SU1297797A1 - Устройство дл выделени @ -зубца электрокардиосигнала - Google Patents

Abstract

Устройство дл  выделени  R-зубца электрокардиосигнала (ЭКС) содержит усилитель I, фильтр 2, выпр митель 3, первый компаратор 4, блок 5 управлени , одно- вибратор 6, с целью повышени  импульсной помехозащищенности, в него введены второй компаратор 7, селектор 8 помехи, блок 9 формировани  порогового уровн , управл емый аттенюатор 10. Фильтр 2 устран ет дрейф изолинии и высокочастотные составл ющие ЭКС. Если в исходном состо нии сигнал отсутствует, с выхода аттенюатора 10 поступает напр жение шумов. Блок 5 вырабатывает тактовые импульсы с периодом, соответствующим максимальному R-R интервалу. При по влении на выходе аттенюатора 10 сигнала, превышающего амплитуду щумов, но ниже уровн  срабатывани  компаратора 7 на 1 и 2 выходах блока 5 синхронно с R-зубцами ЭКС формируютс  импульсы, обеспечивающие фиксацию пиковых значений R-зубцов и определение их среднего пикового значени  и использующихс  дл  формировани  нормированных синхроимпульсов, соответствующих R-зубцам. При поступлении помехи, превышающей среднее пиковое значение R-зубцов , происходит блокирование синхроимпульсов , и на вход одновибратора 6 не поступают ложные импульсы от помехи. 3 з.п. ф-лы., 9 ил. (С (Л го со со

Description

Изобретение относитс  к медицинской технике, а именно к устройствам дл  опреелени  параметров электрокардиосигнала при измерении частоты сердечных сокращений .

Цель изобретени  - повышение импульсной помехозащищенности.

На фиг. 1 . представлена структурна  лектрическа  схема устройства дл  выделени  R-зубца электрокардиосигнала; на иг. 2-5 - структурные электрические хемы соответственно селектора помехи, блоа формировани  порогового уровн , блока правлени  и формировател  импульсов; на фиг. 6 - диаграммы, по сн ющие работу устройства; на фиг. 7-9 - диаграммы , по сн ющие работу соответственно селектора помехи, блока формировани  порогового уровн  и блока управлени .

Устройство дл  выделени  R-зубца электрокардиосигнала содержит (фиг. 1) последовательно соединенные усилитель 1, входы которого подключены к входным шинам устройства, фильтр 2 и выпр митель 3, первый компаратор 4, блок 5 управлени , од- новибратор 6, выход которого соединен с выходной шиной устройства, последовательно соединенные второй компаратор 7, селектор 8 помехи и блок 9 формировани  порогового уровн , второй вход которого подключен к первому выходу блока 5 управлени  и к второму входу селектора 8 помехи , третий вход - к первому (неинвертирующему ) входу второго компаратора 7, а первый выход - к второму (инвертирующему ) входу второго компаратора 7 и к первому (неинвертирующему) входу первого компаратора 4, выход которого соединен с первым входом блока 5 управлени , второй вход которого подключен к выходу селектора 8 помехи, а второй выход - к входу одно- вибратора 6, и управл емый аттенюатор 10, выход которого подключен к первому входу второго компаратора 7 и к второму входу первого компаратора 4, первый (управл ющий ) вход - к второму выходу блока 9 формировани  порогового уровн , а второй (информационный) вход - к выходу выпр мител  3.

Селектор 8 помехи содержит (фиг. 2) последовательно соединенные первый счет- чикЛ I, первый триггер 12, первый элемент И 13, выход и второй вход которого  вл ютс  соответственно выходом и первым входом селектора 8 помехи, второй счетчик 14, второй триггер 15, первый вход которого  вл етс  вторым входом селектора 8 помехи и соединен с первым входом первого счетчика 11, второй вход которого подключен к первому входу первого триггера 12, второй вход которого соединен с выходом и вторым входом второго счетчика 14, третий вход которого подключен к выходу второго триггера 15, второй вход которого соединен с первым входом второго счетчика 14.

