автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Электрокардиографическая система на основе сигма-дельта аналого-цифрового преобразования

11а пргшах рукописи

Прилуцкий Дмитрии Анатольевич

С ; 1

■ > ■ о ■>

Электрокардиографическая система

на основе сигма-дельта

аналого-цифрового

преобразования

Специальность 05.11.17 — Медицинские приборы и системы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва, 1998

Работ ныполнена и Московском государственном институте электронной техники (техническом университете)

Научный руководи гель:

доктор физико-математических наук, профессор

Селищев С.В.

Офиииальиые оппоненты:

доктор биологических наук, профессор кандидат физико математических наук, с.п.с.

Титомир Л.И. Булыгин В.П.

Ведущая организации:

Московская медицинская академия имени И.М. Сеченова.

Защита состоится 15 декабря 1998 года в 14- на заседании диссертационного совета Д 001.44.01 01 в ЗАО "ВНИИМП-ВИТА" (НИИ медицинского приборостроения) РАМН по адресу: 125422, г.Москва, ул. Тимирязевская, д.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО "ВНИИМП-ВИТА". Автореферат разослан 10 ноября 1998 года. Ученый секретар|, диссертационного

сонета, кандидат технических наук Ю.В. Каширин

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

Бурное развитие кардиологии за последние 2-3 десятилетия во многом обусловлено разработкой и широким внедрением в клиническую практику новых, в том числе и электрокардиографических (ЭКГ), методов исследования. На основании ЭКГ исследований можно судить об изменении во времени величины и направления электродвижущей силы возбужденных участков сердца, подтверждать или устанавливать медицинские диагнозы.

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) является базовым принципом для разработки функциональной структуры современных многоканальных электрокардиографов [1]. Качество ЦОС п значительной мерс определяется качеством аналого-цифрового преобразования (АЦП), которое, в свою очередь, в значительной мере зависит от качества выделения ЭКГ сигнала. Для выделения ЭКГ сигнала обычно используют инструментальные усилители и аналоговую фильтрацию.

С развитием технологии производства сверхбольших интегральных схем (СБИС) появилась коммерчески доступная элементная база, реализующая принцип'сигма-дельта (2-Д) аналого-цифрового преобразования в одной микросхеме. Сигма-дельта АЦП обладают высоким разрешением (16 и более разрядов), в значительной мере базируются на принципах цифровой фильтрации сигналов [2], что позволяет в электрокардиографах использовать усилители постоянного напряжения и снизить требования к аналоговым фильтрам.

Целью работы являлась разработка современной компьютерной электрокардиографической системы на основе сигма-дельта аналого-цифрового преобразования.

Основные задачи исследования:

1. Разработка электрокардиографа на основе многоразрядных интегральных сигма-дельта АЦП. Обоснование преимуществ электрокардиографов на основе сигма-дельта АЦП.

2. Разработка канала связи электрокардиограф - персональный компьютер (ПК), а также интерфейсов (адаптеров) к компьютерным шинам: ISA для стационарных систем и PCMCIA для мобильных. Разработка драйверов для ОС Windows 95/98. Для PCMCIA интерфейса поддержка технологии автоматического конфигурирования (Plug And Play).

3. Разработка программного обеспечения (ПО) для работы в системе 12-ти стандартных отведений и отведениях по Франку с поддержкой: съема, архивирования ЭКГ сигнала, измерения и анализа 12-ти канальной ЭКГ, анализа вариабельности сердечного ритма, анализа поздних потенциалов желудочков — во временной области по методу Симпсона (Simpson), а в

частотно-временной при помощи волнового преобразования (wavelet transformation).

4. Оценка эффективности применения стандарта SCP-ECG для обмена ЭКГ информацией и создание программных компонент для его поддержки в прикладных программах.

Научная повита:

1. Впервые разработан компьютерный электрокардиограф на основе многоразрядных интегральных сигма-дельта АЦП, в котором применены усилители постоянного напряжения, цифровая фильтрация и программное формирование отведений.

2. Впершие в России разработан PCMCIA адаптер, ; полностью соответствующий спецификациям стандарта PCMCIA2.1 и РС97 (Microsoft Corp.). Для операционной системы Windows реализован программный VxD драйвер.

3. Проведен анализ поздних потенциалов желудочков на основе волнового преобразования.

4. Проведен анализ и показана эффективность применения стандарта SCP-HCG для обмена данными между цифровыми ЭКГ системами. Для поддержки этого стандарта созданы программные СОМ компоненты.

Практическая значимость работы:

I. Разработан компьютерный электрокардиограф КАРДи на основе сигма-дельта Л ЦП. а также адаптеры к шинам ПК ISA и PCMCIA (Рис. /).

