:::Регистрация электрокардиосигналов с высоким разрешением. Обеспечение помехозащищенности аналоговой части ЭКГ ВР:::

Книги по электронике

Основы электроники

Бытовая электроника, ремонт

Частотная фильтрация

Автоматика, теория управления

Аудиотехника, аудио электроника

ЭКГ, медицина, биология

Справочники по электронике и электронным компонентам

Микроконтроллер

Регистрация электрокардиосигналов с высоким разрешением. Обеспечение помехозащищенности аналоговой части ЭКГ ВР

Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии. Компьютеризированные биомедицинские приборы и системы
проблемы обеспечения помехоустойчивости в устройствах первичной обработки при съёме, регистрации и обнаружении низкоамплитудных составляющих сигналов биоэлектрической активности сердца

Maintenance of the noise stability at registration and detection of low amplitude contents of heart bioelectric activity.

Low amplitude contents of heart bioelectric activity analysis has developed recently to a promising field of cardiology. Measures of low amplitude contents of heart bioelectric activity can be corrupted by environmental noise or technical artifacts arising from analog and digital signal processing. The present investigation addressed the analysis of the effects of AC interference and its filtering on the precision and accuracy of low amplitude contents of heart bioelectric activity detection. ECG recordings with predefined parameters were simulated by a computer and a data acquisition card, consecutively filtered by analog filters and digitized at 10 kHz by the same card ahead of and subsequent to the filter circuit. These latter signals were analyzed. Besides disregarded or unidentified biological factors, such as spontaneous movements or verbalization, there may be background technical features which are ignored as well, such as the sampling frequency of AD conversion. AC filtering of ECG signals for low amplitude contents of heart bioelectric activity analysis is considered important, and further investigation of this area is encouraged

В настоящее время в электрокардиографии интенсивно развивается направление, связанное с регистрацией и анализом низкоуровневых составляющих кардиосигнала, так называемая электрокардиография высокого разрешения. Многими авторами показана высокая значимость диагностических признаков, получаемых в рамках данного направления, определены перспективы применения в клинической практике [5], проводятся исследования с целью оценки значимости электрокардиографии высокого разрешения в прогнозировании развития различных заболеваний с привлечением большого числа обследуемых [3]. Ещё в 1991 году Европейским кардиологическим обществом были опубликованы рекомендации по регистрации электрокардиограмм высокого разрешения [7].
Развитие электрокардиографии высокого разрешения стало возможным благодаря совершенствованию элементной базы электронных компонентов, а также в связи с ростом вычислительной мощности персональных компьютеров. Однако многие проблемы обеспечения помехоустойчивости в устройствах первичной обработки при съёме, регистрации и обнаружении низкоамплитудных составляющих электрокардиосигнала (ЭКС) остаются не решёнными. Во многом это связано с тем, что поскольку обработка сигнала, включая его фильтрацию, во всё большем объёме производится цифровыми средствами, то мало внимания уделяется техническим особенностям каналов аналоговой обработки [6]. Так как исследования, как правило, проводятся в условиях значительных помех (сетевые наводки, мышечные шумы, вызванные движениями пациента артефакты, дрейф изолинии, высокочастотные помехи и др.), то электрокардиографы снабжены аналоговыми и цифровыми фильтрами, обеспечивающими, соответствующую полосу пропускания для полезного сигнала. При этом не учитываются искажения, вносимые поэтапной как аналоговой, так и цифровой фильтрацией сигнала. Это является одной из причин того, что контроль одного и того же физиологического процесса, проводимый различными общепризнанными приборами, дает различные значения контролируемых параметров [1]. Другой причиной является отставание метрологической теории от развития современных медицинских информационно-измерительных систем, таких как компьютерные электрокардиографы и электроэнцефалографы, эхокардиографы, ангиографические комплексы, томокомпьютеры и др. Основной задачей является выявление проблем обеспечения оптимального соотношения между помехоустойчивостью и неискажённостью сигнала для устройств съёма, регистрации и обнаружения низкоамплитудных составляющих сигналов биоэлектрической активности сердца. В работе [4] подробно исследованы аппаратные возможности съёма и регистрации низкоамплитудных составляющих ЭКС, предложены алгоритмы их обнаружения, в частности описаны помехи различной природы, значительно влияющие на полезный сигнал (таблица 1)

Таблица 1 Параметры помех, сопровождающих регистрацию ЭКС

Параметр	Значение параметра помехи
Параметр	Электромиосигнал покоя	Электромиосигнал при напряжении мышц	Наводка от силовой электрической сети	Артефакты поляризации и смещения электродов
Амплитуда, мВ	0.01 - 0.05	0.05 - 3	0 – 104	0 – 103
Диапазон частот, Гц	0 - 300	0 – 104	50 и гармоники до 2000 Гц	0 – 30

