Обработка биомедицинских сигналов: Учебное пособие, страница 7

На рис. 10 показана зависимость длительностей ТР- и ST-сегментов от ЧСС, построенная по данным 30 электрокардиограмм одного из пациентов. Адекватной оказалась уже линейная модель исследуемой зависимости (рис. 10,а). С учетом доверительных интервалов для регрессий TP- и ST-сегментов на ЧСС, построенных при уровне значимости 0.05, область превышения длительности ТР-сегмента над длительностью ST-сегмента простирается до значений ЧСС 100-120 ударов в минуту.

Экспоненциальная регрессия лучше описывает исследуемые зависимости (рис. 10,б), поскольку имеет меньшие дисперсии остатков. Точка пересечения регрессий ТР и ST сдвигается в сторону увеличения ЧСС на 10 ударов в минуту.

                                                                                                                          а                                                                                                                                                                                                   б

Рис. 10.  Связь длительностей ST- и ТР- сегментов с ЧСС

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что можно использовать ТР-сегмент для выделения на нем опорной точки в большинстве случаев, когда обследование пациентов проводится в поликлинике или стационаре, т. е. в относительно спокойных условиях, даже если у пациентов выражена умеренная тахикардия.

Выделение опорной точки

Для выделения опорной точки на ТР-сегменте можно предложить следующие действия [18]. Электрокардиосигнал очищается от помехи промышленной частоты  любым известным способом. В случаях, когда требуется выделить только опорную точку в каждом кардиоцикле, а форма ЭКС не важна,   например, для целей кардиоинтервалометрии, выявления аритмий и экстрасистол, достаточно применить фильтр нижних частот с частотой среза 10 - 20 Гц. Необходимо также устранить дрейф изолинии, для этого могут использоваться методы сплайн-аппроксимации [19].

Кардиосигналы с явно выраженным дрейфом изолинии и после устранения этого дрейфа приведены соответственно на рисунках 11 и 12. Далее ЭКС сравнивают с двумя пороговыми уровнями (рисунок 12) один из которых расположен ниже изолинии (−U), а второй выше изолинии (+U).

Рис. 11. ЭКС с дрейфом изолинии

Рис. 12. ЭКС  после устранения дрейфа изолинии

Для упрощения процедуры выделения начала кардиоцикла на ТР-сегменте можно отказаться от операции устранения дрейфа изолинии [20]. При этом электрокардиосигнал с наложенной аддитивной низкочастотной помехой (дрейфом изолинии) подвергают двойному дифференцированию. Эта операция технически реализуется значительно проще операции устранения дрейфа изолинии, поскольку осуществляется на основе взятия разностей второго порядка (25).Кардиосигнал после двойного дифференцирования показан на рис. 13.

Последовательность дальнейших действий одинакова как для ЭКС с устраненным дрейфом изолинии, так и для второй производной ЭКС. Она иллюстрируется схемой, представленной на рис. 14. Цифрой 1 обозначена ветвь

Рис. 13. Вторая производная от ЭКС с дрейфом изолинии

прохождения сигнала при работе непосредственно с ЭКС, цифрой 2 - при работе со второй производной ЭКС.

Рис. 14. Схема выделения опорной точки

Фильтр низких частот ФНЧ позволяет отстроиться от сетевой помехи. Как отмечалось выше, в ряде случаев достаточно применить фильтр нижних частот с частотой среза 10 - 20 Гц. Схема сравнения сигнала с пороговыми уровнями может быть выполнена на основе двух компараторов. При нахождении сигнала ЭКС или его второй производной между пороговыми уровнями сигнал с выхода схемы сравнения разрешает прохождение через схему И импульсов от генератора тактовых импульсов ГТИ на счетный вход счетчика. Период тактовых импульсов может быть принят равным используемому в стандартных электрокардиографах или холтеровских мониторах периоду дискретизации ЭКС. Исходя из периода следования тактовых импульсов, устанавливают число N, которое может быть достигнуто счетчиком импульсов только на участке ЭКС между зубцами Т и Р.  На этом участке счетчик успевает сосчитать заданное число импульсов N. При достижении этого числа на выходе формирователя опорной точки ОТ формируется импульс (ОТ на рис. 12 и рис. 13). На остальных участках ЭКС выходит за пределы значений, ограниченных пороговыми уровнями, ранее достижения счетчиком числа N, и счетчик сбрасывается в начальное состояние сигналом Уст. 0.

Использование второй производной ЭКС способствует усилению быстроизменяющихся участков кардиосигнала (зубцов) относительно медленно изменяющихся участков (сегментов), что позволяет снизить требования к стабильности пороговых уровней. Кроме этого, определение второй производной ЭКС требует меньших вычислительных затрат по сравнению с построением сплайна, аппроксимирующего дрейф изолинии, и последующим его вычитанием из исходного сигнала, что упрощает в целом процедуру выделения опорной точки в каждом кардиоцикле.

Выбор пороговых уровней

При работе с «очищенным» от помех (50 Гц и дрейф изолинии) ЭКС пороговые уровни можно выбрать из следующих соображений. Поскольку сегмент ТР соответствует электрической диастоле сердца, то на этом участке ЭКС присутствуют только шумы (шум усилителя кардиосигнала или шум квантования, если для последующей обработки аналоговый кардиосигнал преобразован в цифровой). Будем перемещать вдоль ЭКС временное окно, длительность которого несколько больше ST-сегмента, и вычислять мощность сигнала в окне.

Для непрерывного кардиосигнала получим

                        ,                                 (28)

где Рн - мощность сигнала в окне,

То - длительность окна,

U(t) - непрерывный кардиосигнал;

для дискретизированного сигнала -    

                                                                 ,                                          (29)

где Р_Д - мощность сигнала в окне,

N - число дискретных отсчетов кардиосигнала, умещающихся в окне,

U_i - амплитуды отсчетов.

Когда опорная точка выделяется на основе обработки второй производной ЭКС, определяется мощность сигнала второй производной