RU2149581C1 - Блок аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для выделения и регистрации электрокардиографических (ЭКГ) и реокардиографических (РКГ) сигналов. Устройство содержит входной каскад, дифференциальный усилитель, фильтры высокой и низкой частоты, электронный коммутатор входных сигналов, на вход которого подаются ЭКГ и РКГ сигналы, устройство регулировки коэффициента усиления, устройство перестройки амплитудно-частотной характеристики фильтра высокой частоты и устройство перестройки амплитудно-частотной характеристики фильтра низкой частоты, входы которых подключены к блоку управления. Технический результат: снижение массогабаритных характеристик блока аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов, упрощение эксплуатации и ускорение процесса измерения путем уменьшения времени перестройки с режима регистрации ЭКГ сигналов на режим регистрации РКГ сигналов и наоборот, повышение чувствительности путем увеличения отношения сигнала к шуму. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области медицинской техники и предназначено для выделения и регистрации электрокардиографических и реокардиографических сигналов.

В известных источниках патентной и научно-технической информации не описано кардиографических устройств с высокой степенью интеграции, в частности, использующих для обработки электрокардиографических (ЭКГ) и реокардиографических (РКГ) сигналов один и тот же усилительный тракт. Для выделения и регистрации этих сигналов обычно используются электронные полиграфы, имеющие отдельный электрокардиоканал и отдельный реокардиоканал. Принятые электрокардиографические и реокардиографические сигналы выделяются, усиливаются и фильтруются в раздельных блоках. Для этого полиграф содержит в каждом из этих блоков многокаскадные схемы фильтрации и усиления.

Например, известный шестиканальный полиграф П6Ч-01 выполнен в виде блочной конструкции. В корпусе полиграфа размещены базовый блок, представляющий собой 6-канальный коммутатор, и оконечное регистрирующее устройство, выполненное в виде осциллоскопа, а также блок питания. В комплект полиграфа, помимо этого, входит набор сменных функциональных блоков, которые установлены на несущей раме полиграфа и соединены с базовым блоком. Типы используемых сменных блоков определяются решаемыми задачами. Так, для регистрации электрокардиографических и реокардиографических сигналов на несущую раму установлены ЭКГ блок и РКГ блок. Базовый блок, представляющий собой 6-канальный коммутатор, в свою очередь, соединен с оконечным регистрирующим устройством, выполненным в виде осциллоскопа, пропуская на его вход ЭКГ или РКГ сигнал в зависимости от режима работы. Таким образом, в режиме регистрации ЭКГ сигналов ЭКГ блок, 6-канальный коммутатор и осциллоскоп последовательно соединены с образованием тракта прохождения сигнала. В режиме регистрации РКГ для образования тракта прохождения сигнала последовательно соединены РКГ-блок, 6-канальный коммутатор и осциллоскоп [1].

Недостатками описанного шестиканального полиграфа П6Ч-01 являются повышенные размеры и масса, а также высокая стоимость, обусловленные наличием отдельных ЭКГ и РКГ блоков.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному объекту (прототипом) является предварительный усилитель шестиканального электрокардиографа ЭК-6Т (блок аналоговой обработки ЭКГ и РКГ сигналов). Предварительный усилитель содержит следующие элементы, соединенные последовательно: входной каскад, прецизионный дифференциальный усилитель, фильтр низкой частоты (ФНЧ) и фильтр высокой частоты (ФВЧ). Предварительный усилитель, помимо выделения и регистрации ЭКГ сигналов, позволяет обрабатывать РКГ сигналы. Для этого ко входу предварительного усилителя выходом подключается РКГ приставка. В РКГ приставке РКГ сигнал усиливается, преобразуется и фильтруется, затем РКГ сигнал поступает на вход предварительного усилителя, где он проходит те же этапы усиления во входном каскаде и прецизионном дифференциальном усилителе и фильтрации в ФНЧ и ФВЧ, что и ЭКГ сигнал [2].

Недостатки предварительного усилителя:
неадекватность объема аппаратных средств решаемым задачам (обработке ЭКГ и РКГ сигналов) из-за наличия дополнительной РКГ приставки, которая не является необходимой, что приводит к увеличению размеров и массы;
уменьшение отношения сигнала к шуму из-за неоправданного удлинения тракта прохождения сигнала, снижающее чувствительность и ухудшающее технические характеристики устройства;
большое время перестройки с одного режима на другой из-за неоптимальности аппаратного построения, что приводит к усложнению эксплуатации устройства и большим затратам времени на осуществление измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в блок аналоговой обработки ЭКГ сигналов и РКГ сигналов, содержащий последовательно соединенные входной каскад и дифференциальный усилитель, а также связанные между собой ФВЧ и ФНЧ, введены электронный коммутатор входных сигналов, соединенный выходом со входным каскадом, устройство регулировки коэффициента усиления, связанное выходом со входным каскадом, устройство перестройки амплитудно-частотной характеристики ФВЧ и устройство перестройки амплитудно-частотной характеристики ФНЧ, подключенные выходами соответственно к ФВЧ и ФНЧ, а также блок управления, соединенный с управляющим входом электронного коммутатора и со входами устройства перестройки амплитудно-частотной характеристики ФВЧ и устройства перестройки амплитудно-частотной характеристики ФНЧ. При этом дифференциальный усилитель подключен к ФВЧ.

