Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Устранение действующих на электрокардиосигнал аддитивных помех. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
П.А. БЛИНОВ, О.В. МЕЛЬНИК, А.А. МИХЕЕВ, Н.С. ТОЧИЛИНА
УСТРАНЕНИЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛ
АДДИТИВНЫХ ПОМЕХ
Учебное пособие
Рязань 2014
1
УДК 615.47:681
Устранение действующих на электрокардиосигнал аддитивных помех:
учеб. пособие. /П.А. Блинов, О. В. Мельник, А. А. Михеев, Н.С.
Точилина. Рязан. гос. радиотехн. ун-т. Рязань, 2014. 40 с.
Изложены вопросы, связанные с предварительной обработкой
электрокардиосигнала в режиме реального времени. Описаны методы и
средства ослабления влияния аддитивных помех на электрокардиосигнал.
Предназначено для изучения дисциплины «Методы обработки
биомедицинских сигналов и данных» при подготовке бакалавров и
магистров по направлению 201000 "Биомедицинские системы и
технологии"
Табл. 1. Ил.23. Библиогр.: 14 назв.
Электрокардиосигнал, аддитивная помеха, дрейф изолинии,
наводка от промышленной сети, импульсные сигналы сложной формы
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Рязанского государственного радиотехнического университета.
Рецензент: кафедра БМПЭ РГРТА (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук
проф. Т.А. Холомина)
Издано при финансовой поддержке Федерального агентства по образованию
© Рязанский государственный
радиотехнический университет, 2014
© Авторы, 2014
2
Введение
Особое место среди электрофизиологических методов диагностики
занимают измерение и обработка электрокардиосигнала (ЭКС).
Амплитудно-временные параметры ЭКС являются основными
показателями, позволяющими вести профилактический и лечебный
контроль за сердечно-сосудистыми заболеваниями. Это связано с тем, что
форма волн ЭКС изменяется под действием сердечно-сосудистых
заболеваний и патологий, таких как ишемия миокарда и инфаркт,
гипертрофия желудочков, а также нарушения проводимости.
Переход к автоматической обработке электрокардиосигнала
значительно расширяет диагностические возможности метода, поскольку
обеспечивает оперативную диагностику состояния пациента.
При автоматическом исследовании параметров
электрокардиосигнала одной из важнейших операций предварительной
обработки является устранение действующих на него помех.
3
1. Помехи, источники помех
Электрокардиосигнал, как и большинство биомедицинских
сигналов, является сигналом низкого уровня (максимальная амплитуда
составляет единицы милливольт). При съеме электрокардиосигнала (ЭКС)
на него воздействуют другие разнообразные сигналы. Источники этих
сигналов могут быть как физиологическими, так и обусловленными
применяемой аппаратурой или особенностями эксперимента. По
отношению к ЭКС все эти сигналы являются помехами. Помехи искажают
амплитудно-временные параметры элементов ЭКС, что может привести к
ошибочности принимаемых на основе анализа этих параметров
диагностических заключений. Таким образом, перед дальнейшей
обработкой электрокардиосигнала необходимо обеспечить его
эффективной защиты от помех.
Различают устойчивые воздействия мешающих сигналов на
электрокардиосигнал, которые, собственно, и называют помехами, и
непредсказуемые воздействия в виде переходных процессов (при
смещении электродов, кратковремененной пропаже контакта с электродом
и т.п.) [1], которые называют артефактами.
По способу взаимодействия с полезным сигналом (в нашем случае
электрокардиосигналом) помехи, возникающие при съеме
биомедицинских сигналов и их усилении, подразделяются на
мультипликативные и аддитивные [2].
Мультипликативные помехи изменяют коэффициент передачи
тракта преобразования сигнала, что приводит к случайной амплитудной
модуляции полезного сигнала. При съеме биопотенциалов это может быть
связано с изменениями сопротивления контакта кожа-электрод, причиной
которых может быть высыхание токопроводящей пасты или
физиологического раствора, используемых для уменьшения этого
4
сопротивления, и с электрохимическими процессами на переходах
контакта.
Учесть изменение коэффициента передачи тракта преобразования
полезного сигнала можно с помощью передачи через этот же тракт
образцового (калибровочного) сигнала с известной амплитудой. При
регистрации ЭКС таким образцовым сигналом является прямоугольный
импульс с амплитудой 1 мВ.
Аддитивные помехи складываются с полезным сигналом. Они
вносят наибольшую погрешность при регистрации электрокардиосигнала.
Аддитивные помехи подразделяют, в свою очередь, на разностные и
синфазные.
Разностными называют помехи, мгновенные значения которых на
активных входах усилителя биопотенциалов равны по величине и
противоположны по знаку. К их числу относятся:
- составляющие за счёт биоэлектрической активности соседних
органов, например биопотенциалы мышц;
- напряжение кожно-гальванического рефлекса (КГР);
- неравенства поляризационных потенциалов электродов;
- помехи, возникающие из-за смещения электродов при движении
пациента. При смещении электрода может происходить перераспре-
деление зарядов вблизи его поверхности. Результатом является
кратковременное изменение электродного потенциала, которое
продолжается до тех пор, пока равновесие в электрохимической системе
электрода не установится вновь. Этот эффект носит название
электромеханического шума движения [3].
Кроме этого, разностную помеху могут создавать электромагнитные
поля, пронизывающие контур, образованный проводами, соединяющими
электроды с усилителем биопотенциалов [2].
Синфазными называют помехи, мгновенные значения которых на
активных входах усилителя биопотенциалов совпадают.
5
В частности, для синусоидального сигнала это означает совпадение
амплитуд и фаз колебаний. Наиболее опасной для электрокардиосигнала
синфазной помехой является наводка от сети промышленной частоты
50 Гц. Схема ее образования иллюстрируется рис. 1, заимствованным из
[2].
