Устройство для выделения r-зубца электрокардиосигнала

 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для выделения характерных точек электрокардиографического сигнала. Целью изобретения является повышение надежности выделения R-зубца. В состав устройства входят фильтр 1, двухполупериодный детектор 2, два компаратора 3 и 9, элемент 4 совпадений, генератор 5 импульсов, счетчик 6 импульсов, дешифратор 7, элемент 8 памяти и преобразователь 10 кодов. 2 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для выделения R-зубцов электрокардиосигнала (ЭКС).

Известно устройство выделения R-зубцов ЭКС, в котором для повышения надежности выделения R-зубцов ЭКС используется пороговая схема, схема запрета и формирователь строба помехи. При этом пороговая схема настроена таким образом, чтобы R-зубцы ЭКС не вызывали бы ее срабатывания, т. е. пороговая схема реагирует на помеху, амплитуда которой превышает максимальное значение амплитуды R-зубца ЭКС. В том случае, когда помеха вызывает срабатывание пороговой схемы, формирователь строба помехи, воздействуя на схему запрета, предотвращает формирование выходного сигнала устройства.

Существенным недостатком указанного устройства является то, что в нем исключается воздействие лишь помех, амплитуда которых заведомо больше максимального значения амплитуды R-зубца ЭКС. Наличие помехи меньше амплитуды R-зубца ЭКС в моменты времени после срабатывания временного селектора и до прихода последующего R-зубца приводит также, как и указано выше, к ложному срабатыванию выходного компаратора. Известно также устройство для выделения R-зубца электрокардиосигнала, содержащее последовательно соединенные усилитель ЭКС, фильтр, двухполупериодный детектор, управляемый ограничитель, компаратор и временный селектор, который, обеспечивая рефракторный период с фиксированной длительностью 200 - 300 мс, предотвращает срабатывание компаратора от возможных колебательных процессов в фильтре, помех, а также от Т-зубца ЭКС. Однако указанное устройство также не обладает высокой помехозащищенностью и надежностью выделения R-зубцов ЭКС, так как воздействие помехи в моменты времени, начиная с окончания срабатывания временного селектора и до появления последующего R-зубца ЭКС вызывает ложное срабатывание компаратора, тем самым искажая информацию о периоде следования R-зубцов ЭКС.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство, в котором для повышения надежности выделения R-зубца в широком диапазоне величин RR-интервалов осуществляется адаптивная временная селекция текущего R-зубца электрокардиосигнала, зависящая от длительности предыдущего кардиоинтервала. Для этого используется преобразователь интервал-напряжение, амплитуда выходного напряжения которого пропорциональна длительности RR-интервала. Выходное напряжение преобразователя делится делителем напряжения и запоминается пиковым детектором как информация о предыдущем кардиоинтервале. В последующем цикле преобразования текущее значение напряжения преобразователя сравнивается компаратором с напряжением пикового детектора и в случае равенства этих напряжений компаратор формирует импульс блокировки, воздействующий на выходную схему совпадения.

Однако рассмотренное устройство имеет повышенную сложность (имеет в своем составе 21 блок) и, как следствие этого, пониженную надежность работы, увеличенные энергопотребление, габариты и массу. Кроме того, для функционирования указанного устройства необходима достаточно объемная и точная настройка отдельных блоков-компараторов, делителей напряжения, что снижает технологичность изготовления устройства в производстве. Блоки в указанном устройстве выполнены на основе аналоговых узлов и длительность блокировки текущего RR-интервала определяется параметрами таких блоков, как преобразователь интервал-напряжения, делитель напряжения, компаратор напряжения. Изменение условий эксплуатации приводит к изменению параметров указанных блоков и, следовательно, и существенному изменению длительности блокировки текущего RR-интервала, т. е. надежность выделения R-зубца в широком диапазоне RR-интервалов будет уменьшена.