Блок 9 формировани  порогового уровн  содержит (фиг. 3) счетверенный элемент И-ИЛИ 16, последовательно соединенные усреднитель 17, первый ключ 18 и пиковый

детектор 19, последовательно соединенные ждущий мультивибратор 20 и третий счетчик 21, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам счетверенного элемента

И-ИЛИ 16, п тый вход которого соединен с вторым входом пикового детектора 19 и с первым входом третьего счетчика 21, п тый выход которого подключен к его второму входу, четыре элемента 22-25 выборки и хранени , выходы которых соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами усреднител  17, а первые входы -- соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами счетверенного элемента И-ИЛИ 16, последовательно соединенные триггер Шмитта 26, вход которого подключен к выходу усреднител  17, и формирователь 27 импульсов, первый выход которого подключен к шестому, седьмому, восьмому, дев тому и дес тому входам счетверенного элемента И-ИЛИ

16, второй к;1юч 28, первый вход которого соединен с вторым выходом фор.мировател  27 импульсов, а второй вход - с первой шиной опорного напр жени , и третий ключ 29, первый вход которого подключен к третьему выходу формировател  27 импульсов,

второй вход - к второй шине опорного напр жени , а выход - к выходу второго ключа 28, к выходу пикового детектора 19 и к вторым входам четырех элементов 22-25 выборки и хранени . Причем второй вход lepBoro ключа 18, вход ждущего мультивибратора 20, третий вход пикового детектора 19, выход усреднител  17 и выход триггера Шмитта 26  вл ютс  соответственно первым, вторым и третьим входами, первым и вторым выходами блока 9 формиро- вани  порогового уровн .

Блок 5 управлени  содержит (фиг. 4) последовательно соединенные первый дифференциатор 30, вход которого  вл етс  первым входом блока 5 управлени , третий

триггер 31, второй вход которого  вл етс  вторым входом блока 5 управлени , элемент И - НЕ 32, второй дифференциатор 33 и второй элемент И 34, выход которого  вл етс  первым выходом блока 5 управлени , и последовательно соединенные генератор

35 импульсов и четвертый счетчик 36, выход которого подключен к его второму входу и к второму входу второго элемента И 34, а третий вход - к входу первого дифференциатора 30 и к второму входу эле- .мента И-НЕ 32, выход которого  вл етс 

вторым выходом блока 5 управлени .

Формирователь 27 импульсов может быть выполнен в виде схемы, содержащей элемент НЕ 37 и элемент И-НЕ 38, соединенные друг с другом и с источником питани  через конденсаторы 39 и 40 и резисторы 41 и 42 (фиг. 5). Усреднитель 17 может быть выполнен в виде четырех параллельно включенных резисторов, одни выводы которых  вл ютс  входами усреднител  17, а другие выводы объединены и  вл ютс  выходом усреднител  17. Усилитель 1 может быть выполнен в виде дифференциального усилител , а фильтр 2 - в виде полосового фильт- . ра. Первый компаратор 4 и второй компаратор 7 имеют на неинвертирующем входе делитель с коэффициентом делени , например , 1:2.

Устройство дл  выделени  R-зубца элек- трокардиосигнала работает следующим образом .

Электрокардиосигнал, поступающий на входы усилител  1, усиливаетс  (например, в 1000 раз) и подаетс  на вход фильтра 2, который устран ет дрейф изолинии и высокочастотные составл ющие электрокардиосиг- нала. С выхода фильтра 2 сигнал подаетс  на вход выпр мител  3, который сигнал положительной пол рности пропускает без изменений , а сигнал отрицательной пол рности инвертирует. Поэтому при любой пол рности R-зубца электрокардиосигнала на выходе выпр мител  3 всегда будет положительный R-зубец.

