RU2088147C1

RU2088147C1 - Method to record and process biopotential signals of gastrointestinal tract branches and device for implementation

Info

Publication number: RU2088147C1
Application number: RU9393038243A
Authority: RU
Inventors: А.В. Бердников; В.Н. Биряльцев; О.С. Кочнев; И.С. Малков; В.М. Солдаткин
Original assignee: Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева; Общество с ограниченной ответственностью "Полиметтех"
Priority date: 1993-07-26
Filing date: 1993-07-26
Publication date: 1997-08-27

Abstract

FIELD: medicine, physiology. SUBSTANCE: recording is conducted by direct and reverse Fourier transformation. The difference of biopotential signals is estimated between closely situated electrodes to minimize an error due to cutaneous-galvanic effect. Pathological disorders in gastrointestinal tract activity are observed by spectrograms, estimation of frequency modules distribution and time diagrams. EFFECT: higher efficiency. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к медицинскому приборостроению и может быть рекомендовано при проведении диагностики моторики и параметров желудочно-кишечного тракта (ЖТК) беззондовым методом. The invention relates to medical instrumentation and can be recommended when diagnosing motility and parameters of the gastrointestinal tract (GTC) with a non-probe method.

Известным способы и серийно выпускаемые устройства для проведения гастрографических исследований, например электрогастрограф ЭГС-4М, представляющий собой избирательный усилитель, настроенный на частоту 0,05 Гц и предназначенный для регистрации перистальтики желудка. Known methods and commercially available devices for gastrographic studies, for example, an EGS-4M electrogastrograph, which is a selective amplifier tuned to a frequency of 0.05 Hz and designed to record gastric motility.

К недостаткам подобного устройства можно отнести следующие:
фиксированная частота настройки усилителя гастрографа не позволяет проводить регистрацию перистальтики других отделов ЖКТ;
относительно низкая чувствительность не позволяет проводить запись биопотенциалов отведений на удаленных конечностях;
малый динамический диапазон существенно усложняет предварительную настройку усилителя при наличии нескомпенсированной постоянной составляющей, обусловленной кожно-гальваническим эффектом Тарханова (Мишин А.Т. Логинов А. С. Инфранизкочастотные усилители бионапряжений с гальваническим разделением входа и выхода. М. Энергоатомиздат, 1983).The disadvantages of such a device include the following:
the fixed tuning frequency of the amplifier of the gastrograph does not allow registration of peristalsis of other sections of the gastrointestinal tract;
relatively low sensitivity does not allow recording biopotential leads in the remote extremities;
a small dynamic range significantly complicates the pre-tuning of the amplifier in the presence of an uncompensated DC component due to the skin-galvanic effect of Tarhanov (A. Mishin A. Loginov, Infra-low-frequency bio-voltage amplifiers with galvanic separation of input and output. M. Energoatomizdat, 1983).

Наиболее близким к предполагаемому является способ регистрации энцелографических сигналов (заявка Японии N 2-33380, кл. А 61 В 5/0476), в котором энцефалографические сигналы преобразуются в цифровые и обрабатываются персональным компьютером по алгоритму быстрого преобразования Фурье с последующим отображением результата обработки в виде графика зависимости потенциала от частоты. Closest to the intended one is a method for recording enceographic signals (Japanese application No. 2-33380, class A 61 B 5/0476), in which the encephalographic signals are converted to digital and processed by a personal computer using the fast Fourier transform algorithm, followed by displaying the processing result in the form plot of potential versus frequency.

Изобретение позволяет лишь частично решить задачу регистрации биопотенциалов отведений ЖКТ с удаленных конечностей пациента, так как оно не предполагает проведения узкополосной фильтрации в частотных диапазонах, соответствующих отделам гастродуоденальной системы с последующим представлением результатов в виде временных диаграмм перистальтических сокращений различных отделов ЖКТ. Кроме того, в нем не просматривается решение задачи компенсации погрешности, обусловленной наличием кожно-гальванического эффекта. The invention allows only partially solving the problem of registering the biopotentials of the gastrointestinal leads from the patient's extremities, since it does not involve narrow-band filtering in the frequency ranges corresponding to the gastroduodenal system departments with the subsequent presentation of the results in the form of time diagrams of peristaltic contractions of various gastrointestinal departments. In addition, it does not show the solution to the problem of compensation for errors due to the presence of a skin-galvanic effect.

Цель изобретения расширение эксплуатационных и повышение метрологических характеристик способа регистрации сигналов биопотенциалов отведений ЖКТ. The purpose of the invention is the expansion of operational and improvement of metrological characteristics of a method for recording signals of biopotentials of gastrointestinal leads.

Цель достигается тем, что сигналы биопотенциалов отведений снимают минимум в трех точках, две из которых располагают на диагонально удаленных конечностях пациента (противоположная пара: рука нога), а третья точка расположена в непосредственной близости от одной из двух первых. The goal is achieved by the fact that the signals of the biopotential leads are removed at least in three points, two of which are located on the patient's diagonally distant limbs (opposite pair: arm and leg), and the third point is located in close proximity to one of the first two.