Цель изобретения является повышение надежности выделения R-зубцов в электрокардиосигнале.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее фильтр, вход которого подключен к входной шине устройства, первый компаратор и последовательно соединенные второй компаратор и элемент совпадений, дополнительно введены двухполупериодный детектор, вход которого подключен к выходу фильтра, а выход - к входу первого компаратора, последовательно соединенные генератор импульсов, счетчик импульсов, элемент памяти и преобразователь кодов, выход которого подключен к первому входу второго компаратора, и дешифратор, вход которого соединен с выходом счетчика импульсов и с вторым входом компаратора, а выход - с вторым входом счетчика импульсов, третий вход которого подключен к второму входу элемента памяти и к выходу элемента совпадений, второй вход которого соединен с выходом первого компаратора, причем второй компаратор выполнен в виде цифрового компаратора, а выход элемента совпадения подключен к выходной шине устройства. Таким образом, в предложенном устройстве порог срабатывания цифрового компаратора определяется длительностью предшествующего периода следования R-зубцов ЭКС, и следовательно, отрезок времени, в течение которого возможные помехи не пройдут на выход устройства может быть установлен достаточно близким к периоду следования R-зубцов ЭКС.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства выделения R-зубцов ЭКС; на фиг. 2 - эпюры напряжений в отдельных точках схемы.

Устройство содержит последовательно соединенные фильтр 1, двухполупериодный детектор 2, первый компаратор 3, выход которого соединен с одним из входов элемента совпадений 4. Выход генератора импульсов 5 соединен со счетным входом счетчика 6, цифровые выходы которого подключены к информационным цифровым входам дешифратора 7, элемента памяти 8 и к одному из цифровых входов сравнения второго компаратора 9. Цифровые выходы элемента памяти 8 через преобразователь кодов 10 подключен к другим цифровым входам сравнения второго компаратора 9, а выход его соединен с вторым входом элемента совпадения 5, выход которого соединяется с входом предварительной установки счетчика 6 и с входом записи элемента памяти 8, а выход дешифратора 7 подключен к входу запрещения счета счетчика 6.

Работа устройства происходит следующим образом. С входной шины устройства на вход фильтра 2 поступает усиленный электрокардиосигнал, состоящий в общем случае из QRS-комплексов, Т и Р-зубцов и помех П. В качестве фильтра 1 может быть использован, например, активный RC-фильтр с крутизной склонов амплитудно-частотной характеристики приблизительно 12 дБ/окт, обеспечивающий улучшение отношения амплитуды R-зубцов к амплитуде Р, Т-зубцов и помех.

На выходе первого компаратора 3 формируются импульсы, обусловленные в общем случае Р и Т-зубцами, а также воздействием помех П (см. фиг. 2а). Допустим, что при первоначальном включении устройства счетчик 6 устанавливается в состояние, соответствующее максимальному числу N_o, которое может быть записано в счетчик. Затем под воздействием импульсов генератора 5 содержимое счетчика начинает уменьшаться (см. фиг. 2в). При достижении содержимого счетчика N_nмин происходит срабатывание цифрового компаратора 9 (см. фиг. 2г). В дальнейшем, если по каким-либо причинам на вход предварительной установки счетчика 6 не поступает импульс с выхода первого компаратора 3, соответствующий R-зубцу ЭКС, то при достижении содержимого счетчика N_мин дешифратор 7 вырабатывает сигнал, воздействующий на счетчик 6 (см. фиг. 2б) и вызывающий запрещение его дальнейшего счета. В результате содержимое счетчика остается неизменным до прихода на вход предварительной установки импульса от воздействия R-зубца.

При поступлении указанного импульса его фронтом 0,1 производится запись в элемент памяти 8 соответствующего кода счетчика 6, после чего содержимое счетчика принимает максимальное значение, в результате происходит срабатывание цифрового компаратора 9 и на его выходе появляется уровень лог. "0", который, воздействуя на элемент совпадений 4, запрещает прохождение через него любых импульсов до момента последующего срабатывания компаратора, например, с момента Т₁ до t₁ или с момента Т₃ до t₃ и т. д. (см. фиг. 2в). Величина порога срабатывания N_Пnцифрового компаратора 9 определяется из соотношения N_Пn = N_o - K (1-m) T_n , (1) где N_o - максимальное значение емкости счетчика; К - крутизна изменения содержимого счетчика.

Крутизна определяется частотой следования импульсов генератора импульсов и ее можно оценить из выражения K= (2) где Т_о - длительность времени, в течение которого содержимое счетчика изменяется от его максимального значения до минимального.

Коэффициент m определяет порог срабатывания цифрового компаратора и определяется из выражения m= (3) где N_счn - величина содержимого счетчика 6 в момент воздействия на него импульса R-зубца на вход предварительной установки, которая также в этот момент записывается в элемент памяти 8.

