автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Оценка погрешностей преобразования электрокардиосигналов в анализаторах ЭКГ

РГБ ОД

2 3 от >235

На правах рукописи

Микайлов Алексей Васильевич

опенка погришюстей ПРЕОБРАЗОВАНИИ эттжАрдаштшв в анализаторах экг

Специальность: 05.11.17 - Медицинские приборы и измерительные системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

СашлЧЬтербург - 1995

работа выполнена в Центральном научно-исследовательском 'институте "Гранит".

Научный руководитель - кандидат технических наук Санкин А.'Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Цветков 3. И. кандидат технически« наук, доцент Опалев A.A.

Ведущая организация - СКТБ "Биофизприбйр".

Защита диссертации состоится 1995 г. в

ий._ на заседании диссертационного совета Д 063.36.09

Санкт-Петербургского государственного электротехнического' университета им. В.И.Ульянова (Ленина), по адресу: 197376, С.-Петербург, ул.Проф.Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "Л" М^И^Л.1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета . Юлдашев З.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

актуальность проблеж. При решении задач диагностики и профилактики заболеваний сердечно-сосудистой системы широко исполь-зуктгея приборы для автоматического анализа ЭКГ, или кардиоанали-,-заторы СКА), разработка который занимает важное' место в деятельности ведущих Фирм-производителей медицинской техники.

Основными составными частями КА являются аппаратура сбора данных (АСД), вычислитель с набором периферийных устройств, пакет программ для обработки и анализа электрокардиосигналов (ЭКС). В состав современных КА часто входят и устройства точного воспроизведения тестовых сигналов, близких к реальным ЭКС по форме и диа~' пазонам изменения параметров, для оперативной проверки работоспособности АСД при эксплуатации КА в медицинских учреждениях.

Как и в любой системе для анализа состояний объектов, технические характеристики (ТО АСД существенно влияют на точность Определения диагностически информативных параметров ЭКС. Однако в течение длительного времени усилия исследователей были сосредоточены главным образом на создании и исследовании алгоритмов диагностики вне их связи с предшествующими анализу преобразованиями ЭКС, и АСД рассматривалась лишь в качестве необходимого дополнения системы анализа, а не как ее составная часть. Анализ известных методов оценки погрешностей преобразований ЭКС в АСД и их влияния на результаты измерений диагностических параметров ЭКС показывает, что они нуждаются в дальнейшем совершенствований и развитии, т.к. охватывают не все-составляющие погрешностей измерений и не всегда доведены до уровня расчетных соотношений.' Это затрудняет формирование адекватных требований к ТХ АСД на начальном этапе проектирования КА и часто приводит к итеративности процесса разработки,' увеличивающей ее сроки и стоимость КА в целом. Поэтому исследования в направлении анализа погрешностей преобразований ЭКС в АСД, зависимости их величины от выбора ТХ аппаратуры и влияния на результаты измерений диагностически информативных параметров ЭКС являются актуальными.

ЦЕЛЬ-РАБОТЫ. Цель работы заключается в исследовании характера и количественной оценке искажений ЭКС в АСД для обоснования выбора ТХ аппаратуры при ее проектировании. Для достижения этой цели в работе Решались следущие основные задачи.'

- разработка методов оценки влияния ТХ АСД на точность изм рений дтгноглу.чйсл.и.лг^йпРма'Шйиьм.павамр.тпол.ЗКС:

- разработка метода расчета ТХ встроенного устройства воспроизведения (УЮ тестовых сигналов (ТО с учетом характерней» проверяемого с его помощью ЭКГ-тракта;

- определение показателей врачебной точности измерений диагностически информативных параметров ЭКС в качестве частного критерия выбора ТХ АСД при проектировании аппаратуры.

МЕТШИ ИССЛЕДОВАНИЯ. При решении поставленный задач использовались методы и аппарат функционального анализа, теории вероятностей, теории линейных импульсных систем, цифрового моделирования. Для обработки результатов экспериментальных исследований использовались методы математической статистики.

ЮШЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. В процессе решения поставленный задач получены следующие новые научные результаты, которые выносятся автором на защиту:

- получены аналитические зависимости характеристик погрешностей измерений амплитудно-временных параметров ЭКС от частоты дискретизации, шага квантования ЭКС по амплитуде и параметров сигнала;

- проведен анализ характера и величины искажений ЭКС, обусловленных ограничением полосы частот ЭКС снизу, предложены способы уменьшения искажений и их влияния на результаты автоматической обработки ЭКС;

- получены выражения для оценки динамической погрешности СДП) в линейных инерционных звеньях, связываицие максимальное значение ДП на выходе звена с максимальной скоростью изменения сигнала на его входе и основными параметрами переходной характеристики СПХ) звена:

