Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Устранение действующих на электрокардиосигнал аддитивных помех. Учебное пособие
.pdf
отведениях роль такого электрода играет электрод N, подключаемый к
правой ноге пациента (рис. 5 [2]).
Компенсирующий сигнал образуется с помощью операционного
усилителя DA2 из суммы входных сигналов отведений, поступающих на
входы дифференциального усилителя электрокардиосигнала DA1, и
подается на биообъект в противофазе. Качество компенсации
определяется величиной коэффициента усиления усилителя DA2.
Рис. 5. Схема компенсации синфазной помехи при съеме ЭКС
Уровень сетевой наводки может быть снижен до значений 50-100
мВ. Однако он остается все равно существенно выше уровня полезного
сигнала (амплитуда R-зубца электрокардиосигнала составляет 1-5 мВ).
3. Алгоритмические методы устранения аддитивных помех
Для случаев, когда схемотехнические приемы защиты от помех при
съеме электрокардиосигнала не дают удовлетворительных результатов, в
современной аппаратуре обработки ЭКС предусмотрены различные
алгоритмы устранения остаточных помех. Их можно разделить на две
большие группы:
11
1) ослабление действующих на электрокардиосигнал аддитивных
помех осуществляется с помощью соответствующих фильтров;
2) восстановление действующих на электрокардиосигнал
аддитивных помех, например методами интерполяции, с последующим
вычитанием восстановленной помехи из смеси электрокардиосигнала и
помехи.
3.1. Восстановление сигнала дрейфа изолинии с последующим
вычитанием восстановленной помехи из смеси
электрокардиосигнала и помехи
В данном случае используется метод устранения дрейфа изолинии с
помощью сплайн-интерполяции [5, 6].
Для построения сплайна, моделирующего уровень изолинии,
используются отсчеты, принадлежащие только изоэлектрическим
участкам кардиоцикла, обычно PQ-сегменту. Для более надежного
попадания на изоэлектрический участок PQ-интервала могут быть
использованы специальные поисковые процедуры.
На практике чаще всего используют сплайны первой и третьей
степени. Популярность кубических сплайнов в прикладных задачах
объясняется тем, что они обеспечивают лучшую гладкость
интерполирующей функции, чем линейные, за счет незначительного
усложнения вычислительного аппарата. Пример выделения сигнала
дрейфа изолинии с помощью кубических сплайнов приведен на рис. 6. На
рис. 7 изображен электрокардиосигнал после устранения помехи с
помощью сплайн-интерполяции.
Следует отметить, что погрешность интерполяцции является
методической, то есть принципиально неустранимой. Кроме того, не
всегда в электрокардиосигнале присутствует явно выраженный PQ-
сегмент, что затрудняет выделение опорных точек.
12
Рис. 6. Интерполяция электрокардиосигнала кубическим сплайном:
1 - интерполирующая кривая; 2 - исходный сигнал
Рис. 7. Электрокардиосигнал после устранения дрейфа изолинии
с помощью сплайн-интерполяции
Частота опроса сигнала дрейфа изолинии определяется частотой
сердечных сокращений, поэтому при увеличении частоты сигнала дрейфа
изолинии ухудшается точность его восстановления, а при достижении
частотой сигнала дрейфа изолинии значения, равного половине частоты
сердечных сокращений, восстановление становится принципиально
невозможным.
3.2. Применение фильтрации для устранения помех
Наибольшее распространение для устранения аддитивных помех
получила фильтрация электрокардиосигнала [7]. При этом могут быть
применены фильтры нижних часто (ФНЧ), фильтры верхних частот
(ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ), режекторные фильтры (РФ).
13
Представим схематично спектры ЭКС и помех, изображенные на
рис. 3, и амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) упомянутых выше
фильтров в рис. 8:
Посмотрим, что происходит с полезным сигналом при фильтрации
сигнала помехи.
3.2.1. Устранение дрейфа изолинии
Дрейф изоэлектрической линии является одной из основных
аддитивных низкочастотных помех, действующих на
электрокардиосигнал. Он может быть вызван поляризацией электродов,
влиянием дыхательных волн, переходными процессами при пропадании
контакта электрода с телом.
