RU2302197C1 - Способ выделения начала кардиоцикла в реальном времени и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано для измерения длительности кардиоцикла, сегментации сигнала, а также в методиках анализа вариабельности сердечного цикла. Способ заключается в том, что электрокардиосигнал фильтруют, дискретизируют по времени, формируют пороговые уровни и осуществляют сравнение значения каждого дискретного отсчета электрокардиосигнала (ЭКС) с этими уровнями. Для формирования пороговых уровней вводят временное окно шириной несколько больше длительности ST-сегмента. Это окно перемещают по оси времени с шагом, равным одному интервалу дискретизации. На каждом шаге дискретизации по времени добавляют очередной сформированный отсчет мощности и вновь определяют суммарную мощность новой совокупности n отсчетов. Сравнивают полученный результат с предыдущим и запоминают минимальное значение и определяют среднеквадратическое отклонение (СКО). Повторяют данные операции Q раз, где Q≥20, запоминают совокупность Q значений СКО и определяют среднее значение СКО_СР. Формируют пороговые уровни, равные +М СКО_СР и -М СКО_СР, где М≥3. Далее на каждом кардиоцикле добавляют очередное значение СКО, из новой совокупности Q значений СКО определяют новое СКО_СР и формируют новые пороговые уровни. Приведено выполнение устройства для выделения начала кардиоцикла в реальном времени. Изобретение позволяет повысить надежность выделения начала кардиоцикла в условиях воздействия на ЭКС шумов и независимо от возможных отклонений от нормы параметров QRS-комплекса (формы, амплитуды, длительности). 2 н.п. ф-лы, 11 ил.

Description

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано для измерения длительности кардиоцикла (КЦ), сегментации сигнала, а также в методиках анализа вариабельности сердечного цикла. Способ, реализованный в устройстве, обеспечивает повышение достоверности определения начала кардиоцикла.

В системах автоматической оценки параметров электрокардиосигнала (ЭКС), в частности в устройствах холтеровского мониторирования, одной из основных задач является оценка степени вариабельности сердечного цикла, т.е. выявление наличия аритмий, которые являются диагностическим показателем нарушений деятельности сердечно-сосудистой системы, в частности нарушение проводимости прохождения импульсов возбуждения водителя ритма. При этом необходимым условием проведения диагностики является достоверное определение начала кардиоцикла.

Известен способ, реализованный в устройстве [1], заключающийся в том, что выделяют R-зубец, по амплитуде которого формируют пороговый уровень для ЭКС. Момент пересечения кардиосигнала с пороговым уровнем принимается за начало очередного кардиоцикла.

Недостатками данного способа являются:

1. В ряде случаев амплитуда зубца R QRS комплекса может быть сравнима с амплитудой зубца Т (это выявлено в первом стандартном отведении даже у пациентов с нормальной электрокардиограммой), что затрудняет надежное выделение QRS комплекса.

2. В ЭКС с расщепленным зубцом R надежность выделения начала кардиоцикла снижается.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ выделения начала кардиоцикла [2], заключающийся в том, что сигнал усиливают, фильтруют, дискретизируют. После дискретизации ЭКС его дискретные отсчеты сравнивают с двумя пороговыми уровнями. Один уровень устанавливают выше нулевой линии на половину значения амплитуды Р зубца, а другой - ниже нулевой линии на то же значение. Если амплитуда очередного отсчета оказывается между пороговыми уровнями, то начинают счет числа таких отсчетов. При достижении в результате счета заданного числа n принимают за начало очередного кардиоцикла положение на оси времени последнего из сосчитанных, то есть n-го дискретного отсчета. Если же амплитуда очередного дискретного отсчета ЭКС выйдет за пороговые уровни раньше, чем при счете достигнуто число n, то счет начинают заново.

Недостатком данного способа является следующее. Использование постоянного значения порогового уровня, равного половине амплитуды Р зубца, снижает надежность выделения начала кардиоцикла при высоком уровне шумов и низкой амплитуде Р зубца. При превышении шумом порогового уровня счет отсчетов ЭКС начнется заново преждевременно, и очередная опорная точка будет пропущена.

