Нелинейный активный полосовой rc-фильтр для выделения зубцов электрокардиосигнала
Устройство относится к приборостроению, а именно к частотно-избирательным средствам, и предназначено для использования в устройствах фильтрации биосигналов от помех, а также - выделения R-зубца ЭКС. Технический результат заключается в повышении надежности выделения R-зубца из электрокардиосигнала за счет устранения "звона" высокодобротного полосового фильтра.
Для достижения технического результата в нелинейный активный полосовой RC фильтр в цепь частотно-независимой положительной обратной связи к неинвертирующему входу операционного усилителя подключен заземленный нелинейный элемент - диод или «идеальный диод».
Заявляемое устройство относится к области приборостроения, а именно, медицинской технике и предназначено для работы в составе технических средств определения длительности RR-интервалов, используемых для диагностики и, в частности, в кардиоритмометрии.
Заявляемая полезная модель относится к устройствам, обеспечивающим фильтрацию биосигналов от помех при снятии кардиограммы. Устройство является нелинейным активным полосовым RC фильтром с высокоселективной фильтрацией сигнала в заданном частотном диапазоне, например, для полосы частоты QRS-комплекса электрокардиосигнала (ЭКС), при отсутствии паразитных затухающих колебаний на резонансной частоте, то есть обрабатываемый сигнал не содержит помех, связанных с так называемым «звоном» высокодобротных фильтров. Схема содержит высокодобротный полосовой фильтр на основе Т-моста в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя (ОУ) и частотно-независимой цепи положительной обратной связи с введенной нелинейностью на основе схемы «идеального диода».
Вариации длительностей RR-интервалов ЭКС являются важной диагностической информацией для кардиоритмометрии, используемой также в системах биоинформационного управления на основе биологической обратной связи. Основой для получения данных о длительности RR-интервалов ЭКС служат временные положения R-зубцов элементов QRS-комплексов, определяемые либо аппаратно с помощью устройств, называемых выделителями R-зубца, либо программно с помощью специальных алгоритмов. В случае использования аналоговых аппаратных средств выделения, отличающихся высокими технико-экономическими характеристиками, в частности, низкими энергопотреблением и стоимостью, для их эффективной работы требуется предварительная аналоговая фильтрация в узком частотном диапазоне (5-20 Гц). Как правило, для этих целей используют активные полосовые RC фильтры. Однако повышение их добротности, т.е. частотной избирательности, приводит к усилению влияния на реакцию фильтра с частотой полосового фильтра (ПФ), что приводит к снижению точности и надежности работы выделителя.
Из анализа отечественных и зарубежных патентных материалов известны технические решения, направленные на устранение указанной проблемы, но имеющие существенные недостатки.
Известно, что линейные активные RC ПФ на основе ОУ, широко применяются в устройствах аналоговой обработки ЭКС, в том числе, и для частотно-избирательного усиления R-зубца ЭКС, его максимум спектра находится в частотном диапазоне 5-20 Гц. Наиболее распространенным способом выделения QRS-комплекса ЭКС является частотная селекция с помощью ПФ, настроенного на частоту 16 Гц [Томпкинс У., Уэбстер Дж. Микрокомпьютерные медицинские системы: Проектирование и применения. М.: Мир, 1983. 544 с.].
Однако для надежной селекции R-зубца и подавления других зубцов ЭКС в каждом кардиоцикле, на фоне значительных помех, требуется повышение величины добротности ПФ до нескольких единиц, что приводит к росту свободных слабозатухающих колебаний, так называемому «звону» фильтра, после прекращения действия напряжения R-зубца.
Это затрудняет или делает невозможным точное определение временного положения R-зубца ЭКС, а также может привести к ухудшению надежности работы выделителя.
Для преодоления указанного противоречия, т.е. для обеспечения срыва колебаний после прошедшей первой полуволны реакции фильтра, при сохранении постоянным значения резонансной частоты fрез, в определенный момент времени работу ПФ с помощью дополнительных схем переводят в нелинейный режим. Таким образом обеспечивается срыв последующих колебаний [А.с. СССР 432899. Устройство для выделения R-зубца электрокардиосигнала / М.М.Ратнер, Б.Ф.Шкапин (РФ). А61В 5/02. Приоритет 20.07.1972. Опубл.: 25.06.74. Бюл. 
23., US Pat. 3,927,377. Nonlinear filter for detecting electrocardiogram R-waves and other physiological signals / I.Tatsumo (USA).: A61B 5/04, 16.12.1975, Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях. Киев, Техника, 1983, стр.72, рис.4.4.].
