Устройство для выделения и анализа r-зубцов электрокардиосигнала

 

Устройство для выделения и анализа R-зубцов электрокардиосигнала содержит последовательно соединенные пиковый де тектор 1, компаратор 2 и формирователь 3 строба и компаратор 5. С целью повышения надежности выделения R-зубцов и проведения дифференциальной диагностики типов желудочковых экстрасистол в него введены пиковый детектор 4, последовательно соединенные формирователь 6 строба, триггер 7, временной селектор 8, блок 9 логического анализа и блок 10 индикации, блок 11 вычитания , компараторы 12, 13 и 14 и логический элемент ИЛИ 15. 7 ил. а S

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (gg 4 А 61 В 5/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4035726/28-14 (22) 10.03.86 (46) 07.01.88. Бюл. № 1 (71) Пензенский политехнический институт и Пензенский государственный институт усовершенствования врачей (72) Т. В. Истомина, В. Э. Олейников, И. П. Татарченко, В. П. Шевченко и В. М. Шляндин (53) 615.47 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 540625, кл. А 61 В 5/02, 30.12.74.

Авторское свидетельство СССР № 993916, кл. А 61 В 5/02, 13.06.80.

„„SU,» 1364298 A t (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ И

АНАЛИЗА R-ЗУБЦОВ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА (57) Устройство для выделения и анализа

R-зу бцов электрокардиосигнала содержит последовательно соединенные пиковый детектор 1, компаратор 2 и формирователь 3 строба и компаратор 5. С целью повышения надежности выделения R-зубцов и проведения дифференциальной диагностики типов желудочковых экстрасистол в него введены пиковый детектор 4, последовательно соединенные формирователь 6 строба, триггер 7, временной селектор 8, блок 9 логического анализа и блок 10 индикации, блок 11 вычитания, компараторы 12, 13 и 14 и логический элемент ИЛИ 15. 7 ил.

1364298

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к диагности .еским кардиологическим устройствам.

Цель изобретения — повышение надежности выделения R-зубцов и проведение дифференциальной диагностики типов желудочковых экстрасистол.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства для выделения и анализа R-зубцов электрокардиосигнала; на фиг. 2 — схема временного селектора; на фиг. 3 — схема блока логического анализа; на фиг. 4 — схема регистра, входящего в состав блока логического анализа; на фиг. 5 — временные диаграммы сигналов; на фиг. 6 — таблица, поясняющая выполняемую устройством классификацию входных импульсных сигналов, и основные типы желудочковых комплексов электрокардиосигнала, выделяемые с помощью устройства; на фиг. 7 — эпюры сигналов на выходах блоков, осуществляющих формирование строба заднего фронта в блоке логического анализа.

Устройство для выделения и анализа

R-зубцов электрокардиоси гнала содержит (фиг. 1) последовательно соединенные первый пиковый детектор 1, первый компаратор 2 и первый формирователь 3 строба, последовательно соединенные второй пиковый детектор 4, второй компаратор 5, второй формирователь 6 строба, триггер 7, временной селектор 8, второй вход которого подключен к второму выходу триггера 7, блок 9 логического анализа, второй вход которого подключен к второму выходу временного селектора 8, и блок 10 индикации, блок 11 вычитания, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого пикового детектора 1 и второго пикового детектора 4, первый вход которого подключен к входной шине устройства, к первому входу первого пикового детектора 1 и к вторым входам первого 2 и второго 5 компараторов, третий 12, четвертый 13 и пятый 14 компараторы, первые входы которых соединены с выходом блока 11 вычитания, вторые входы — соответственно .с первой, второй и третьей шинами опорного напряжения U, U и U, а выходы— соответственно с третьим, четвертым и пятым входами блока 9 логического анализа, второй выход которого подключен к выходной шине устройства, и логический элемент

ИЛИ 15, выход которого соединен с третьими входами временного селектора 8 и компараторов 12 — 14 и с шестым входом блока 9 логического анализа первый вход— с вторыми входами триггера 7 и второго пикового детектора 4 и с выходом первого формирователя 3 строба, а второй вход— с вторым входом первого пикового детектора 1 и с выходом второго формирователя 6 строба.

