Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Теоретические аспекты получения и обработки электрокардиосигналов 11
1.1. Системный подход к анализу работы сердца 11
1.2. Анализ современных аппаратных средств получения электрокардиоспгналов 14
1.2.1. Интеллектуальные портативные диагностические приборы 15
1.2.2. Цифровые электрокардиографы 16
1.2.3. Аналоговые электрокардиографы 17
1.2.4. Суточные мониторы экг (холтеровские регистраторы) 17
1.2.5. Системы дистанционного контроля работы сердца 20
1.3. Систематизация методов обработки электрокардиоспгналов 22
1.3.1. Анализ ЭКГ 23
1.3.2. Статистический анализ 24
1.3.3. Спектральный анализ 33
1.3.4. Применение методов нелинейной динамики 36
1.4. Выводы 39
Глава II. Разработка проблемно-ориентированной системы анализа и обработки электрокардиосигнала 42
2.1. Выбор сигнала для исследования 42
2.2. Определение оптимальных точек регистрации биопотенциалов 44
2.3. Определение величины минимальной достаточной выборки 46
2.4. Анализ экспериментальных данных 50
2.4.1. Результаты времени и юго анализа 51
2.4.2. Результаты спектралы юго анализа 54
2.4.3. Результаты исследования фазовых портретов 56
2.4.4. Результаты параллельного исследования фазовых портретов и спектров 58
2.5. Сравнение известных методов анализа электокардиографических данных 60
2.6. Синтез подходов к количественному описанию топологии фазового портрета.61
2.7. Исследование разработанных количественных критериев оценки фазового портрета 69
2.8. Выводы 72
Глава III. Разработка программно-аппратного комплекса оценки функционального состояния организма человека 74
3.1. Разработка алгоритма обработки информации 74
3.2. Разработка принципиальной схемы аппаратной части программно-аппаратного комплекса оценки функционального состояния организма . 77
3.3. Разработка метод обработки сигнала для автоматического обнаружения и исключения артефактов 82
3.4. Разработка программы для микропроцессорной обработки информации 85
Глава IV. Экспериментальное исследование аппаратно-программного комплекса обработки и анализа информации о функциональном состоянии организма 91
4.1. Описание и состав опытного образца 91
4.2. Разработка дополнительного программного обеспечения 97
4.3. Методика проведения эксперимента 101
4.4. Экспериментальное исследование аппаратной части комплекса 103
4.5. Экспериментальное исследование разработанного метода обнаружения и исключения артефактов . 105
4.6. Результаты и рекомендации 108
Заключение 109
Библиографический список 112
- Суточные мониторы экг (холтеровские регистраторы)
- Определение величины минимальной достаточной выборки
- Разработка принципиальной схемы аппаратной части программно-аппаратного комплекса оценки функционального состояния организма
- Экспериментальное исследование разработанного метода обнаружения и исключения артефактов
Введение к работе
Методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки принятия решений
о здоровье человека в медицинских системах на данный момент
основываются, главным образом, на статистической обработке полученных
данных [1,2,32,138], ориентированных, как правило, на людей,
подверженных патологиям [47]. Но при возникновении патологий, зачастую происходят необратимые архитектурные изменения в различных системах организма, поэтому дальнейшее лечение сводится лишь к облегчению симптомов [7,26]. Именно поэтому, разработка проблемно-ориентированных систем получения и обработки биомедицинских сигналов, основанных на новых методах автоматизированной обработки информации и направленных на профилактические экспресс исследования организма, наиболее актуальна для медицины.
Общее функциональное состояние организма можно исследовать по сердечно-сосудистой системе. Известно что, любое изменение в организме, так или иначе, отражается на деятельности кровеносной системы, центральным звеном в которой является сердце [8,9,17,20,23,28,43]. Поэтому динамика его деятельности косвенно отражает состояние организма в целом [8,17,23].