Типичным решением проблемы выделения QRS-комплекса ЭКС было использование двухполупериодного выпрямления выходных колебаний фильтра со «звоном» и последующего их сглаживания. Однако такой способ выделения QRS-комплекса из ЭКС не обеспечивает высокой точности и воспроизводимости последующего определения временного положения R-зубцов ЭКС.
Более воспроизводимыми с точки зрения точного определения длительностей RR-интервалов ЭКС являются способы подавления собственных колебаний на выходе ПФ для получения только одной полуволны.
Одним из таких способов является шунтирование частотно-селективной цепи ПФ полупроводниковым диодом, известным по патенту США [US Pat. 3,927,377. Nonlinear filter for detecting electrocardiogram R-waves and other physiological signals /I. Tatsumo (USA).: A61B 5/04.].
Благодаря включению диода, имеющего одностороннюю проводимость, в работу ПФ вносится частотный разбаланс в момент превышения напряжения открытого р-n перехода диода напряжением соответствующей полярности в цепи отрицательной обратной связи. Вследствие этого вторая полуволна на выходе ПФ имеет значительно меньшую амплитуду, чем первая. Однако характеристика диода не позволяет работать такому устройству при малых напряжениях (менее 0,5-0,6 В), из-за зоны нечувствительности диода.
Для исключения влияния зоны нечувствительности диода в изобретении [а.с. СССР 432899] предложено вместо него использовать ключ, подключающий дополнительный конденсатор, вносящий разбаланс в частотозадающую цепь, из-за значительного изменения резонансной частоты, приводящей к затуханию собственных свободных колебаний с резонансной частотой фильтра. Недостатком такого решения является необходимость усложнения схемы за счет применения триггера Шмитта, порогового устройства, цепи задержки и специального ключа с элементами его управления. Другим недостатком данного технического решения является использование в качестве частотно-селективной цепи корректирующего фильтра на основе 2Т-моста вместо ПФ. Корректирующий (подчеркивающий) фильтр имеет постоянный коэффициент усиления в области низких и высоких частот и из-за малой крутизны АЧХ не обеспечивает значительного ослабления сигнала на частотах, близких к резонансной частоте фильтра.
Прототипом является устройство по патенту США 3,927,377, где применено устройство управления параметрами добротности ПФ, состоящее в использовании активного полосового RC фильтра на основе RC Т-моста и управляемого (программируемого) по питанию ОУ путем временного отключения его питания после выдачи фильтром одной (первой) полуволны выходного напряжения.
Нелинейный фильтр для выделения R-зубца и других зубцов электрофизиологических сигналов по патенту США 3,927,377 по совокупности существенных признаков является наиболее близким к предлагаемому активному полосовому RC фильтру для выделения зубцов электрокардиосигнала и используется в качестве главного прототипа (рис.1).
Этот нелинейный фильтр содержит управляемый по питанию дифференциальный операционный усилитель 3, его инвертирующий вход соединен с выводом Т-моста 2, а выход соединен с другим выходом Т-моста 2, третий вывод является входом фильтра 1, при этом входной вывод заземленного резистивного делителя напряжения 6 соединен с выходом ОУ 3, а выход резистивного делителя напряжения 5 соединен с неинвертирующим входом ОУ 3. Поскольку ОУ 3 является управляемым по питанию, то он может отключаться при исключении тока с помощью устройства управления питания 7 ОУ 3 в его токозадающей цепи. Информация для запуска устройства управления питанием 7 ОУ 3 поступает с выхода 4 ОУ 3.
Недостатком описываемого фильтра является наличие сложной схемы управления питанием в цепи задавания рабочего режима ОУ. Необходимо обязательно использовать программируемый по питанию ОУ.
Из рассмотрения имеющихся решений следует, что имеется техническое противоречие - для повышения надежности выделения QRS-комплекса требуется высокая селективность ПФ, характеризуемая большой величиной добротности (более 2), однако это увеличение добротности приводит к появлению длительных свободных затухающих колебаний после прекращения действия QRS комплекса (R-зубца), что мешает точному выделению временного положения максимума QRS-комплекса.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью является: устранение возникающих колебаний и повышение надежности выделения QRS-комплекса.