Затем сигнал поступает на информационный вход управл емого аттенюатора 10, коэффициент передачи которого в зависимости от величины поступающего сигнала принимает два значени : верхнее и нижнее (например, 10 и 1). Если в исходном состо нии сигнал отсутствует, то на управл ющий вход управл емого аттенюатора 10 с второго выхода блока 9 формировани  порогового уровн  подаетс  напр жение логического нул  (фиг. 6(3), устанавливающее коэффициент передачи управл емого аттенюатора 10 равным верхнему значению. С выхода управл емого аттенюатора 10 одновременно на неинвертирующий вход второго компаратора 7, на инвертирующий вход первого компаратора 4 и на третий вход блока 9 формировани  порогового уровн  поступает напр жение щумов (фиг. 6а). Пороговое напр жение с первого выхода блока 9 формировани  порогового уровн  поступает (фиг. 6г) на неинвертирующий вход первого компаратора 4 и на инвертирующий вход второго компаратора 7. Так как амплитуда сигнала в данном случае не достигает порогового уровн , то компараторы 4 и 7 не срабатывают. При этом блок 5 управлени  вырабатывает тактовые импульсы с заданным периодом повторени , соответствующим максимальному R-R интервалу , например, равным 2 с (фиг. бе), которые поступают на второй вход блока 9 формировани  порогового уровн  и поддерживают на его первом выходе заданное по

роговое напр жение, превышающее уровень щумов, а также поступают на второй вход селектора 8 помехи и устанавливают режим слежени  за по влением помех.

При по влении на выходе управл емого аттенюатора 10 сигнала, превьпиаю- щего по амплитуде величину напр жени  щумов (фиг. 6а), но не достигающее уровн  срабатывани  второго компаратора 7, на первом и втором выходах блока 5 управлени 

синхронно с R-зубцами электрокардиосигнала формируютс  импульсы, которые с первого выхода блока 5 управлени  поступают на второй вход блока 9 формировани  порогового уровн  и на второй вход селектора 8 помехи дл  обеспечени  фиксации пиковых значений R-зубцов и определени  их среднего пикового значени . С второго выхода блока 5 управлени  импульсы поступают на одновибратор 6 дл  окончательного формировани  нормированных синхроимпульсов , соответствующих R-зубцам (фиг. бе).

При поступлении помехи, превышающей на заданную величину среднее пиковое значение R-зубцов электрокардиосигнала. иапример , в 2 раза, на выходе второго компаратора 7 формируетс  импульс (фиг. бж), передний фронт которого совпадает с моментом достижени  помехой на первом входе второго компаратора 7 двойного уровн  среднего пикового значени , а задний

фронт - с моментом уменьщени  помехи до уровн  среднего пикового значени  сигнала . Этот импульс, поступа  через селектор 8 помехи на второй вход блока 5 управлени , блокирует формирование синхроимпульсов на первом и втором его выходах,

т.е. на вход одновибратора 6 не поступают ложные импульсы от помехи. Этот же импульс с выхода селектора 8 помехи поступает на первый вход блока 9 формировани  порогового уровн  и поддерживает на первом и втором его выходах прежний уровень среднего пикового значени  (в течение действи ., сформированного селектором 8 помехи импульса). Таким образом полностью устран етс  вли ние помехи на уровень среднего пикового значени  R-зубцов

электрокардиосигнала.

Отдельные блоки устройства дл  выделени  R-зубца электрокардиосигнала работают следующим образом.

В случае отсутстви  помех на первый вход селектора 8 помехи импульсы не поступают , и селектор 8 помехи (фиг. 2) находитс  в режиме слежени . При по влении помехи срабатывает второй компаратор 7, в результате чего на первый вход селектора 8 помехи , а именно на второй вход первого эле- мента И 13, поступает импульс (фиг. 70). При наличии на первом входе первого элемента И 13 напр жени  логической единицы на его выходе по вл етс  импульс (фиг. 7ж),

Логическа  единица на первом входе первого элемента И 13 устанавливаетс  после прихода с первого выхода блока 5 управлени  на второй вход селектора 8 помехи не менее четырех импульсов (фиг. 5а). Однако, если по каким-то причинам (например, после переключени  отведени ) электрокар- диосигнал резко увеличиваетс  (более, чем в два раза по сравнению со средним пиковым значением), первые четыре R-зубца воспринимаютс  как помехи, т.е. на выходе селектора 8 помехи с каждый R-зубцом по вл ютс  импульсы, а на его второй вход, а именно на первые входы второго триггера 15 и первого счетчика 11, импульсы не поступают , но после четвертого R-зубца на первом входе первого элемента И 13 устанавливаетс  напр жение логического нул . Тогда на выход селектора 8 помехи импульсы проходить не будут, вследствие чего блок 9 формировани  порогового уровн  будет производить усреднение сигнала и за четыре такта пороговое напр жение на его первом выходе достигнет амплитуды А увеличенных R-зубцов (фиг. 7з,и).

