PL199140B1 - Sposób i urządzenie do redukcji szumu w sygnale EKG płodu - Google Patents

Abstract

Urz adzenie redukcji szumu w sygnale EKG p lodu otrzymywanym przez zastosowanie kon- figuracji (1) EKG z jednobiegunowym odprowa- dzeniem, zapewnia detekcj e przewa zaj acego wektora za lamka T i unikni ecie zmian kszta ltu przebiegu EKG w wyniku obracania si e p lodu w kanale rodnym. Sygna l EKG jest transmito- wany za pomoc a pierwszego lacza sygna lowe- go (5) do cz esci redukuj acych szum sygnalu, w sk lad których wchodzi konwencjonalny filtr analogowy (7), cyfrowy filtr górnoprzepustowy (9) do t lumienia niskich cz estotliwo sci o wyznaczo- nej cz estotliwo sci granicznej, przy czym cz esto- tliwosc graniczna mie sci si e w zasadzie mi edzy 0,2 Hz a 1,7 Hz oraz dodatkowy filtr cyfrowy (11). Filtrowany sygna l EKG jest wyprowadzany jako sygna l wyj sciowy z uk ladu elektrycznego za po- moc a drugiego lacza sygna lowego (13). PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do redukcji szumu w sygnale EKG płodu, otrzymywanym zwykle przez zastosowanie konfiguracji EKG z jednobiegunowym odprowadzeniem, w celu detekcji dominuj ącego wektora zał amka T i uniknię cia zmian kształ tu przebiegu EKG w wyniku obracania się płodu w kanale rodnym.

Nadzorowanie płodu podczas porodu jest standardową praktyką kliniczną. Jego celem jest rozpoznawanie zdarzeń nieprawidłowych, a zwłaszcza niedoboru tlenu u płodu. Od czasu jego wprowadzenia, w początku lat sześćdziesiątych, stało się oczywiste, że elektroniczne monitorowanie stanu płodu przez analizę tylko tętna serca płodu nie daje wszystkich informacji potrzebnych do optymalnego rozpoznawania niedoboru tlenu u płodu.

W cią gu ostatnich 20 lat trwa ł y prace zmierzające do wyjaś nienia, które sygnał y pł odu można wykorzystać do otrzymywania dodatkowej informacji. Od wczesnych lat siedemdziesiątych, analizę kształtu przebiegu elektrokardiogramu rozpatrywano zarówno w aspekcie fizjologicznym, obróbki sygnałów i klinicznym (Rosen KG: Fetal ECG waveform analysis in labour. Fetal monitoring. Physiology and techniques of antenatal and intrapartum assessment. (Analiza przebiegu EKG płodu przy porodzie. Monitorowanie płodu. Fizjologia i metody analizy przedurodzeniowej i śródporodowej) ad. Spencer JAD. Castle House Publications. Strony 184-187, 1989). Stwierdzono, że znaczenie szczególne miały odstęp ST i amplituda załamka T.

Na fig. 1 rysunku przedstawiono dwa kolejne pobudzenia serca z rozpoznawanymi różnymi istotnymi składowymi EKG podczas nadzoru nad płodem. Stwierdzono, że zmiany w odstępie ST elektrokardiogramu płodowego (EKG) są częścią składowych, które odzwierciedlają skurcz serca płodu podczas porodu.

Zasadniczo, zmiany, które pojawiają się w odstępie ST wskutek niedostatku tlenu, można podzielić na 3 klasy. Pierwszą jest wzrost ST wraz ze zwiększaniem odcinka ST i amplitudy załamka T, drugą są zmiany wyglądu tak zwanego dwufazowego ST z odcinkiem ST o ujemnym nachyleniu, a trzecią wygląd ujemnych załamków T.

Te stwierdzenia wykorzystano w badaniach klinicznych, w których załamek ST (to znaczy odcinek S z załamkiem T) elektrokardiogramu płodowego okazał się bardziej użyteczną informacją, niż zwyczajna detekcja odstępów RR (tętna płodu) (Wastage J, M Harris, DISH Curnow, RR Greene: Plymouth randomised trial cardiotocogram only versus ST waveform plus cardiotocogram for intrapartum monitoring; 2400 cases.(Statystyczny dla Plymouth próbny kardiotokogram tylko w zależności przebiegu ST oraz kardiotokogram w przypadku monitorowania śródporodowego) Am J Obstet Gynaecol 169 (1993) 1151).

W ciągu lat badań stwierdzono kilka problemów związanych z jakością sygnału płodowego EKG. Oczywiście konieczne jest zapewnienie możliwości detekcji przebiegu ST, a jednym z głównych warunków dla analizy przebiegu ST w elektrokardiogramie płodowym jest, aby konfiguracja odprowadzenia EKG od płodu była niezmienna i umożliwiała wyznaczenie wektora T podczas porodu.

Konfiguracja poziomu konwencjonalnego EKG wykorzystywana do monitorowania płodu jest bipolarną płodową konfiguracją odprowadzeń. W tym przypadku, obie elektrody pomiarowe rozmieszczone są blisko siebie na przodującej części ciała płodu, to znaczy na główce lub pośladkach. W konsekwencji takiego rozmieszczenia elektrod otrzymuje się maksimum czułości na zmiany przebiegu EKG przy głównym rozkładzie wektorowym w płaszczyźnie poziomej płodu. Jednak dane doświadczalne wykazały maksymalną reprezentację wektora załamka T wzdłuż osi podłużnej płodu. Zatem standardowe odprowadzenie płodowego EKG, dobrze spisujące się przy wykorzystywaniu tylko załamka R do detekcji tętna płodu, nie umożliwi dokładnej detekcji zmian amplitudy załamka T.

