Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Устранение действующих на электрокардиосигнал аддитивных помех. Учебное пособие
.pdf
1) фильтры нижних частот (ФНЧ) и полосовые фильтры;
2) неадаптивные режекторные фильтры (РФ);
3) адаптивные режекторные цифровые фильтры.
Рис. 14. Электрокардиосигнал с сетевой помехой
3.2.2.1. Устранение сетевой наводки фильтром нижних частот
Наиболее часто применяется способ, основанный на низкочастотной
фильтрации электрокардиосигнала [5, 7]. Для этого используются фильтры,
частотные характеристики которых имеют нуль на частоте сетевой
помехи. Результаты использования фильтра нижних частот для
устранения сетевой наводки представлены на рис. 15. Как видно из
рисунка, фильтрация является эффективным методом устранения сетевой
помехи, ЭКС после фильтрации практически не отличается от исходного
сигнала.
Недостатком данного способа является то, что вместе с аддитивной
помехой от промышленной сети питания из смеси электрокардиосигнала и
помехи удаляется часть спектральных составляющих электрокардиосигнала
21
в высокочастотной части спектра (см. рис. 3 и рис. 8,а). Это приводит к
искажению формы полезного сигнала на выходе фильтра, что может
повлиять на результаты анализа ЭКС.
Рис. 15. Результаты устранения сетевой помехи фильтром нижних частот:
а – «чистый» электрокардиосигнал; б – электрокардиосигнал после фильтра
В качестве примера воздействия фильтра нижних частот на
электрокардиосигнал можно представить сглаживание расщепленного R
зубца, который является свидетельством блокады левой ножки предсердножелудочкового пучка (пучка Гиса) [10].
3.2.2.2. Устранение сетевой наводки режекторным фильтром
В настоящее время также используется способ устранения аддитивной
помехи от промышленной сети питания заграждающим (режекторным)
фильтром с центральной частотой, равной частоте сигнала промышленной
сети 50 Гц [5]. Результаты использования режекторного фильтра для
устранения сетевой наводки представлены на рис. 16.
22
Рис. 16. Результаты устранения сетевой помехи режекторным фильтром:
а – «чистый» электрокардиосигнал;
б – электрокардиосигнал после режекторного фильтра
Однако и в данном случае искажается часть полезных составляющих
электрокардиосигнала, так как в спектре истинного электрокардиосигнала
содержатся составляющие с частотой, равной частоте промышленной сети
(рис. 8,а), и при прохождении ЭКС через заграждающий фильтр вместе с
помехой подавляются и полезные составляющие сигнала. Кроме того,
реальный заграждающий фильтр не может иметь бесконечно узкую полосу
подавления (рис. 8,г), поэтому вместе с полным подавлением составляющей
электрокардиосигнала на частоте промышленной сети при прохождении
через такой фильтр искажаются (уменьшаются по амплитуде) близко
расположенные частотные составляющие слева и справа от центральной
частоты заграждения. Ширина искажаемой области зависит от порядка
фильтра.
Применение адаптивных режекторных фильтров позволяет
уменьшить искажения в том случае, если в корректирующий канал
поступает лишь сигнал, коррелированный с помехой и не содержащий в
своем составе информативных составляющих, добиться чего весьма
сложно [5]. Если предполагается использовать в качестве опорного
23
сигнала – сигнал помехи, снимаемый с электрода, находящегося на теле
,τ
C
Tn
пациента, то достичь минимальных искажений ЭКС невозможно. В этом
случае помимо сигнала помехи в опорный канал будет поступать и
информативная составляющая электрокардиосигнала, в результате чего
будет происходить ее уменьшение в результирующем сигнале. Если
сигнал помехи поступает с электрода, не контактирующего с телом
пациента, то существует вероятность, что эта помеха не будет идентична
или схожа с помехой, поступающей в измерительный канал. В этом случае
также не будет происходить эффективной фильтрации сигнала.