Таким образом, для выделения и регистрации ЭКГ сигналов и РКГ сигналов используется один и тот же блок, т.е. блок аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов, в котором изменение коэффициента усиления и формы амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) при перестройке с ЭКГ сигнала на РКГ сигнал и наоборот осуществляется электронным способом, без использования дополнительных аппаратных средств.

Техническим результатом является снижение массогабаритных характеристик, упрощение эксплуатации и ускорение процесса измерения путем уменьшения времени перестройки с режима регистрации ЭКГ сигналов на режим регистрации РКГ сигналов и наоборот, увеличение отношения сигнала к шуму, а следовательно, и повышение чувствительности заявляемого блока.

Снижение массогабаритных характеристик достигается за счет исключения РКГ приставки при регистрации РКГ сигналов, так как ее функции (предварительное усиление и фильтрацию сигнала) берет на себя сам блок аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов. Формирование необходимой формы АЧХ для фильтрации РКГ сигнала производится не дополнительной РКГ приставкой, а перестраиваемыми ФНЧ и ФВЧ, входящими в состав блока аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов. Необходимое усиление обеспечивается входным каскадом с регулируемым коэффициентом усиления.

Уменьшение времени перестройки с режима регистрации ЭКГ сигналов на режим регистрации РКГ сигналов и наоборот достигается тем, что перестройка производится не путем подключения или отключения РКГ приставки вместе с системой разъемов, проводов и электродов, а электронным способом, путем подачи соответствующих управляющих сигналов на электронный коммутатор, пропускающий на входной каскад блока аналоговой обработки ЭКГ сигнал или РКГ сигнал в зависимости от управляющего сигнала, и перестраиваемые ФНЧ и ФВЧ, формирующие необходимую форму АЧХ для прохождения ЭКГ сигнала или РКГ сигнала. Это приводит к упрощению эксплуатации блока аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов и ускорению процесса измерений.

Увеличение отношения сигнала к шуму и, следовательно, повышение чувствительности устройства достигается укорочением тракта прохождения РКГ сигнала путем исключения из тракта дополнительных каскадов, входящих в состав РКГ приставки, вносящих лишний шум в сигнал.

На приведенном чертеже изображена функциональная схема блока аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов.

Предлагаемый блок аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов содержит электронный коммутатор 1, входной каскад 2, дифференциальный усилитель 3, ФВЧ 4, ФНЧ 5, устройство регулировки коэффициента усиления 6, устройство перестройки амплитудно-частотной характеристики ФВЧ 7, устройство перестройки амплитудно-частотной характеристики ФНЧ 8, блок управления 9.

Выход электронного коммутатора 1 подключен к сигнальному входу входного каскада 2, выход входного каскада 2 подключен ко входу дифференциального усилителя 3, выход дифференциального усилителя 3 подключен к сигнальному входу ФВЧ 4, выход ФВЧ 4 соединен с сигнальным входом ФНЧ 5; первый выход блока управления 9 подключен к управляющему входу электронного коммутатора 1, второй выход блока управления 9 подключен ко входу устройства регулировки коэффициента усиления 6, к выходу устройства регулировки коэффициента усиления 6 подключен управляющий вход входного каскада 2; третий выход блока управления 9 подключен ко входу устройства перестройки амплитудно-частотной характеристики ФВЧ 7, выход устройства перестройки амплитудно-частотной характеристики ФВЧ 7 подключен к управляющему входу ФВЧ 4; четвертый выход блока управления 9 подключен ко входу устройства перестройки амплитудно-частотной характеристики ФНЧ 8, выход устройства перестройки амплитудно- частотной характеристики ФНЧ 8 подключен к управляющему входу ФНЧ 5.

Входной каскад 2 - это сочетание двух операционных усилителей, обеспечивающее большой дифференциальный коэффициент усиления и единичный коэффициент усиления синфазных сигналов.

Устройство регулировки коэффициента усиления 6 представляет собой набор электронных ключей, коммутирующих резистивные элементы входного каскада 2, которые определяют коэффициент усиления.

Дифференциальный усилитель 3 выполнен на операционном усилителе по стандартной схеме.