Można tego dokonać tylko przez skonstruowanie odprowadzenia sygnału EKG wrażliwego na zmiany przebiegu EKG występujące w osi podłużnej płodu. Z literatury wiadomo, że zastosowanie jednobiegunowej konfiguracji odprowadzenia w płodowym EKG umożliwia detekcję głównego wektora załamka T z większą dokładnością, niż za pomocą standardowej dwubiegunowej konfiguracji odprowadzeń (Lindecrantz K, Lilja H, Widmark C, Rosen KG: The fetal ECG during labour. A suggested standard. (Płodowe EKG podczas porodu. Proponowany standard) J. Biomed. Eng. 1988; 10: 351-353). W tej konfiguracji, jedna z elektrod pomiarowych jest umieszczona dość daleko od płodu, na przykład na skórze matki. Odpowiednim miejscem jest jej udo. Druga elektroda pomiarowa jest standardową elektrodą igłową umieszczoną pod skórą przodującej części płodu.

PL 199 140 B1

Następnym problemem jest istnienie szumu sygnałowego, który jest znacznie silniejszy przy analizowaniu przebiegu S-T, niż w przypadku konwencjonalnego monitorowania płodowego EKG. Narastające zmiany na odcinku ST płodowego EKG zarejestrowanego podczas porodu zilustrowano na fig. 2a-c. Przedstawiono również linię zerową EKG wymienianą w opisie niniejszego wynalazku. Wygląd zmian fazowych na odcinku ST jest zgodny ze wzorcem, który przykładowo przedstawiono na fig. 2a-c. Jest to zapis sekwencyjny, przedstawiający średnie EKG dla 30 pobudzeń. Ja widać na fig. 2a-c, odcinki ST klasyfikowane są w skali 3-poziomowej, która odzwierciedla relację między zboczem ujemnym odcinka ST, a linią zerową EKG. Oczywiście, aby móc dokonać tego typu analizy, potrzebna jest bardzo wysoka jakość sygnału pod względem szumu małej częstotliwości.

Jakkolwiek omówiona powyżej konfiguracja jednobiegunowa elektrody płodowego EKG umożliwia wyznaczenie wektora T, to równocześnie powstaje problem szumu sygnałowego. Elektroda na skórze matki jest wrażliwa na jej poruszenia, powodujące szumy, zarówno małej częstotliwości (artefakty ruchowe), jak i dużej częstotliwości (aktywność mięśniowa). Innym źródłem szumu są zakłócenia od częstotliwości sieci.

Jako źródła szumu sygnałowego można wymienić składowe dużej częstotliwości związane z aktywnością ruchową, zakłócenia od częstotliwości sieci zasilającej oraz szum małej częstotliwości, w większej części generowany przez ruchy płodu i matki.

Dowolny system do oceny przebiegu odcinka ST elektrokardiogramu płodowego powinien zredukować zakłócenia od tych potencjalnych źródeł szumu sygnałowego, lecz oczywiście, wszelkie metody stosowane dla zmniejszenia szumu sygnałowego nie mogą znacznie oddziaływać na sam przebieg odcinka ST. Poza tym, obróbka sygnału powinna odbywać się w sposób ciągły, ponieważ stan zaopatrzenia płodu w tlen może zmieniać się z minuty na minutę, a wszelkie opóźnienie w prezentacji danych przebiegu EKG byłoby niekorzystne.

Metoda wykorzystywana w próbie Plymouth (Westgate i in. 1993) stosowano obróbkę sygnału z analogową filtracją, niewątpliwie z pewnym powodzeniem. Jednak występowały ograniczenia moż liwych do osiągnięcia wyników. Amplituda sygnału EKG na skórze głowy płodu (zespół QRS) zmienia się normalnie w granicach od 100 μν do 400 μν, lecz załamek T ma wielkość zaledwie 1/10 amplitudy sygnału szczytowego, a więc należy dołożyć starań, aby nie zakłócić tej części sygnału, o małej amplitudzie. Zastosowanie analogowych filtrów górnoprzepustowych do redukcji niskoczęstotliwościowych (to znaczy poniżej 1 Hz) przesunięć linii zerowej, niesie ze sobą ryzyko znacznego oddziałania na amplitudę załamka T, i wytyczne ustanowione przez American Heart Association (amerykańskiej organizacji kardiologicznej) zalecają dolną częstotliwość graniczną wynoszącą zaledwie 0,05 Hz (Electrocardiography recommendations for the standardization of leads and of specifications for instruments in ECG/VCG (Zalecenia elektrokardiograficzne dotyczące znormalizowania odprowadzeń i parametrów przyrządów w obiegu EKG/VKG). American Heart Association Committee, 1975, str. 1-25). Te wytyczne uwzględniano w próbie Plymouth.

W związku z tym, znane metody filtracji analogowej mogą w tylko bardzo ograniczonym zakresie redukować szum niskoczęstotliwościowy generowany w wyniku przemieszczeń elektrod, a zatem interpretacja danych ogranicza się do zmian bardziej wydatnych. Zatem występuje potrzeba poprawienia jakości elektrokardiogramu płodowego, dla umożliwienia ciągłego i szczegółowego analizowania zmian przebiegu odcinka ST podczas porodu.

Sposób redukcji szumu w sygnale EKG płodu, obejmujący dołączenie elektrod połączeniowych do płodu i skóry matki w konfiguracji jednobiegunowej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że sygnały EKG wykrywane przez te elektrody poddaje się filtracji za pomocą pierwszego filtru górnoprzepustowego, którego częstotliwość graniczna mieści się w zakresie od 0,2 Hz do 2,7 Hz.