Рис. / Компьютерный электрокардиограф КАРДи с PCMCIA адаптером.

2. Созданы программный VxD драйвер и библиотека прикладного прог раммиста для работы с электрокардиографом под ОС Windows 95/98.

3. Для ОС IDOS разработан программный комплекс KARD, позволяющий пронодить съем ЭКГ, а гак же их дальнейший анализ.

4. Изготовлена опытная партия стационарных, на базе офисного ПК, и мобильных, на базе компьютера Ы^еВоок, ЭКГ систем в составе электрокардиографа КАРДи и программного комплекса КАЯЭ.

5. Для поддержки стандарта БСР-ЕСС разработаны программные СОМ компоненты.

6. Разработано ПО для анализа поздних потенциалов желудочков на основе волнового преобразования.

7. Показано, что использование интегральных многоканальных сигма-дельта АЦП позволяет улучшить технические и потребительские свойства цифровых ЭКГ систем. Отмечено, что применять сигма-дельта АЦП эффективно и в других устройствах сбора медико-биологической информации при работе с сигналами в частотном диапазоне от нуля до единиц килогерц.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием

стандартных электрокардиографических схем отведений, апробированных

медицинских методов исследования, а так же подтверждается лабораторными

и клиническими верификационными испытаниями.

Внедрение результатов работы.

1. На момент написания диссертационной работы компьютерный электрокардиограф (кардиоанализатор) КАРДи направлен на технические и клинические испытания (выписка №5 от 9.06.98 заседания комиссии по клинико-диагностическим приборам и аппаратам Комитета по новой технике МЗ РФ).

2. На программный комплекс КАЯО получен сертификат МЗМП РФ №185 от 12.01.96.

3. Проведены предварительные клинические испытания ЭКГ систем в составе электрокардиографа КАРДи и программного комплекса КА1Ю, в том числе в клиниках Медицинского Российского государственного университета, Университета дружбы народов, Медицинского стоматологического московского института, ПИИ педиатрии и детской хирургии МЗ РФ, Федеральном центре диагностики и лечения нарушений ритма у детей МЗ РФ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Применение многоканальных интегральных сигма-дельга АЦП позволяет строить принципиально новую схемотехнику цифровых электрокардиографов, обладающих целым рядом технических преимуществ перед обычными аппаратами.

2. Для подсоединения современного цифрового электрокардиографа к ПК целесообразно разрабатывать специальный последовательный канал

передачи с интерфейсами к внутренним шинам ISA для стационарных систем и PCMCIA для портативных устройств.

3. На базе компьютерных ЭКГ систем эффективно проводить анализ вариабельности сердечного ритма и ЭКГ высокого разрешения.

4. Для обмена ЭКГ данными между программными системами, а так же программными системами и автономными электрокардиографами предпочтительно использовать стандарт SCP-ECG европейского комитета по стандартизации.

5. Сигма-дельта аналого-цифровое преобразование эффективно использовать в устройствах сбора медико-биологической информации при работе с сигналами частотой до единиц килогерц.

Апробации работы.

Приведенные в диссертации результаты представлялись автором на :

■ 18th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Amsterdam, 1996;

■ 4lh European conference on engineering and medicine, Warsaw, May 25-28, 1997;

" XXV lh International Conference on Electrocardiology, Budapest, 3-6 June, 1998;

■ Международной конференции по биомедицинскому приборостроению «Биомедприбор-96», Москва, ВНИИМП РАМН, 8-10 октября 1996 года;

■ Международной конференции по биомедицинскому приборостроению «Ниомедприбор-98», Москва, ВНИИМП РАМН, 6-8 октября 1998 года;

■ На «Съезде Педиатров России», Москва 24-27 февраля 1998 года;

■ Научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика», Москва, МИЭТ, 12-14 апреля 1995 года;

■ Научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика», Москва, МИЭТ, 18-20 апреля 1997 года;

" Научно-технической конференции «Электроника и информатика-97», Москва, МИЭТ, 25-26 ноября 1997 года;

■ Первом международном симпозиуме "Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия" в рамках международной конференции "Кардиостим-98", Санкт-Петербург, 5-7февраля 1998 года.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 22 научные работы.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав,

заключения, списка литературы, включающего 133 наименования и

приложений. Общин объем работы составляет 151 страница, в том числе 52

рисунка и 17 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и приведены основные результаты.

Первая глава содержит сведения о типовых решениях, применяемых при построении цифровых электрокардиографов.