Работы в области улучшения аппаратных и методических средств для кардиологических исследований ведутся многими учёными, как в России (Селищев СВ., Штарк М.Б., Балашов Ю.С., Шерашов B.C., Килимник В.А., Калантар В.А., Истомина Т.В. Баевский P.M., Берсенева А.М, Парин В.В., Флейшман А.Н. и др.), так и в других странах мира (Голденберг Э., Хаттен X., Кратшмер X., Гросс В., Ван Гиле М. и др.).
Контроль состояния сердечно-сосудистой системы в настоящее время осуществляется различными средствами. Среди них выделяются:
- приборы, регистрирующие электрический потенциал с кожи человека с целью получения электрокардиограммы (ЭКГ) и дальнейшего её
топологического, временного и других видов анализа, а также выделения и анализа Я-Д интервалограмм [48,50,53,55,60,61,63];
системы магнитокардиографии, регистрирующие изменения магнитного поля, вызванного работой сердца [108,124];
системы вариационной пульсометрии, оценивающие капиллярный кровоток, с помощью измерения поглощённого или отражённого излучения от сосудов [71,78,102];
аппараты для реографии, которые для анализа используют изменение сопротивления сосудов в процессе работы сердца [108].
Анализ литературы показал, что существующие электронные медицинские системы для контроля состояния сердечно-сосудистой системы имеют ряд недостатков, в частности:
требуют применения квалифицированных специалистов для расшифровки результатов;
используют дорогостоящие портативные компьютеры;
не обеспечивают достаточную мобильность в случае стационарных компьютеров;
ограничивают возможность применения телеметрических систем;
не полностью исключают артефакты из выходного сигнала при сильном воздействии помех и т.д.
Обработка кардиологической информации в основном ведётся с применением статистической обработки, временного и спектрального анализа ритмограмм, а также различными методиками, основанными на этих методах. Также известен ряд работ с применением методов нелинейной динамики. Использование нелинейной динамики в исследовании вариабельности сердечного ритма (ВСР) даёт заметное преимущество, т.к. организм человека является нелинейной системой.
Методы, используемые для обработки ЭКГ информации, также имеют недостатки. В частности, статистическая обработка использует усреднённые
показатели и, следовательно, не всегда является адекватной [1,2]. Спектральный анализ имеет дело с периодическими гармоническими сигналами [32,77,89,90], но работа сердца не является ни строго гармонической, ни периодической, т.к. происходит постоянная адаптация работы сердца (частоты сердечных сокращений) под разнообразные влияния внешней и внутренней среды с помощью всевозможных биологических обратных связей организма человека. Топологический анализ формы ЭКГ и других графических результатов субъективен, т.к. основывается на интуиции и личном опыте врача-кардиолога. Временной анализ теряет информацию о динамике работы сердца [32,138]. Наиболее близким по своим возможностям к исследованию сердечно-сосудистой системы является нелинейный анализ, но его количественные показатели неоднозначны и затруднительны для интерпретации и аппаратной реализации [10,11,14-16].
В данной работе предполагается произвести следующие улучшения электронного комплекса получения и обработки электрокардиографического сигнала: специализация с обеспечением мобильности комплекса; упрощение схемного решения; увеличение помехоустойчивости системы; автоматизация обработки информации; разработка методик количественной обработки ЭКГ сигнала, основанных на нелинейном методе и пригодных для аппаратной реализации.
Исходя из изложенного, задача совершенствования аппаратно-программного комплекса получения и обработки электрокардиографического сигнала является актуальной и социально значимой.
Цель работы
Целью диссертационного исследования является разработка математического, программного и методического обеспечения для совершенствования аппаратно-программного комплекса обработки и анализа электрокардиосигналов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
Провести анализ возможностей и недостатков известных методов и средств получения и обработки ЭКГ сигнала;
Разработать специализированное математическое обеспечение для аппаратно-программного комплекса получения и обработки ЭКГ сигналов;
Разработать алгоритм обработки электрокардиосигнала для автономных проблемно-ориентированных микропроцессорных систем;
Разработать аппаратную часть комплекса получения и обработки ЭКГ сигнала;
Разработать специализированное программное обеспечение для обработки ЭКГ сигнала на универсальных компьютерах.