ФВЧ 4 и ФНЧ 5 выполнены по стандартной схеме активных фильтров с пассивными частотозадающими элементами.

Устройство перестройки амплитудно-частотной характеристики ФВЧ 7 представляет собой набор электронных ключей, коммутирующих пассивные частотозадающие элементы ФВЧ 4.

Схема устройства перестройки амплитудно-частотной характеристики ФНЧ 8 аналогична приведенной выше для устройства перестройки амплитудно-частотной характеристики ФВЧ 7.

Блок управления 9 - это преобразователь последовательного цифрового кода в параллельный код и дешифратор цифровых кодов, вырабатываемых ЭВМ в зависимости от команд оператора кардиологического комплекса, в состав которого входит данный блок аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов.

Блок аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов работает следующим образом.

Входной сигнал, представляющий собой аддитивную смесь полезного сигнала и помехи, подается на вход электронного коммутатора 1. Нужный сигнал (ЭКГ или РКГ) определяется кодовой комбинацией на управляющем входе электронного коммутатора 1. С выхода коммутатора 1 сигнал поступает на входной каскад 2. Результат его работы представляет собой сигнал с существенно уменьшенной синфазной составляющей и используется для возбуждения схемы дифференциального усилителя 3, который включен с единичным усилением. Задача дифференциального усилителя 3 - получение однополюсного выходного сигнала и подавление остаточного синфазного сигнала. Настройка нуля для всей схемы сделана на одном из операционных усилителей входного каскада 2. Регулировка усиления входного каскада 2 и всего блока аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов осуществляется коммутацией резистивных цепей аналоговыми ключами в устройстве регулировки коэффициента усиления 6. Кодовая комбинация, поступающая в устройство регулировки коэффициента усиления 6 из блока управления 9, задает усиление по входному каскаду 2.

Полезная составляющая сигнала, выделенная в дифференциальном усилителе 3, подается на вход ФВЧ 4, где происходит отделение постоянной составляющей, дополнительное усиление и фильтрация сигнала. Устройство перестройки амплитудно- частотной характеристики ФВЧ 4 осуществляет настройку фильтра высокой частоты 4 на требуемую частоту среза: для работы в режиме велоэргометрии и при подаче успокоения частота среза составляет 1,2 Гц, в режиме обычного съема электрокардиограмм и реокардиограмм частота среза составляет 0,2 Гц. Настройка ФВЧ 4 производится перекоммутацией соответствующих частотозависимых элементов с помощью электронных ключей устройства перестройки амплитудно-частотной характеристики ФВЧ 7.

Верхняя граница амплитудно-частотной характеристики тракта обработки сигнала определяется режимом работы фильтра нижних частот 5 и составляет 100 Гц для электрокардиосигнала и 32 Гц для реокардиосигнала. Включение режима 32 Гц при приеме электрокардиосигнала позволяет осуществить антитреморную фильтрацию. Работа устройства перестройки амплитудно-частотной характеристики ФНЧ 8 идентична приведенной выше для устройства перестройки амплитудно-частотной характеристики ФВЧ 7.

Таким образом, описанный блок аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов исключает использование дублирующих друг друга компонентов тракта прохождения сигнала, что позволило увеличить отношение сигнала к шуму, уменьшить время перенастройки блока аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов с одного режима работы на другой, значительно улучшить массогабаритные показатели и уменьшить стоимость устройства.

Источники информации
1. Полиграфы электронные П4Ч-02, П6Ч-01, П6Ч-01. Техническое описание и инструкция по эксплуатации НПО РЭМА, Львов- 19, 1981 г. С. 8-28, 31-35, 42-51, приложения 6, 9, 12, 14.

2. Ливенсона А.Р. Электромедицинская аппаратура. М.: Медицина, 1981. С. 38-46.

Claims (1)

1. Блок аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов, содержащий последовательно соединенные входной каскад и дифференциальный усилитель, а также связанные между собой фильтр высокой частоты и фильтр низкой частоты, отличающийся тем, что в него введены электронный коммутатор входных сигналов, соединенный выходом со входным каскадом, устройство регулировки коэффициента усиления, связанное выходом со входным каскадом, устройство перестройки амплитудно-частотной характеристики фильтра высокой частоты и устройство перестройки амплитудно-частотной характеристики фильтра низкой частоты, подключенные выходами соответственно к фильтру высокой частоты и к фильтру низкой частоты, а также блок управления, соединенный с управляющим входом электронного коммутатора входных сигналов, со входами устройства регулировки коэффициента усиления, устройства перестройки амплитудно-частотной характеристики фильтра высокой частоты и устройства перестройки амплитудно-частотной характеристики фильтра низкой частоты, при этом дифференциальный усилитель подключен к фильтру высокой частоты.