Предлагаемый способ определения начала КЦ позволяет устранить указанный недостаток прототипа.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Определяют мощность каждого из следующих друг за другом n отсчетов и запоминают полученные значения, суммируют мощности этих n отсчетов, полученную суммарную мощность запоминают, далее на каждом шаге дискретизации по времени добавляют очередной сформированный отсчет и исключают первый из числа запомненных n отсчетов, вновь определяют суммарную мощность новой совокупности n отсчетов, сравнивают полученный результат с предыдущим, запоминают минимальное значение и определяют среднеквадратическое отклонение (СКО), повторяют данные операции Q раз, где Q≥20, запоминают совокупность Q значений СКО и определяют среднее значение СКО_СР, формируют пороговые уровни, равные +(М·СКО_СР) и -(М·СКО_СР), где М≥3, далее на каждом кардиоцикле добавляют очередное значение СКО, из новой совокупности Q значений СКО определяют новое СКО_СР и формируют новые пороговые уровни.

Задать величину пороговых уровней можно на основе определения энергии ЭКС во временном окне при его движении. На ЭКС можно выделить три области, лежащие на изолинии: сегменты PQ, ST и ТР. Сравнение длительностей указанных отрезков показывает, что в спокойном состоянии пациента длительность отрезка ТР существенно превышает длительности сегментов PQ и ST, а ST больше ТР. Сегмент ТР характеризует электрическую диастолу сердца и в идеале должен лежать на изолинии. Однако присутствие шумов в ЭКС приводит к тому, что отсчеты, взятые на ТР-сегменте, будут отличны от нуля.

Берут n соседних отсчетов ЭКС, следующих с периодом дискретизации. Интервал времени, занимаемый на оси времени этими отсчетами, образует временное окно (ВО). Ширина этого окна берется несколько больше длительности ST-сегмента (например, на 3-5 интервалов дискретизации). Перемещают ВО по оси времени с шагом, равным одному интервалу дискретизации.

Принцип движения временного окна можно показать, используя фиг.1. Запоминаются n отсчетов электрокардиосигнала. На следующем шаге, т.е. с приходом очередного сформированного отсчета, этот отсчет добавляется, а первый отсчет электрокардиосигнала, находящийся во временном окне, отбрасывается. При этом номера отсчетов уменьшаются на 1, т.е. новый отсчет становится n, (n-1)-й - (n-2)-м, ..., 2-й отсчет становится первым. Поступивший отсчет через n-1 шаг становится первым, а на следующем шаге удаляется из временного окна.

При этом на каждом шаге определяют суммарную мощность Р n отсчетов ЭКС во временном окне

где n - число дискретных отсчетов ЭКС, попадающих в окно.

При расположении окна на сегменте ТР значение суммарной мощности минимально и характеризует мощность помехи, то есть дисперсию помехи. Учитывая, что флуктуационная помеха является случайной величиной с нормальным законом распределения амплитуд, можно выбрать пороговые уровни, с которыми сравниваются отсчеты ЭКС, равными 3-5 среднеквадратического отклонения шума σ₁. Однако, поскольку полученное СКО также является случайной величиной с нормальным законом распределения, то одиночное определение СКО и выбор на основании его пороговых уровней может привести к заниженному значению этих уровней и к пропуску опорных точек. Для повышения надежности выделения опорных точек пороговые уровни формируют, используя несколько (Q) значений СКО, определенных в соседних кардиоциклах. Пороговые уровни формируют, используя среднее значение СКО σ_ср:

Таким образом, пороговые уровни устанавливают равными ±Мσ_ср, где М≥3. Для практического применения достаточно М=3-5.

Например, при усреднении 20 циклов (Q=20) вероятность выхода отсчета шума за ±3σ_ср составит 0,0009, а за 5σ_ср - 0,000087.

Предложенный способ позволяет более достоверно, по сравнению с известным способом (прототипом), выделить начало КЦ для широкого класса электрокардиограмм с различными модификациями формы элементов в условиях действия шумов.