- показаног что при проектировании УВ ТС, основанных на ступенчатой интерполяции Функций, учет динамических характеристик проверяемого канала при выборе интервала интерполяции позволяет увеличить его величину без ущерба для качества проверки и, следовательно, снизить требования к ТХ УВ:

- экспериментально определены показатели точности опознавания структуры кардиокомплексов и измерений их амплитудно-временных параметров при обработке ЭКГ врачами.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Разработанные методы опенки

влияния основных ТХ АСД на точность измерений диагностически информативных параметров ЭКС позволяют при проектировании АСД выбирать ее ТХ, исходя из заданных требований к точности измерений этих параметров. Это сокращает сроки и повышает качество проектирования, позволяя избежать затрат, связанных с неоправданным завышением требований к ТХ или с необходимостью корректировки технических решений по результатам испытаний изготовленной аппаратуры. Разработанные методы применимы при проектировании как АСД КА, так и приборов для регистрации биопотенциалов.

внедрение результатов. Результаты работы использованы при разработке КА "Анамнез-МТ" и "Кратер-МТ" в рамках опытно-конструкторских работ, выполненных при личном участии автора. Опытные образцы АСД в составе КА успешно прошли государственные технические и медицинские испытания на базе ВНШИМТ, ЦИУВ, ММСИ, МОНИКИ им. М. Ф. Владимирского, 1-го ЛМИ им. И. П. Павлова. КА "Анамнез-МТ" серийно выпускался с 1980 г., КА "Кратер-МТ" - с 1990 г., что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на II Всероссийской научно-практической конференции "Вычислительная диагностика и телеметрическая обработка медицинской информации" СГорький, 27-29 июня 1979 г.), II Всесоюзной научно-практической конференции "Аппаратура и методы медицинского контроля" (Ленинград, 2-4 октября 1979 г.), II Всесоюзном совещании "Теория и практика автоматизации электрокардиологических и клинических исследований" (Каунас, 19-23 октября 1981 г.), Всесоюзной конференции "ЭВМ в профилактической кардиологии" С Рига, 1983 г.). Всесоюзной научно-технической конференции "Применение микропроцессоров и микроЭВМ в медицинском приборостроении" (Москва, 28-30 октября 1987 г.У, II и III Всесоюзных научно--техническик конференциях "Проблемы создания технических средств пля диагностики и лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы" (Львов, 1987, 1990 гг.), симпозиуме "Электрокардиогенератор. Модели и приложения" (Пущино, 29 ноября - 1 декабря 1992 г.), 2-ой научно-практической конференции "Современные компьютерные технологии в практической медицине (Минск, 8-9 декабря 1993 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 17 работ, 5 из соторых являются статьями, 7 - тезиса™ докладов на научно-техни--юских конференциях, 5 - авторскими свилетельстр.-знм.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы, включающего 327 наименований. Основная часть работы изложена на 126 стр. машинописного текста. Работа содержит 15 таблиц и 21 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и необходимость совершенствования методов оценки зависимости точности измерений ЭКС от основных ТХ АСД. Сформулированы цель, задачи исследования и основные положения, выносимые автором на защиту. Приведено краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе рассматривается существующие подходы к разработке АСД и методы оценки влияния ее ТХ на точность определения диагностически информативных параметров ЭКС.

Для описания ЭКС при ии классификации обычно используются врачебные признаки (ВП), под которыми чаще всего понимают оценки амплитудно-временных параметров структурных элементов■кар-диоцикла и характерных особенностей их Формы) а критерии диагностики базируются на знаниях, накопленных врачами при ¿бработ-ке ЭКГ. Качество автоматической оценки ВП в значительной степени зависит от ТХ АСД, в общем случае обеспечивашей съем биопотенциалов (БГО, Формирование ЭКС отведений, их усиление, фильтрацию и аналого-цифровое преобразование (АЦП), а также от помехоустойчивости измерительной программы СИП).

АСД и ИП можно рассматривать как составные части измерительного канала, преобразуйтего ЭКС с целью получения численных значений ВП. Согласно общим принципам построения таких каналов, для разработки АСД необходимо располагать требованиями к точности измерений ВГ1, согласованными с показателями качества диагностики, и методами расчета погрешностей измерений ВП на основе' ТХ АСД. Согласование характеристик АСД и ИП может быть обеспечено главным образом за счет учета ТХ АСД при разработке алгоритмов измерений ВП, поз гону анализ возникающих в АСД искажений и помех играет иакную гиль также и при разработке ИП.

Обоснование требований к точности автоматических измерений ЬП аналишческими методами весьма проблематично из-за сложности и эвристической природы алгортшв диагностики. Однако используемые

и таких алгоритмах критерии должны быть согласованы с точностью оценки ВП, которая достигается при расшифровке ЭКГ. Это' указывает на возможность оценки показателей качества автоматических изменений ВП путем их сравнения с показателями, к аракте ри з у ш и ми качество измерений при обработке ЭКГ врачами.