Korzystnym jest, że częstotliwość graniczna pierwszego filtru górnoprzepustowego jest mniejsza od 1,7 Hz.

Korzystnym jest, że w sygnale EKG tłumi się składowe częstotliwości sieci zasilającej za pomocą filtru wycinającego.

Korzystnym jest, że za pomocą filtru wycinającego tłumi się w sygnale EKG składowe o częstotliwości 50 Hz lub 60 Hz.

Korzystnym jest, że sygnał EKG po filtrowaniu za pomocą pierwszego filtru górnoprzepustowego poddaje się dodatkowej cyfrowej obróbce sygnału.

Korzystnym jest, że sygnał EKG zawiera sekwencję zespołów EKG w postaci nieskompensowanych próbek, a każdy zespół EKG zawiera zespół RS, przy czym dodatkowo identyfikuje się zespoły EKG sygnału EKG i jego punktów P-Q, uzyskuje się funkcję aproksymacyjną dla krzywej między

PL 199 140 B1 jednym punktem P-Q a poprzednimi lub następnymi punktami P-Q, przy wykorzystaniu pewnej liczby tych poprzednich i następnych punktów P-Q, przy czym liczba ta wynosi przynajmniej jeden, a ponadto wykorzystuje się skompensowane próbki do otrzymywania sygnału wyjściowego.

Korzystnym jest, że podczas uzyskiwania funkcji aproksymacyjnej dla krzywej wyznacza się nachylenia linii między punktami P-Q a poprzednimi lub następnymi punktami P-Q, przy czym skompensowane wartości y[i] otrzymuje się zgodnie z wyrażeniem:

y[i]=x[i]-m-k(i-ipq), gdzie i, x[i], m, k i ipq oznaczają, odpowiednio, indeks dla każdej próbki, nieskompensowaną próbkę o indeksie i, poziom punktu P-Q dla aktualnego zespołu, nachylenie aktualnego zespołu, indeks dla próbki punktu P-Q.

Korzystnym jest, że podczas uzyskiwania funkcji aproksymacyjnej dla krzywej, wyznacza się wielomiany wyższego stopnia niż pierwszy, przy czym podstawą wielomianów jest punkt P-Q i poprzednie i/lub następne punkty P-Q.

Korzystnym jest, że dodatkowo poddaje się sygnał EKG uśrednianiu za pomocą filtru uśredniającego skojarzonego z drugim filtrem górnoprzepustowym.

Korzystnym jest, że zobrazowuje się przynajmniej części filtrowanego sygnału EKG.

Urządzenie do redukcji szumu w sygnale EKG płodu, połączone z elektrodami pomiarowymi dołączonymi do płodu i skóry matki w konfiguracji jednobiegunowej dla detekcji sygnału EKG, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera pierwszy filtr górnoprzepustowy, którego częstotliwość graniczna mieści się w zakresie od 0,2 Hz do 2,7 Hz.

Korzystnym jest, że pierwszy filtr górnoprzepustowy ma częstotliwość graniczną mniejszą od 1,7 Hz.

Korzystnym jest, że pierwszy filtr górnoprzepustowy zawiera również filtr wycinający, dostosowany do tłumienia w sygnale EKG składowych o częstotliwości sieci zasilającej.

Korzystnym jest, że filtr wycinający jest filtrem tłumiącym w sygnale EKG składowe o częstotliwości 50 Hz lub 60 Hz.

Korzystnym jest, że za pierwszym filtrem górnoprzepustowym jest włączony stopień dodatkowej cyfrowej obróbki sygnału stanowiący drugi filtr górnoprzepustowy.

Korzystnym jest, że drugi filtr górnoprzepustowy zawiera środki identyfikacji zespołów EKG sygnału EKG i jego punktów P-Q, środki do uzyskiwania funkcji aproksymacyjnej krzywej między jednym punktem P-Q a poprzednimi lub następnymi punktami P-Q, przy wykorzystaniu pewnej liczby tych poprzednich i następnych punktów P-Q, przy czym liczba ta wynosi przynajmniej jeden, oraz środki do kształtowania sygnału wyjściowego ze skompensowanych próbek.

Korzystnym jest, że środki uzyskiwania funkcji aproksymacyjnej są dostosowane do wyznaczania nachyleń linii między punktami P-Q, a poprzednimi lub następnymi punktami P-Q, przy czym skompensowane wartości y[i] są otrzymywane zgodnie z zależnością:

y[i]=x[i]-m-k(i-ipq), gdzie i, x[i], n, k i ipq oznaczają, odpowiednio, indeks dla każdej próbki, nieskompensowaną próbkę o indeksie i, poziom punktu P-Q dla aktualnego zespołu, nachylenie aktualnego zespołu, indeks dla próbki punktu P-Q.

Korzystnym jest, że środki do uzyskiwania funkcji aproksymacyjnej dla krzywej są dostosowane do wyznaczania wielomianów wyższego stopnia niż pierwszy, przy czym podstawa wielomianów jest punkt P-Q i punkty poprzednie i/lub następne punkty P-Q.

Korzystnym jest, że drugi filtr górnoprzepustowy jest połączony ze stopniem dodatkowej obróbki sygnału zawierającym filtr uśredniający połączony z wyjściem danych sygnału EKG.

Korzystnym jest, że wyjście danych sygnału EKG płodu jest połączone ze środkami obrazowania przynajmniej części sygnału o zredukowanym szumie.