Сущность изобретения и возможный вариант реализации предложенного способа поясняются следующим графическим материалом:

фиг.1 - принцип движения временного окна;

фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего предложенный способ;

фиг.3 - вариант реализации первого блока 10 умножения;

фиг.4 - вариант реализации первого блока 11 суммирования;

фиг.5 - вариант реализации блока 12 формирования сигнала записи;

фиг.6 - вариант реализации блока 13 сравнения;

фиг.7 - вариант реализации блока 14 извлечения квадратного корня;

фиг.8 - вариант реализации второго блока 15 суммирования;

фиг.9 - вариант реализации второго блока 16 умножения;

фиг.10 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства в целом;

фиг.11 - временные диаграммы, поясняющие работу блоков 10-17.

Для достижения технического результата, заключающегося в повышении достоверности выделения начала кардиоцикла при действиях шумов и вариациях формы QRS-комплекса и реализации предложенного способа в устройство, содержащее фильтр, выход которого соединен с первым входом блока дискретизации, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход блока дискретизации соединен с первым входом первого компаратора и со вторым входом второго компаратора, выходы первого и второго компараторов соединены с первым и вторым входами первой схемы И, выход которой подключен к первому входу второй схемы И, и к входу установки нуля счетчика импульсов, второй вход второй схемы И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - со счетным входом счетчика импульсов, разрядные выходы которого подключены к соответствующим входам третьей схемы И, выход которой является выходом устройства, дополнительно введены два блока умножения, два блока суммирования, блок формирования сигнала записи, блок сравнения, блок извлечения квадратного корня, причем выход блока дискретизации соединен с входом первого блока умножения, выход которого соединен с первым входом первого блока суммирования, второй вход последнего соединен с выходом тактового генератора, выход первого блока суммирования соединен с входом блока формирования сигнала записи и первым входом блока сравнения, выход блока формирования сигнала записи соединен со вторым входом блока сравнения и первым входом второго блока суммирования, первый и второй выходы блока сравнения соединены с соответствующими входами блока извлечения квадратного корня, выход последнего соединен со вторым входом второго блока суммирования, первый и второй выходы последнего соединены с соответствующими входами второго блока умножения, первый выход которого соединен со вторым входом первого компаратора, а второй - с первым входом второго компаратора.

Устройство состоит (фиг.2) из фильтра 1, блока 2 дискретизации, тактового генератора 3, компараторов 4, 5, схем И 6, 7, 9, счетчика 8, блоков 10, 16 умножения, блоков 11, 15 суммирования, блок 12 формирования сигнала записи, блока 13 сравнения, блока 14 извлечения квадратного корня.

На вход фильтра 1, являющегося входом устройства, поступает электрокардиосигнал. Выход фильтра 1 соединен с информационным входом блока 2 дискретизации, вход управления которого подключен к выходу тактового генератора 3, информационный выход блока 2 дискретизации соединен с первым входом первого компаратора 4 и со вторым входом второго компаратора 5, ко второму входу первого компаратора 4 подключен первый выход второго блока 16 умножения, а к первому входу второго компаратора 5 подключен второй выход второго блока 16 умножения, выход первого компаратора 4 соединен с первым входом первой схемы И 6, а выход второго компаратора 5 - со вторым входом этой схемы, выход первой схемы И 6 подключен к первому входу второй схемы И 7 и к входу "Установка нуля" (R) счетчика 8, второй вход схемы И 7 соединен с выходом тактового генератора 3, выход схемы И 7 соединен с входом "Счет" (С) счетчика 8, разрядные выходы счетчика 8 подключены к соответствующим входам третьей схемы И 9, выход которой является выходом устройства. Информационный выход блока 2 дискретизации соединен с входом первого блока 10 умножения, выход которого соединен с первым входом первого блока 11 суммирования, второй вход последнего соединен с выходом тактового генератора 3. Выход первого блока 11 суммирования соединен с входом блока 12 формирования сигнала записи и первым входом блока 13 сравнения, выход блока 12 формирования сигнала записи соединен со вторым входом блока 13 сравнения и первым входом второго блока 15 суммирования, первый и второй выходы блока 13 сравнения соединены с соответствующими входами блока 14 извлечения квадратного корня, выход последнего соединен со вторым входом второго блока 15 суммирования, первый и второй выходы последнего соединены с соответствующими входами второго блока 16 умножения.