Паразитная емкость С1 между фазным проводом и биообъектом (до
десятков пикофарад) и паразитная емкость С2 между биообъектом и
землей (до сотен пикофарад) образуют делитель напряжения.
Рис. 1. Образование синфазной помехи от сети питания
Напряжение помехи на биообъекте может иметь величину 2–10 В,
причем в силу малого сопротивления живых тканей его можно считать
практически одинаковым во всех точках биообъекта [4]. Влияние сетевой
помехи можно ослабить, используя специальный нейтральный
(индифферентный) электрод, с помощью которого биообъект соединяют с
общим (заземляющим) проводом.
Проблемы борьбы с синфазной помехой не существовало бы, если
бы были строго симметричны (как по активным, так и по реактивным
составляющим) цепи, соединяющие электроды с усилителем
6
биопотенциалов, и входные цепи дифференциального усилителя. Однако
Источник помехи
Возможное изменение
электрокардиосигнала под
действием помехи
Разность межэлектродных
потенциалов
Ограничения ЭКС из-за перегрузки
усилителей
Дрейф разности межэлектродных
потенциалов
Дрейф изолинии
электрокардиосигнала
Поляризация электродов или
границ тканей биообъекта
вследствие протекания малого
постоянного тока (например,
входной ток усилителя
биопотенциалов)
Дрейф изолинии
Ограничения ЭКС из-за перегрузки
усилителей
Поляризация электродов или
границ тканей биообъекта
вследствие протекания
значительных токов (например, при
дефибрилляции)
Дрейф изолинии
Ограничения ЭКС из-за перегрузки
усилителей
Смещение электродов при
движении пациента
Дрейф изолинии
Отдельные импульсные помехи
Биоэлектрическая активность
соседних органов, например
биопотенциалы мышц
Искажение границ элементов
электрокардиосигнала
Наводка от сети промышленной
частоты
Искажение амплитудно-временных
параметров элементов
электрокардиосигнала
по ряду причин такую симметрию либо невозможно получить, либо в
процессе съема сигнала она нарушается. В результате синфазная помеха
преобразуется в дифференциальный сигнал, который уже невозможно
отличить от полезного сигнала.
Таким образом, в усиленном электрокардиосигнале всегда в той или
иной степени присутствуют помехи. Источники этих помех,
обусловленных неидеальностью электродов [3], физиологическими
шумами от соседних органов, внешними воздействиями и последствия их
действия можно представить в виде следующей таблицы.
7
Действие перечисленных выше помех на электрокардиосигнал
показано на рис. 2 [5].
Естественно, все эти помехи могут присутствовать в различных
комбинациях между собой и все вместе. При этом следует отметить, что
спектры электрокардиосигнала и сигналов аддитивных помех
перекрываются [5], что показано на рис. 3.
Рис. 2. Искажения ЭКС под действием помех:
а – наводка от промышленной сети, б – мышечные помехи,
в – артефакты, вызванные движением пациента, г – дрейф изолинии
при изменении напряжения поляризации
Рис. 3. Относительная спектральная плотность мощности ЭКС:
1 – дрейф изолинии и артефакты движения; 2 – спектр ЭКС;
3 – помеха от сети 50 Гц и аддитивных помех
8
Амплитуды остаточных помех могут достигать следующих значений
[1]:
амплитуда помехи промышленной частоты (50 Гц) – до 50 % от
полной шкалы изменения ЭКС;
- отклонение изолинии от нулевого потенциала с амплитудой до 15 %
от полной шкалы ЭКС с частотным диапазоном до 0.3 Гц (влияние
дыхания на электрокардиосигнал);
- отклонение изолинии при потере контакта электрод-кожа в виде
скачка до напряжения насыщения усилителя с последующим возвратом, в
случае восстановления контакта, к нулевому уровню с постоянной
времени усилителя биосигнала (для стандартных электрокардиографов –
3.2 с);
- скачки ЭКС, вплоть до насыщения, длительностью до 0.5 секунды
из-за изменения сопротивления между электродом и кожей при движении
пациента;
- электромиографический шум (из-за сокращения мышц) с
частотным диапазоном от нуля до 10000 Гц и амплитудой до 10 % от
полной шкалы ЭКС.
2. Схемотехнические приемы борьбы с помехами
Для уменьшения влияния на ЭКС разностных помех, создаваемых
электромагнитными полями на проводах, соединяющих электроды с
усилителем биопотенциалов, кабели отведений выполняют обычно с
экранированием сигнальных проводов (рис. 4) [2].
Резисторы с сопротивлением 10 кОм включаются в сигнальные
проводники для защиты электрокардиографа от высокого напряжения при
работе дефибриллятора.
При экранировании кабеля отведений целесообразно выполнять
следующие правила:
9
Рис. 4. Типовой кабель отведений
- все проводники, несущие относительно слабый полезный сигнал,
должны быть помещены в экран;
- проводник заземления экрана должен быть подключен к нулевому
проводу источника возбуждения только один раз;
- при экранировании низкочастотных шумов в ближней зоне
излучения, при защите от радиопомех это соединение следует подбирать
экспериментально;
- экран и нулевой провод сигнала должны быть заземлены у
источника питания в одной точке;
- заземление, по которому течет ток нагрузки к источнику питания,
должно осуществляться отдельным проводом, а не объединяться с
нулевым проводом сигнала;
- желательно, чтобы кабель отведений был минимальной длины и
при укладке занимал небольшую площадь.
Для ослабления влияния на электрокардиосигнал синфазных помех,
наиболее мощной из которых является помеха от сети промышленной
частоты, используют, как отмечалось выше, специальный нейтральный
электрод. В электрокардиографах при съеме ЭКС в стандартных
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]