3.2.2.3. Применение полосовых фильтров
Как отмечалось выше, отсчеты ЭКС, взятые на ТР-сегменте,
являются отсчетами аддитивной помехи. Для устранения аддитивной
помехи от промышленной сети на TP-сегменте электрокардиосигнала в
каждом цикле сердечных сокращений необходимо выделить участок,
длительность которого пропорциональна периоду сетевой помехи:
(4)
где n = 1, 2, …, int(T
/ТС) – коэффициент, указывающий, сколько
TPмин
периодов сигнала промышленной сети укладывается в длительности
выделенного участка ЭКС; int(a/b) означает взятие целого от деления a на
b; ТС – период колебаний сигнала промышленной сети; Т
ТРмин
–
минимальная длительность ТР-сегмента электрокардиосигнала.
На выделенных участках формируется последовательность пачек
импульсов с амплитудной манипуляцией, заполненных сигналом с
частотой промышленной сети (рис. 17, б).
Для строгого выполнения условия (4) необходимо, чтобы начало
выделяемого участка ТР-сегмента совпадало с началом периода сетевой
помехи, а окончание его совпадало с окончанием n-го периода сетевой
помехи даже при изменении частоты промышленной сети в пределах,
установленных нормативными документами.
24
Рис. 17. Устранение наводки от промышленной сети питания:
а – смесь ЭКС с помехой; б – последовательность пачек импульсов,
сформированных на TP-сегменте; в – восстановленный сигнал помехи;
г – ЭКС после устранения помехи
25
Реализовать это можно, если использовать в качестве тактовых
7
С
R
R
S
+
-
Вх
1
2
3
4
5
6
8
Вых
импульсов для счетчика, считающего заданное число n периодов, сигналы,
сформированные из сетевой помехи. Возможный вариант такой
реализации при веден на рис. 18.
Рис. 18. Синхронизация отсчета ТР-сегмента и сетевой помехи
Сигнал ЭКС, включающий и помеху в виде суммы дрейфа изолинии
и наводки от электрической сети, поступает на вход устройства и вход
блока 1 формирования второй производной ЭКС. В этом блоке
происходит ослабление низкочастотных составляющих помехи (дрейфа
изолинии) и усиление высокочастотных составляющих (наводки от сети
50 Гц). Блок 2 формирует импульс, расположенный в начале ТР-сегмента,
а компаратор 3 формирует последовательность тактовых импульсов,
повторяющихся с частотой сетевой помехи. Сигнал с выхода блока 2
устанавливает в состояние логической единицы триггер 4, сигнал с выхода
которого разрешает прохождение на выход схемы И 5 тактовых
импульсов с выхода компаратора 3, которые осуществляют переключение
двоичного счетчика 6. При этом смена внутренних состояний счетчика
происходит в моменты времени, когда сигнал сетевой помехи проходит
через ноль. Разрядные выходы счетчика 6 подключены к входам
26
дешифратора 7. На первом выходе дешифратора 7 формируется импульс
1
τ
sin
ττ
( ) sin2 cos2 ( ) ,
τ
CC
k
k
T
U t f t f kF t
TT
k
T
длительностью n тактов переключения счетчика 6 (n периодов сетевой
помехи). При поступлении (n+1)-го тактового импульса на втором выходе
дешифратора формируется сигнал «Сброс», который устанавливает в
состояние логического нуля триггер 4, что запрещает прохождение
тактовых импульсов на вход счетчика 6. Этот же сигнал «Сброс»
возвращает счетчик 6 в исходное нулевое состояние. Сигнал в первого
выхода дешифратора поступает на управляющий вход ключевого
элемента 8, разрешая прохождение на его выход участка ТР-сегмента с
аддитивной сетевой помехой (рис. 17,б). При этом число периодов
сетевой помехи, прошедшей на выход ключевого элемента 8 будет равно
n независимо от частоты этой помехи.
В спектре (рис. 19) последовательности отсчетов, приведенной на
рис. 17,б, присутствуют частота сигнала заполнения прямоугольных
импульсов, в данном случае это частота сигнала промышленной сети 50
Гц, и боковые составляющие, образованные спектральными
составляющими модулирующих прямоугольных импульсов
длительностью τ [11]:
(5)
где τ – длительность импульса, T –период следования импульсов, fС –
частота сигнала сетевой помехи, F – частота следования импульсов.