Методы исследований
В работе использовались методы нелинейной динамики, математической статистики, цифровой обработки сигналов, аналитической геометрии и экспериментальных исследований.
Научная новизна
В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
Предложена специализированная система сбора и анализа электрокардиографических данных для оценки функционального состояния организма, на основе аппаратного выделения і?-зубцов и микропроцессорной обработки сигнала;
Предложен новый метод обработки сигналов и реализующее его устройство для обнаружения и исключения из выходного сигнала артефактов;
Разработана модель изменения работы сердца как системы при начальных и прогрессирующих формах патологической активности;
Разработана методика геометрического описания фазового портрета динамики сердечных сокращений и алгоритм для её реализации,
производящий обработку сигнала в режиме реального времени без использования накопителей информации. Практическая значимость
Разработанная методика обработки и количественного интегрального описания электрокардиосигнала на основе метода фазовых портретов, позволяет автоматизировать процесс получения информации о функциональном состоянии организма человека;
Разработанное программное обеспечение обработки электрокардиографической информации может быть использовано в качестве дополнения к существующим регистраторам, позволяя в автоматическом режиме без привлечения высококвалифицированных специалистов анализировать ЭКГ информацию;
Разработанный алгоритм микропроцессорной обработки сигнала в режиме реального времени, позволяет упростить схемную реализацию аппаратно-программного комплекса получения и обработки электрокардиосигнала, отказаться от использования дополнительных устройств хранения информации и сокращает время проведения обработки более чем в 2 раза;
Предложенный метод автоматического обнаружения и исключения артефактов из выходного сигнала при обработке сложных артефактных явлений на 75% превосходит существующие аналоги;
Схемное решение комплекса получения и обработки ЭКГ сигнала было проблемно-ориентировано на решение задач экспресс-исследований, что позволило сократить себестоимость комплекса более чем в 3 раза.
Результаты внедрения работы
Созданное методическое и программное обеспечение прошло апробацию в кардиоцентре Областной клинической больницы г. Владимира, кардиореанимационном отделении Городской клинической больницы Владимирского тракторного завода, а также на кафедре биомедицинской
инженерии Владимирского государственного университета.
Результаты работы были внедрены во Владимирской областной клинической больнице, в Центре содействия укреплению здоровья студентов ВлГУ, в учебно-научном медицинском центре ВлГУ и в учебный процесс кафедры «Биомедицинская инженерия» ВлГУ, принципы аппаратной реализации были приняты к внедрению на производственном объединении ФГУП «Точмаш». Внедрение подтверждено соответствующими актами (Приложение G) .
Положения, выносимые на защиту
Специализированное математическое обеспечение обработки и анализа информации о функциональном состояния организма, основанное на анализе ритмов сердца методом фазовых портретов;
Принцип построения и аппаратной реализации нового метода обработки сигнала, с целью обнаружения и исключения артефактов при аппаратной регистрации Д-зубцов ЭКГ;
Аппаратно-программный комплекс сбора, обработки и анализа электрокардиологической информации для оценки функционального состояния организма человека.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на:
Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», Нижний Новгород, 2002 г.
Международной научно-технической конференции «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании», Тверь, 2002 г.
Пятой международной конференции «Циклы», Ставрополь, 200 Зг.
Международном симпозиуме «Актуальные проблемы науки и образования», Пенза, 2003 г.
Шестой международной конференции «Циклы», Ставрополь, 2004 г.
Международном конгрессе «Кардиостим-2004», С.-Петербург, 2004 г.
Шестой международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии», Владимир, 2004г.
Научно-практической международной конференции «Компьютерная медицина 2005», г. Харьков (Украина), 2005г.