2

Каждый пиковый детектор 1 и 4 содержит (фиг. 1) первый 16 и второй 17 операционные усилители, элемент 18 задержки, ключ 19, диод 20, конденсатор 21 и два резистора 22 и 23. Диод 20 и конденсатор 21 образуют диодно-емкостную запоминающую ячейку. Конструкция пиковых детекторов 1 и 4 отличается только полярностью включения диода 20 между выходом первого операционного усилителя 16 и конденсатором 21, которая и определяет полярность запоминаемых экстремальных значений входного сигнала.

Временной селектор 8 содержит (фиг. 2) два генератора 24 и 25 пилообразного напряжения, входы которых являются соответственно первым и вторым входами временного селектора 8, два логических элемента ИЛИ 26 и 27, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами временного селектора 8, и четыре компаратора 28 — 31, стробирующие входы которых объединены и являются третьим входом временного селектора 8. Опорные входы компараторов 29 и 30 подключены к четвертой шине опорного напряжения U, а опорные входы компараторов 28 и 31 — к пятой шине опорного напряжения Uz.

Блок 9 логического анализа содержит (фиг. 3) первый 32 и второй 33 триггеры, одновибраторы 34 — 39, элементы 40 — 42 задержки, инверторы 43 — 45, логические элементы И 46 — 55, логические элементы

ИЛИ-НЕ 56 и 57, логические элементы ИЛИ

58 — 61, регистр 62 и счетчик 63 импульсов.

При этом регистр 62 может быть выполнен, например, в виде четырех ячеек 64 — 67 памяти на 1К-триггерах и элемента 68 задержки (фиг. 4). Счетчик 63 импульсов может содержать, например, четыре параллельно включенных счетных элемента. Первый 3 и второй 6 формирователи строба могут быть выполнены, например, в виде одновибраторов, а в качестве блока 11 вычитания может быть использован, например, дифференциальный усилитель.

Устройство работает следующим образом.

Электрокардиограмма с пациента снимается с помощью униполярных отведений, причем расположение сигнального электрода соответствует одному из стандартных грудных отведений или . Электрокардиографический сигнал (фиг. 5, U ) подается на входную шину устройства, а затем поступает на первый вход первого пикового детектора 1, осуществляющего выделение максимальных значений входного сигнала (фиг. 5, Ug, и на первый вход второго пикового детектора 4, выделяющего минимальные значения входного сигнала (фиг. 5, U ).

Выделение моментов экстремумов производится первым компаратором 2 (моменты максимумов) и вторым ком паратором 5

1364298

3 (моменты минимумов), сигналы с выходов которых преобразуются первым 3 и вторым 6 формирователями строба в стробирующие импульсы (стробы), которые управляют работой первого 1 и второго 4 пиковых детекторов, переводя их в режим слежения. Причем сигнал с выхода первого формирователя 3 строба максимума (фиг. 5, U ) подается на второй вход второго пикового детектора 4, выделяющего минимумы, а сигнал с выхода второго формирователя 6 строба минимума подается на второй вход первого пикового детектора 1, выделяющего максимумы, что обусловлено чередованием максимумов и минимумов в исходном сигнале.

После выделения экстремумов устройство осуществляет анализ зубцов электрокардиосигнала по амплитуде и длительности перепадов между двумя смежными экстремумами.

Интервалы, соответствующие длительности перепадов входного сигнала, формируются на первом и втором выходах триггера 7, на первый и второй входы которого подаются сигналы соответственно с выхода первого формирователя 3 строба и с выхода второго формирователя 6 строба, несущие информацию о моментах экстремумов входного сигнала. В результате этого на первый вход временного селектора 8 поступают импульсы, длительности которых равны временным интервалам между соседними локальными максимумами и минимумами, а на его второй вход — импульсы, длительности которых равны временным интервалам между соседними локальными минимумами и максимумами. Временной селектор 8 производит разделение полученных интервалов по длительности Т на три зоны:

Tt,.