Проводят минимизацию погрешности, обусловленную кожно-гальваническим эффектом, путем вычитания дифференциального сигнала близко расположенной пары точек съема сигналов из дифференциального сигнала диагональной удаленной пары точек съема сигнала. The error due to the skin-galvanic effect is minimized by subtracting the differential signal of the closely spaced pair of signal pickup points from the differential signal of the diagonal remote pair of signal pickup points.

Графики зависимости потенциалов от частоты получают путем компьютерной обработки сигналов отведений прямым преобразованием Фурье. Graphs of potentials versus frequency are obtained by computer processing of lead signals by direct Fourier transform.

Определяют распределение модулей приведенной электрической активности по частотным диапазонам, соответствующим отделам гоастродуоденальной системы, путем векторного суммирования спектральных составляющих с последующим приведением к диапазонам частот. The distribution of the modules of reduced electrical activity over the frequency ranges corresponding to the departments of the goastroduodenal system is determined by vector summation of the spectral components with subsequent reduction to frequency ranges.

Формируют временные диаграммы перистальтических сокращений выбранных отделов ЖКТ путем задания граничных частот фильтрации и проведения обратного преобразования Фурье. The time diagrams of peristaltic contractions of the selected sections of the gastrointestinal tract are formed by setting the boundary filtering frequencies and performing the inverse Fourier transform.

По графикам зависимости потенциалов от частоты, количественной оценке распределения модулей приведенной электрической активности и временным диаграмма судят о патологических нарушениях моторной активности анализируемых отделов ЖКТ. According to the graphs of the potentials versus frequency, a quantitative assessment of the distribution of modules of the reduced electrical activity and the time diagram, pathological violations of the motor activity of the analyzed sections of the gastrointestinal tract are judged.

Для осуществления вышеуказанного способа используется устройство, содержащее электроды, персональный компьютер и интерфейсное устройство, в которое введены три дифференциальных усилителя, фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, АЦП и ЦАП, при этом входы двух дифференциальных усилителей подключены к трем электродам, выходы их подключены к входам третьего дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом усилителя постоянного тока, выход которого подключен к входу АЦП, второй вход подключен к выходу ЦАП, а третий вход к системе ручной установки нуля; при этом выходные и входные сигналы АЦП и ЦАП через интерфейсное устройство поступают во входной порт персонального компьютера. To implement the above method, a device is used that contains electrodes, a personal computer, and an interface device into which three differential amplifiers, a low-pass filter, a direct current amplifier, ADC and DAC are inserted, while the inputs of two differential amplifiers are connected to three electrodes, their outputs are connected to the inputs of the third differential amplifier, the output of which is connected to the first input of the DC amplifier, the output of which is connected to the input of the ADC, the second input is connected to the output of the DAC, and t third input to the manual zero system; at the same time, the output and input signals of the ADC and DAC through the interface device enter the input port of a personal computer.

На чертеже дана схема предлагаемого устройства. The drawing shows a diagram of the proposed device.

Здесь приняты обозначение: 1, 2 и 3 дифференциальные усилители; 4 - фильтр нижних частот; 5 усилитель постоянного тока; 6 АЦП; 7 ЦАП; 8 - интерфейсное устройство; 9 электроды. Here the designation is adopted: 1, 2 and 3 differential amplifiers; 4 - low pass filter; 5 DC amplifier; 6 ADC; 7 DAC; 8 - interface device; 9 electrodes.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Входные сигналы усиливаются, при этом из информативного сигнала диагонально-удаленной пары электродов вычитается компенсационный от близко расположенной пары, полученная разность предварительно отфильтровывается в фильтре нижних частот 4 и подается через усилитель постоянного тока 5, АЦП 6 и интерфейсное устройство 8 в компьютер. Для расширения динамического диапазона работы устройства наряду с ручной системой установки нуля вводится обратная цепь преобразования, состоящая из ЦАП 7, выходной сигнал которого поступает на второй вход усилителя постоянного тока 5 изменяя уровень постоянной составляющей в необходимую сторону с тем, чтобы его пульсационная составляющая укладывалась бы в пределы динамического диапазона собственно АЦП 6. The input signals are amplified, while the compensation signal from a closely spaced pair is subtracted from the informative signal of a diagonally remote pair of electrodes, the resulting difference is pre-filtered in a low-pass filter 4 and fed through a DC amplifier 5, ADC 6, and interface device 8 to a computer. To expand the dynamic range of the device, along with a manual zero-setting system, a reverse conversion circuit is introduced, consisting of a DAC 7, the output signal of which is fed to the second input of the DC amplifier 5, changing the level of the DC component in the necessary direction so that its ripple component fits into limits of the dynamic range of the ADC itself 6.

По команде оператора происходит запись сигналов отведений во входной массив, при этом частота дискретизации определяется верхней частотой спектра интересующего диапазона, от которой зависит и частота настройки фильтра 4. At the operator’s command, the lead signals are recorded in the input array, while the sampling frequency is determined by the upper spectrum frequency of the range of interest, which affects the filter tuning frequency 4.