Последовательность отсчетов ТР-сегмента (рисунок 17,б) подается
на полосовой фильтр с центральной частотой, равной частоте
промышленной сети. Амплитудно-частотная характеристика фильтра
изображена на рис. 19 пунктирной линией.
При прохождении сформированной последовательности отсчетов
электрокардиосигнала через полосовой фильтр на выходе фильтра
выделится только сигнал сетевой помехи, так как в спектре фильтруемой
27
последовательности отсутствуют составляющие ЭКС, поскольку на ТРсегменте ЭКС имеет, как было отмечено выше, нулевое значение.
После фильтрации амплитуда восстановленного сигнала в
соответствии с (5) меньше амплитуды исходного сигнала помехи в Т/τ раз.
Поэтому сигнал выделенной помехи необходимо усилить (рис. 17,в) и
после усиления вычесть из предварительно задержанного исходного
сигнала смеси ЭКС с помехой, для чего необходимо использовать блок
задержки.
Рис. 19. Амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра
с центральной частотой 50 Гц
Вычитание выделенного и усиленного сигнала помехи от
промышленной частоты из исходной задержанной смеси ЭКС и сигнала
помехи существенно ослабляет влияние последнего на
электрокардиосигнал (рис. 17,г).
Данный способ позволяет ослабить влияние помехи от
промышленной сети питания на электрокардиосигнал, не искажая при
этом составляющие ЭКС, частота которых равна частоте промышленной
сети, так как этих составляющих нет в спектре фильтруемой
последовательности. Структурная схема устройства для реализации
предложенного способа представлена на рис. 20 [12].
28
Рис. 20. Структурная схема устройства устранения наводки от
промышленной сети питания
4 Устранение дрейфа изолинии с помощью преобразования
отсчетов ТР-сегмента в импульсные сигналы сложной формы
Новые возможности для обработки электрокардиосигнала открывает
представление дискретных отсчетов ЭКС в виде импульсных сигналов
сложной формы (ИССФ). ИССФ первоначально были применены как
переносчики информации в многоканальных измерительных системах [13]
и предназначались для решения следующих задач:
- согласование спектров сигналов сообщений с полосой частот
пропускания каналов связи;
- снижение интермодуляционных искажений и расширение
частотного диапазона контролируемых процессов;
- повышение помехоустойчивости измерительных сигналов к
аддитивным низкочастотным помехам.
Применительно к предварительной обработке ЭКС последняя
задача может быть сформулирована в следующем виде: выделение
сигнала низкочастотной аддитивной помехи из смеси
электрокардиосигнала и помехи.
29
Отличительной особенностью ИССФ является отсутствие
0
sin
n
i
i
i
Kk
T
1...
n
kM
1...
n
kM
(подавление) в спектре сигнала определенных спектральных
составляющих с их боковыми зонами. Номера подавленных спектральных
зон выбираются при формировании ИССФ в зависимости от решаемой с
их помощью задачи.
4.1. Формирование ИССФ
Импульсные сигналы сложной формы могут быть сформированы
двумя способами.
Первый способ заключается в сложении дискретных отсчетов
сигнала, взятых в одни и те же моменты времени, но имеющих различную
длительность. Центры всех отсчетов совмещены. Самый
продолжительный отсчет берется с масштабным коэффициентом К
=1,
0
остальные – с масштабными коэффициентами, определяемыми из
решения системы уравнений [13]
,
,
где Т – период дискретизации, τi<T – длительность i-го отсчета, входящего
в группу из n +1 отсчетов, из которых формируется ИССФ,
- означает выбор любых n спектральных зон, подлежащих
подавлению, с номерами от 1 до М, М – возможное число спектральных
зон, которые могут быть подавлены в спектре ИССФ.
В настоящее время ИССФ, сформированные таким способом, пока
не нашли применения при обработке биомедицинских сигналов.
Более разработаны вопросы применения ИССФ для устранения
низкочастотных аддитивных помех, действующих на
электрокардиосигнал, сформированных вторым способом: из
совокупности сдвинутых один относительно другого дискретных отсчетов
одинаковой длительности [14].
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]