Величина порога срабатывания N_Пn формируется на выходе преобразователя кодов 10 в тот момент, когда на цифровых входах его устанавливается код счетчика N_счn. В качестве преобразователя кодов 10 могут быть использованы ППЗУ или программируемые логические матрицы. Запись величины счетчика N_счn в элемент памяти 8 производится по фронту 0,1 импульс первого компаратора 3, соответствующего R-зубцу ЭКС.

Таким образом, каждое последующее значение порога срабатывания цифрового компаратора 9 определяется предыдущим периодом T_n-1 следования R-зубца ЭКС.

Время, в течение которого помехи не оказывают никакого влияния и не проходят на выходную шину устройства, определяется временем нахождения выхода цифрового компаратора в состоянии лог. "0" и может быть найдено из соотношения t_зn = (1-m) T_n-1 (4) Следовательно, изменяя порог срабатывания цифрового компаратора 9, можно существенно улучшить помехоустойчивость и тем самым повысить надежность выделения R-зубца ЭКС в предложенном устройстве, которое работает на цифровом принципе. Стабильность длительности блокировки текущего R-R-интервала определяется только стабильностью частоты генератора импульсов, которая может обеспечена достаточно высокой, особенно при использовании кварцевых резонаторов.

Предложенное устройство проще по конструкции, так как по сравнению с прототипом содержит меньшее количество функциональных узлов, схемно-техническое исполнение и сложность которых как в прототипе, так и предложенном устройстве примерно близки. В связи с этим уменьшаются масса и габариты, сокращается энергопотребление. Кроме того, предложенное устройство не требует настройки, так как пороги цифрового компаратора 9 заранее запрограммированы в преобразователе кодов 10, который выполнен на основе ППЗУ или программируемой логической матрицы. Практически все узлы предложенного устройства могут быть выполнены с использованием типовых микросхем: генератор импульсов 5, счетчик импульсов 6, дешифратор 7, элемент памяти 8, цифровой компаратор 9, элемент совпадения 4 возможно реализовать на ИМС серии К561 (или 564). Рассмотрим конкретно, например, построения счетчика импульсов 6, на основе ИМС К561ИЕ11 (564ИЕ11).

Указанная микросхема имеет разрешающий вход V, который служит для остановки счета с сохранением состояний на информационных выходах Q₁ - Q₄, который в предложенном устройстве должен быть подключен к выходу дешифратора. Счетный вход Т ИМС подсоединяется к выходу генератора импульсов 5, вывод 1 ИМС подключается к общей шине, что обеспечивает работу счетчика в режиме вычитания, входы предварительной установки D₁ - D₄ должны быть соединены с шиной "плюс" питания. Такое подключение их соответствует максимальному значению числа, заносимого в счетчик при подаче с выхода устройства импульсов U_вых на вход WR-счетчика. Вывод R-счетчика установка нуля должен быть подключен к общей шине.

Фильтр 1, двухполупериодный выпрямитель 2 выполняются на операционных усилителях, например серии 140, компаратор 3 - на ИМС 554 САЗ.

Двухполупериодный выпрямитель обеспечивает на своем выходе всегда положительный сигнал, который сравнивается с пороговым значением, установленным на другом входе сравнения первого компаратора. (56) Патент США N 4231374, кл. А 61 В 5/04, 1980.

Авторское свидетельство СССР N 760950, кл. А 61 В 5/02, 1978.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ R-ЗУБЦА ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА, содержащее фильтр, вход которого подключен к входной шине устройства, первый компаратор, и последовательно соединенные второй компаратор и элемент совпадений, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности выделения R-зубца, в него введены двухполупериодный детектор, вход которого подключен к выходу фильтра, а выход - к входу первого компаратора, последовательно соединенные генератор импульсов, счетчик импульсов, элемент памяти и преобразователь кодов, выход которого подключен к первому входу второго компаратора, и дешифратор, вход которого соединен с выходом счетчика импульсов и с вторым входом второго компаратора, а выход - с вторым входом счетчика импульсов, третий вход которого подключен к второму входу элемента памяти и к выходу элемента совпадений, второй вход которого соединен с выходом первого компаратора, причем второй компаратор выполнен в виде цифрового компаратора, а выход элемента совпадений подключен к выходной шине устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2