Блок 5 управлени  (фиг. 4) работает следующим образом. При нарастании сигнала на неинвертируюш,ем входе первого компаратора 4 до половины уровн  напр жени  на его инвертирующем входе на выходе первого компаратора 4 по вл етс  логический нуль, который подаетс  на первый вход блока 5 управлени , а именно на третий вход четвертого счетчика 36, на вход первого дифференциатора 30 и на второй вход элемента И-НЕ 32 (фиг. 9гЗ). На первый вход третьего триггера 31 через первый дифференциатор 30 поступает отрицательный перепад напр жени  (фиг. 9а), а на выходе третьего триггера 31 (фиг. 96) и на выходе элемента И-НЕ 32 (фиг. 9е) устанавливаетс  напр жение логической единицы . При уменьшении сигнала на инвертирующем входе первого компаратора 4 до половины уровн  напр жени  на его неинвертирующем входе на выходе первого компаратора 4 и, следовательно, на втором входе элемента И-НЕ 32 блока 5 управлени  по вл етс  логическа  единица, а на выходе элемента И-НЕ 32,  вл ющимс  вторым выходом блока 5 управлени , по вл етс  логический нуль, который поступает на вход одновибратора 6, на выходе которого по вл етс  нормированный импульс , синхронный с R-зубцом. Кроме того, с выхода элемента И-НЕ 32 через второй дифференциатор 33 на первый вход второго элемента И 34 подаетс  напр жение логического нул , а на его выходе,  вл ющимс  первым выходом блока 5 управлени , по вл етс  импульс (фиг. 9з), который подаетс  на второй вход селектора 8 помехи дл  обеспечени  режима слежени  и на второй вход блока 9 формировани  порогового уровн  дл  разрешени  прохождени  на один

из элементов 22-25 выборки и .хранени  (фиг. 3) пикового значени  данного R-зубца. Если после установлени  логического нул  на втором входе блока 9 формировани  порогового уровн , на второй вход третьего

триггера 31 поступает импульс от селектора 8 помехи (что свидетельствует о по влении помехи, а не R-зубца), то на выходе третьего триггера 31 устанавливаетс  напр жение логического нул , а на выходе элемента И - НЕ 32 - напр жение логической единицы, в результате чего одновибратором 6 импульс не вырабатываетс , а также отсутствует импульс и на первом выходе блока 5 управлени . Таким образом, запрещаетс  прохождение пикового значени  по5 мехи к элементам 22-25 выборки и хранени  (фиг. 3) и исключаетс  вли ние помехи на среднее пиковое значение усредн емого сигнала.

На третий вход блока 9 формировани  порогового уровн  (фиг. 3), а именно на тре тий вход пикового детектора 19, поступает сигнал с выхода управл емого аттенюатора 10 (фиг. 8а), а на второй вход пикового детектора 19 подаетс  импульс сброса от ждущего мультивибратора 20 (пиковый де5 тектор 19 сбрасываетс  задним фронтом импульса). Пиковый детектор 19 фиксирует максимальные значени  сигнала (фиг. 86), которые передаютс  на вторые входы четырех элементов 22-25 выборки и хранени . При поступлении на первый вход третьего

0 счетчика 21 последовательности импульсов (фиг. 80) на его выходах происходит смещение логической единицы (фиг. 8д, е,ж,з), котора  поочередно поступает на первые четыре входа счетверенного элемента И- ИЛИ 16 и при наличии на его п то.м вхо5 де логической единицы передаетс  на его соответствующий выход (фиг. 8л,м,н,о).