Реализовать данное устройство можно как в аналоговой, так и в цифровой форме. В качестве примера приведем реализацию блоков 11-15 в цифровой форме, 10 и 16 - в комбинированной, остальные - в аналоговой.

Первый блок 10 умножения может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.3. Он содержит схему 17 АЦП и схему 18 цифрового умножения. Вход "Входные данные" (DI) АЦП является входом блока 10. Выход "Выходные данные" (DO) схемы 17 соединен с первым (А) и вторым (В) входами схемы 18 цифрового умножения, выход (Q) которого является выходом рассматриваемого блока.

Первый блок 11 суммирования может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.4. Он содержит буфер 19 и схему 20 суммирования, соединенные последовательно, т.е. выход "Выходные данные" (DO) схемы 19 подключен к входу "Данные" (А) схемы 20. Первый вход блока 11 является входом "Входные данные" (DI) буфера 19. Вторым входом рассматриваемого блока является вход "Счет" (С) схемы 19. Выход (S) схемы 20 является выходом первого блока 11 суммирования.

Блок 12 формирования сигнала записи может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.5. Он содержит формирователь порогового (постоянного) уровня 21 и компаратор 22. Выход схемы 21 подключен ко второму (В) входу схемы 22. Вход блока 12 является первым входом компаратора 21. Выход (>) схемы 21 является выходом данного блока.

Блок 13 сравнения может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.6. Он содержит схему ИЛИ 23, регистр 24 и компаратор 25. Блок имеет два входа и два выхода. Первый вход блока 13 является вторым входом (В) компаратора 25 и входом "Данные" (D) регистра 24. Второй вход блока 13 является первым входом схемы ИЛИ 23, второй вход этой схемы соединен с выходом (>) схемы 25, который является первым (управляющим) выходом всего блока. Выход этой схемы соединен с входом "Счет" (С) схемы 24, выход (Q) которой соединен с первым входом (А) компаратора 25 и является вторым (информационным) выходом блока 13 сравнения.

Блок 14 извлечения квадратного корня может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.7. Он содержит регистр 26, умножитель 27 и компаратор 28. Блок имеет два входа. Первый (управляющий) вход блока 14 является входом "Счет" (С) регистра 26, а второй - вторым входом (В) компаратора 28. Вход "Данные" (D) регистра 26 соединен с выходом (>) схемы 28. Выход (Q) схемы 26 соединен с первым (А) и вторым (В) входами умножителя 27 и является выходом блока 14. Выход (Q) схемы 27 соединен с первым входом (А) компаратора 28.

Второй блок 15 суммирования может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.8. Данная схема аналогична схеме первого блока 11 суммирования мощностей n отсчетов с той лишь разницей, что в нее добавлен второй выход, являющийся выходом "Буфер полон" (О) буфера 29.

Второй блок 16 умножения может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.9. Он содержит источник опорного напряжения (ИОН) 31, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 32 и инвертор 33. Первым входом блока 16 является вход "Входные данные" (DI) ЦАП 32, вторым - вход "Разрешение" (Е) этой схемы. Выход ИОН 31 соединен с входом "Опорное напряжение" (I) ЦАП 32. Выход "Выходные данные" (DO) цифроаналогового преобразователя 32 является первым выходом блока 16 и соединен с входом инвертора 33. Выход схемы 33 является вторым выходом блока 16.

Устройство работает следующим образом. Фильтр 1 предварительной обработки электрокардиосигнала производит получение сигнала с тела пациента, выполняет обычные операции: усиливает ЭКС, освобождает его от действия различных помех. Очищенный от действия помех ЭКС поступает на информационный вход блока 2 дискретизации, где под действием импульсных сигналов, имеющих период повторения, равный периоду дискретизации, и поступающих с выхода генератора 3 тактовых импульсов (сигналы ГТИ на фиг.10, а), преобразуется в совокупность дискретных (цифровых) отсчетов сигнала, следующих с периодом дискретизации Δt (сигналы "Отсчеты ЭКС" на фиг.10, б).