Для устранения технического противоречия, свойственного аналогам и прототипу, и построения точного выделителя QRS-комплексов (R-зубцов) ЭКС предлагается нелинейный активный полосовой RC фильтр. Он, с одной стороны, решает обозначенную задачу, т.е. обеспечивает высокоселективную фильтрацию сигнала в заданном частотном диапазоне без возникновения резонансных слабозатухающих колебаний ПФ, с другой стороны, лишен недостатков известных технических решений. Т.о. предлагаемое устройство обеспечивает надежную работу выделителя R-зубца ЭКС без внесения помех, связанных со «звоном» выходного напряжения фильтра.
Известно, что R-зубец QRS комплекса ЭКС имеет только одну фиксированную (определенную, заранее заданную) полярность - положительную или отрицательную. Следовательно, на выходе ПФ с высокой добротностью первый полупериод выходного напряжения также имеет только одну полярность положительную или отрицательную, в зависимости от того, какой используется ПФ, инвертирующий или неинвертирующий входной сигнал.
Следующая полуволна вынужденного колебания будет иметь другую полярность и ее необходимо нейтрализовать. Подавление другой полярности выходного напряжения полосового фильтра осуществляют путем изменения величины его добротности в сторону ее значительного уменьшения (примерно в 10 раз).
Возможно изменение добротности полосового фильтра (ПФ), без воздействия на частотно-селективную цепь фильтра, а с помощью регулировки только коэффициента передачи частотно-независимой резистивной цепи, находящейся в цепи положительной обратной связи.
Изменяя скачкообразно величину коэффициента передачи резистивного делителя в зависимости от полярности выходного напряжения, например, используя полярнозависимый ключ 8 (рис.2), осуществляют управление величиной добротности ПФ в желаемом направлении, т.е. для первой полуволны выходного напряжения ПФ от воздействия R-зубца имеет максимальную добротность и, следовательно, высокую селективность, а для последующей полуволны выходного напряжения добротность фильтра мгновенно резко уменьшается и, в результате, последующая полуволна выходного напряжения значительно ослаблена.
В качестве полярнозависимого ключа выступает заземленный диод 9 (рис.3), причем при рабочей положительной полуволне выходного напряжения диод подключается катодом к земле, а при отрицательной полуволне выходного напряжения диод подключается анодом к земле. Однако его использование связано с невозможностью полноценной работы фильтра при малых напряжениях (менее 0,5-0,6 В), что обусловлено ВАХ диода (зона нечувствительности).
В связи с этим в качестве элемента, чувствительного к полярности выходного напряжения, и работающего в качестве ключа, целесообразно использовать линеаризированный с помощью ОУ диод, так называемый «идеальный диод» [Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях. Киев, Техника, 1983, стр.72, рис.4.4.]. Схема 6 «идеального диода» представляет собой диод, включенный в цепь стопроцентной отрицательной обратной связи ОУ.
На рис.4 показана схема фильтра с включенным в нее «идеальным диодом» 10, его вывод 11 подключен к выходу 5 резистивного делителя 6, а вывод 12 заземлен.
Так, в схеме ПФ (рис.5) на одном ОУ 3 с Т-мостом 2 в цепи ООС и цепью резистивной положительной обратной связи «идеальный диод» 10 подключается параллельно заземленному резистору делителя напряжения 6. Схема «идеального диода» образована с помощью диода 13, включенного в цепь стопроцентной отрицательной обратной связи ОУ 14.
При определенной полярности, соответствующей проводящему состоянию диода, заземленный резистор делителя напряжения 6 шунтируется за счет включения «идеального диода» 10, имеющего при проводящей полярности малое сопротивление, и передача делителя при конечном значении величины резистора верхнего плеча делителя 6 стремится к нулю, что приводит к исключению действия положительной обратной связи (ПОС) и, следовательно, к снижению величины добротности ПФ (рис.6, кривая 2).
При смене полярности выходного напряжения «идеальный диод» находится в закрытом состоянии и не оказывает шунтирующего действия на нижний резистор делителя. Коэффициент передачи делителя становится максимальным и определяется только номиналами его двух резисторов. Поскольку резистивный делитель 6 задает величину ПОС, приводящей к увеличению добротности ПФ, то добротность фильтра при заданной полярности выходного напряжения резко возрастает (рис.6, кривая 1). В рассматриваемом случае для разных полярностей выходного напряжения величины добротностей отличаются почти на порядок.
Таким образом, за счет включения «идеального диода», параллельно резистору делителя в цепи ПОС и выбора соответствующей полярности включения «идеального диода», можно обеспечить эффективное подавление свободных затухающих колебаний на выходе ПФ, оставляя только лишь необходимую первую полуволну выходного напряжения. На рис.7 представлены выходные напряжения двух схем линейных ПФ с низкой (Q=0,5, кривая 2) и высокой добротностью (Q=4,5, кривая 1), являющиеся реакцией на треугольный импульс, имитирующий R-зубец ЭКС. Выходное напряжение схемы нелинейного ПФ - рис.8.