W odmiennym wykonaniu urzą dzenie do redukcji szumu według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera pierwszy filtr górnoprzepustowy, którego częstotliwość graniczna mieści się w zakresie od 0,2 Hz do 2,7 Hz i drugi filtr górnoprzepustowy zawierający środki do identyfikacji zespołów EKG sygnału EKG i jego punktów P-Q, środki do uzyskiwania funkcji aproksymacyjnej krzywej między jednym punktem P-Q a poprzednimi lub następnymi punktami P-Q, przy wykorzystaniu pewnej liczby tych poprzednich i następnych punktów P-Q, przy czym liczba ta wynosi przynajmniej jeden, oraz środki do kształtowania sygnału wyjściowego ze skompensowanych próbek.

PL 199 140 B1

Zgodnie z wynalazkiem opracowano sposób redukcji szumu w sygnale elektrokardiogramu płodowego, obejmujący dołączenie elektrod połączeniowych do płodu i skóry matki w konfiguracji jednobiegunowej i przepuszczanie wykrywanych sygnałów przez pierwszy filtr górnoprzepustowy, którego częstotliwość graniczna mieści się w zakresie od 0,2 Hz do 2,7 Hz, jak również urządzenie do otrzymywania sygnału elektrokardiogramu płodowego pozbawionego szumu sygnałowego, zawierające elektrody pomiarowe do dołączenia do płodu i skóry matki w konfiguracji jednobiegunowej.

Zwykle jedna elektroda jest przyłączona do skóry główki płodu, a druga do uda matki.

Zastosowany termin „częstotliwość graniczna” oznacza częstotliwość, poniżej której występuje znaczne osłabienie sygnału, na przykład -3 dB. W korzystnych odmianach wykonania wynalazku tłumienie w większości pasma przepuszczania wynosi zaledwie 0,1 dB, i około 40 dB w większości pasma zaporowego.

Zatem zgodnie z wynalazkiem filtruje się sygnał z zastosowaniem dużo wyższej częstotliwości granicznej, niż częstotliwość uważana za możliwą w rozwiązaniach znanych. Opiera się to na stwierdzeniu, że jakkolwiek fluktuacje linii zerowej sygnału EKG (w wyniku poruszeń, oddychania, zmian impedancji itp.) mogą mieć znacznie większą amplitudę, niż przebieg ST, to większość energii fluktuacji linii zerowej znajduje się w zakresie częstotliwości niższych, niż częstotliwości odstępu ST. Zobrazowano to na widmie przedstawionym na fig. 3 rysunku. Zatem według wynalazku proponuje się pewien model podniesienia jakości sygnału, który umożliwia dokładne przedstawienie zmian przebiegu EKG na częstotliwości odstępu ST.

Sygnał może być podawany bezpośrednio z elektrod do urządzenia redukcji szumu według wynalazku, lub może być filtrowany wstępnie, na przykład przez zastosowanie znanego urządzenia, na przykład analogowego filtru pasmowego o częstotliwościach granicznych około 0,05 Hz i około 100 Hz.

Pierwsze ograniczenie służy do eliminowania poziomów stałoprądowych i składowych o bardzo małych częstotliwościach, które w przeciwnym przypadku mogłyby zmniejszyć zakres dynamiki sygnału.

W urządzeniu według wynalazku częstotliwość graniczna wynosząca do 2,7 Hz okazała się wystarczająca do tego, żeby stosunek T/QRS nie zmienił się znacząco, kiedy tętno płodu przewyższa 100 pobudzeń/min. Jednak w celu zapewnienia zadowalającej sprawności przy niższych wartościach tętna, korzystne jest, jeżeli częstotliwość graniczna jest mniejsza od 1 Hz. Dla optymalizacji redukcji szumu, częstotliwość graniczna jest korzystnie większa od 0,7 Hz, a jak się przypuszcza w zakresie około 1,2 Hz występuje skuteczne zupełne wyeliminowanie tych częstotliwości.

Pierwszy filtr górnoprzepustowy może być filtrem analogowym, lecz jest wysoce pożądane, aby ten filtr wprowadzał minimalne zniekształcenia fazowe, więc korzystne jest przetworzenie sygnału EKG na postać cyfrową przed przepuszczeniem go przez pierwszy filtr górnoprzepustowy.

Jak już wspomniano, innym źródłem szumu sygnałowego są zakłócenia sieci zasilających. W celu zmniejszenia oddziaływania sieci, korzystne jest, jeżeli urządzenie zawiera również filtr wycinający składowe zakłócające o częstotliwości sieci, dla stłumienia składowych o częstotliwości sieci w sygnale EKG, przy czym korzystne jest, jeżeli filtr wycinający częstotliwość sieci oddziałuje na sygnał EKG w połączeniu z pierwszym filtrem górnoprzepustowym. Filtr wycinają cy czę stotliwoś ci sieciowe jest dostosowany konstrukcyjnie tak, aby odpowiadał częstotliwości sieci lokalnej, na przykład 50 Hz lub 60 Hz. Ponieważ nowoczesne filtry cyfrowe mogą poprawiać stosunek sygnał/szum w zasadzie nie powodując niepożądanych zmian kształtu sygnału, to możliwe jest stosowanie zbioru filtrów cyfrowych z bardzo gęsto rozstawionymi częstotliwościami granicznymi, dla zredukowania zakłóceń zarówno od małych, jak i dużych częstotliwości, jak również od szumu sieciowego.

Opisane etapy redukcji szumu łączy się korzystnie z następującymi po nich etapami dodatkowymi. Na przykład jedną z metod redukcji szumu sygnału powtarzalnego jest zastosowanie uśredniania ze współczynnikami jednakowymi lub ważonymi. Jednak występują przy tym ograniczenia, a jak w przykł adzie, zespolone sygnał y EKG z wyraź nym przesunię cie linii zerowej mogą zafał szować uśredniony sygnał zespolony, powodując wygenerowanie błędnej informacji. Zatem korzystne jest przed takim uśrednianiu sygnału wyeliminowanie szumu w możliwie dużym stopniu.