Проведенный анализ показал, что оценку зависимостей погрешностей измерений ВП от ТХ ЛСД затрудняют следующие причины:

- в рамках известных соотношений для оценки погрешностей формирования ЭКС не учитывается.наличие весовых цепей (ВЦ), используемых в практических схемах для взвешенного суммирования БП при Формировании ЭКС в униполярных отведениях;

- при анализе искажений ЭКС, связанных с ограничением полосы .частот ЭКС снизу, используются чрезмерно упрощенные модели сигнала, что ограничивает достоверность оценки влияния фильтрации нз результаты опознавания и измерений параметров реальных ЭКС и возможность коррекции возникающих погрешностей в ИП:

- при оценке мгновенных значений ДП в линейных инерционных звеньях не учитываются основные параметры их ПК, что снижает эффективность использования таких оценок при выборе оператора фильтрации' для реализации ФНЧ в составе ЭКГ-тракта:

- аналитические методы оценки зависимостей погрешностей измерений параметров ЭКС от частоты дискретизации и шага квантования ЭКС по амплитуде разработаны недостаточно, в результате чего значения параметров АЦП часто выбираются заведомо избыточными.

ТХ АСД'мэгут изменяться во времени, поэтому выполнение требований к точности измерений ВП периодически проверяется. Обычно проверки производятся с помощью тестовых сигналов СТС), значения параметров которых на входе ЛСД сравниваются с их оценками на выходе ИП. Использование встроенных УВ ТС и возможностей вычислителя позволяет автоматизировать процедуру проверки, однако в связи с этим П[ ; проектировании АСД возникают дополнительные задачи по согласованию построения и характеристик УВ и проверяемого тракта.

Во второй главе приводятся результаты экспериментального исследования точности измерений ВП при обработке ЭКГ врачами и аналитически оценивается зависимость точности цифровых измерений ВП от выбора параметров АЦП ЭКС,

Группой кардиологов были проведет* 2-кратные, с интервал» 1-П изгедамя параметров 2Р-ти ЭКГ» зарегистрировали*V

12-ти общепринятых отведениях. Оценивалась устойчивость опознавания структуры кардиокомплексов, определялись разности между 1-м и 2-м измеренными значениями амплитуд и длительностей зубцов, а также между измеренными значениями и групповой оценкой, за которую принималась медиана ряда измерений параметра. Рассчитывались дисперсии разностей, значимость расхождений между которыми проверялась с помощью Р-критерия при 95%-м уровне.

Устойчивый выбор типичного кардиоцикла для измерений параметров наблюдался в 82-87% случаев, при этом 87-92% расхождений были связаны с неустойчивым опознаванием зубцов 0 и Б с амплитудами и длительностями, не превышавшими 50 мкВ и 20 мс. Средние квадра-тические отклонения разностей между результатами повторных измерений амплитуд зубцов лежали в пределах 59.2-92.8 мкВ, их длительностей - 9-14 мс. 95%-е пределы наибольших отклонений результатов врачей от групповой оценки не превышали 200 мкВ и 20 мс при измерениях амплитуд и длительностей соответственно. Сравнение дисперсий разностей между повторными измерениями с дисперсиями разностей относительно групповой оценки не выявило значимых расхождений между ними.

При автоматическом анализе точность измерений ВП в значительной степени зависит от выбора интервала дискретизации ДЛ и шага квантования ЭКС по уровню дД. Погрешность измерений амплитуд зубцов бй рассматривалась в диссертации как сумма составляящих еэ и £кв, обусловленных дискретизацией и квантованием ЭКС. Предполагалось, что£.кв равномерно распределена на интервале С-Ь , К=дА/2. Погрешность £э в общем виде была определена как — Л — шох ^ ¡.д^Т , где Т. Я - длительность и амплитуда зубца, Л - оценка амплитуды. Характеристики определялись на моделях зубцов,Х4ф=ИО-гШ/Т), Хг(Х)=ЙС05{П/Ца:3ШС05гШХ ;Т/£ ]. Выборка отсчетов равновероятна в любой точке интервала длительностью^ в окрестности экстремума, поэтому за оценку амплитуды зубца Я может быть принят любой из отсчетовХС^), Ш^:^], £(*,)= ХСЦ) , {.^рМ, и-£<э можно считать функцией от случайного аргумента х,, диссертации получены выраже-

ния для плотностей распределения сХб-э) , а также для зависимостей характеристик £э от величины . Показано, что наибольшие

погрешности достигаются на зубцак треугольной формы, при этом распределения £з при измерениях амплитуд симметричных и несиммет-

ричных треугольных зубцов одинаковы. Для этого случая получены также выражения интегральной функции распределения суммарной погрешности Р(г)=Р{£,*2}.