Межрегиональной выставке «Электронная губерния - 2006», Владимир, 2006 г.
Самостоятельно и в соавторстве по материалам диссертации опубликованы 20 работ, в том числе 2 работы на Всероссийских конференциях, 17 работ на международных конференциях, 1 статья в журнале.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка, включающего 188 наименований и 7 приложений. Объём диссертации 163 страницы машинописного текста, 56 рисунков и 4 таблицы.
Суточные мониторы экг (холтеровские регистраторы)
Также разделяются на стационарные и портативные. Оснащаются обычно ленточным самописцем. Применяются для короткой записи ЭКГ по одному или нескольким отведениям [43,140]. Из-за наличия большого числа недостатков, свойственных аналоговой технике (помехи, наводки, искажение сигнала и т.д.) и сложностей в эксплуатации (использование квалифицированного персонала при анализе ЭКГ, малые размеры записи, трудность копирования и хранения и т.д.) этот тип аппаратуры не получил дальнейшего распространения. За последние годы регистраторы для суточного мониторирования (СМ) ЭКГ были значительно усовершенствованы: улучшено качество записи, уменьшены габариты приборов, увеличено время регистрации и число каналов [59, 60]. Они делятся на регистраторы ЭКГ и ритмограммы.
Суточные мониторы ЭКГ разрабатываются по типовой схеме построения аналоговой части [60, 61], которая имеет ряд ограничений и недостатков: аналоговый сигнал может выйти за диапазон измерения АЦП при артефактах движения человека или внешней импульсной помехе на время установления аналогового сигнала фильтра верхних частот (ФВЧ) (для нижней частоты 0.05 Гц это время составляет более 3 секунд); необходимы прецизионные крупногабаритные конденсаторы с малыми токами утечки в аналоговом ФВЧ; схемы выборки-хранения и мультиплексор перед входом АЦП вносят дополнительные нелинейные искажения; необходим дополнительный каскад усиления (в несколько сот раз) после ФВЧ вследствие малой разрядности АЦП; необходим аналоговый фильтр нижних частот (ФНЧ) высокого порядка для ограничения частотного диапазона сигнала ЭКГ с целью предотвращения эффекта «наложения спектра» при дискретизации сигнала [55,56]. Холтеровские регистраторы на сегодняшний день используют цифровые накопители для хранения данных ЭКГ. Качество регистрации и цифровой обработки сигнала (ЦОС) в значительной мере определяется типом аналого-цифрового преобразования. Применение современной элементной базы микроэлектроники в сочетании с ЦОС ЭКГ позволяет построить принципиально новую аналого-цифровую часть СМ ЭКГ [56,57], обладающую целым рядом преимуществ перед обычными приборами. Так, применение сигма-дельта АЦП с высоким разрешением позволяет отказаться от ФВЧ и блока усиления, и проводить дискретизацию сигнала ЭКГ с постоянной составляющей, что снижает уровень искажений сигнала ЭКГ и упрощает схемотехнику аналого-цифровой части. Цифровой ФВЧ реализуется на компьютере с необходимой для задачи порядком и частотой среза. Применение АЦП с высокой частотой дискретизации снижает требования к порядку ФНЧ и позволяет использовать простейшие пассивные R-C фильтры для частотного диапазона ЭКГ. При использовании для каждого канала ЭКГ отдельный АЦП вместо мультиплексирования получается синхронная дискретизация каналов без искажений сигнала мультиплексором. Каждый канал регистрации ЭКГ здесь состоит из инструментального усилителя, ФНЧ и АЦП [55]. Сигма-дельта АЦП сочетают высокое разрешение и частоту квантования сигнала, что делает их наиболее предпочтительными перед другими типами преобразователей аналогового сигнала в цифровой код. Ключевыми моментами сигма-дельта преобразователей являются предискретизация, процесс шумопреобразования в сигма-дельта модуляторе, цифровая фильтрация и децимизация [57].