Сигнал, несущий информацию об амплитуде А перепада между любыми двумя смежными экстремумами входного сигнала устройства, формируется на выходе блока 11 вычитания, определяющего разность сигналов, поступающих с выходов первого 1 и второго 4 пиковых детекторов. Затем эта разность подается на первые входы третьего 12, четвертого 13 и пятого 14 компараторов, которые производят разделение перепадов по амплитуде А на четыре зоны:

AcU, U, A

Стробы, поступающие на вторые входы компараторов 12 — 14 с выхода логического элемента ИЛИ 15, обеспечивают сравнение разностного сигнала с заданными порогами в моменты времени, соответствующие каждому локальному экстремуму, что дает возможность проводить сравнение тогда, когда на входе компараторов 12 — 14 имеется напря5 10

55 жение, равное амплитуде перепада между двумя очередными смежными экстремумами.

Сигналы с первого и второго выходов временного селектора 8, а также с выходов компараторов 12 в 14 поступают соответственно на первый, второй, третий, четвертый и пятый входы блока 9 логического анализа, который на основе данных об амплитуде и длительности перепадов входного сигнала осуществляет достоверное выделение R-зубцов электрокардиосигнала на фоне помех различного вида, таких как дрейф изолинии, сетевая помеха и импульсные артефакты. Подобный анализ позволяет обнаружить R-зубцы также при наличии Т-зубцов, сравнимых и даже превосходящих по амплитуде R-зубцы. Кроме того, при анализе перепадов по амплитуде и длительности становится возможным выделение аберрантных желудочковых комплексов и классификация их на желудочковые экстрасистолы трех типов, что также осуществляется блоком 9 логического анализа.

В таблице (фиг. 6а), поясняющей классификацию входных импульсных сигналов устройства в зависимости от попадания значений амплитуды А и длительности Т перепадов в различные зоны, величины t и (1 представляют собой параметры, соответствующие нормальному R-зубцу электрокардиосигнала. Величины пороговых уровней U„H U, а также длительность опорного интервала t, выбираются в соответствии с данными электрокардиографических исследований и могут иметь, например, следующие значения: U, = 1,411,; U< = 0,7 Uz, t, = 6(. В графах зон таблицы приведены также соответствующие каждой зоне кодовые комбинации (Х,— Х,-, фиг. 1), которые отображают логическое состояние (единичный или нулевой уровни напряжения) входов блока 9 логического анализа и определяются состоянием компараторов 28 — 31 временного селектора 8 (градации по длительности перепада) и компараторов 12 — 14 (градации по ам плитуде перепада) . На фиг. 6 также представлены четыре тина желудоч Ko Bbtx ком плексов электро ка рдиосигнала, выделение KQTopblx устройством дает диагностическую информацию о состоянии и функционировании сердца: желудочковый б — комплекс с нормальным R-зубцом (норма); в — желудочковая экстрасистола 1 ти па (Ж- I), у которой R-зубец им еет нормальную амплитуду, но повышенную длительность заднего фронта (перепада до ближайшего минимума); г — желудочковая экстрасистола II типа (Ж-11) с R-зубцом, имеющим повышенную амплитуду и повышенную длительность заднего фронта (перепада); д — желудочковая экстрасистола

1II типа (Ж-III), R-зубец которой имеет пониженную амплитуду и нормальную длительность заднего фронта (перепада).

1364298 где Y нормальному

5

На первые входы пиковых детекторов подается входной электрокардиоси гнал, типичный вид U которого представлен на фиг. 5, где R — нормальный желудочковый комплекс; 3C — желудочковая экстрасистола. В момент локальных экстремумов происходит смена знака, прикладываемого к диоду 20 напряжения, что приводит к изменению его проводящего состояния. Стробирующие импульсы, поступающие с выходов формирователей 3 и 6 строба на вторые входы пиковых детекторов 1 и 4 (фиг. 5, U и U ), управляют работой ключей 19, которые замыкаются только на время длительности стробирующих импульсов. Элементы 18 задержки, включенные между вторыми входами пиковых детекторов 1 и 4 и управляющими входами ключей 19, обеспечивают задержку сигнала с выхода блока 11 вычитания на время, необходимое для срабатывания логического элемента ИЛИ 15 и компараторов 12 — 14.