Таким образом, на первые входы элементов 22-25 выборки и хранени  поочередно подаетс  логическа  единица, перевод ща  последовательно один из элементов 22-25

0 выборки и хранени  в режим выборки,-а по окончании импульса ждущего мультивибратора 20 соответствующий элемент выборки и хранени  переводитс  в режи.м хранени . Усредение содержимого элементов 22- 25 выборки и хранени  осуществл етс 

усреднителем 17. Дл  уменьшени  времени установлени  рабочего режима при изменении коэффициента передачи управл емого аттенюатора 10 в .момент изменени  состо ни  триггера Шмитта 26 с помощью форQ мировател  27 импульсов и счетверенного элемента И-ИЛИ 16 формируютс  управл ющие напр жени  дл  второго 28 и третьего 29 ключей и элементов 22-25 выборки и хранени . При поступлении на вход формировател  27 импульсов отрицательного

5 перепада с выхода триггера Шм.итта 26 замыкаетс  второй ключ 28 и на вторые входы всех элементов 22-25 выборки и хранени  подаетс  первое опорное напр жение

Uj , равное произведению минимального среднего пикового значени  сигнала (например , 0,2 В), и нижнего значени  коэффициента передачи управл емого аттенюатора 10. Одновременно на первые входы всех элементов 22-25- выборки и хранени  от счетверенного элемента И-ИЛИ 16 подаетс  логическа  единица и всеми элементами 22-25 выборки и хранени  фиксируетс  напр жение Ui , которое в данный момент равно амплитуде сигнала на третьем входе пикового детектора 19.

При поступлении на вход формировател  27 импульсов положительного перепада с выхода триггера Шмитта 26 замыкаетс  третий ключ 29 и на вторые входы всех элементов 22-25 выборки и хранени  подаетс  второе опорное напр жение Uj., равное отношению максимального среднего пикового значени  сигнала (например, 6 В) к верхнему значению коэффициента передачи управл емого аттенюатора 10 (например, U 0,6 В). При этом всеми элементами 22-25 выборки и хранени  фиксируетс  напр жение Ui, которое в данный момент равно амплитуде сигнала на третьем входе пикового детектора 19.

Таким образом, сразу после переключени  коэффициента передачи управл емого аттенюатора 10 на выходе блока 9 формировани  порогового уровн  практически мгновенно устанавливаетс  выходное напр жение , приблизительно равное среднему пиковому значению сигнала на выходе управл емого аттенюатора 10. В случае, если на третий вход блока 9 формировани  порогового уровн  (па третий вход пикового детектора 19) поступает помеха, то на первый его вход, на второй (управл ющий) вход первого ключа 18, поступает импульс положительной пол рности, в течение которого первый ключ 18 находитс  в открытом состо нии и через него на первый вход пикового детектора 19 подаетс  среднее пиковое значение сигнала, которое имеет приоритет относительно помехи, поступающей через третий вход блока 9 формировани  порогового уровн , так как оно поступает непосредственно на запоминающий конденсатор пикового детектора 19, а помеха подаетс  через входную цепь, т.е. через последовательно включенный резистор. Благодар  этому исключаетс  вли ние помехи на результат усреднени  пиковых значений R-зуб- цов электрокардиосигнала.

При поступлении на вход формировател  27 импульсов положительного перепада (фиг. 8ы) на выходе элемента НЕ 37 по вл етс  отрицательный перепад. После дифференцирующей цепи, состо щей из конденсатора 40 и резистора 41, на третьем выходе формировател  27 импульсов по вл етс  импульс отрицательной пол рности (фиг. ,8р), а на выходе элемента И-НЕ 38 по вл етс  импульс положительной пол рности (фиг. 8к). При поступлении на вход

0

5

0

5

0

5

0

5

5

формировател  27 импульсов отрицательного перепада (фиг. 8и) на выходе элемента НЕ 37 и на входе элемента И-НЕ 38 изменений не происходит. После дифференцирующей цепи, состо щей из конденсатора 39 и резистора 42, на втором выходе формировател  27 импульсов по вл етс  импульс отрицательной пол рности (. 8п) а на выходе элемента И-НЕ 38 по вл етс  импульс положительной пол рности (фиг. 8к).

Таким образом, устройство обладает высокой помехозащищенностью, так как одиночные и групповые импульсы помехи не вли ют на достоверность выделени  R-зуб- ца устройством в щироком диапазоне амплитуд электрокардиосигнала.