Nawet nowoczesne filtry cyfrowe (w tym przypadku górnoprzepustowe), mogą pozostawiać w sygnale pewną część szumu niskoczę stotliwoś ciowego, który podczas odstę pu R-R, jest widoczny jako przesunięcie lub pochylenie linii zerowej. To odchylenie w dostępnym sygnale w porównaniu z rzeczywistym elektrokardiogramem może w pewnych sytuacjach spowodować utrudnienie w specjalistycznej analizie odcinka ST. Zatem korzystne jest, jeżeli rozwiązanie według wynalazku obejmuje również etap, w którym dodatkowo jest osłabiany resztkowy szum niskoczęstotliwościowy z wykorzy6

PL 199 140 B1 staniem zasad odejmowania wektorowego. Zaletą takiego filtru wektorowego jest możliwość jego działania bezpośrednio po zaniku sygnału przy przekroczeniu przez sygnał EKG zakresu dynamiki.

Zatem korzystne jest, jeżeli stosuje się drugi filtr górnoprzepustowy, do dalszego tłumienia szumu sygnałowego w digitalizowanym sygnale płodowego EKG, kiedy szum sygnałowy stanowią fluktuacje linii zerowej sygnału EKG. Sygnał EKG zwykle zawiera pewną sekwencję zespołów EKG w postaci nieskompensowanych próbek, a każdy zespół EKG zawiera zespół QRS, przy czym drugi filtr górnoprzepustowy jest włączony za pierwszym filtrem górnoprzepustowym, wyznaczającym częstotliwość graniczną, przy czym drugi filtr górnoprzepustowy zawiera środki rozpoznawania zespołów EKG sygnału EKG i jego punktów P-Q, środki do otrzymywania funkcji aproksymacyjnej krzywej między jednym punktem P-Q a poprzednimi lub następnymi punktami P-Q, przy wykorzystaniu pewnej liczby tych poprzednich i następnych punktów P-Q, przy czym liczba ta wynosi przynajmniej jeden, jak również środki do kształtowania ze skompensowanych próbek sygnału wyjściowego.

Jeden ze sposobów implementacji odejmowania wektorowego polega na tym, że do otrzymywania funkcji aproksymacyjnej dla krzywej wykorzystuje się środki wyznaczania nachylenia linii między punktami P-Q, a poprzednimi lub następnymi punktami P-Q, przy czym skompensowane wartości y[i] otrzymuje się zgodnie z zależnością:

y[i]=x[i]-m-k(i-ipq), gdzie i, x[i], n, k i ipq oznaczają, odpowiednio, indeks dla każdej próbki, nieskompensowaną próbkę o indeksie i, poziom punktu P-Q dla aktualnego zespołu, nachylenie aktualnego zespołu, indeks dla próbki punktu P-Q.

W przypadku, kiedy wielomian pierwszego stopnia jest niewystarczający, możliwe jest zastosowanie środków do otrzymywania funkcji aproksymacyjnej dla krzywej, do wyznaczania wielomianów wyższego stopnia, niż pierwszy, przy czym podstawą wielomianów jest punkt P-Q i punkty poprzednie i/lub następne P-Q.

W niektórych sytuacjach możliwe jest zapewnienie sygnału o takiej jakości, że uśrednianie sygnału jest niekonieczne. Jednak, kiedy ten przypadek nie zachodzi, korzystnym jest, jeżeli urządzenie zawiera również filtr uśredniający, stosowany korzystnie do sygnału EKG, w połączeniu z drugim filtrem górnoprzepustowym. Korzystne jest, jeżeli uśrednianie odbywa się na dwudziestu do trzydziestu cyklach. Większa liczba grozi znacznym stłumieniem amplitudy załamka T.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia dwa kolejne pobudzenia serca, z różnymi składowymi EKG istotnymi dla rozwiązania według wynalazku w przypadku nadzorowania płodu, fig. 2a-2c przedstawiają postępujące zmiany odcinka ST sygnału EKG płodu zarejestrowanego podczas porodu, przy czym odcinki ST oznaczono strzałkami i przedstawiono również linię zerową EKG, fig. 3 przedstawia przykładowe widmo, obejmujące obszary fluktuacji linii zerowej oraz zakresy częstotliwości odstępu ST, fig. 4 - oddziaływanie filtracji górnoprzepustowej na amplitudę załamka T, określone ilościowo stosunkiem T/QRS, przy różnych poziomach tętna płodu, fig. 5 - schemat blokowy urządzenia do redukcji szumu, fig. 6 - wykres pełnego widma częstotliwościowego korzystnej odmiany wykonania filtru według wynalazku, przy czym ten filtr jest filtrem górnoprzepustowym (wielobiegunowym) 1,5 Hz., fig. 7 - wykres obszaru odcięcia filtru stosowanego w rozwiązaniu według wynalazku, przy czym filtr ten jest filtrem górnoprzepustowym (wielobiegunowym) 1,5 Hz, fig. 8 - filtr odejmujący zastosowany w prezentowanym przykładzie wykonania, a fig. 9 - filtr dwustopniowy stosowany w tym przykładzie wykonania.