Холтеровские регистраторы ритмограммы, ограничиваются записью на аналоговый или цифровой носитель массива длительностей R-R интервалов. Для этого, по мнению авторов [58], необходимо перед регистрацией ритмограммы, провести полное исследование ЭКГ по 12 стандартным отведениям, а главное провести мониторирование в течение 15-20 минут по 2-му стандартному отведению с диагностикой аритмий и фиксацией диагноза и времени его обнаружения в базе данных [58]. Запоминание суточной ритмограммы упрощает структурную схему регистратора в сравнении с «полным холтером» и тем самым резко снижает стоимость системы. Основными блоками регистратора являются усилитель биопотенциалов, блок слежения за уровнем сигнала, блок выделения R-зубца и формирования сигнала прерывания микроконтроллера, флэш-память и однокристальный микроконтроллер, управляющий процессом ввода информации и в последующем передачей её в персональный компьютер через разъём RS-232. В структуре устройства отсутствует АЦП. Выделение #-зубца аналоговым, а не цифровым способом позволяет на порядок снизить тактовую частоту генератора микроконтроллера. Уменьшение частоты генератора снижает потребление электропитания и даёт возможность использовать в качестве запоминающего устройства флэш-память.
Проведение предварительного анализа характера нарушений ритма, зафиксированных в базе данных, и диагноза, поставленного на основании анализа ЭКГ, в 90% случаев позволяет установить соответствие между этими явлениями. Следовательно, в дальнейшем уже по суточной ритмограмме можно прогнозировать характер нарушений ритма [58].
К недостаткам суточных регистраторов всех типов можно отнести невозможность быстрой и простой оценки текущего состояния сердца в любой момент времени.
Определение величины минимальной достаточной выборки
Результаты исследований показали, что даже малые артефактные R-R интервалы могут сильно выделяться на фазовом портрете и тем самым затруднять его количественный анализ. Такая ситуация чаще возникает на больших выборках ритмограммы и развивается обычно вдоль одной из осей. Исходя из этого, для предложенного вида анализа ранее был определён достаточный объём выборки интервалограммы, а именно от 341 до 682 интервалов. В этом случае диагностика с помощью данного подхода сочетается с первоначальными данными об исследуемом, дополняя и переводя их в количественные результаты. Также для практически полного исключения влияния артефактов желательно проводить последовательно сразу около трёх измерений с минимально допустимыми для анализа промежутками времени записи, причём запись начинать по прошествии некоторого времени после наложения электродов, т.к. система электрод-биоткань должна пройти период адаптации (2...4 с). При выполнении всех изложенных требований и используя вышеописанные отведения, вероятность появления ложных данных сводится к нулю.
Исследования коэффициента сжатия показали, что за норму можно принять значения коэффициента к = 0.7..Л при коэффициенте амплитуды экстрасистол Кдэ = 100...80 %. Исследования площади описывающего ФП эллипса показали, что как чрезмерное увеличение площади, так и сильное уменьшение свидетельствуют о перенапряжении организма. Этот подход, как предполагалось, лучше реагирует на перегрузки организма, при этом оценка значимости этого критерия (Кн) стремится к 100%. Исходя из результатов данного исследования, за норму можно принять значения площади, лежащие в интервале от 3-Ю5 до 105, при анализе ритмограммы в миллисекундах. Комбинированный подход с использованием сразу двух коэффициентов (S и к) можно включить в программное обеспечение для более глубокого исследования динамики сердца, при этом общая схема принятия решений предлагается следующей: Решение о нормальном состоянии регуляторных систем: - если коэффициент к стремится к 1, при коэффициенте амплитуды экстрасистол КЛэ близким к 100%; - если площадь описывающего эллипса принадлежит интервалу [SMUH; SMOKC], принятому за норму, при коэффициенте ненормотропности Кн стремящимся к 0%. Решение об отклонении от