Из анализа частотного состава помех следует, что для обеспечения помехоустойчивости канала обработки ЭКС необходимо подвергнуть фильтрации практически весь частотный диапазон от 0 до 10 кГц, включающий в себя и частоты полезного сигнала. Этот подход реализуется в устройствах аналоговой регистрации R-зубцов ЭКС [2] путём использования фильтров низкой и высокой частоты (ФНЧ и ФВЧ), полосовых и режекторных фильтров (ПФ и РФ), обеспечивающих максимальное усиление в диапазоне основной спектральной мощности QRS-комплекса, которая сосредоточена в районе 2-20 Гц. Соответственно данное устройство устойчиво к помехам, представленным в таблице 1. Однако в устройствах анализа тонкой структуры ЭКС данный подход неприменим, так как низкоамплитудные полезные составляющие имеют гораздо более широкий спектр. В работе [8] описаны результаты исследований влияния помехи 50 Гц (только основной гармоники) и работы активного РФ второго порядка на форму ЭКС при различном значении добротности фильтра, а также при различном отношении сигнал – шум, оценивалась погрешность, вносимая в значения длительностей RR-интервалов, её значение колебалось от нуля до 10 мс. При этом не учитывалось что, несмотря на уменьшение значения ошибки с ростом добротности фильтра, возникает рост спектральных искажений вносимых “звоном” РФ. Влияние РФ и ПФ иллюстрирует следующий опыт. На вход данных фильтров, включённых последовательно, подаётся сигнал прямоугольной формы. Резуьтат на выходе фильтров (что приближённо является импульсной характеристикой звена) представляет собой затухающие колебания при этом, чем выше добротность фильтров, тем дольше не затухают колебания, следует отметить, что первый период является наименее близким к синусоидальной форме, имея наибольшую амплитуду (рис. 1, сверху). При этом фильтры выполняют свою функцию, ослабляя в спекр сходного сигнала (рис. 1, посередине) все составляющие, кроме полосы 16-20 Гц (рис. 1, внизу). Особую сложность представляет фильтрация электромиосигналов, поскольку их частотный диапазон перекрывает частотный диапазон низкоамплитудных составляющих ЭКС, поэтому уменьшение их влияния видится за счёт использования специальных систем отведений, а также за счёт использования методов квазисинхронного накопления. Усиленный ЭКС пропускается сквозь параллельную серию полосовых фильтров, один из которых обеспечивает сигнал синхронизации, остальные настроены на усиление узких полос частот (100 Гц, 200 Гц, 300 Гц, и т.д.), затем для каждого канала происходит накопление трёх-пяти минутных записей в соответствии с сигналами синхронизации. Результаты анализируются раздельно и в совокупности, может быть произведено обратное сложение сигналов. На рисунке 2 представлен спектр усреднённого сигнала (трёх минутная запись) пропущенного через ПФ второго порядка на 500 Гц. При этом следует обращать внимание на амплитудно-частотный состав на усреднённом кардиоцикле не только в районе усиленной полосы частот, но и в остальных (ослабленных) областях. Появление в них компонентов с повышенной амплитудой относительно окрестности может служить признаком наличия периодически появляющихся низкоамплитудных составляющих ЭКС. Последнее утверждение является гипотезой и требует дополнительных исследований.
В связи с вышеизложенным особенно актуальным становиться нахождение оптимального соотношения между помехоустойчивостью и неискажённостью сигнала для устройств съёма, регистрации и обнаружения низкоамплитудных составляющих сигналов биоэлектрической активности сердца. Для реализации этого необходимым видится решение следующих задач; отделение синхронизирующего канала, требующего высокоточной передачи информации о длительности RR-интервалов; дополнительное усиление ЭКС внутри аналогового тракта; временная и частотная селекция сигнала; обязательное проведение части экспериментов в экранированном помещении
реакция режекторного и полосового фильтров на импульсный сигнал

реакция режекторного и полосового фильтров на импульсный сигнал

Рисунок 1. Сверху вниз: Реакция ПФ и РФ на сигнал импульсной формы, спектр входного сигнала, спектр выходного сигнала.
амплитудно-частотный состав усредненного кардиоцикла

амплитудно-частотный состав усредненного кардиоцикла

Рисунок 2. Амплитудно-частотный состав на усреднённом кардиоцикле для

ПФ 500 Гц. По горизонтали – время усреднённого кардиоцикла, по вертикали частота от 0 до 2 кГц, значение амплитуды показано в градациях серого цвета, чем темнее, тем больше значение амплитудыРисунок 2. Амплитудно-частотный состав на усреднённом кардиоцикле для ПФ 500 Гц. По горизонтали – время усреднённого кардиоцикла, по вертикали частота от 0 до 2 кГц, значение амплитуды показано в градациях серого цвета, чем темнее, тем больше значение амплитуды

литература

1. Архипенко А. Ю. “Качество обработки биологических сигналов” М.: Институт Сердечно-Сосудистой Хирургии Им А. Н. Бакулева РАМН, 2002.
2. Белов А.В., Пуликов Д.Г., Сергеев Т.В. Выделитель кардиоинтервалов для ввода в персональный компьютер. Сб.: Известия СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, серия Биотехнические системы в медицине и экологии, вып. 2/2005. C. 100-105.
3. Гришаев С.Л., Свистов А.С., Солнцев В.Н., Пинегин А.Н., Аланичев А.Е. Возможности электрокардиографии высокого разрешения в прогнозировании пароксизмальной фибрилляции предсердий у больных ишемической болезнью сердца. Вестник Аритмологии 37 от 25/01/2005. С. 25-31.
4. Зайченко К.В., Жаринов О.О., Кулин А.Н., Кулыгина Л.А.,. Орлов А.П. Съем и обработка биоэлектрических сигналов: Учеб. пособие / Под ред. К. В. Зайченко. СПбГУАП. СПб., 2001.
5. Иванов Г.Г. Электрокардиография высокого разрешения. М. 1999.
6. Крамаренко А.В. Принцип подавления внешних шумов при проектировании аппаратуры для ээг исследований.
7. Breithard G., Cain E., El-Sherif N. et al.. Standards for the analysis of ventricular late potentials using high resolution or signal averaged electrocardiography. A statement by a task force committee of the European Society of Cardiology, the American Heart Association, the American College of Cardiology // Europ. Heart J: 1991. – Vol.12. – P. 473-480.
8. Hejjel L. “Suppression of power-line interference by analog notch filtering in the ECG signal for heart rate variability analysis: to do or not to do?” Med. Sci. Monit., 2004; 10(1): MT6-13