Пиковые детекторы 1 и 4 имеют два режима работы: слежения и запоминания экстремальных значений. На фиг. 5 изображены временные диаграммы напряжений на выходе первого пикового детектора 1 (точка d, фиг. 1) Up и на выходе второго пикового детектора 4 (точка е, фиг. 1) U Пиковые детекторы 1 и 4 работают B противофазе.

Интервалы времени t, t,, (, t, t t, 1 являются интервалами работы в режиме слежения для первого пикового детектора 1 и одновременно интервалами работы в режиме заполнения локальных минимумов для второго пикового детектора 4, а интервалы

/ // / // / // времени t, 1, t, t, (1, ... — интервалами работы в режиме смежения для второго пикового детектора 4 и одновременно интервалами работы в режиме запоминания локальных максимумов для первого пикового детектора 1.

Значения длительности 1 стробирующих импульсов (фиг. 5) и емкости конденсаторов 21 выбираются оптимальными, при которых обеспечивается своевременный разряд конденсаторов 21 для перехода пиковых детекторов 1 и 4 в режим слежения. Параметры схемы пиковых детекторов 1 и 4 также обеспечивают необходимую точность фиксации амплитуды перепада между локальными экстремумами входного сигнала (порядка

О,l /ц при максимальном времени запоминания, которое определяется максимально возможной длительностью временного интервала между соседними локальными экстремумами, порядка 200 мс.

Сигналы с выходов триггера 7, поступающие на первый и второй входы временного селектора 8, запускают генераторы 24 и 25 пилообразного напряжения, которые преобразуют длительности перепадов между смежными экстремумами в напряжение, поступа5

35 ющее на информационные входы компараторов 28 — 31. Опорные напряжения Uq u Uz определяют пороги по длительности для анализируемых временных интервалов. Селекцию импульсов, длительность которых превышает порог U„, соответствующий длительности 1„осуществляют компараторы 29 и 30, выходные сигналы которых через логический элемент ИЛИ 26 поступают на первый выход временного селектора 8. Селекцию импульсов, длительность которых превышает порог U, соответствующий длительности t, осуществляют компараторы 28 и 31, выходные сигналы которых через логический элемент ИЛИ 27 поступают на второй выход временного селектора 8. Сравнение длительностей производится компараторами 28 — 31 в момент прихода строба. Кодовая комбинация сигналов Х, и Х на выходах временного селектора 8 определяет попадание длительностей перепадов между смежными экстремумами входного сигнала устройства в одну из трех зон (фиг. 6а).

Блок 9 логического анализа из всех возможных кодовых комбинаций Х,— Х выделяет те кодовые комбинации, которые соответствуют различным типам желудочковых комплексов электрокардиосигнала, приведенным на фиг. 6. Одновибраторы 34 — 38, инверторы 43 — 45, логические элементы И

46 — 53 и логический элемент ИЛИ-НЕ 57 формируют сигналы Y, — Y4, представляющие собой следующие логические функции от входных сигналов Х вЂ” Х

Y, — X,n X AX llX AX, Y = X A X,A X, Л Х„Л Х, У, = Х,П Х,ПХ,ПХ„ПХ, 4 Хф Х2- 1 Х ) Х вЂ” соответствует

R-зубцу;

Y — Ъ вЂ” соответственно желудочковым экстрасистолам 1 — П l типов.

Так как наиболее информативной частью электрокардиосигнала (в частности, и для выявления аберрантных комплексов) являются задние фронты (перепады) его зубцов, то в устройстве окончательное решение о классификации желудочковых комплексов принимается на основе анализа именно заднего фронта. С помощью триггеров 32 и ЗЗ, одновибратора 39, логических элементов И

54 и 55, логического элемента ИЛИ-НЕ 56, логических элементов ИЛИ 58 — 60 и элементов 40 — 42 задержки осу ществляется формирование сигнала окончательного решения (строба заднего фронта), разрешающего перепись информации о наличии желудочковых комплексов того или иного типа в регистр 62 и далее на входы счетчика 63 импульсов и блока 10 индикации. На фиг. 7 приведены эпюры сигналов на выходах бло1364298 позволяет избежать ошибок в классификации R-зубцов. Подобные ошибки могут возникать при наличии импульсных помех, один из фронтов которых имеет параметры, близ- 10

Формула изобретения

7 ков, производящих формирование строба заднего фронта (вне зависимости от полярности R-зубца), который подается на стробирующий вход регистра 62.