В качестве примера рассмотрена схема цифрового электрокардиографа, обеспечивающего синхронный съем 12-ти стандартных отведений {Рис. 2).

Инструментальные ФВЧ ФНЧ

:ОН

ФН

сн

Ф-П

оЧ

'ФН

■=сн

ФН

Мультиплексор

I

II

III «VI» «VI, •УК VI V:

уз

У4 \'5 У6

12-,и рЩрЯДНЫЙ

На

микроконтроллер или компьютер

Рис. 2 Типовая структурная схема цифрового 12-ти канального электрокардиографа

Типовому подходу при цифровых ЭКГ аппаратов присущи следующие

ограничения и недостатки:

■ прецизионные резисторы во входном каскаде схемы формирования отведений,

■ относительно сложные инструментальные усилители для подавления синфазной помехи,

■ крупногабаритные конденсаторы с малыми токами утечки в фильтрах верхних частот (ФВЧ),

■ фильтры нижних частоты (ФНЧ) иысокого порядка для ограничения спектра аналогового сигнала при достаточно низкой частоте оцифровки,

■ схемы выборки-хранения и мультиплексор перед входом 12-ти разрядного АЦП, вносящие дополнительные нелинейные искажения и фазовый межканальный сдвиг.

Вторая глава посвящена описанию устройства компьютерного электрокардиографа на основе сигма-дельта АЦП.

Один из способов улучшения разрешения АЦП - псрсдискретиэация {Рис. 3). При этом входной сигнал квантуется с частотой К ■ /'Л' {К -отношение персдискрстизацни, /гл' - частота выходного цифрового потока). Обязательно должны присутствовать в схеме цифровой фильтр и дещшатор -устройство снижения частоты следования отсчетов.

Аналоговый ФНЧ

Граяв - Ра йПор-КхРвС

АЦП КхРв

Цифровой ФНЧ

Децимиро-ванне в К раз

Частота - следования

Частота следования -I данных Ре

Цифровой

Г~ фильтр К — коэффициент децимации

■ Аналоговый

: \ фильтр Шум квантования,

подавленный

\ цифровым

фильтром

Га

Ъ>П

КхРв/2

КхРБ

Рис. 3 Персдискрстизацни при аналоговой и цифровой фильтрациях

г К

Шум квантования в полосе частот от Рб до X.--подавляется

2

цифровым фильтром, что приводит к улучшению отношения сигнал/шум на величину равную 10-^(К). Кроме того, можно добиться малой неравномерности АЧХ и ФЧХ цифрового фильтра и высокой линейности. Сам же аналоговый фильтр вырождается в простое Я-С звено.

Рис. 4 Сигма-дельта АЦП первого порядка.

В модуляторе сигма-дельта АЦП аналоговый сигнал квантуется с очень низким разрешением (как правило, 1 бит) на частоте, во много раз превышающей максимальную частоту спектра сигнала (Рис. 4). Используя такую методику передискретизации в сочетании с цифровой фильтрацией, можно значительно повысить разрядность. Для снижения эффективной скорости поступления отсчетов на выходе АЦП применяется децимация. Однобитовые модуляторы сигма-дельта АЦП обладают превосходной дифференциальной и интегральной линейностью благодаря линейности 1 -бит квантователя. Здесь не требуется высокоточная лазерная подгонка, как в других архитектурах АЦП.

Мао

Г-О—

Аш1

Аи2

А|цЗ

ОУой

—О—

АУгз

—О—

РЕ5ЕТ

—О----

АО А1 А2

— О О о

АМ о

Аналоговый Фильтр низких I. /

модулятор частот

Аналоговый Фильтр низких . 1

модулятор частот

Аналоговый Фильтр низких -У

модулятор частот

Аналоговый Фильтр низких

модулятор частот /

сиш сшэит

Тактовый генератор

I

Улрооляющая

Выходной сдвиговый регистр

Регистр управления

МООП Л САБСМ •V САЭСОиТ

•л

ЭОАТА

эськ

ЭРШУ

ТРЭ

-о-

— о—

.— о -

ОСИО

\Л*ЕЯ АС№ ОСИО Ооит1 Ооит2

Рис. 5 Структурная схема сагма- дсльта АЦП АВ7716

Для реализации электрокардиографа использованы 22-х разрядные четырехканальные сигма-дельта АЦП AD7716 (Рис. 5) фирмы Analog Devices (США).

На Рис. 6 представлена структурная схема электрокардиограф на базе AD7716. Девять полностью идентичных аналоговых канала представляют из себя усилители постоянного напряжения с входным сопротивлением порядка 100 МОм, коэффициентом усиления 4 и последовательно с ними R-C ФНЧ. Максимальный динамический диапазон входного сигнала составляет ±600мВ при разрешении порядка 1.5 мкВ. Имитация дифференциальных отведений производится программным способом. Т.о. возможно сформировать практически любую схему отведений — для этого не требуется прецизионных делителей и малошумящих коммутирующих элементов.

