RU2723222C1 - Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией - Google Patents

Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией Download PDF

Info

Publication number
RU2723222C1
RU2723222C1 RU2019136882A RU2019136882A RU2723222C1 RU 2723222 C1 RU2723222 C1 RU 2723222C1 RU 2019136882 A RU2019136882 A RU 2019136882A RU 2019136882 A RU2019136882 A RU 2019136882A RU 2723222 C1 RU2723222 C1 RU 2723222C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
digital
hpf
analogue
signal processing
analog
Prior art date
Application number
RU2019136882A
Other languages
English (en)
Inventor
Евгений Владимирович Круглов
Original Assignee
Евгений Владимирович Круглов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Евгений Владимирович Круглов filed Critical Евгений Владимирович Круглов
Priority to RU2019136882A priority Critical patent/RU2723222C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2723222C1 publication Critical patent/RU2723222C1/ru

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/30—Input circuits therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M3/00—Conversion of analogue values to or from differential modulation

Abstract

Изобретение относится к медицинской технике. Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией содержит для каждого канала фильтр верхних частот (ФВЧ), по меньшей мере один внешний или встроенный в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) усилитель сигнала, внешний или встроенный в микроконтроллер АЦП, цифровой фильтр нижних частот, цифровой режекторный фильтр. Обработка сигнала начинается с фильтрации верхних частот. Цепь обработки сигнала для каждого канала содержит ФВЧ, который разделен на аналоговую и цифровую части. Аналоговая часть ФВЧ имеет порядок, равный единице, и служит для исключения постоянной составляющей из спектра оцифровываемого сигнала. Цифровая часть ФВЧ рассчитана с учетом необходимости компенсации искажений, вносимых аналоговой частью ФВЧ. Достигается упрощение конструкции и уменьшение габаритов, снижение степени влияния разброса параметров электронных компонентов на аналоговый сигнал и, как следствие, повышение технологичности, снижение степени влияния шумов на результат обработки сигнала и, как следствие, снижение требований к источнику питания устройства и усилителям при сохранении высокого качества обработки сигнала. 2 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии и может быть использовано для обработки электрокардиосигнала в целях контроля и диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека в медицинской, спортивной практике, а также в произвольных условиях жизнедеятельности человека.
Уровень техники
Государственные стандарты Российской Федерации (в частности, но не ограничиваясь ГОСТ Р МЭК 60601-2-25-2016, ГОСТ Р МЭК 60601-2-47-2017) предъявляют требования к выходной амплитуде ЭКГ в полосе частот полезного сигнала. Сигналы вне этой полосы частот, а также помехи на частоте сети подавляются фильтрами. В общем случае электрокардиографы содержат следующие фильтры:
- фильтр верхних частот (ФВЧ);
- фильтр нижних частот (ФНЧ);
- узкополосный режекторный фильтр (РФ) для подавления помехи на частоте сети.
Блоки обработки сигналов современных цифровых электрокардиографов можно условно разделить на две группы в зависимости от преобладающего типа фильтрации сигналов:
1) исполнение с аналоговой обработкой сигналов и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) низкой разрядности;
2) исполнение с цифровой обработкой сигналов и АЦП высокой разрядности.
В электрокардиографах с аналоговой обработкой сигналов фильтрация сигнала осуществляется при помощи фильтров на аналоговых электронных компонентах. В качестве подобного устройства известен блок аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов (патент №2149581. Блок аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов / Якунин А.Г., Тушев А.Н., Эндека М.Е. // 27.05.2000 [РИ]), который содержит входной каскад, дифференциальный усилитель, фильтры высокой и низкой частоты, выполненные по стандартной схеме активных фильтров с пассивными частотозадающими элементами.
Поскольку стандартами установлены требования к выходной амплитуде ЭКГ, аналоговые фильтры должны обладать соответствующей амплитудно-частотной характеристикой, что требует использования фильтров высокого порядка, как минимум второго, причем для сохранения качества сигнала целесообразно в схемах с аналоговыми фильтрами использовать активные фильтры.
Соответственно, недостатком подобных устройств являются сложность аналоговых цепей устройства, габариты, а также разброс параметров электронных компонентов, влекущий за собой необходимость в настройке устройства, которая снижает технологичность его производства.
Для осуществления фильтрации при цифровом способе обработки сигнала применяются АЦП высокой разрядности, чтобы на фоне постоянной составляющей полезный сигнал ЭКГ имел достаточное для дальнейшей обработки разрешение. Уровень постоянной составляющей, которая оцифровывается вместе с полезным сигналом, существенно превышает размах полезного сигнала, таким образом применять усилители с высоким коэффициентом усиления невозможно. Поэтому для сохранения разрешения полезного сигнала ЭКГ повышают разрядность АЦП.
Примером такого устройства может служить радиоканальная система кардиомониторинга и предупреждения критических ситуаций (патент №2646128 (RU). Радиоканальная система кардиомониторинга и предупреждения критических ситуаций / Бондарик А.Н., Давыдов Д.В., Егоров А.И., Терещенко В.В., Кадников А.Ф., Харченко Г.А. // 16.10.2017 [РИ]), содержащая модуль ЭКГ с использованием специализированного АЦП ADS1293. Помимо собственно измерений и сопутствующего анализа, он осуществляет дополнительную цифровую фильтрацию ЭКГ.
Указанный специализированный АЦП ADS1293 согласно документации производителя (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads1293.pdf) производит оцифровку кардиосигнала с разрешением 24 разряда. Дальнейшая обработка сигнала осуществляется цифровыми методами.