Границы зубцов обычно определяются относительно уровня изолинии ЭКС. Если принять его за нулевой, то абсцисса границы ^ может быть определена из условия 10=<ггдхС10), Х(}:о>0. Изменение уровня отсчета на величину Ц - в частности, из-за квантования ЭКС, приводит'к возникновению погрешности , $=Х'(£<,),

т. к. при этом абсцисса границы 1ц=0гд;Щд) , . С учетом

дискретизации ЭКС правило определения границы можно представить в виде £= агд £[Ш]>и , з^ц, при этом суммарная

погрешность £-1= . В силу равновероятности выборки от-

счетов на интервале погрешность распределена с

плотностью £ *[0 .

Функция плотности

была получена как плотность распределения значений функции £4=и/$-от'случайного аргумента о(ЗМ$тах-$т^)"' при Ц=С0пз1. При расчетах можно считать М=ДИ , однако в реальных условиях положение изолинии между уровнями квантования случайно, и значения и. равновероятны на интервале [0 ;дй ]. В этом смысле оценки при и=лА соответствуют наименее благоприятному случаю.

С учетом Ш и независимости величин ен , е^

.❖¿^¿^ц4^3««^-^4« • (3)

Получены также выражения для интегральной функции распределения Р(2)=Р{£{£2} и приведены границы интервапов [Ц/5таг:гр], где 2Р представляют собой квантили Р($ при Р=0.9 , расчитанные для ряда значений и ЛЙ и крутизны Э в диапазонах 0.005-0.05 мкВ/ме и 0.0005-0.005 мкВ/мс, соответствуидих диапазона изменения 1-ой производной ЗКС на участках комплексов и зубцов Р. Г.

Полученные результаты позволяют оценивать потенциальную точность измерений амплитудно-временных параметров 3КС, которая может быть обеспечена при заданных параметрах АЦП в отсутствие действия других влияющих факторов, и могут быть использованы для в«-

бора значенийД1 идй при заданных требованиях к различным характеристикам погрешностей измерений параметров ЭКС.

В третьей главе исследуются погрешности, возникащие при Формировании ЭКС отведений, а также при преобразованиях ЭКС в ФВЧ и ФНЧ, и оценивается их зависимость от характеристик АСД.

Взвешенное суммирование БП обычно производится с помощью ВЦ определенной топологии, включаемых между электродами и входными дифференциальными каскадами УБП. В диссертации получены выражения для оценки отклонений весовых коэффициентов от их номинальных значений при Формировании ЭКС в 12-ти общепринятых отведениях в зависимости от. ожидаемой величины переходных сопротивлений и параметров входной части АСД. На практических примерах показано, что отклонения не превышают 5% при величине переходных сопротивлений не более 10 кОм и могут достигать 25% при наложении электродов на неподготовленную кожу. Использование входных частей с согласующими буферными усилителями позволяет уменьшить отклонения до 1-2%.

Подавление инфранизкочастотных помех обычно обеспечивается ФВЧ с функцией передачи КСр)=*СрС+р)~реализуемых путем включения разделительных ЯС-цепей после входных дифференциальных каскадов УБП. Искажения на выходе ФВЧ оценивались на моделях ЭКС в виде периодических, с периодом Т, последовательностей нормированных по амплитуде импульсов длительностью 1:и<Т, отражающих характерные особенности формы зубцов реальных ЭКС - симметричных треугольных импульсов Х^Ш, полусинусоидапьных импульсов хгЩ и пилообразных импульсов с линейным фронтом Х3®. Использование периодических моделей позволило оценить влияние фильтрации на погрешности измерений параметров ЭКС, связанные с изменениями как формы отдельных зубцов, так и их положения относительно уровней отсчета и , в качестве которых при автоматических измерениях параметров зубцов Р, зубцов комплексов ОКэ и величины смещения сегмента БТ принимаются уровни участков изолинии непосредственно перед зубцами и комплексами.

. Для оценки искажений были получены выражениям/становившихся реакций ФВЧ на воздействия Х^-) - 1=1,3. Относительные погрешности измерений амплитуд зубцов, искажения ЭКС вне интервалов существорания зубцов на входе ФВЧ и их наибольшие относительные значения определялись при Ц=у , СО) соответственно как

У- г

[maxy^t)-U ]. WO :t„ ], ^(tHy^to-UI, S^ mar, efl (t), tt[tM :T]. в диссертации приведены точные и приближённые выражения для S"ii( , ßjjCt), и построены зависимости при .изменении tH в диапазоне 20-100 мс.'