Zaczynając od fig. 5 rysunku, przedstawiono na niej schemat urządzenia stosowanego do monitorowania tętna płodu. Pierwsza elektroda 1 jest przyłączona do główki płodu 2, a druga elektroda 3 jest przyłączona do uda matki 4. Odprowadzenia 5 elektrod 1 i 2 przekazują wykrywany sygnał EKG do urządzenia redukcji szumu 6. Odprowadzenia 13 przekazują sygnał wyjściowy tego urządzenia 6 do urządzenia obrazującego, na przykład monitora (nie pokazany).

Pierwszy stopień 7 urządzenia do redukcji szumu 6 zawiera obwody wzmacniające i konwencjonalne filtry analogowe, do redukcji składowej stałej i składowych sygnału o małych częstotliwościach. Częstotliwość graniczna tego stopnia wynosi 0,05 Hz. Stopień ten zawiera również filtr dolnoprzepustowy 100 Hz, do usuwania składowych o stosunkowo dużych częstotliwościach.

Pierwszy stopień 7 stosuje się w celu zmniejszenia wymagań wobec następnego stopnia, którym jest przetwornik analogowo-cyfrowy 8 pracujący przy 500 Hz.

Przetworzony na postać cyfrową sygnał EKG jest następnie podawany do cyfrowego pierwszego górnoprzepustowego filtru 9, który ma częstotliwość graniczną 1,2 Hz (przy tłumieniu 3 dB) i który

PL 199 140 B1 powyżej częstotliwości 1,5 Hz tłumi sygnał mniej niż o 0,1 dB. Zawiera on również filtry wycinające do usuwania zakłóceń sieci zasilającej.

Następnie, sygnał EKG jest przetwarzany dodatkowo w stopniu dodatkowej obróbki sygnału 10. Obejmuje on zespół filtrów i służy do wykrywania zespołów QRS w sygnale EKG i do wyznaczania ich punktów PQ. W połączeniu z filtrem wektorowym 11 umożliwia on usunięcie resztkowego szumu małej częstotliwości za pomocą procesu odejmowania wektorowego.

Końcową częścią urządzenia 6 jest drugi stopień dodatkowej obróbki sygnału 12, który wykonuje obliczanie wartości HR, uśrednianie sygnału EKG i analizę kształtu sygnału EKG w znany sposób, przed transmisją danych wyjściowych za pośrednictwem odprowadzeń 13, do ekranu obrazującego i/lub drukarki.

Jak już wspomniano, sekcja filtrów sygnału EKG stanowi pierwszy filtr górnoprzepustowy 9, o czę stotliwoś ci granicznej 1,2 Hz i ma również inne pasma zaporowe dla eliminacji szumu sieci zasilającej. Filtr ten jest liniowofazowy w paśmie przepuszczania, to znaczy ma stałe opóźnienie grupowe. Na fig. 6 i 7 zilustrowano parametry sekcji filtrów sygnału EKG, czyli pierwszego filtru górnoprzepustowego 9.

Filtr może być różnie realizowany. Może to być na przykład filtr FIR (o skończonej odpowiedzi impulsowej) złożony z jednego lub kilku kolejnych stopni, lub „filtr odejmujący”, w którym sygnał wyjściowy jest po prostu sygnałem wejściowym po odjęciu szumu w dziedzinie czasowej. Szum jest rezultatem działania filtru o odwrotnej charakterystyce częstotliwościowej w stosunku do wspomnianej powyżej, który to filtr przedstawiono na fig. 8.

Przykładem filtru o skończonej odpowiedzi impulsowej jest dwustopniowy kaskadowy filtr FIR z dwiema kolejno funkcjami przenoszenia. Przykł ad filtru tego rodzaju przedstawiono na fig. 9.

Przedstawiony na fig. 9 blok h1 jest filtrem FIR o na stępującej funkcji przenoszenia:

i<N1 y(n) = ZECG(n - i).h1(i) i=0

Blok h2 przedstawiony na fig. 9 jest filtrem FIR o następującej funkcji przenoszenia:

i<N2

Filt ECG(n) = Σ ECG(n - 1).h2(i) i=0

Na fig. 6 i 7 zobrazowano częstotliwość graniczną pasma górnoprzepustowego wynoszącą 1,2 Hz przy tłumieniu 3 dB. Oprócz charakterystyki granicznej, występuje mnóstwo parametrów, które oddziałują na wartość N1 i N2 i związane z nimi współczynniki, jak na przykład zafalowania w paśmie przepustowym, czy tłumienie w paśmie zaporowym, a ponadto stromość charakterystyki częstotliwościowej między pasmem zaporowym a pasmem przepustowym, to znaczy częstotliwość graniczą pasma zaporowego, która nie może być równa wymienionej powyżej wartości 1,2 Hz, ponieważ wymagałoby to nieskończonej liczby współczynników filtru cyfrowego.

Ponadto, wpływ na funkcje przenoszenia mają warunki (występujące przypuszczalnie w prostszych implementacjach) stosowania lub niestosowania wycinającego filtru zaporowego, bądź też parametry filtrów wycinających, które zależą od parametrów pierwszego obszaru przejścia od charakterystyki górnoprzepustowej do tłumienia.

Zatem, nie ma odnośnych bezwzględnych ustawień współczynników, lecz główną właściwością charakterystyczną jest częstotliwość graniczna charakterystyki górnoprzepustowej (na pewnym poziomie tłumienia), wynosząca 1,2 Hz, jak to przedstawiono na fig. 7.

Dokonano eksperymentalnego porównania przykładów wykonania według wynalazku z urządzeniami redukcji szumów zawierającymi różne filtry górnoprzepustowe. Odbywało się to przez stosowanie szeregu filtrów cyfrowych do zbioru zarejestrowanych danych płodowego EKG o następujących parametrach charakterystycznych:

Sygnał EKG został zarejestrowany z elektrody udowej i elektrody umieszczonej na główce płodu. Sygnał EKG został przepuszczony przez analogowy filtr pasmowy o częstotliwościach granicznych wynoszących 0,05 Hz i 100 Hz. Analogowy elektrokardiogram został spróbkowany i przetworzony w przetworniku analogowo-cyfrowym z czę stotliwo ś cią 500 Hz.