С выхода блока дискретизации отсчеты ЭКС (фиг.10, б) поступают на вход первого блока 10 умножения, являющегося узлом возведения в квадрат отсчета ЭКС. На выходе данного блока получается мощность отсчета ЭКС (фиг.11, а). С выхода блока 10 сигнал поступает на первый вход первого блока 11 суммирования. Здесь под действием импульсов тактового генератора 3 происходит запоминание квадратов n дискретных отсчетов ЭКС, их суммирование, а также на каждом шаге дискретизации исключение из числа запомненных отсчетов первого отсчета, добавление очередного сформированного и формирование новой суммы, которая является выходом блока 11. Эта сумма (фиг.11, б) поступает на вход блока 12 формирования сигнала записи и первый вход блока сравнения 13. Блок 12 формирования сигнала записи предназначен для выделения начала очередного цикла определения минимальной мощности. Изменение сигнала низкого уровня на высокий на выходе блока 12 (фиг.11, в) приводит к установке блока 13 сравнения в начальное состояние, которое заключается в записи в память данного блока значения суммарной мощности n отсчетов, предшествующей моментам времени t_i, и запоминанию выходного значения блока 14 извлечения квадратного корня во втором блоке 15 суммирования. Далее блок 13 сравнения на каждом шаге дискретизации сравнивает новое текущее значение суммарной мощности n отсчетов с некоторым значением, являющимся на данный момент минимальным. В случае если это текущее значение будет меньше значения, хранящегося в памяти блока 13 сравнения, то происходит его запись в память данного блока. В противном случае оставляется предыдущее значение. Таким образом, происходит определение минимальной суммарной мощности n отсчетов, которая формируется на втором (информационном) выходе блока 13 (фиг.11, г). На первом (управляющем) выходе блока 13 сравнения формируются импульсы, которые определяют момент появления нового значения минимальной суммарной мощности n отсчетов на выходе (фиг.11, д). Эти импульсы поступают на первый вход блока 14 извлечения квадратного корня и служат для его запуска. Квадратный корень извлекается из значения, поступающего на второй вход этого блока. Полученное значение с выхода блока 14 (фиг.11, е) поступает на второй вход второго блока 15 суммирования, где под действием изменения логического сигнала на первом входе запоминаются Q таких значений, и определяется их сумма. Далее при каждом таком изменении исключается из числа запомненных значений первое и добавляется очередное сформированное, вновь определяется сумма новой совокупности Q значений, которая формируется на первом (информационном) выходе блока 15 (фиг.11, ж). На втором (управляющем) выходе формируется логический сигнал, который имеет низкое значение до момента первого вычисления суммы Q значений квадратного корня из суммарной мощности n отсчетов и высокое - после такого вычисления (фиг.11, з). Этот логический сигнал поступает на второй (управляющий) вход второго блока 16 умножения и служит для управления его работой. Низкое значение запрещает работу блока 16, и на его выходах формируются нулевые значения сигнала. Когда на втором (управляющем) входе появляется высокое значение, на первом выходе формируется значение сигнала (значение первого порогового уровня), равное произведению значения сигнала на первом (информационном) входе блока 16 на некоторый коэффициент (фиг.11, и). Сигнал на втором выходе второго блока 16 умножения (значение второго порогового уровня) отличается от сигнала на первом выходе только знаком (фиг.11, к).