Рис. 8. Спектры ЭКС и помех и АЧХ фильтров:
а – спектры ЭКС (1), дрейфа изолинии (2) и помехи от сети 50Гц (3);
б – АЧХ фильтра нижних частот; в – АЧХ фильтра верхних частот;
г – АЧХ режекторного фильтра
14
При съеме ЭКГ с конечностей источником дрейфа является движение
рук и ног. Иногда дрейф изолинии может быть вызван изменениями
температуры и систематическими погрешностями аппаратуры и усилителей
[7].
Применение фильтра верхних частот
Наиболее очевидным решением для устранения дрейфа изолинии
является применение ФВЧ с частотой среза, превышающей максимальную
частоту в спектре сигнала дрейфа изолинии (рис. 8,а и 8,в). Спектральные
составляющие дрейфа изолинии находятся вне полосы пропускания ФВЧ,
поэтому существенно ослабляются. Результат обработки фильтром
верхних частот с частотой среза 2 Гц ЭКС с дрейфом изолинии,
вызванным влиянием дыхания на электрокардиосигнал, показан на рис. 9,
заимствованном из [7, рис. 3.56, с. 152].
Рис. 9. Устранение дрейфа изолинии с помощью ФВЧ
Как видно из рис. 9, дрейф изолинии устранен. Однако, как
отмечено в [7], фильтр верхних частот вызывает существенные искажения
зубцов Р и Т в виде отрицательных выбросов после окончания этих
зубцов. Это может быть следствием того, что вместе с составляющими
дрейфа изолинии из спектра ЭКС исключены низкочастотные
составляющие. Иллюстрация этого факта приведена на рис. 10,
построенном на основе и с использованием обозначений рис. 8.
Составляющие области 5 спектра ЭКС, не попавшие в полосу
15
пропускания ФВЧ (условно показана на рис. 10 линией 4), не проходят на
выход фильтра, что приводит к искажению формы электрокардиосигнала.
Применение фильтра нижних частот
Избежать искажения формы элементов ЭКС при устранении дрейфа
изолинии можно, если предварительно восстановить сигнал дрейфа
изолинии, а потом вычесть его из смеси электрокардиосигнала и помехи.
Рис. 10. Потери составляющих спектра ЭКС
после фильтра верхних частот:
1 – спектр ЭКС; 4 – амплитудно-частотная характеристика ФВЧ;
5 – часть спектра ЭКС, отфильтрованная ФВЧ
Восстановить сигнал дрейфа изолинии можно по его дискретным
отсчетам, взятым на ТР-сегменте, с помощью ФНЧ.
Сегмент ТР соответствует электрической диастоле сердца. Если на
электрокардиосигнал действует низкочастотная аддитивная помеха,
проявляющаяся в виде дрейфа изолинии, то на отрезке ЭКС между
зубцами Т и Р присутствует только сигнал этой помехи. Таким образом,
дискретные отсчеты надо выбирать именно на сегменте ТР в каждом
цикле сердечных сокращений. Эти отсчеты являются дискретными
отсчетами сигнала дрейфа изолинии и представляют собой сигнал с
амплитудно-импульсной модуляцией первого рода (АИМ-1). Частота
следования дискретных отсчетов равна частоте сердечных сокращений
(рис. 11, а).
Спектр сигнала с АИМ-1 содержит в нулевой спектральной зоне
составляющие, определяющие исходный непрерывный сигнал [8]:
16
0 0 0 0
1
1
τ
sin
τ τ τ τ
cos2 π 2 cos 2
τ
τ
sin
cos2 ( ) ,
τ
C onp
k
onp C
k
k
T
U(t) U mU F t U k F t mU
T T T T
k
T
k
T
kF F t
k
T
(1)
где U0 – амплитуда немодулированных импульсов; τ – длительность
импульса; Т - период дискретизации; F
– частота опроса; FС – частота
onp
модулирующего сигнала; m – коэффициент модуляции.
Рис. 11. Устранение дрейфа изолинии:
а –отсчеты ЭКС на TP – сегменте; б – преобразование отсчетов в АИМ-2;
в – восстановленный сигнал дрейфа изолинии;
г – ЭКС после устранения дрейфа изолинии
17
Первые два слагаемых в выражении (1) и являются составляющими,
,
τ
)()(
T
tUdtS
определяющими исходный непрерывный сигнал. В нашем случае это
сигнал дрейфа изолинии.