Анализ полученных выражений и расчеты показывают, что значения 5|й возрастают с ростом tM и практически не зависят' от изменения периода _ Т. Наибольшие в диапазоне значения составляют 1.1% приТ=2.2 с и 0.8% при Z=3.2 с, значения , соответственно, 1.4% и 1.0%. Значения 6"£s возрастают с ростом и Т и при Т=1.25 с примерно вдвое превьшакгг значения . От Фэр~ мы зубцов величина таких искажений практически не зависит. Для их приближенной оценки могут использоваться выражения

, I=i ■

¿sCO-Sw'c" Се * -I), t->Aw, (4)

(5)

где Jw,tw - площадь зубца и его длительность соответственно.'

Кардиокомплексы ЭКС состоят из нескольких переходящих друг в друга 3y6uoBi поэтому искажения ЭКС на выходе ФВЧ зависят от структуры комплексов и соотношения параметров образующих их зубцов. Показано, что искажения зубцов высокой интенсивности могут приводить к неверному опознаванию следующих за ними малых зубцов и, следовательно, к грубым ошибкам измерений.

Предложено выделять преобладающие зубцы при программной обработке ЭКС и учитывать их влияние на результаты опознавания и измерений, используя в соответствующих. процедурах соотношения С 4), C5D при значениях $w, и Т, равных оценкам площади зубца, его длительности и длительности интервала RR.

Для уменьшения искажений ЭКС из-за переходных процессов УБП при коммутации сигналов на его входе обычно переводится в режим успокоения путем скачкообразного изменения постоянной времени до значений ty-О с последующим восстановлением рабочего значения Т. Показано, что искажения ЭКС могут быть уменьшены в УБП с адаптивным управлением успокоением, в которых восстановление постоянной времени осуществляется на интервалах изолинии ЭКС.

Точность измерений параметров комплексов QRS зависит от выбора динамических характеристик СДЗО ФНЧ. При выборе оператора Фильтрации необходимо оценивать максимальные мгновенные значения

вносимой фильтром ДП, которые в общем виде можно определить.как Д=пуп шах|уСи-ХЙ-^|, где 1) - задержка между входом и выходом. Полученные в диссертации оценки д^Д построены на основе нормированных ПХ систем 1-го-З-го порядка 114(0=1-е->а* -Лe"dtSLn(ыt+■yJ,h3Ct)=l-Лe"<ítSLt1CoJt+>')-Be"•ЯÍ для класса сигналов с ограниченной скоростью изменения . Выражения нормированных по $ оценок ДП имеют вид:

гдеЦ^агЩ&Ю, . а ^определяется из уравнения.

Связь между ДП и основными параметрами ПХ становится более наглядной, если положить Ш=0 , ¡гШ)= 0 , что всегда выполняется для наиболее распространенных типов ФНЧ. Показано, в частности, что в этом случае (7) можно представить в виде

диссертации приведены зависимости в диапазоне измененш

частоты среза 50-200 Гц для ФНЧ Баттерворта 1-3 порядка и ФН1 класса Ь 3-го порядка, основанного на аппроксимации АЧХ полиномами Лежандра, а также проведено сравнение Фильтров по критериям Щ и частотной избирательности.

Установлено, что вносимые ФНЧ 1-го и 2-го порядка ДП отличаются незначительно - отношение бг/5н в указанном выше диапазоне н* превышает 1.1. Однако ФНЧ 2-го порядка дает почти 2-кратный выигрыш по частотной избирательности, и его использование в УБП с наклоном АЧХ до 40 дБ/дек в общем случае позволяет снизить требования к допустимому уровню собственных шумов на входе УБП. В УБП с наклоном АЧХ порядка 60 дБ/дек целесообразно применять ФНЧ класс. 1„ превосходящий ФНЧ Баттерворта 3-го порядка по обоим критериям

В четвертой главе рассматривается применение разработанных методов оценки погрешностей преобразовании ЭКС при проектировали

(6)

(7)

ЛСД КА "Анамнез-МТ" и "Кратер-МТ", приводятся реализованные 6 АСД технические решения, результаты оценки точности измерений ВП, полученные при цифровом моделировании преобразований ЭКС в АСД, а также методы расчета, использованные при разработке встроенного № ТС. "

АСД КА "Анамнеэ-МТ должна обеспечивать промежуточную 3-х канальную модуляционцую магнитную запись ЭКС в полосе частот 700-2700 Гц и состоять из терминалов, сочетающих функции электрокардиографа и накопителя ЭКС, и устройства ввода данных для воспроизведения записи и преобразования ЭКС в последовательность чисел.