Stwierdzono, że występują wyraźne zmiany w odstępie ST przy wzroście T/QRS przy różnych poziomach tętna płodu.

Powodem testowania przy różnych poziomach tętna płodu jest to, że mogą wystąpić znaczne fluktuacje, a założono, że zakres częstotliwościowy odstępu ST może zmieniać się zależnie od tętna.

PL 199 140 B1

Stosowano następujące filtry o minimalnych zniekształceniach fazowych:

1. Nie zastosowano żadnego filtru (TQRS-0 Hz).

2. Wielobiegunowy N2 z pasmem przepustowym 0 Hz - 48,5 Hz, 51,5 Hz - 148,5 Hz itd. Dodatkowy wielobiegunowy HP1 z pasmem przepustowym 0 Hz - 124,5 Hz, 125,5 Hz - 249,5 Hz itd. (TQRS- 1/2 Hz) .

3. Wielobiegunowy N2 z pasmem przepustowym 0 Hz - 48,5 Hz, 51,5 Hz - 148,5 Hz itd. Dodatkowy wielobiegunowy HP1 z pasmem przepustowym 1 Hz - 124 Hz, 126 Hz - 249 Hz itd. (TQRS- 1 Hz).

4. Wielobiegunowy z pasmem przepustowym 1,5 Hz - 48,5 Hz, 51,5 Hz - 98,5 Hz, 101,5 Hz 148,5 Hz (TQRS- 1/2 Hz).

5. Taki sam, jak filtr nr 4, w odniesieniu do 50 Hz i harmonicznych, lecz z dodatkowym wielobiegunowym pasmem przepustowym 2 Hz - 123 Hz i 127 Hz - 248 Hz (TQRS - 2 Hz).

6. Taki sam, jak filtr nr 4, w odniesieniu do 50 Hz i harmonicznych, lecz z dodatkowym wielobiegunowym pasmem przepustowym 2,5 Hz - 122,5 Hz, 127,5 Hz - 247,5 Hz (TQRS- 2 1/2 Hz).

7. Taki sam, jak filtr nr 4, w odniesieniu do 50 Hz i harmonicznych, lecz z dodatkowym wielobiegunowym pasmem przepustowym 3 Hz - 122 Hz, 128 Hz - 247 Hz (TQRS- 3 Hz).

W tym eksperymencie za pasma przepustowe uważa się te częstotliwości, na których występuje tłumienie poniżej 0,1 dB. Jak widać na fig. 7, typowa charakterystyka częstotliwościowa stosowanych filtrów jest taka, że częstotliwość graniczna definiowana względem tłumienia 3 dB znajduje się w przybliżeniu o 0,3 Hz niżej. W przypadku filtrów wycinających, górny koniec pasma przepustowego dla 3 dB leży około 0,3 Hz wyżej, niż dla tłumienia 0,1 dB.

Przy przeglądaniu danych przedstawionych na fig. 4 można stwierdzić, co następuje (częstotliwości w nawiasach odnoszą się do odpowiednich wartości granicznych dla tłumienia 3 dB). Po pierwsze, filtr górnoprzepustowy 3 Hz (2,7 Hz) oddziałuje na stosunek T/QRS fałszywym obniżeniem zarejestrowanego stosunku, niezależnie od tętna płodu. Po drugie, na stosunek T/QRS w większym stopniu nie oddziałują filtry górnoprzepustowe o częstotliwości granicznej < 3,0 Hz (2,7 Hz) , kiedy dane EKG są próbkowane przy tętnie płodu powyżej około 100 pobudzeń/min. Po trzecie, kiedy tętno spada poniżej około 100 pobudzeń na minutę, parametry filtrów stają się jeszcze ważniejsze, i aby nie było oddziaływania na stosunek T/QRS, potrzebna jest filtracja górnoprzepustowa o częstotliwości granicznej < 2 Hz (1,7 Hz).

Zatem można zauważyć, że stosując rozwiązania według wynalazku można osłabić szum sygnału EKG płodu na większych częstotliwościach, niż to było możliwe dotychczas. Z punktu widzenia omówionego rozkładu częstotliwościowego szumu, możliwa jest znacznie większa redukcja szumu sygnału, a zatem możliwe jest bardziej niezawodne monitorowanie płodu.

Claims (21)

1. Sposób redukcji szumu w sygnale EKG płodu, obejmujący dołączenie elektrod połączeniowych do płodu i skóry matki w konfiguracji jednobiegunowej, znamienny tym, że sygnały EKG wykrywane przez te elektrody poddaje się filtracji za pomocą pierwszego filtru górnoprzepustowego, którego częstotliwość graniczna mieści się w zakresie od 0,2 Hz do 2,7 Hz.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że częstotliwość graniczna pierwszego filtru górnoprzepustowego jest mniejsza od 1,7 Hz.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w sygnale EKG tłumi się składowe częstotliwości sieci zasilającej za pomocą filtru wycinającego.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, ze za pomocą filtru wycinającego tłumi się w sygnale EKG składowe o częstotliwości 50 Hz lub 60 Hz.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sygnał EKG po filtrowaniu za pomocą pierwszego filtru górnoprzepustowego poddaje się dodatkowej cyfrowej obróbce sygnału.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że sygnał EKG zawiera sekwencję zespołów EKG w postaci nieskompensowanych próbek, a każ dy zespół EKG zawiera zespół RS, przy czym dodatkowo identyfikuje się zespoły EKG sygnału EKG i jego punktów P-Q, uzyskuje się funkcję aproksymacyjną dla krzywej między jednym punktem P-Q a poprzednimi lub następnymi punktami P-Q, przy wykorzystaniu pewnej liczby tych poprzednich i następnych punktów P-Q, przy czym liczba ta wynosi przynajmniej jeden, a ponadto wykorzystuje się skompensowane próbki do otrzymywania sygnału wyjściowego.