Claims (4)

1. Устройство дл  выделени  R-зубца электрокардиосигнала, содержащее усилитель , входы которого подключены к входным щинам устройства, фильтр, выпр митель , первый компаратор, блок управлени  и одновибратор , отличающеес  тем, что, с целью повыщени  импульсной помехозащищенности , в него введены последовательно соединенные второй компаратор, селектор помехи и блок формировани  порогового уровн , второй вход которого подключен к первому выходу блока управлени  и к второму входу селектора помехи, третий вход - к первому входу второго компаратора, а первый выход - к второму входу второго компаратора и к первому входу первого компаратора, выход которого соединен с первым входом блока управлени , второй вход которого подключен к выходу селектора помехи, а второй выход - к входу одно- вибратора, выход которого соединен с выходной щиной устройства, и управл емый аттенюатор, выход которого подключен к первому входу второго компаратора и к второму входу первого компаратора, первый вход - к второму выходу блока формировани  порогового уровн , а второй вход - к выходу выпр мител , вход которого соединен с выходом фильтра, вход которого подключен к выходу усилител .

2. Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что в нем селектор помехи содержит последовательно соединенные первый счетчик, первый триггер, первый элемент И, выход и второй вход которого  вл ютс  соответственно выходом и первым входом селектора помехи, и второй счетчик, второй триггер, первый вход которого  вл етс  вторым входом селектора помехи и соединен с первым входом первого счетчика, второй вход которого подключен к первому- входу первого триггера, второй вход которого соединен с выходом и вторым входом второго счетчика, третий вход которого подключен к ВЫХОДУ

9

второго триггера, второй вход которого соединен с первым входом второго ечетчика.

3. Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что в нем блок формировани  порогового уровн  содержит счетверенный элемент И-ИЛИ, последовательно соединенные усреднитель, первый ключ и пиковый детектор, последовательно соединенные ждуплий мультивибратор и третий счетчик, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к пер- Бому, второму, третьему и четвертому входам счетверенного элемента И-ИЛИ, п тый вход которого соединен с вторым входом пикового детектора и с первым входом третье- го счетчика, п тый выход которого подключен к его второму входу, четыре элемента выборки и хранени , выходы которых соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами усреднител , а первые входы - соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами счетверенного элемента И-ИЛИ, последовательно соединенные триггер Шмитта, вход которого подключен к выходу усреднител , и формирователь импульсов, первый выход которого подключен к шестому, седьмому, восьмому , дев тому и дес тому входам счетверенного элемента И-ИЛИ, второй ключ, первый вход которого соединен с вторым выходом формировател  импульсов, а вто10

рой вход - с первой шиной опорного напр жени , и третий ключ, первый вход которого подключен к третьему выходу формировател  импульсов, второй вход - к второй шине опорного напр жени , а выход - к выходу второго ключа, к выходу пикового детектора и к вторым входам четырех элементов выборки и хранени , причем второй вход первого ключа, вход ждущего мультивибратора, третий вход пикового детектора, выход усреднител  и выход триггера Шмитта  вл ютс  соответственно первым входом, вторым входом, третьим входом, первым выходом и вторым выходом блока формировани  порогового уровн .

4. Устройство по п. 1, отличающеес 

тем, что в нем блок управлени  содержит последовательно соединенные первый дифференциатор , вход которого  вл етс  первым входом блока управлени , третий триггер, второй вход которого  вл етс  вторым входом блока управлени , элемент И-НЕ, второй дифференциатор и второй элемент И, выход которого  вл етс  первым выходом блока управлени , и последовательн о соединенные генератор импульсов и четвертый счетчик, выход которого подключен к его второму входу и к второму входу второго

элемента И, а третий вход - к входу первого дифференциатора и к второму входу элемента И-НЕ, выход которого  вл етс  выходом блока управлени .

16X0

Ж

Вы}(од

ЕВ)од

а

р

Фаг. 2

1вкоЗ

ffgxod

ИВынад

58 71

ш BbiTiod

HZ

v5B

Фиг. 5

vwvwwww A л л А ЛИЛI

(И

hi di

ЛАЛЛ

а innr-imr

д I I

пппгтг

- LJl JlJT JLJ1 rL n rL.

-TUTПЛ П П

ЖЖЖ

и нонпоротора 7

й/г 7

и §)(од ноппаратора

IffKof аонпаратора

дыход

Hofinapomopa Ч а -

Помеха

и

1Г

U

Фи.9

Sr