Способ обнаружения qrs-комплекса и определения момента его появления

 

Изобретение предназначено для компьютерной обработки кардиограмм, для расчета RR-интервалов, построения периодограмм и других задач, связанных с анализом сердечного ритма, для использования в кардиографах с автоматической обработкой ЭКГ. Способ включает операции вычисления текущих значений мощности ЭКГ-сигнала и сравнения их с пороговым значением. Вычисление мощности сигнала как суммы абсолютных значений производной сигнала в области вокруг данного отсчета ЭКГ, использование результатов сравнения для первого (грубого) определения момента появления QRS-комплекса и поиска экстремума производной сигнала на интервалах ЭКГ позволяет существенно повысить точность определения момента появления QRS-комплекса и использовать данное изобретение в точных методах компьютерной обработки кардиограмм, таких, например, как спектральный анализ сердечного ритма. Преимуществом способа является и его нечувствительность к медленным изменениям сигнала (к дрейфу изолинии), связанная с использованием производной, не содержащей постоянной составляющей исходного сигнала. Это позволяется снизить число ошибок при применении способа в методах диагностики. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области кардиографии и может применяться при компьютерной обработке кардиограмм, для расчета RR-интервалов, построения периодограмм и других задач, связанных с анализом сердечного ритма, а также в кардиографах с автоматической обработкой ЭКГ.

Одной из основных задач компьютерного анализа ЭКГ является автоматическое обнаружение характерных элементов ЭКГ (в первую очередь - QRS - комплексов) и измерение их параметров. С развитием методов обработки ЭКГ требования к точности измерения параметров ЭКГ постоянно возрастают. Таким параметром, необходимым, например, для дальнейшего анализа сердечного ритма, является момент времени появления QRS - комплекса.

В основе существующих способов обнаружения QRS - комплексов лежит предположение о том, что QRS - комплекс представляет собой участок кардиограмм с наиболее высоким уровнем мощности сигнала. Исходя из этого, для обнаружения комплексов вычисляют текущие значения мощности сигнала и сравнивают с некоторым пороговым значением. Общим недостатком этих способов является низкая точность определения момента появления QRS-комплекса, зависимость от уровня сигнала и ограничения, накладываемые дискретностью отсчетов исходного сигнала ЭКГ.

В способе, принятом за прототип и используемом в электрокардиографической системе System Mingocare II [1,2], мощность сигнала ЭКГ вычисляют как сумму абсолютных значений сигнала на некотором интервале времени.

Полученное значение сравнивают с порогом и момент превышения мощностью порога принимают за момент появления QRS-комплекса.

Для повышения надежности обнаружения QRS-комплексов порог мощности не задают постоянной величиной, а вычисляют по адаптивному алгоритму, учитывающему изменение мощности сигнала от комплекса к комплексу (что соответствует, например, изменению уровня ЭКГ-сигнала).

Недостатком этого способа является низкая точность определения момента появления QRS-комплекса, ограниченная следующими факторами.

По прототипу момент превышения порога существенно зависит от уровня сигнала (т. е. при более сильном сигнале или смещении изолинии вверх превышение порога произойдет раньше).

При этом сам порог не является постоянной величиной, а изменяется по отношению к сигналу несинхронно и непропорционально (из-за инерционности адаптивного алгоритма).

Вообще говоря, мощность, вычисляемая как сумма абсолютных значений сигнала, изменяется относительно плавно. При этом небольшие изменения порога (или сигнала) приводят к существенным изменениям момента его превышения.

Кроме того, точность по прототипу ограничена дискретностью отсчетов исходного сигнала ЭКГ.

Технический результат изобретения состоит в повышении точности определения момента появления QRS-комплекса.

Мощность ЭКГ-сигнала вычисляют как сумму абсолютных значений производной сигнала в области вокруг данного отсчета ЭКГ. При этом мощность очень мало зависит от уровня сигнала и смещения изолинии. Ширина области выбирается приблизительно равной ширине типичного QRS-комплекса.

Полученные значения мощности P_x(i) последовательно сравнивают с некоторым пороговым значением P_t. Конкретное значение порога P_t не влияет на точность способа и выбирается равным примерно половине максимальной мощности P_x. Результаты сравнения, в отличие от прототипа, используют лишь для первого, грубого определения момента появления QRS-комплекса.