Компараторы 4 и 5 сравнивают амплитуды каждого отсчета соответственно с положительным пороговым уровнем и отрицательным пороговым уровнем (уровни +Δ и -Δ на фиг.10, б), поступающие со второго блока 17 умножения. Если амплитуды отсчетов не выходят за пороговые уровни, на выходах компараторов устанавливаются сигналы высокого уровня, в противном случае - сигналы низкого уровня. Схема И 6 является для сигналов низкого уровня схемой ИЛИ, поэтому сигнал низкого уровня появляется на выходе схемы И 6 каждый раз, когда амплитуды отсчетов ЭКС превышают пороговые уровни (сигнал "Уст. О" на фиг.10, в). Этот сигнал поступает на вход "Установка нуля" (R) счетчика 8 и устанавливает последний в начальное нулевое состояние всякий раз, когда амплитуды дискретных отсчетов превысят пороговые уровни. Когда же амплитуды дискретных отсчетов ниже пороговых уровней, на выходе схемы И 6 присутствует сигнал высокого уровня, который поступает на первый вход схемы И 7 и разрешает прохождение на ее выход тактовых импульсов с выхода генератора 3 тактовых импульсов (сигналы "Счет" на фиг.10, г). Импульсы, прошедшие через схему И 7 на вход "Счет" (С), считаются счетчиком 8. Соответствующие разрядные выходы счетчика 8 подключены к входам схемы И 9. На фиг.10, д в качестве примера приведены выходные сигналы четырехразрядного двоичного счетчика (сигналы "Выходы счетчика"). Входы схемы И 9 соединены с выходами счетчика 8 таким образом, чтобы сигнал на выходе этой схемы появлялся только в тот момент времени, когда счетчик сосчитает определенное заданное число n импульсов (в примере на фиг.10, е это число равно 8). Начало импульса на выходе схемы И 9 принимается за начало очередного кардиоцикла.

Ниже приведено более подробное описание работы некоторых блоков устройства.

Необходимо определиться с выбором разрядности цифрового сигнала в данном устройстве. Основываясь на принципе, описанном в [3], разрядность схемы можно выбрать равную 12.

Сигнал, аналоговый по амплитуде и дискретный по времени, поступает на вход блока 10. В этом блоке он с помощью АЦП 17 (например, микросхемы К1108ПВ2) преобразуется в цифровой сигнал, а затем поступает на оба входа схемы 18 цифрового умножения, выполненной, например, на микросхемах К561ИП5. Таким образом, на выходе этой схемы, являющейся выходом блока 10, формируется квадрат сигнала.

Буфер 19 первого блока 11 суммирования мощностей n отсчетов может быть выполнен путем соединения схем сдвигающих регистров (например, К561ИР6), число которых равно разрядности сигнала. Каждый разряд входного сигнала блока 11 является входом соответствующего регистра сдвига, а входы "Счет" (С) каждой схемы соединены между собой. Импульсы тактового генератора 3, поступающие на второй вход блока 11, являющийся входом "Счет" (С) буфера 19, определяют момент времени для записи отсчетов мощности ЭКС в этот буфер. Схема 20 суммирования может быть выполнена на основе микросхем, например, К561ИМ1, соединенных с выходами сдвигающих регистров соответствующим образом. Таким образом, на выходе блока 11 на каждом шаге дискретизации формируется суммарная мощность последних n отсчетов U_i.

Суммарная мощность n отсчетов ЭКС с выхода блока 11 поступает на первый вход блока 12 формирования сигнала записи, являющегося первым входом компаратора 22 (например, микросхема К561ИП2), который сравнивает данную величину с пороговым (постоянным) уровнем, задаваемым схемой 21 (матрица 0 и 1). Этот уровень выбирается на основании статистических данных и принимается равным 3/4 энергии QRS комплекса. В случае если текущая суммарная мощность n отсчетов ЭКС больше величины порогового уровня, то на выходе (>) схемы 22, являющегося выходом данного блока, устанавливается высокий логический уровень.