PL 199 140 B1

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że podczas uzyskiwania funkcji aproksymacyjnej dla krzywej wyznacza się nachylenia linii między punktami P-Q a poprzednimi lub następnymi punktami P-Q, przy czym skompensowane wartości y[i] otrzymuje się zgodnie z wyrażeniem:

y[i]=x[i]-m-k(i-ipq), gdzie i, x[i], m, k i ipq oznaczają, odpowiednio, indeks dla każ dej próbki, nieskompensowaną próbkę o indeksie i, poziom punktu P-Q dla aktualnego zespołu, nachylenie aktualnego zespołu, indeks dla próbki punktu P-Q.

8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że podczas uzyskiwania funkcji aproksymacyjnej dla krzywej wyznacza się wielomiany wyższego stopnia niż pierwszy, przy czym podstawą wielomianów jest punkt P-Q i poprzednie i/lub następne punkty P-Q.

9. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że dodatkowo poddaje się sygnał EKG uśrednianiu za pomocą filtru uśredniającego skojarzonego z drugim filtrem górnoprzepustowym.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zobrazowuje się przynajmniej części filtrowanego sygnału EKG.

11. Urządzenie do redukcji szumu w sygnale EKG płodu, połączone z elektrodami pomiarowymi dołączonymi do płodu i skóry matki w konfiguracji jednobiegunowej dla detekcji sygnału EKG, znamienne tym, że zawiera pierwszy filtr górnoprzepustowy (9), którego częstotliwość graniczna mieści się w zakresie od 0,2 Hz do 2,7 Hz.

12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że pierwszy filtr górnoprzepustowy (9) ma częstotliwość graniczną mniejszą od 1,7 Hz.

13. Urządzenie według zastrz. 11 albo 12, znamienne tym, że pierwszy filtr górnoprzepustowy (9) zawiera również filtr wycinający, dostosowany do tłumienia w sygnale EKG składowych o częstotliwości sieci zasilającej.

14. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że filtr wycinający jest filtrem tłumiącym w sygnale EKG składowe o częstotliwości 50 Hz lub 60 Hz.

15. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że za pierwszym filtrem górnoprzepustowym (9) jest włączony stopień dodatkowej cyfrowej obróbki sygnału stanowiący drugi filtr górnoprzepustowy (10).

16. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że drugi filtr górnoprzepustowy (10) zawiera środki identyfikacji zespołów EKG sygnału EKG i jego punktów P-Q, środki do uzyskiwania funkcji aproksymacyjnej krzywej między jednym punktem P-Q a poprzednimi lub następnymi punktami P-Q, przy wykorzystaniu pewnej liczby tych poprzednich i następnych punktów P-Q, przy czym liczba ta wynosi przynajmniej jeden, oraz środki do kształtowania sygnału wyjściowego ze skorpensowanych próbek.

17. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że środki uzyskiwania funkcji aproksymacyjnej są dostosowane do wyznaczania nachyleń linii między punktami P-Q, a poprzednimi lub następnymi punktami P-Q, przy czym skompensowane wartości y[i] są otrzymywane zgodnie z zależnością:

y[i]=x[i]-m-k(i-ipq), gdzie i, x[i], n, k i ipq oznaczają, odpowiednio, indeks dla każdej próbki, nieskompensowaną próbkę o indeksie i, poziom punktu P-Q dla aktualnego zespołu, nachylenie aktualnego zespołu, indeks dla próbki punktu P-Q.

18. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że środki do uzyskiwania funkcji aproksymacyjnej dla krzywej są dostosowane do wyznaczania wielomianów wyższego stopnia niż pierwszy, przy czym podstawa wielomianów jest punkt P-Q i punkty poprzednie i/lub następne punkty P-Q.

19. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że drugi filtr górnoprzepustowy (10) jest połączony ze stopniem dodatkowej obróbki sygnału (12) zawierającym filtr uśredniający połączony z wyjściem danych sygnału EKG.

20. Urządzenie według zastrz. 19, znamienne tym, że wyjście danych sygnału EKG płodu jest połączone ze środkami obrazowania przynajmniej części sygnału o zredukowanym szumie.

21. Urządzenie do redukcji szumu w sygnale EKG płodu, połączone z elektrodami pomiarowymi dołączonymi do płodu i skóry matki w konfiguracji jednobiegunowej dla detekcji sygnału EKG, znamienne tym, że zawiera pierwszy filtr górnoprzepustowy (9), którego częstotliwość graniczna mieści się w zakresie od 0,2 Hz do 2,7 Hz i drugi filtr górnoprzepustowy (10) zawierający środki do identyfikacji zespołów EKG sygnału EKG i jego punktów P-Q, środki do uzyskiwania funkcji aproksymacyjnej

PL 199 140 B1 krzywej między jednym punktem P-Q a poprzednimi lub następnymi punktami P-Q, przy wykorzystaniu pewnej liczby tych poprzednich i następnych punktów P-Q, przy czym liczba ta wynosi przynajmniej jeden, oraz środki do kształtowania sygnału wyjściowego ze skompensowanych próbek.