Терминалы построены на базе 4-хканапьного электрокардиографа ЭК4Т-02. По результатам оценки погрешностей формирования ЭКС в' его входном блоке, проведенной с помощью полученных в разд.3.1 соотношений, в блок введены согласующие буферные усилители. 4-ый канал УБП использован для выделения участков изолинии ЭКС при адаптивном управлении успокоением, что позволяет, как показано в разд. 3.3, уменьшить искажения ЭКС из-за переходных процессов в !/БП. Магнитная запись ЭКС осуществляется с помощью нелинейной ЧМ - периодной модуляции, использование которой позволяет упростить средства компенсации искажений ЭКС из-за нестабильности движения носителя записи. На основании полученных в разд. 3.4 оценок ДП для снижения уровня шумов, напряжение которых на выходе частотных демодуляторов возрастает с ростом частоты, выбран ФНЧ класса Ь 3-го порядка.

К АСД КА "Кратер-МТ" были предъявлены требования автоматического управления регистрацией ЭКС и проверки каналов с помощью встроенного 3-хканального УВ ТС. Погрешности измерений амплитуд зубцов кардиокомплексов в КА должны быть в предела?» +-С0.1511+-40) мкВ и +-С 0.0511+-0.04) мВ в диапазонах 100-500 мкВ и 0.5-3.0 мВ, их длительностей - не более 20 мс в диапазоне 30-180 мс. Пропускная способность КА должна быть не менее 10 чел/час, для ввода ЭКС в вычислитель должны использоваться каналы со скоростью передачи данных не более 19200 Бод.

Разработанная АСД включает в себя 2 идентичных преобразователя ЭКС; в виде выносных гальванически изолированных блоков с электродами и связанный с вычислителем контроллер ввода-вывода. Пои регистрации ЭКС чувствительность каналов УБП изменяется автоматически. Кроме того, ЭКС автоматически центрируется в апертуре

коднругаего преобразователя, при этом в качестве управляемого источника напряжения смещения используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАГО. Качество наложения электродов контролируется путем оценки уровня сетевой наводки в каналах УБП, полученная матрица распределения наводки по каналам анализируется вычислителем с целью локализации нарушения контакта. Использование 2-х коммутируемых преобразователей и автоматическое управление регистрацией ЭКС позволяют обеспечить заданную пропускную способность КА без предъявления дополнительных требований к быстродействию вычислителя и каналов передачи данных за счет совмещения во времени подготовки очередного пациента к обследованию с обработкой ЭКС предыдущего пациента.

ЭКС преобразуется в последовательность 10-тиразрядных чисел с параметрами АЦП £Д'=4 мс, дй=4 мкВ. Расчеты, проведенные с помощью полученных в разд. 2.2, 2.3 формул и с использованием статистических характеристик реальных ЭКС, Показали, что при выбранных значения* и дй средние и среднеквадратические значения погрешности £й не превышают 25 и 15 мкВ в диапазоне изменения амплитуд зубцов 100-500 мкВ, 49 и 26 мкВ - в диапазоне 0.5-3.0 мВ, а их относительные значения не превышают 5.0% и 3.1% от измеряемой амплитуды. Аналогичные характеристики погрешности £.(. составили 4.4 и 2.0 мс в диапазоне изменения 1-ой производной ЭКС 0.5-50 мкВ/кс, 2.0 и 1.6 мс - в диапазоне 5-50 мкВ/мс. При измерениях малых зубцов с амплитудами и длительностями 50 мкВ и 20 мс, опознавание и измерения которых вызывали затруднения при обработке ЭКГ врачами, средние и среднеквадратические значения погрешности £ составили 5.0 и 3.1 мкВ, погрешности - 3.1 и 1.2 мс.

Полоса частот ЭКС перед дискретизацией ограничивается ФНЧ Баттерворта 2-го порядка с частотой среза 100 Гц. Расчеты по формулам разд. 3.4 показали, что вносимая данным фильтром ДП лежит в пределах 1.5-8.0% и соизмерима с погрешностями цифровых измерений амплитуд зубцов, а наибольшие значения ДП достигаются на нижней границе заданного диапазона.их длительностей.

Для оценки помехоустойчивости .тракта АСД--ИП на этапе проектирования КА испильзовался комплекс программ, обеспечивавши цифровое моделирование ЭКС и понох. основшр пгеобглзопэння ЭКС гз нСД, -ч такзке подключение различных ьорам Ш в проигс-сс ее разработки. В лиссергэаии пригедопы результаты сгеик» точно*!.: ^зм.тг-

■шй, полученные на моделях 35-™ ЭКС с добавлением случайного пума размахом 20 мкВ и сетевой наводки. Установлено, что при увеличении амплитуды наводки более 150 мкВ число ошибок опознавания 1ревшдает соответствующие показатели при обработке ЭКГ врачами, /ровень наводки 150 мкВ был принят в качестве предельно до-метимого при контроле качества'ЭКС на выходе АСД. Расчетные значения коэффициента режекции сетевой наводки в АСД составляй' 1.00-105 дБ, ' поэтому превышение данного уровня возможно лишь при зесьма неблагоприятных условиях регистрации ЭКС.