Суммарная мощность n отсчетов ЭКС с выхода блока 11 поступает на первый вход блока 13, являющегося вторым входом (В) компаратора 25 (например, микросхема К561ИП2) и входом "Данные" (D) регистра 24 (например, микросхема К1561ИР14). В этом регистре хранится некоторое значение, которое на данный момент считается минимальным. Начальное минимальное значение записывается в регистр 24 в момент перехода низкого логического сигнала в высокий, на выходе блока 12 (втором входе блока 13) формируется сигнал, который, проходя через схему ИЛИ 23 (например, микросхема К1564ЛЛ1), разрешает запись в регистр 24 выходного сигнала блока 11. Далее на каждом шаге дискретизации компаратор 25 сравнивает текущую суммарную мощность n отсчетов ЭКС, поступающей с блока 11, со значением, хранящимся в регистре 24. В случае если текущее значение мощности меньше значения, хранимого в регистре, то на выходе (>) компаратора 25 происходит переход логического сигнала низкого уровня в высокий, который, поступая на схему ИЛИ 23 и проходя через нее, разрешает запись в регистр 24 нового значения, которое считается минимальным (второй выход блока 13). Поскольку после записи на двух входах компаратора 25 присутствуют два одинаковых значения, то на его выходе (на первом выходе блока 13) происходит переход сигнала высокого уровня в низкий.

Блок 14 извлечения квадратного корня работает следующим образом. Он содержит специальный регистр 26 (такой как, например, микросхема КР564ИР13В), предназначенный для построения аналого-цифровых преобразователей, работающих по принципу последовательного приближения. После того как на первый (управляющий) вход, т.е. на вход "Счет" (С) регистра 26, поступит спад импульса, регистр 26 установится в начальное состояние 011...1. Это значение после возведения в квадрат схемой 27 (выполненной, например, на микросхеме К561ИП5) поступит на компаратор 28 (например, микросхема К561ИП2), который сравнит полученное значение со значением на втором (информационном) входе блока 14. Если этот код будет меньше чем код на выходе умножителя 27, то на выходе (>) компаратора 28 появится высокий уровень, который, поступив на вход "Данные" (D) регистра 26, приведет к появлению на его выходе (Q) кода 101...1, т.е. выходной код регистра 26 уменьшится на 1. Далее блок 14 будет повторять описанный выше цикл работы до тех пор, пока на выходе регистра 26 не появится код, квадрат которого будет равен значению на втором входе блока 14, т.е. пока на выходе компаратора 28 не появится логический сигнал низкого уровня. Выходной код регистра 26 будет являться квадратным корнем из минимального значения суммарной мощности n отсчетов.

Второй блок 15 суммирования строится и работает аналогично первому блоку 11 суммирования n отсчетов. Однако емкость сдвигающих регистров должна быть равна Q. Кроме того, используется выход "Регистр полон" (О) любого регистра сдвига, который является вторым выходом блока 15. Низкий логический сигнал на этом выходе показывает, что буфер заполнен не полностью. Высокий логический уровень показывает, что на первом выходе блока 15 сформирована сумма Q значений.

Второй блок 16 умножения работает следующим образом. На его первый (информационный) вход, являющийся входом "Входные данные" (DI) ЦАП 32 (например, микросхема 427ПА2), поступает цифровой сигнал. Если на втором (управляющем) входе, являющимся входом "Разрешение" (Е) схемы 32, присутствует логический сигнал высокого уровня, то ЦАП 32 преобразует входной цифровой сигнал в выходной аналоговый. ИОН 31 задает опорное напряжение для ЦАП 32. Его величина должна быть такой, чтобы преобразование ЦАП 32 цифрового сигнала в аналоговый осуществлялось с коэффициентом k, равным

Этот коэффициент вводится в данный блок, для того чтобы в первом и втором блоках 11 и 15 суммирования и втором блоке 16 умножения не использовать умножение отсчетов сигналов на 1/n, 1/Q и М соответственно. ИОН может быть реализован, например, на делителе R34-R35. В этом случае его величина U_цап связана с соотношением между величинами резисторов как

где Е_пит - величина источника питания блока 16 умножения.

Таким образом, на выходе "Выходные данные" (DO) цифроаналогового преобразователя 32 формируется первый (положительный) пороговый уровень. Второй (отрицательный) пороговый уровень формируется путем инвертирования выходного сигнала ЦАП 32 схемой 33 (например, микросхемой К174УН19). Логический сигнал низкого уровня на втором (управляющем) входе блока 16 запрещает работу ЦАП 31, в результате чего на первом и втором выходах данного блока формируются нулевые значения.