Исходный непрерывный сигнал (дрейф изолинии) может быть
восстановлен, если дискретные отсчеты этого сигнала пропустить через
фильтр нижних частот с полосой частот пропускания, определяемой
шириной частотного спектра непрерывного сигнала. Амплитудночастотная характеристика такого фильтра изображена на рис. 12.
Рис. 12. Амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот
На выходе фильтра выделяется полезная составляющая [первые два
слагаемых в выражении (1)], которая в данном случае является сигналом
помехи:
(2)
где τ - длительность отсчета, Т - период дискретизации (длительность
цикла сердечных сокращений), Ud(t) - исходный непрерывный сигнал.
Как видно из выражения (2), выходной сигнал фильтра оказывается
ослабленным в T/τ раз. Последующим усилением можно довести этот
сигнал до уровня исходного непрерывного сигнала.
Более удобным для практической реализации способом является
предварительное преобразование дискретных отсчетов сигнала с
амплитудно-импульсной модуляцией 1-го рода (АИМ-1) к виду с
амплитудно-импульсной модуляцией 2-го рода (АИМ-2) [ 8]:
18
.)(2cos
)(
)(sin
τ
2cos
τ
τ
sin
τ
2π2cos
sin
ττ
1
0
1
000
tFkF
FkF
FkF
T
m
tFk
T
k
T
k
T
UtF
F
F
T
mU
T
UU(t)
Conp
k
Conp
Conp
onp
k
C
C
C
(3)
В данном случае τ≈T, поэтому амплитуда полезной составляющей в
спектре сигнала практически равна амплитуде исходного сигнала и не
требуется последующего дополнительного усиления сигнала.
Преобразование дискретных отсчетов сигнала к виду АИМ-2
представлено на рис. 11,б.
Для реализации данной процедуры используется блок запоминания
амплитуды отсчета до наступления следующего. Полученный сигнал
также подается на фильтр нижних частот.
Для исключения искажений, связанных с нелинейностью фазо-
частотной характеристики ФНЧ, необходимо применять фильтры с
конечной импульсной характеристикой, то есть нерекурсивные фильтры,
поскольку они имеет линейную фазочастотную характеристику. Кроме
того, для таких фильтров время задержки однозначно определяется
длительностью импульсной характеристики фильтра и равно половине
этой длительности при четном числе весовых коэффициентов дискретной
импульсной функции.
Фильтрация полученного сигнала позволяет получить
восстановленный сигнал дрейфа изолинии с амплитудой, практически
равной амплитуде исходного непрерывного сигнала, без дополнительного
усиления (рис. 11, в).
Так как при фильтрации сигнала происходит его задержка, то
исходный сигнал также необходимо задержать на время, равное времени
запаздывания фильтра. Для этого используется блок задержки. С
помощью вычитающего блока из исходной задержанной смеси ЭКС и
сигнала помехи производится вычитание выделенного сигнала дрейфа
19
изолинии, что позволяет устранить последний, освободив от его влияния
электрокардиосигнал (рис. 11, г).
Структурная схема устройства для реализации данного метода
представлена на рисунке 13 [9].
Рис. 13. Структурная схема устройства устранения дрейфа изолинии
Описанный метод позволяет выделить истинный сигнал дрейфа
изолинии и устранить его, не искажая при этом информативные
составляющие электрокардиосигнала.
3.2.2.Устранение влияния наводки от промышленной сети
на электрокардиосигнал
Наводка от промышленной сети является типовой аддитивной
помехой, действующей на электрокардиосигнал, и почти всегда
присутствует в регистрируемом сигнале. Подавление влияния сетевой
наводки на электрокардиосигнал является одной из важнейших операций
предварительной обработки при автоматическом исследовании
электрокардиосигнала. Оно осложнено тем, что частота промышленной
сети входит в диапазон частот, занимаемых электрокардиосигналом.
Сигнал с сетевой помехой представлен на рис. 14.
В настоящее время наиболее распространены способы устранения
аддитивной помехи от промышленной сети питания, основанные на
фильтрации этой помехи. Можно выделить три основных типа фильтров,
которые находят применение для подавления сетевой наводки:
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]