Недостатком таких устройств является необходимость применения АЦП высокой разрядности, которая влечет за собой увеличение габаритов устройства за счет размещения в нем отдельной микросхемы АЦП, а также высокие требования к источнику питания и предусилителям сигнала по уровню шумов.
Существуют также устройства, содержащие в своем составе и аналоговые фильтры, и цифровые.
Примером такого устройства является усилитель биопотенциалов с диагностированием обрыва электродов (патент №174958 (RU). Усилитель биопотенциалов с диагностированием обрыва электродов / Давыдов Д.В., Егоров А.И., Филимонов П.В. // 13.11.2017 [ПМ]), выбранный в качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения, содержащий в своем составе аналоговые фильтры нижних частот, а основную фильтрацию сигнала осуществляющий в цифровом виде после оцифровки сигнала при помощи 24-разрядного АЦП.
Однако в этом устройстве фильтры реализуются либо полностью в цифровом, либо полностью в аналоговом виде. Также поскольку в данном решении также применяется АЦП высокой разрядности, то его недостатками по-прежнему остаются увеличение габаритов устройства за счет размещения в нем отдельной микросхемы АЦП, а также высокие требования к источнику питания и предусилителям сигнала по уровню шумов.
Раскрытие изобретения:
Технический результат предложенного изобретения состоит в упрощении конструкции и уменьшении габаритов, снижении степени влияния разброса параметров электронных компонентов на аналоговый сигнал и, как следствие, повышении технологичности, снижении степени влияния шумов на результат обработки сигнала и, как следствие, снижении требований к источнику питания устройства и усилителям при сохранении высокого качества обработки сигнала.
Указанный технический результат достигается за счет того, что обработка сигнала начинается с фильтрации верхних частот и цепь обработки сигнала для каждого канала содержит фильтр верхних частот (ФВЧ), который разделен на аналоговую и цифровую части, при этом аналоговая часть ФВЧ имеет порядок равный единице и служит для исключения постоянной составляющей из спектра сигнала, а цифровая часть ФВЧ рассчитана с учетом необходимости компенсации искажений, вносимых аналоговой частью ФВЧ.
Применение цифровой части ФВЧ с компенсацией искажений позволяет отказаться от аналоговых фильтров высокого (второго и более) порядка, которые обладают достаточно крутой амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), но имеют существенные габаритные размеры, а пассивные компоненты аналоговых фильтров имеют разброс, что вызывает необходимость в настройке блока обработки сигналов и снижает технологичность производства. Исключение постоянной составляющей из спектра аналогового сигнала в каждом канале аналоговой частью ФВЧ позволяет усиливать перед оцифровкой исключительно полезный сигнал и использовать внешний или встроенный в микроконтроллер АЦП более низкой разрядности с максимальной эффективностью и без потери качества оцифрованного сигнала, что позволяет упростить аналоговые цепи, заменив в каждом канале аналоговые фильтр нижних частот (ФНЧ) и режекторный фильтр (РФ) цифровыми. Отсутствие АЦП высокой разрядности позволяет снизить требования по уровню шумов, во-первых, к источнику питания, что позволяет упростить схему питания устройства, исключив из нее фильтры, и, во-вторых, к предусилителям сигнала, что позволяет применять менее точные операционные усилители, с низкими требованиями к дополнительным цепям компенсации шумов и термостабилизации, внешние или встроенные в АЦП. Наличие только одного аналогового фильтра - ФВЧ первого порядка позволяет в пределе снизить число электронных компонентов, разброс номинала которых влияет на эксплуатационные показатели всей схемы, до двух: конденсатор и резистор. Высокое качество обработки сигнала достигается за счет того, что цифровая часть ФВЧ рассчитывается таким образом, чтобы компенсировать искажения, вносимые аналоговой частью ФВЧ.
Краткое описание чертежей:
Фигура 1 - Схема устройств с разными преобладающими типами фильтрации сигналов
Фигура 2 - Амплитудно-частотные характеристики цифро-аналогового ФВЧ и его аналоговой и цифровой частей
Осуществление изобретения:
На фигуре 1 представлена структурная схема цепей обработки сигнала устройств с разными преобладающими типами фильтрации сигналов, не вдаваясь в принципы формирования линейно независимых каналов, а также в особенности их оцифровки. В этой структурной схеме показаны только различия в цепях обработки сигналов и не уточняется конкретная техническая реализация АЦП.
Исполнение устройства с аналоговой обработкой сигнала и АЦП низкой разрядности содержит в своем составе аналоговый ФВЧ 1.1, аналоговый ФНЧ 1.2, аналоговый РФ 1.3, АЦП низкой разрядности 1.4.
Исполнение устройства с цифровой обработкой сигнала и АЦП высокой разрядности содержит в своем составе АЦП высокой разрядности 2.1, цифровой ФВЧ 2.2, цифровой ФНЧ 2.3, цифровой РФ 2.4.
Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией является исполнением с разделенным ФВЧ и АЦП низкой разрядности и содержит в своем составе для каждого канала аналоговую часть разделенного ФВЧ 3.1, внешний или встроенный в АЦП усилитель сигнала 3.2, внешний или встроенный в микроконтроллер АЦП низкой разрядности 3.3, цифровую часть разделенного ФВЧ 3.4, цифровой ФНЧ 3.5, цифровой РФ 3.6. При этом обработка сигнала начинается с фильтрации верхних частот.
На фигуре 2 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) цифро-аналогового ФВЧ и его аналоговой и цифровой частей.
Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией работает следующим образом. АЧХ аналоговой части аналого-цифрового ФВЧ НА(f) является пологой, поскольку порядок данного аналогового фильтра равен единице. Цифровая часть ФВЧ рассчитана таким образом, чтобы ее АЧХ НЦ(f) была крутой и имела выброс на частоте среза fCP выше уровня коэффициента усиления КУ для компенсации пологой характеристика аналоговой части ФВЧ. Результирующая АЧХ аналого-цифрового ФВЧ НР(f) не имеет выброса, является достаточно крутой и отвечает требованиям к выходной амплитуде ЭКГ в полосе частот полезного сигнала.

