3. Исследование существующих методов выделения r – зубца

Комплекс QRS является доминантой электрокардиографического сигнала (ЭКС), и его точное обнаружение имеет жизненно важное значение в ряде клинических задач диагностики заболеваний сердца. Задача осложняется тем, что морфология в норме и патологии имеет широкую индивидуальную вариабельность для каждого человека. Кроме того, в ЭКС могут присутствовать различные шумы и артефакты, которые также усложняют задачу обнаружения корректного положения QRS – комплексов. Рассмотрим наиболее достоверныеи эффективные алгоритмы обнаружения QRS-комплекса.

• Алгоритм Пан и Томпкинса

1. Фильтр нижних частот;

2. Фильтр верхних частот;

3. Оператор производной;

4. Возведение в квадрат;

5. Интегрирование;

6. Адаптивная пороговая процедура и процедура поиска.

 

• Модификация алгоритма Томпкинса:

1. Взятие первой производной ЭКГ сигнала;

2. Проведение усреднения прямоугольным окном для сглаживания производной;

3. Детектирование участка ЭКГ с уровнем производной выше критического; адаптивная подстройка уровня;

4. Определение максимума на участке детектирования;

5. Используется зона нечувствительности в 250 мс после обнаружения R-зубца.

• Адаптивный алгоритм обнаружения QRS-комплекса по пороговым значениям:

1. Предварительная обработка ЭКГ;

2. Вычисление адаптивных пороговых значений;

3. Определение интервала, в котором предположительно содержится R-зубец;

4. Фильтрация некорректно определенных R-зубцов;

5. Определение положения R-зубцов в каждом из отведений.

4. Разработка алгоритма выделения r – зубца

Рисунок 2. Блок-схема алгоритма выделения QRS – комплекса Пана – Томпкинса

Используем метод Пана – Томпкинса, достоинство которого состоит в том, что он рассчитан на работу в реальном времени и основан на анализе наклона, амплитуды и ширины QRS – комплексов.

Фильтр нижних частот

Выбираем фильтр нижних частот Баттерворта с частотами среза Гц. Максимально допустимое затухание в полосе пропускания выбираем равным дБ, максимально допустимая ширина переходной области Гц, минимальное допустимое затуханием в полосе задерживания дБ.

Применим передаточную функцию для фильтра нижних частот второго порядка:

Используем билинейное Z-преобразование:

Определяем коэффициенты цифрового фильтра для частоты среза fc=100Гц:

1 звено (B= 0.312869, C=1):

2 звено: (B= 0.312869, C=1):

3 звено: (B= 1.414214, C=1):

4 звено: (B= 1.782013, C=1):

5 звено: (B= 1.975377, C=1):

Рисунок 3. АЧХ цифрового ФНЧ Баттерворта 10-го порядка с Гц.

Фильтр верхних частот

Выбираем фильтр верхних частот Чебышева с частотами среза Гц. Максимально допустимое затухание в полосе пропускания выбираем равным дБ, максимально допустимая ширина переходной области Гц, ширина переходной области , минимальное допустимое затуханием в полосе задерживания дБ.

Рисунок 4. АЧХ цифрового ФВЧ Чебышева 10-го порядка с Гц.

Применим передаточную функцию для фильтра нижних частот второго порядка:

Используем билинейное Z-преобразование:

Определяем коэффициенты цифрового фильтра для частоты среза fc=0,05Гц:

1 звено (B= 0.027664, C=0.983346):

2 звено (B= 0.080284, C=0.801711):

3 звено (B= 0.125045, C=0.507818):

4 звено (B= 0.157566, C=0.213926):

5 звено (B= 0.174663, C=0.032290):

Операция дифференцирования выполняется с целью подавления низкочастотных компонент P и T и имеет высокий коэффициент усиления для высокочастотных компонент, проявляющихся из-за крутых склонов QRS – комплекса [3].

Операция возведения в квадрат делает результат положительным и усиливает большие разности, возникающие из-за QRS – комплексов, маленькие разности, возникающие на P- и T – зубцах, при этом подавляются. Высокочастотные компоненты в сигнале, связанные с QRS – комплексом, еще более усиливаются [3].

Операция интегрирования со скользящим окном сглаживает выходной сигнал предыдущих операций. Интегрирование производится методом трапеций. Шаг интегрирования был подобран эмпирически: N=30 отсчетов.