Описание схемы и работы нелинейного фильтра
Поскольку «идеальный диод» может рассматриваться в качестве ключа, чувствительного только к полярности приложенного напряжения, то рассматривается работа нелинейного фильтра при работе двух линейных схем с низкой и высокой добротностью.
Это осуществляется, исключением из схемы «идеального диода» и заменой его коротким замыканием (КЗ) для одной полярности (отрицательной) выходного напряжения (что соответствует низкой добротности).
Графики АЧХ ПФ на ОУ с цепью частотно-независимой резистивной ПОС при двух значениях добротности (низкой и высокой) приведены на рис.6. Из рассмотрения графика следует, что выбором двух значений добротности можно получить отношение коэффициентов передачи на резонансной частоте фильтра более 20 дБ (10 раз), что позволяет надежно выделять первую полуволну выходного напряжения, соответствующую воздействию QRS импульса.
Схема нелинейного ПФ реализована на основе линейного ПФ с частотой резонанса 16 Гц (для QRS-комплекса, для других зубцов ЭКС используются другие резонансные частоты) и величиной добротности 4,5 (рис.1), путем подключения к резистивной частотно-независимой цепи ПОС нелинейного элемента. При этом если на цепь ПОС нелинейного ПФ подано напряжение определенной полярности, при которой нелинейный элемент (например, «идеальный диод») отключен, то добротность фильтра и коэффициент передачи на резонансной частоте в этом случае максимальны (рис.6, кривая 1, Q=4,5) и соответствуют параметрам исходного линейного ПФ. На рис.6. приведены АЧХ нелинейного фильтра при отрицательной полярности напряжения в цепи ПОС (кривая 1), и при положительной полярности выходного напряжения в цепи ПОС (кривая 2).
При перемене полярности «идеальный диод» включается, а добротность и коэффициент передачи на резонансной частоте снижаются (рис.6, кривая 2, Q=0,5). Так, например, при смене полярности напряжения в цепи ПОС коэффициент передачи на резонансной частоте изменяется на 28 дБ (рис.6). Таким образом, достигается сохранение амплитуды первой отрицательной информационной полуволны выходного напряжения и значительное снижение амплитуды последующей положительной полуволны. Практически это приводит к полному отсутствию слабо затухающих колебаний на выходе фильтра после прекращения действия входного импульса. Результат моделирования схем линейного и нелинейного ПФ при возбуждении одиночным треугольным импульсом, имитирующим R-зубец ЭКС представлен на рис.7 и 8. Причем на рис.7 - реакция линейного ПФ, а на рис.8 - реакция нелинейного ПФ.
Треугольный импульс имитирует R-зубец ЭКС длительностью 30 мс. Реакция линейного ПФ (рис.7, кривая 1) эквивалентна для первой полуволны реакции нелинейного ПФ при отрицательном напряжении в цепи ПОС и представляет собой слабозатухающий синусоидальный сигнал, у которого вторая, третья и четвертая полуволны по своим параметрам близки к первой, являющейся информационной, что затрудняет дальнейшее точное выделение временного положения R-зубца. Кривая 2 (рис.7) демонстрирует реакцию линейного ПФ, эквивалентного по своим амплитудно-частотным характеристикам нелинейному ПФ при положительном напряжении в цепи ПОС. На рис.5 представлена реакция на входной импульс треугольной формы предлагаемого нелинейного ПФ, где первая полуволна соответствует R-зубцу ЭКС, а дополнительные колебания с резонансной частотой фильтра практически отсутствуют.
Таким образом, нелинейный ПФ сочетает в себе свойства двух линейных ПФ с различными величинами добротности и коэффициента передачи на резонансной частоте, зависящими от полярности напряжения в цепи ПОС.
1. Нелинейный активный полосовой RC-фильтр для выделения R-зубца электрокардиосигнала, содержащий дифференциальный операционный усилитель, его инвертирующий вход соединен с выводом Т-моста, а выход соединен с другим выходом Т-моста, третий вывод является входом фильтра, при этом входной вывод заземленного резистивного делителя напряжения соединен с выходом дифференциального операционного усилителя, а выход резистивного делителя напряжения соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, отличающийся тем, что к выходу резистивного делителя в цепи положительной обратной связи подключен заземленный нелинейный элемент - диод, обычный или линеаризованный с помощью операционного усилителя.