Claims (1)

  1. Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией, содержащий для каждого канала фильтр верхних частот (ФВЧ), по меньшей мере один внешний или встроенный в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) усилитель сигнала, внешний или встроенный в микроконтроллер АЦП, цифровой фильтр нижних частот, цифровой режекторный фильтр, при этом обработка сигнала начинается с фильтрации верхних частот и цепь обработки сигнала для каждого канала содержит ФВЧ, который разделен на аналоговую и цифровую части, аналоговая часть ФВЧ имеет порядок, равный единице, и служит для исключения постоянной составляющей из спектра оцифровываемого сигнала, а цифровая часть ФВЧ рассчитана с учетом необходимости компенсации искажений, вносимых аналоговой частью ФВЧ.
RU2019136882A 2019-11-18 2019-11-18 Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией RU2723222C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019136882A RU2723222C1 (ru) 2019-11-18 2019-11-18 Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019136882A RU2723222C1 (ru) 2019-11-18 2019-11-18 Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2723222C1 true RU2723222C1 (ru) 2020-06-09

Family

ID=71067682

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019136882A RU2723222C1 (ru) 2019-11-18 2019-11-18 Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2723222C1 (ru)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5406955A (en) * 1993-03-12 1995-04-18 Hewlett-Packard Corporation ECG recorder and playback unit
JPH07171117A (ja) * 1993-10-15 1995-07-11 Hewlett Packard Co <Hp> Ｅｃｇパルス校正方法
DE69402477D1 (de) * 1993-07-16 1997-05-15 Siemens Elema Ab Vorrichtung zum Filtern von EKG-Signalen
WO2000041621A1 (en) * 1999-01-15 2000-07-20 Medtronic Physio-Control Manufacturing Corp. Electrocardiograph having large low frequency dynamic range
RU125833U1 (ru) * 2012-07-12 2013-03-20 Закрытое акционерное общество "МИКАРД-ЛАНА" Электрокардиограф
US20140230571A1 (en) * 2010-03-02 2014-08-21 Velocomp, LLC. Apparatus to measure the power expended in propelling a vessel on water
RU2552876C2 (ru) * 2013-10-22 2015-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Электрокардиограф для неинвазивной регистрации микропотенциалов на электрокардиограмме в реальном масштабе времени
RU174958U1 (ru) * 2017-04-12 2017-11-13 Общество с ограниченной ответственностью (ООО) "Элитроника" Усилитель биопотенциалов с диагностированием обрыва электродов