нормальной работы регуляторних систем: - если коэффициент к стремится к 0, при коэффициенте амплитуды экстрасистол КАэ стремящимся 100%; - если площадь описывающего эллипса не принадлежит интервалу [SMUH; SMMC], принятому за норму, при коэффициенте ненормотропности Кц стремящимся к 100%. В результате проведения экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы: 1. В качестве исходного сигнала для интегральной оценки динамики сердца целесообразно использовать R-R интервалограмму; 2. Оптимальные места наложения электродов для регистрации R-R интервалов располагаются на грудной клетке, причём желтый электрод «+» - в районе пятого ребра с левого бока грудной клетки; синий электрод «-» - по средней линии передней стороны грудной клетки на одной линии с жёлтым электродом; чёрный электрод «общий» - с правого бока грудной клетки по одной линии с другими электродами (местоположение большого влияния не оказывает); 3. Объём минимальной достаточной выборки R-R интервалограмм для получения необходимой информации о текущем состоянии системы сердца составляет 230 точек; 4. R-R интервал, длительностью (262,5 ± 2,5)мс относится к оптимальному режиму работы сердца; 5. Ухудшение состояния сердца характеризуется появлением неровностей на гистограмме; 6. У условно здоровых людей спектр имеет выраженный максимум на низких частотах и гладко спадает до нуля на средних частотах, а при ухудшении состояния появляются максимумы на высоких частотах, и уменьшается низкочастотная составляющая спектра; 7. ФП в 3D пространстве, построенный по предложенной методике, является плоским; 8. ФП в 3D пространстве имеют общее наклонное положение, причём углы наклона могут изменяться для разных людей не более 90, в то время как масштаб ФП может изменяться более чем на 50 %; 9. Здоровое состояние организма характеризуется формой ФП типа «клубок», т.е. эллипс рассеяния данных на ФП является кругом; 10. При развитии патологии ФП вытягивается, т.е. центры эллипса рассеяния расходятся, а также происходит сильное увеличение или уменьшение площади описывающего ФП эллипса; 11. Значения коэффициента к от 0.7 до 1 можно принять за норму, любые отклонения от этого интервала значений показывают о развитии патологического состоянии в организме; 12. Коэффициент к применим для состояний вблизи нормы, и применяется при больших значениях коэффициента амплитуды экстрасистол (КАэ), значение площади S наиболее применимо для диагностики сильных отклонений от нормы и является количественной мерой перегрузки организма, причём её значимость определяется коэффициентом ненормотропности Кц\ 13. Методика с использованием коэффициента эксцентриситета к и площади эллипса S может быть аппаратно реализована, и применяться в качестве экспресс-диагностики функционального состояния организма.
Разработка принципиальной схемы аппаратной части программно-аппаратного комплекса оценки функционального состояния организма
Основываясь на разработанных методах и средствах оценки функционального состояния организма, был создан опытный образец установки, который состоял из нескольких специализированных функциональных блоков: - Портативное устройство съёма электрического потенциала с кожи испытуемого и аналогового определения зубцов R; - Аналого-цифровой интерфейс для передачи информации в персональный компьютер через последовательный порт; - Портативный цифровой обработчик информации, построенный на базе процессора MSP430F149; - Устройство для обновления программного обеспечения прибора, используя последовательный порт компьютера. 