Обработка биомедицинских сигналов: Учебное пособие, страница 6

При аппроксимации Р-зубца полиномами второй степени максимальные значения разностей второго порядка, соответствующие с точностью до периода дискретизации началу Р-зубца и определенные в соответствии с выражением (25), имеют вид:

                                                   ,                                       (26) где Т_Д – период дискретизации, Т_Р – длительность Р-зубца.

Эти значения должны быть больше шага квантования, определяемого выражениями (21) или (22).                 

Из сравнения максимального значения разности второго порядка d2P и шага квантования ∆U   получим  минимальное число разрядов R, которое должен иметь АЦП при заданном периоде дискретизации и заданных амплитуде и длительности Р-зубца, чтобы выделить по максимуму разности второго порядка начало зубца Р с погрешностью по времени в пределах одного периода дискретизации

                                        ,                                                (27)

где U₀ – опорное напряжение АЦП.

Если при расчете получается не целое число, то его округляют до ближайшего большего целого числа.

4. ОБРАБОТКА БИОМЕДИЦИНСКИХ СИГНАЛОВ                         (НА ПРИМЕРЕ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА)

Из всех биомедицинских сигналов электрокардиосигнал (ЭКС) — са­мый характерный по форме и упорядоченности. Он представляет собой циклически повторяющуюся с частотой сердечных сокращений (ЧСС) последовательность зубцов и  сегментов (рис. 9), амплитудно-временные параметры которых позволяют судить о состоянии сердечно-сосудистой системы человека.

Рис. 9. Кардиосигнал без отклонений от нормы

Форма, амп­литуда и длительность интервалов и сегментов сигнала зависят от многих фак­торов: места расположения электродов, положения сердца, возраста, функ­циональных изменений и органических поражений сердца. Диапазоны значений для типичных параметров элементов ЭКС в норме приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры элементов ЭКГ

Наименование  параметра	Значения параметра элементов ЭКГ
	зубца Р	интерва­ла PQ	комплек­са QRS	интерва­ла QT	сегмен­та ST	зубца Т
Амплитуда, мВ Длительность, с	0—0,25 0,07—0,11	-------------- 0,12—0,20	0,3—5,0 0,06—0,10	-------------- 0,35—0,44	-------------- 0,06—0,15	0,4—1,0 0,10—0,25

Основные этапы обработки электрокардиосигнала  состоят в следующем:

–  выделение в каждом кардиоцикле опорной точки, принимаемой за начало отсчета,

–  коррекция дрейфа изолинии,

–  идентификация соответствующих элементов ЭКС, измерение их длительностей и амплитуд,

–  оценка информативных параметров и классификация типа формы элементов ЭКС.

4.1. Выделение опорной точки в каждом кардиоцикле

Выделение опорной точки на электрокардиосигнале (ЭКС), которая служит началом очередного кардиоцикла, является необходимой операцией перед дальнейшей обработкой ЭКС. Последовательность опорных точек используется для определения длительностей кардиоциклов, их сегментации, измерения длительностей отдельных элементов ЭКС. Измерение длительностей кардиоциклов в течение заданного интервала времени используется в кардиоинтервалометрии для оценки состояния отдельных функциональных систем организма, для определения реакции организма на различные внешние воздействия, такие как стресс, прием лекарственных препаратов, физиотерапевтические воздействия и т. п. Значения длительностей кардиоциклов необходимо знать при выявлении таких изменений в кардиограмме, как аритмии, экстрасистолы. Исторически сложилось так, что для выделения опорной точки используется QRS-комплекс. Разработано достаточно большое число различных методов выделения QRS-комплекса, которые по используемому решающему правилу делят на следующие группы [12]:

·  методы анализа ЭКС во временной области;

·  методы, основанные на частотно-временных преобразованиях ЭКС;

·  методы на основе нейронных сетей;

·  синтаксические методы;

·  комбинированные методы.

Наибольшее распространение в настоящее время получили методы первой из перечисленных групп. Это обусловлено относительно простой технической реализацией при незначительном снижении эффективности выделения QRS-комплекса и возможностью проводить анализ ЭКС в реальном времени. Основной операцией в данном случае является сравнение ЭКС с пороговыми уровнями. Последние могут быть фиксированными или адаптивными. ЭКС может подвергаться различным преобразованиям (фильтрация, детектирование, дифференцирование и т. п.) для уменьшения влияния помех и усиления выраженности сигнала QRS-комплекса по сравнению с другими элементами ЭКС. Несмотря на кажущуюся проработанность вопросов выделения опорной точки на основе методов анализа ЭКС во временной области, продолжаются работы по созданию более простых и помехоустойчивых методов [13,14].

Методам выделения опорных точек на основе QRS-комплексов присущи недостатки, обусловленные вариабельностью формы QRS-комплекса, проявляющейся в расщеплении R-зубца, трансформации комплекса в QS, qS, qrS, Qr  и т. п. [12, 15, 16].

Анализ структуры кардиоцикла

Анализ различных кардиограмм показал, что наиболее стабильную форму имеет участок электрокардиосигнала между зубцами Т и Р (ТР-сегмент). Этот участок соответствует электрической диастоле сердца и при отсутствии аддитивных помех находится на изолинии.  Стабильность формы ТР-сегмента можно использовать для выделения на нем опорной точки в каждом кардиоцикле. Однако насколько стабильна форма ТР-сегмента, настолько же вариабельна его длительность при изменении частоты сердечных сокращений (ЧСС). Кроме ТР-сегмента на изолинии расположен еще один достаточно протяженный во времени ST-сегмент. Между длительностями ТР- и ST-сегментов и ЧСС существует сильная линейная корреляция [17]. При определенной ЧСС длительность ТР-сегмента становится меньше длительности ST-сегмента.

Для определения области возможных значений ЧСС, при которых можно уверенно использовать ТР-сегмент для формирования на нем опорной точки в каждом кардиоцикле, проведен регрессионный анализ зависимости длительностей ТР- и ST-сегментов от ЧСС. Для анализа были отобраны электрокардиограммы 30 пациентов с различными отклонениями от нормы. Число кардиограмм для каждого пациента составляло от 10 до 30.