Далее, приняв, что характерной точкой комплекса является точка с наибольшей скоростью изменения сигнала (точка экстремума производной сигнала), ищут экстремум производной сигнала на интервалах, где P_x(i)>P_t. Этой точке и соответствует в предлагаемом способе момент появления QRS-комплекса. Конкретный вид экстремума (максимум или минимум) должен быть выбран предварительно. Критерии выбора одного из этих экстремумов определяются требованиями дальнейшего использования полученных измерений.

Определение момента времени по производной сигнала является существенным отличием от прототипа, использующего интеграл от сигнала. Это отличие позволяет определить момент времени более точно, так как производная сигнала изменяется во времени гораздо быстрее, чем интеграл. Так, если сигнал имеет вид у= A·sin(wt), то его производная равна w·A·cos(wt), а интеграл равен (1/w)·A·cos(wt). Отсюда видно, что изменение производной численно больше изменения интеграла в w·w раз, где w - частота исследуемого сигнала (для кардиосигнала характерны частоты 10...14 Гц). Точность же определения момента времени равна интервалу времени, за который сигнал изменяется на величину, равную погрешности его измерения, а поскольку производная изменяется быстрее его интеграла, то и точность определения момента времени по производной будет лучше приблизительно в w·w раз, чем использование интеграла от сигнала (как в прототипе).

Дополнительно повышающим точность способа является то, что момент максимума производной определяют с точностью, более высокой, чем дискретность отсчетов исходного сигнала. Для этого после вычисления производной dx(i) в дискретные моменты времени и нахождения максимального значения d_max=dx(i_max) в некотором интервале вокруг i_max выполняют аппроксимацию значений производной параболой (или другой функцией) и вычисляют момент времени T_max, равный моменту максимума параболы. Точность определения T_max при этом не ограничивается дискретностью отсчетов, а определяется лишь погрешностью аппроксимации.

Производную сигнала вычисляют с помощью специального цифрового дифференцирующего фильтра, обеспечивающего одновременно с вычислением производной подавление высокочастотных шумов, которые всегда присутствуют в исходном сигнале и проявляются наиболее заметно при его дифференцировании. При этом может быть использован фильтр, дифференцирующий сигнал в полосе низких частот и одновременно подавляющий сигнал в полосе высоких частот.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) такого фильтра является комбинацией характеристик дифференцирующего фильтра и фильтра низких частот. Этот вид фильтра описан в работах Хемминга (Hamming R.W), Цифровые фильтры. -М.: Недра, 1987, с. 156, Ланцоша (Lanczos C.), Кайзера (Kaiser J.F.) и других классиков цифровой обработки сигналов.

Преимущество предложенного способа состоит в существенно более высокой точности определения момента появления QRS-комплекса, позволяющей использовать его в точных методах компьютерной обработки кардиограмм, таких, например, как спектральный анализ сердечного ритма.

Другим преимуществом способа является его нечувствительность к медленным изменениям сигнала (к дрейфу изолинии), связанная с использованием производной, не содержащей постоянной составляющей исходного сигнала. Это позволит снизить число ошибок при применении способа в методах диагностики.

Формула изобретения

1. Способ обнаружения QRS-комплекса и определения момента его появления, состоящий в том, что для обнаружения комплекса вычисляют текущие значения мощности ЭКГ-сигнала и сравнивают с некоторым пороговым значением P_t, отличающийся тем, что мощность P_x сигнала вычисляют как сумму абсолютных значений производной сигнала в области вокруг данного отсчета ЭКГ, результаты сравнения используют для первого грубого определения момента появления QRS-комплекса, а точное определение момента выполняют поиском экстремума производной сигнала на интервалах ЭКГ, где P_x > P_t.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после вычисления производной dx(i) в дискретные моменты времени и нахождения экстремального значения d_max = dx(i_max) в некотором интервале вокруг i_max выполняют апроксимацию значений производной, например, параболой и вычисляют момент появления QRS-комплекса как момент экстремума параболы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с вычислением производной ЭКГ-сигнала осуществляют подавление высокочастотных шумов, например, с помощью цифрового дифференцирующего фильтра.