аддитивной помехи на электрокардиосигнал и устройство для его осуществления / О.В. Мельник, А.А. Михеев, Н.С. Штрунова. 2011. №25.

5. Патент РФ №2237432, A61B 5/02. Устройство для выделения начала кардиоцикла / О.А. Зуйкова, А.А. Михеев // Открытия. Изобретения. 2004. №28.

6. Патент РФ 2387367, МКИ⁷ A61B 5/02, A61B 5/0452. Способ выявления кардиокомплекса и устройство для его осуществления / П.А. Блинов, А.А. Михеев // Открытия. Изобретения. 2010, №12.

7. Карасев В.В., Михеев А.А., Нечаев Г.И. Измерительные системы для вращающихся узлов и механизмов. М.: Энергоатомиздат, 1996. С.81-87.

8. Мельник О.В., Михеев А.А. Методы обработки и анализа электрокардиосигнала в режиме реального времени / Под общ. ред. О.В. Мельник. Рязань: «Сервис», 2010. С.59-61.