Точное воспроизведение сигналов сложной формы наиболее просто реализуется цифро-аналоговыми генераторами со ступенчатой ин~ герполяцией заданных функций X(t) по их дискретным отсчетам ХйдТ]. Простота реализации обеспечивает и простоту периодически поверок, обязательных при использовании генераторов в (сачест-ш УВ ТС, однако их недостатком являются более высокие по сравне-шю с использованием других алгоритмов интерполяции требования к >ыстродействию и объему памяти. Эти требования зависят от величи-1ьГ интервала интерполяции дТ, которая при разработке УВ универ-:ального применения обычно выбирается, исходя из заданной погре-1ности интерполяции и ДХ воспроизводимым сигналов.

Вместе с тем, в АСД, как и во многих других аналого-цифровых устройствах, дискретизации сигналов предшествует ограничение их :пектра помощью ФНЧ. Погрешность ступенчатой интерполяции ;„(t)=X(t)-X(t) можно рассматривать как последовательность пилообразных импульсов длительностью дТ с амплитудами, равными 1-ой азности функции х[ьдТ], • т.е. как импульсную помеху, для кото-юй ФНЧ в составе проверяемого с помощью ТС X(t) тракта является :глаживаюцим Фильтром. Предлагается учитывать эффект фильтрации и ;ыбирать дТ , исходя из максимальных значений реакции ФНЧ £x(t) ia воздействие £x(t) , т.е. исходя из погрешности интерполяции, [риведеннсй к выходу ФНЧ. Общее выражение для расчета значений ¡ункцни г-цСО на выходе ФНЧ с заданной функцией передачи было по-¡учено с помошью методов и аппарата теории линейных импульсных :истем. Для ФНЧ 1-го и 2-го порядка получены такие выражения, юэволящие оценивать максимальные значения сверлу при

¡аданном ограничении на величину 1-ой газности Функции Х(ХдТ].

Вепзоенное УВ ТС со ступенчатой iimepnojisiinert деалиэовэмо ид •сноро уже имошегоея ссставн нкэнапыты ЦА!1 в ко-

честве генератора отсчетов X 1лдТ] используется вычислитель КА. Применение разработанного метода расчета позволило увеличить допустимые значения дТ в 2.6 раза и использовать для передачи 10-разрядных кодов отсчетов на входы ЦАП канал интерфейса со скоростью Передачи данных не более 19200 Бод.

заклочение

В' диссертационной работе получены следующие основные результаты:

. 1. Исследована зависимость точности измерений амплитудно-временных параметров ЭКС от частоты дискретизации и шага квантована ЭКС по амплитуде, что позволяет выбирать параметры АЦП ЭКС, исходя из заданных требований к точности автоматических измерений амплитуд структурных элементов кардиоцикла и определения их границ.

2. На основании анализа искажений ЭКС, возникающих в УБП с ограниченной снизу полосой пропускания, предложены процедурь коррекции результатов опознавания структуры кардиоцикла и измерений параметров образующих его элементов, а также способ уменьшения искажений ЭКС, обусловленных переходными процессами в УБП.

3. Получены выражения для минимизированной по временном* сдвигу между входом и выходом оценки ДП в линейных инерционны} звеньях, свйзыващие максимальное значение ДП измерений выходного сигнала с основными параметрами немонотонной в общем случае ГО звена и максимальной скоростью изменения его входного сигнала.

4. Для ЭКГ-аппаратуры с весовыми цепями для формирования ЭКС в 12-ти общепринятых отведениях получены соотношения между погрешностями формирования ЭКС, переходными сопротивлениями участков электрод-кожа и параметрами входной части аппаратуры.

5. Показано, что учет ДХ каналов преобразования информации, проверяемых с помощью ТС сложной формы, позволяет увеличить допустимое значение интервала интерполяции при ступенчатом восстановлении сигналов по их дискретним отсчетам и за счет этого упростить реализацию УЕ ТС и его поверку.

6. Для обоснования требований к точности автоматической оценки значений амплитудно-временных параметров ЭКС экспериментально определены показатели врачебной точности измерение параметров кардиокомплексов при обработка ЭКГ.

Публикации по теме диссертации

1: Вопросы построения аппаратуры сбора данных для системы автоматизированной . злектрокардиодиагностики / Кремер Ю.Р.', Лернер С. В., Матус К. М., Михайлов А. В. //Вычисл. диагностика и телеметр, обраб. мед. информ.: Тез. докл.'II Всерос. конф., 27-29 июня 1979 г. - Горький, 1989. - С. 143.

2. Контроль работоспособности системы автоматического .анализа ЭКС /М. В. Клюев'. K.M. Матус, А.В.Михайлов и др.// Проб л. создания техн. средств для диагностики.и. лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы : Тез.докл. III Всес.конф., 20-23 сент.. 1990 г.