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5406955A (en) * 1993-03-12 1995-04-18 Hewlett-Packard Corporation ECG recorder and playback unit
DE69402477D1 (de) * 1993-07-16 1997-05-15 Siemens Elema Ab Vorrichtung zum Filtern von EKG-Signalen
JPH07171117A (ja) * 1993-10-15 1995-07-11 Hewlett Packard Co <Hp> Ｅｃｇパルス校正方法
WO2000041621A1 (en) * 1999-01-15 2000-07-20 Medtronic Physio-Control Manufacturing Corp. Electrocardiograph having large low frequency dynamic range
US20140230571A1 (en) * 2010-03-02 2014-08-21 Velocomp, LLC. Apparatus to measure the power expended in propelling a vessel on water
RU125833U1 (ru) * 2012-07-12 2013-03-20 Закрытое акционерное общество "МИКАРД-ЛАНА" Электрокардиограф
RU2552876C2 (ru) * 2013-10-22 2015-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Электрокардиограф для неинвазивной регистрации микропотенциалов на электрокардиограмме в реальном масштабе времени
RU174958U1 (ru) * 2017-04-12 2017-11-13 Общество с ограниченной ответственностью (ООО) "Элитроника" Усилитель биопотенциалов с диагностированием обрыва электродов

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2818103B1 (en) Biopotential signal acquisition system and method
RU2479252C2 (ru) Способ и устройство для измерения электрического потенциала на коже головы
DE102017124704B4 (de) ADW mit kapazitiver Differenzschaltung und digitaler Sigma-Delta-Rückkopplung
MettingVanRijn et al. Amplifiers for bioelectric events: a design with a minimal number of parts
US20150002221A1 (en) Instrumentation Amplifier and Signal Amplification Method
KR101832734B1 (ko) 개선된 생체 신호 측정 시스템
US6807443B2 (en) High-resolution medical monitoring apparatus particularly useful for electrocardiographs
JPH10229975A (ja) 心拍信号をフィルタする装置
Yang et al. A 108 dB DR Δ∑-∑ M Front-End With 720 mV pp Input Range and>±300 mV Offset Removal for Multi-Parameter Biopotential Recording
RU2723222C1 (ru) Блок обработки электрокардиосигнала с аналого-цифровой фильтрацией
Halbertsma et al. On the processing of electromyograms for computer analysis
CN111162738A (zh) 一种带纹波抑制功能的仪表放大器
CN103705230A (zh) 一种生物电检测中的前置级电路
CN110840453A (zh) 一种采集脑电信号电路及抗干扰方法
Lee et al. Implantable neural-recording modules for monitoring electrical neural activity in the central and peripheral nervous systems
Lin et al. Preamplifier with a second-order high-pass filtering characteristic
US11350866B2 (en) Read-out circuitry for acquiring a multi-channel biopotential signal and a sensor for sensing a biopotential signal
Pérez-Prieto et al. A 32 input multiplexed channel analog front-end with spatial delta encoding technique and differential artifacts compression
EP3042607A1 (en) Biopotential signal acquisition system and method
Li et al. A 11GΩ-Input-Impedance 700mV pp-Input-Signal-Range 87dB-SNDR Direct-Digitization AFE for Wearable EEG Recording
CN107157478B (zh) 一种基于容性电极的多通道皮层脑电采集系统
Abächerli et al. Electrocardiogram on a chip: overview and first experiences of an electrocardiogram manufacturer of medium size
EP0486399A1 (en) Biopotential amplifier
RU2149581C1 (ru) Блок аналоговой обработки электрокардиографических и реокардиографических сигналов
Rodríguez-Pérez et al. A 330μW, 64-Channel neural recording sensor with embedded spike feature extraction and auto-calibration

Legal Events

Date Code Title Description
QZ41 Official registration of changes to a registered agreement (patent)

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200120

Effective date: 20210914