1) Портативное устройство съёма электрического потенциала с кожи испытуемого и аналогового определения зубцов R. На рисунке 4.1 показан внешний вид устройства. Конструктивно данный блок был оформлен в корпусе, удобным для размещения на ладони руки. На одной из сторон прибора, изготовленной из диэлектрика, расположены два токопроводящих электрода (Е1+ и Е1-). С другой стороны расположена металлическая крышка, к которой подключён нейтральный провод. Съём электрокардиографического сигнала может осуществляться как с пальцев рук, так и с грудной клетки. В первом случае прибор необходимо держать двумя руками. Большие пальцы рук приложить к задней крышке. Указательный и средний пальцы рук приложить к электродам на корпусе, при этом необходимо избегать соприкосновения пальцев одной руки с пальцами другой руки. При использовании грудного отведения (более предпочтительного) прибор необходимо взять в ладонь одной из рук, так чтобы задняя крышка соприкосалась с ладонью и приложить прибор к середине грудной клетки. Во время исследования руку с корпуса не убирать. Для начала работы прибора необходимо нажать кнопку с фиксацией на боковой стороне. На противоположной боковой стороне корпуса расположены разъёмы для связи с внешними устройствами и подключения дополнительных электродов. Среди них: вывод внешнего левого, правого и нейтрального электрода, общий провод, выход меток R-зубцов, выход ЭКГ, выход питагия +4.5 В и-1.5 В. 2) Аналого-цифровой последовательный интерфейс. Построен для передачи аналогового сигнала с устройства съёма ЭКГ в персональный компьютер через СОМ порт. Оцифровка сигнала производится двенадцати разрядным АЦП ADS1286, что достаточно для передачи ЭКГ сигнала. Питание осуществляется от батареи 9 В, которое снижается до 5 В и стабилизируется интегральным стабилизатором напряжения DA1. Диод VD3 используется для защиты от неправильной полярности питания. Также это напряжение используется в качестве опорного. На сигнальном входе схемы осуществляется сглаживающая фильтрация сигнала пассивным фильтром на резисторе R1 и конденсаторе С/ для уменьшения шумов. Также для защиты входа АЦП от перенапряжения в схему включены импульсные диоды VD1, VD2. С помощью резисторов R2, R3 осуществляется изменение формы импульса, пригодной для АЦП. Оптопары Ul, U2, U3 служат для осущетвления гальванической развязки с портом компьютера. Диоды VD4, VD5 служат для защиты оптопар от обратного напряжения из порта. Внешний вид интерфейса показан на рис.4.3. Для подключения к порту компьютера используется стандартный разьём DB-9. Испоьзуя данный прибор можно оцифровывать и передавать в компьютер, как сигнал ЭКГ, так и 7?-меток. 3) Портативный цифровой обработчик информации. Построен на основании разработанной принципиальной схемы цифровой части устройства съёма ЭКГ и обработки информации. Внешний вид прибора приведён на рис. 4.4. У данного прибора присутствуют следующие выходы и входы: - вход питания +3 В; - разьём для подключения программатора; - вход сигнала, подлежащего обработке. Для включения прибора и одновременного начала обработки введена кнопка с фиксацией. 4) Устройство для обновления программного обеспечения цифрового обработчика информации (программатор). Построено как устройство сопряжения сигналов порта персонального компьютера и микроконтроллера в составе цифрового обработчика информации. Данный программатор позволяет осуществлять внутрисхемное программирование, посредством стандартного последовательного протокола, используя встроенную внутреннюю программу сектора начальной загрузки {bootstrap loader) микропроцессора [173].
Экспериментальное исследование разработанного метода обнаружения и исключения артефактов
Блок съёма синала располагался на грудной клетке испытуемого. Далее сигнал ЭКГ или /?-меток наравлялся на блок интерфейса, а затем в порт персонального компьютера.
На персональном компьютере была установлена и запущена прогамма «Dinacard», где выбирается пункт меню: Регистратор - Подключить. После этого появится окно драйвера регистратора, где будет показан сигнал, получаемый с порта во временной развёртке.
Затем на блоке регистрации необходимо нажать кнопку включения питания и на экране появится вид ЭКГ или R — меток (в зависимости от разъёма, к которому подключён интерфейс). После установления стабильного сигнала можно нажать кнопку "Enter " для начала записи и её же для завершения и выхода в основную программу. В итоге прогрпмма-драйвер создаёт временный файл с записанным в него матрицей-вектором значений оцифрованного сигнала в вольтах.