- Львов, 1990. - С. 41.

3. Лернер С. В., Матус К. М., Михайлов А. В. Вопросы построения тракта записи-воспроизведения в многоканальных системах азтома-тизировйнной обработки биологической информации //Аппаратура и методы мед. контроля : Материалы II Всес.конф., 2-4 окт. 1982 г.

- Л., 1982. - С.254-255.

4. Михайлов A.B. К вопросу о выборе интервала интерполяции при построении устройства воспроизведения тестовых сигналов //Судо-стр. пром-сть. Сер. общетехн. - 1988. - Вып. 17. - С. 30-34.

5. Михайлов А. В. Опыт использования модуляции по периоду при построении аппаратуры сбора электрокардиографических данных //Теория и практика автоматизации электрокардшлог. и клин, исслед.: Тез.докл. II Всес. совей., 19-23 октября 1981 г. - Каунас, 1981. -С. 38-40.

6. Михайлов A.B. Оценка динамических искажений в линейных стационарных звеньях измерительных- каналов- систем автоматического анализа ЭКГ //Су достр. пром-сть. Сер. общетехн. - 1988. Вып.17.

- С. 35-39. ' '

7. Михайлов A.B. Применение цифрового моделирования при разработке систем автоматического анализа ЭКГ //Применение микропроцессоров и микроЗВМ в мед. приборостроении : Инф. сб. ИНТОЖПРИБОР, ТС-12. - Вып. 8. - М., 1987. - С. 32-33.

В. Михайлов А. В., Малафеев В. Н. Выбор параметров входной части устройства сбора данных для системы автоматизированного анализа электрокардиограмм // Пробл. автоматизации в медицине: Респ. сб. науч. тр. - М., 1983. - С. 34-42.

9. Михайлов A.B., Санкин А.Н. Исследование потенциальной точное ти автоматического измерения параметров электрокардиосигнало //Судостр. пром-сть. Сер.общетехн. - 1988. - Вып. 17. - С. 20-30.

10. Михайлов А.В., Санкин А. Н. Оценка точности представлени данных в системе автоматического анализа ЭКГ// Вопр. разраб. ! внедрения радиоэлектрон, средств при диагностике сердечно-сосудистых заболеваний. - М., Радио и связь, 1984.- С. 46-47.

11. Михайлов A.B., Санкин А.Н., Уранов В.Н. Врачебная точност опознания и измерений элементов комплексов QRS// ЭВМ в профи-лакт. кардиологии : Тез. докл. - Рига, 1983. - С. 114-116.

12. Система массового автоматизированного ЭКГ-обследования/ Ю.Ф Варламов, Э. В. Земцовский, А. В. Михайлов и др. //Пробл. создани; техн. средств для диагностики и лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы: Тез. докл. И Всесоюзн. науч.-техн. конф., 21-23 окт. 1987 г. - Львов, 1987. - С. 42.

13. A.c. 1250248 СССР, МКИ А 61 В 5/04, G 06 G 7/26. Имитато! электрокардиосигналов /Ю.Ф. Варламов, 0.Б. Вышеславцева, М.В. Клюев, Е.В. Костюк, Ю.Р. Кремер, A.B. Михайлов, А.Н.Санш

(СССР). -N 3839405/28-14: Заявл. 08.01.85: Опубл. 15.08.86, Бюл. N 30. - 5 с.

14. A.c. 1821136 СССР, МКИ А 61 В 5/04. Многоканальный усилител! биопотенциалов /К.ММатус, А.В.Михайлов и др. (СССР). - N 4848461/14: Заявл.09.07.90: Опубл. 15.06.93, Бюл. N 22. - 3 с. .

15. A.c. 760951 СССР, МКИ А 61 В 5/04. Устройство для накопления электрокардиографических дачных /Ю.Ф. Варламов, Е.В. Костюк, Ю.Р.Кремер, А.В.Михайлов, И.П. Фомин (СССР). 2623475/2&-13: Заявл. 05.06.78: Опубл. 07.03.80, Бюл. N33. -2 с.

16. A.c. 991398 СССР, МКИ G 06 F 3/00, G 06 F 15/42. Устройстве для регистрации .и ввода" аналоговой информации в электронну! вычислительную машину /Ю.Ф.Варламов, К.М.Матус, А.В.Михайлов i др. С СССР). - N 3298727/18-24; Заявл. 02.03.81; Опубл. 23.01.83, Бюл. N 3. - 2 с.

17. А. с. 1409222 СССР, МКИ А 61 В 5/04. Электрокардиографически! усилитель /А.В.Михайлов (СССР). -- N 4147356/28-14: Заявл. 24.12.86: Опубл. 15.07.88. Бюл. Н 26. -2 с.