Вхождение устройства в правильный режим работы производится установкой в нулевое состояние первого триггера 32, что кие к параметрам R-зубца, а также при включении устройства с середины анализируемого желудочкового комплекса (фиг. 7А) .

Логические элементы И 55 и ИЛИ-HE 56 обеспечивают сброс первого триггера 32 по неинформативным стробам при отсутствии на входах р=гистра 62 сигналов Y Y т. е. когда сигнал Z = Y„U Y,U Y U Y равен единице. Сброс первого триггера 32 производится также сигналом логической единицы с выхода второго триггера 33. Благодаря вхождению в правильный режим работы устройства первый триггер 32 устанавливается в единичное состояние только по переднему фронту К-зубца сигналом Z,, формируемым логическим элементом ИЛИ 59, так как любой К-зубец будет иметь передний фронт, соответствующий сигналу Y или Y .

Сигнал подготовки к работе, формируемый вторым триггером 33 (фиг. 7), обеспечивает сброс первого триггера 32 после каждого идентифицируемого R-зубца, что подготавливает первый триггер 32 к его переходу в состояние логической единицы при появлении переднего фронта следующего

R-зубца электрокардиосигнала. Второй триггер 33 переводится в единичное состояние по переднему фронту R-зубца и сбрасывается в ноль по заднему фронту R-зубца. Стробирование регистра 62 осуществляется задним фронтом импульса, формируемого на выходе второго триггера 33. Строб заднего фронта формируется также сигналом Уз, так как его наличие однозначно определяет, что пришел задний фронт R-зубца.

В процессс работы устройства в блоке 10 индикации накапливается информация о числе и характере желудочковых экстрасистол за время обследования пациента, а на выход устройства поступает последовательность импульсов, синхронных с R-зуоцами электрокардиосигнала. причем не только с нормальными R-зубцами, но и с R-зубцами повышенной или пониженной амплитуды, а также с аберрантными R-зубцами искажен15

8 ной формы, что обеспечивается логическим элементом ИЛИ 61.

Таким образом, устройство обеспечивает повышение достоверности селекции R-зубца электрокардиоси гнал а и производит выделение желудочковых экстрасистол различных типов, что позволяет улучшить качество профилактики и лечения ollBcHblx желудочковых аритмий в процессе длительности мониторного наблюдения за пациентами.

Устройство для выделения и анализа

R-зубцов электрокардиосигнала, содержащее последовательно соединенные первый пиковый детектор, первый компаратор и первый формирователь строба и второй компаратор, отличающееся тем, что. с целью повышен ия надежности выделения R-зубцов и проведения дифференциальной диагностики типов желудочковых экстрасистол, B него введены второй пиковый детектор, выход которого подключен к первому входу второго компаратора, а первый вход — к входной шине устройства, к первому входу первого пикового детектора и .к вторым входам первого и второго ком па раторов, последовательно соединенные второй формирователь строба, триггер, временной селектор, второй вход которого подключен к второму выходу триггера, блок логического анализа, второй вход которого подключен к второму выходу временного селектора, и блок индикации, блок вычитания, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго пиковых детекторов, третий, четвертый и пятый компараторы, первые входы которых соединены с выходом блока вычитания, вторые входы— соответственно с первой, второй и третьей шинами опорного напряжения, а выходы— соответственно с третьим, четвертым и пятым входами блока логического анализа, второй выход которого подключен к выходной шине устройства, и логический элемент

ИЛИ, выход которого соединен с третьими входами временного селектора и третьего, четвертого и пятого компараторов и с шестым входом блока логического анализа, первый вход — с вторыми входами триггера и второго пикового детектора и с выходом первого формирователя строба, а второй вход— с вторым входом первого пикового детектора и с выходом второго формирователя строба, вход которого подключен к выходу второго компаратора.

1364298

1364298

1364298

38

У1

У1

Л

Щ

Составитель Э. Балуев

Редактор В. Петраш Техред И. Верес Корректор Н. Король

Заказ 6286/3 Тираж 655 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1! 3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4