Для получения данных программой необходимо выбрать пункт меню: Регистратор — Получить ЭКГ. После этого данные в графической форме появятся в окне программы на вкладке «ЭКГ- ЮЪ и произойдёт автоматическое распознавание 7?/?-интервалограммы с расчётом всех необходимых формул по разработанному алгоритму. Затем имеется возможность просмотреть результаты количественного анализа на вкладке «Расчёт параметров», графичекие результаты на вкладках «RR-интервалограмма», «Гистограмма», «Фазовый портрет», «Спектр» и сохранить получений массив itft-интервалограммы в текстовом файле (Файл -Сохранить ...).
Данные действия аналогичны при случае подачи вместо сигнала ЭКГ сигнал Я-меток. Но в данном случае надёжность распознавания увеличится. Изменение частоты дискретизации на качество динамического анализа не влияет.
Для проведения анализа с помощью цифрового обработчика информации необходимо подать на его вход і?-сигнал с устройства съёма ЭКГ и выделения Л-зубцов. По истечении небольшого времени стабилизации сигнала (3-4 с) можно нажать кнопку начала расчёта и по прошествии времени регистрации (около 3 мин) на индикаторе уровня высветится значение коэффициента эксцентриситета на данный момент времени и показано, обнаружена ли перегрузка организма. Если перегрузка не обнаружена, то красный светодиодный индикатор не загорится.
При необходимости обновления программного обеспечения микропроцессора новую программу на языке Си++ или ассемблере необходимо трансформировать в 77 - текстовый файл с помощью специализированной среды разработки 1AR Workbench. Затем с помощью программы обновления программного обеспечения, совместно с внутренней программой начальной загрузки микропроцессора и программатора, файл программы транспортируется в флэш-память микропроцессора и запускает его на выполнение.
Из-за особенностей структуры аналоговой части устройства погрешность преобразования амплитуды электрокардиографического сигнала (ЭКС) не оказывает заметного влияния на определение временного положения 7?-зубцов.
Главной инструментальной погрешностью в данном случае будет являться нелинейность передаточной функции измерительного преобразователя (Ан).
Для определения погрешности от нелинейности измерительного преобразователя был проведён эксперимент, в котором на вход устройства подавался сигнал от генератора с амплитудой 2 мВ, длительностью импульсов 40 мс и переменной частотой следования импульсов. На выходе детектора Я-зубцов измерялся период Я-сигнала. Максимальное отклонение этих показаний является погрешностью от нелинейности преобразования. Для исследования были выбраны частоты следования импульсов от 0.5 Гц до 5.1 Гц, что соответствует продолжительностям R-R интервалов от 2000 мс до 196 мс, покрывающих динамический диапазон работы сердца. Результат исследования представлен в таблице 4.1.
Для проверки качества удаления артефактов с помощью нового метода, была проведена регистрация электрокардиографического сигнала параллельно по двум отведениям. Для сравнения была проведена обработка полученного /?-сигнала при помощи логического и компараторного фильтров. Использовался логический фильтр, построенный по принципу отсеивания значений не входящих в теоретически возможную временную область работы сердца.
Для проведения исследования было проведено 2 опыта. В первом опыте во время регистрации в определённое время намеренно вызвались помехи сигналу. Во втором опыте действия помех вызывалось на всём протяжении регистрации. R-R интервалограмма, обработанная логическим фильтром показана на рис.4.12,6. В данном случае было обнаружено 3 артефактных значения, что по отношению к общему числу точек составило 0.8%. Визуально, участки артефактных изменений на R-R интервалограмме всё ещё остались различимы (см. рис.4.12,6).
При обработке того же исходного сигнала (рис.4.12,а) новым методом в первом опыте было выявлено 26 артефактных значений, приходящихся на период времени генерации помех при регистрации. То есть отношение артефактных значений к общему числу точек составило 6.8%. Как видно из рисунка 4.12,в, визуально артефактные изменения после применения данного типа фильтрации более не различимы.