По окончании записи включается программа прямого преобразования Фурье, вычисляющая функцию спектральной плотности и строящая соответствующий график. Далее проводится определение распределения модулей приведенной электрической активности путем векторного суммирования спектральных составляющих в пределах выбранного частотного диапазона с последующим приведением их к диапазону частот. At the end of the recording, the direct Fourier transform program is activated, which calculates the spectral density function and constructs the corresponding graph. Next, a determination is made of the distribution of the modules of the reduced electrical activity by vector summing the spectral components within the selected frequency range, followed by bringing them to the frequency range.

Для получения временных диаграмм оператором выбирается необходимый частотный диапазон, соответствующий выбранному отделу ЖКТ и включается программа обратного преобразования Фурье с построением соответствующей временной диаграммы. To obtain time charts, the operator selects the necessary frequency range corresponding to the selected section of the gastrointestinal tract and the inverse Fourier transform program is activated with the construction of the corresponding time chart.

Преимуществом предлагаемого способа регистрации и обработки сигналов биопотенциалов отведений ЖКТ по сравнению с известными является его гибкость в части возможности оперативной перестройки границ частотных диапазонов узкополосной фильтрации, возможность применения многократной обработки исходного массива данных по различным отделам ЖКТ, проведение количественной оценки интенсивности электрической активности различных отделов ЖКТ. Устройство для реализации указанного способа обладает расширенным динамическим диапазоном и возможностью компенсации кожно-гальванического эффекта. The advantage of the proposed method for recording and processing signals of the biopotentials of the gastrointestinal leads compared to the known ones is its flexibility in terms of the possibility of promptly adjusting the boundaries of the frequency ranges of narrow-band filtering, the possibility of using multiple processing of the initial data array for various sections of the gastrointestinal tract, and conducting a quantitative assessment of the intensity of electrical activity of various sections of the digestive tract. A device for implementing this method has an extended dynamic range and the ability to compensate for a skin-galvanic effect.

Клинические исследования экспериментального образца устройства, выполненного по предложенному способу, проведенные на кафедре "Неотложной хирургии" казанского ГИДУВа, позволили выявить ряд закономерностей между электрической активностью различных отделов ЖКТ и патологическими изменениями и нарушениями в них в до- и послеоперационные периоды, дающие возможность формализовать процесс диагностики патологии отделов ЖКТ. Clinical studies of an experimental sample of a device made according to the proposed method, conducted at the Department of "Emergency Surgery" of Kazan GIDUV, revealed a number of patterns between the electrical activity of various sections of the gastrointestinal tract and pathological changes and disorders in them in the pre- and postoperative periods, which make it possible to formalize the diagnostic process pathology of the digestive tract.

Предлагаемое техническое решения реализовано на современной элементной базе (микросхемы серий 140, 1113, 572 и 574) и рассчитано на работу с IBM совместимым компьютером, что не исключает возможность его функционирования с бытовым компьютером, например; Электроника БК00-10-01". The proposed technical solution is implemented on a modern elemental base (microcircuits of the 140, 1113, 572 and 574 series) and is designed to work with an IBM compatible computer, which does not exclude the possibility of its functioning with a home computer, for example; Electronics BK00-10-01 ".

Claims

1. The method of recording and processing signals of the biopotentials of the leads of the gastrointestinal tract, according to which the signals of the biopotentials are removed by surface electrodes, convert them to digital form, spectrograms are obtained by computer processing the signals of the biopotentials of the leads by fast direct Fourier transform, characterized in that the signals of the biopotentials of the leads remove a minimum at three points remote from the gastrointestinal tract, two of which are located on the patient’s diagonal limbs (arm leg), and a third in the immediate vicinity of one of the first two, the error due to the skin-galvanic effect is minimized by subtracting the differential signal of a closely spaced pair of signal pick-up points from a differential signal of a diagonally remote pair of signal pick-up points, the distribution of modules of reduced electrical activity over the frequency ranges corresponding to sections of the gastrointestinal tract, by vector summation of the spectral components with subsequent reduction to Range of frequencies form peristaltic timing diagrams of selected gastrointestinal tract inverse Fourier transform on spectrograms modules distribution evaluation reduced electrical activity and the timing diagram judged pathological disorders of motor activity analyzed gastrointestinal tract.

2. A device for recording and processing signals of the biopotentials of the leads of the gastrointestinal tract, containing electrodes, a personal computer and an interface device, characterized in that it has three differential amplifiers, a low-pass filter, a direct current amplifier, an analog-to-digital converter and a digital-to-analog converter while the inputs of two differential amplifiers are connected to three electrodes, their outputs are connected to the inputs of the third differential amplifier, the output of which is through a filter low-frequency signal is connected to the first input of the DC amplifier, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital converter, the second input is connected to the output of the digital-to-analog converter, and the third input is to the manual zero system, the inputs and outputs of the analog-to-digital converter and digital-to-analog converter through the interface the device is connected to the input port of a personal computer.