Технико-экономический эффект предложенного способа и устройства для его осуществления заключается в повышении надежности выделения в реальном времени начала кардиоцикла в условиях воздействия на ЭКС шумов и независимо от возможных отклонений от нормы параметров QRS-комплекса (формы, амплитуды, длительности). Надежное выделение начала кардиоцикла способствует улучшению условий его дальнейшей обработки (определения его длительности, начала и окончания элементов, анализ вариабельности ритма и т.п.), что в свою очередь обеспечивает более качественное диагностирование возможных заболеваний сердечно-сосудистой системы человека.

Литература

1. 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.194-204.

2. Патент РФ 2195164, А61В 5/02. Способ выделения начала кардиоцикла и устройство для его осуществления. / А.А.Михеев // БИ 2002, №36.

3. Михеев А.А. О соотношении разрядности аналого-цифрового преобразователя и частоты дискретизации при выделении начала зубца Р электрокардиосигнала // Медицинская техника, 2004. №6. с.10-13.

4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 2000, с.89. Фиг.2.33.

5. Перельман Б.Л., Шевелев В.И. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги. Справочник, «НТЦ Микротех», 1998 г. - 376 с.

Claims (2)

1. Способ выделения начала кардиоцикла в реальном времени, заключающийся в том, что электрокардиосигнал фильтруют, дискретизируют по времени, формируют пороговые уровни и осуществляют сравнение значения каждого дискретного отсчета электрокардиосигнала с этими уровнями, подсчитывают число поочередно взятых отсчетов, находящихся между пороговыми уровнями, причем в случае достижения в результате подсчета заданного числа n принимают за начало очередного кардиоцикла положение n-го дискретного отсчета электрокардиосигнала на оси времени, а в случае выхода значений дискретных отсчетов за пороговые уровни раньше, чем достигнуто при подсчете заданное число n, подсчет начинают снова с нуля, отличающийся тем, что определяют мощность каждого из следующих друг за другом n отсчетов и запоминают полученные значения, суммируют мощности этих n отсчетов, полученную суммарную мощность запоминают, далее на каждом шаге дискретизации по времени добавляют очередной сформированный отсчет и исключают первый из числа запомненных n отсчетов, вновь определяют суммарную мощность новой совокупности n отсчетов, сравнивают полученный результат с предыдущим, запоминают минимальное значение и определяют среднеквадратическое отклонение (СКО), повторяют данные операции Q раз, где Q≥20, запоминают совокупность Q значений СКО и определяют среднее значение СКО_СР, формируют пороговые уровни равные +(М·СКО_СР) и -(М·СКО_СР), где М≥3, далее на каждом кардиоцикле добавляют очередное значение СКО, из новой совокупности Q значений СКО определяют новое СКО_СР и формируют новые пороговые уровни.

2. Устройство для выделения начала кардиоцикла в реальном времени, содержащее фильтр, выход которого соединен с первым входом блока дискретизации, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход блока дискретизации соединен с первым входом первого компаратора и со вторым входом второго компаратора, выходы первого и второго компараторов соединены с первым и вторым входами первой схемы И, выход которой подключен к первому входу второй схемы И, и к входу установки нуля счетчика импульсов, второй вход второй схемы И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - со счетным входом счетчика импульсов, разрядные выходы которого подключены к соответствующим входам третьей схемы И, выход которой является выходом устройства, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены два блока умножения, два блока суммирования, блок формирования сигнала записи, блок сравнения, блок извлечения квадратного корня, причем выход блока дискретизации соединен с входом первого блока умножения, выход которого соединен с первым входом первого блока суммирования, второй вход последнего соединен с выходом тактового генератора, выход первого блока суммирования соединен с входом блока формирования сигнала записи и первым входом блока сравнения, выход блока формирования сигнала записи соединен со вторым входом блока сравнения и первым входом второго блока суммирования, первый и второй выходы блока сравнения соединены с соответствующими входами блока извлечения квадратного корня, выход последнего соединен со вторым входом второго блока суммирования, первый и второй выходы последнего соединены с соответствующими входами второго блока умножения, первый выход которого соединен со вторым входом первого компаратора, а второй - с первым входом второго компаратора.

Images