Упы II1 гли

постоянного токя

^-Дацп

На

микроконтроллер ил и1 компьютер

Рис. 6 Структурная схема цифрового 12-ти канального электрокардиографа па основе сигма-дельта АЦП Ай7716.

В электрокардиографе используется защита от разряд; кардиодефибрилятора на полупроводниковых диодах. Один из результате! моделирования реакции входного каскада электрокардиографа не воздействие высоковольтного импульса представлен на Рис. 7.

Рис. 7 Изменение напряжения на входе операционного усилителя входного каскада электрокардиографа при разряде дефибрилятора Оимпульса-Мме, Ут,„ульса=5кВ) на временном отрезке до 1 мсек. Для моделирования использована программа РБрке (йСб.З) фирмы \4icroSim (США).

В электрокардиографе с усилителями постоянного напряжения и многоразрядными АЦП обязан присутствовать цифровой ФВЧ для среза постоянной составляющей (задания постоянной времени). При мониторинге ЭКГ фильтрация должна производится в режиме реального времени. Предлагается цифровой нерекурсивный ФВЧ с переключаемой частотой среза 0.02, 0.05,0.12, 0.25, 0.5, 1,2 и 4 Гц. Количество диапазонов достаточно для большинства применений в ЭКГ практике — от точного измерения смещения сегмента БТ до быстрой установки изолинии. Значения фильтра вычисляются согласно формуле

N-1

У/ ~ Х1 - "=0

N

где*; пу/ входные и выходные отсчеты, а N - порядок фильтра и равен 4096, 2048, 1024, 512, 256, 128, 64 или 32 соответственно для частот среза от 0.02 до 4 Гц при периоде выборки отсчетов сигнала в 2 мс. Преимущество фильтра заключается в возможности программирования быстрого целочисленного алгоритма вычисления, т.к. Eice коэффициенты фильтра равны 1/N, где N кратно 2\ Это позволяет для каждого отсчета использовать только одну операцию деления, реализованную через серию процессорных инструкций двоичного сдвига. Дополнительно возможна оптимизация, если

N-1

сумму ^ вычислять как

и=0

лм

АС С + х, - , где ACC = •

11=0

Из стандартных портов ввода-вывода для подключения цифровых электрокардиографов возможно применять параллельный или один из последовательных портов RS232. У последовательных портов достаточно низкая скорость передачи, а двунаправленный параллельный порт IEEE 1284 фактически невозможно применять для ввода информации со скоростью 3060 килобайт в секунду, если через него осуществляется вывод па печатающее устройство. У стандартных портов отсутствуют линии питания. Так же не обеспечена буферизация данных на аппаратном уровне с емкостью буфера FIFO (First Input First Output) порядка одного килобайта, что необходимо для надежной работы иод управлением ОС Windows95/98/NT. Всех этих недостатков лишены порты USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина). Однако, практически исключена работа с ними в среде DOS из-за отсутствия соответствующих программных драйверов. USB в полной мере поддерживается только Windows 98. Таким образом, на сегодняшний день для подключения цифрового электрокардиографа к ПК оптимальным решением является разработка специализированного канала передачи и соответствующих адаптеров — ISA для стационарного компьютера и PCMCIA для портативного.

Разработанный асинхронный последовательный канал электрокардиограф-ПК обеспечивает скорость передачи в 447 кБод. Используется 4-х проводный кабель (2 линии питания и 2 данных) длиной до 50 метров. Каждый переданный байт данных дополняется битом четности. Как передатчик, так и приемник канала реализован на программируемой логической матрице ЕРМ7032 производства фирмы Altera, США.

Адаптеры для шин ISA и PCMCIA по своим функциональным возможностям идентичны. Байтный обмен с компьютером осуществляется через 2 адреса ввода-вывода. Не используются механизмы прерываний и прямого доступа к памяти (ПДП). Все это предъявляет минимально возможные требования к аппаратным ресурсам ПК. Структурная схема адаптера PCMCIA представлена на Рис. 8. От ISA адаптера он отличается наличием атрибутивной памяти с записанной информацией о типе устройства и требуемых ему ресурсах (адресах ввода-вывода и напряжениях питания), что обеспечивает поддержку технологии автоконфигурирования (Plug And Play) при работе под ОС Windows. Для ОС DOS настройка PCMCIA контроллера ПК осуществляется принудительно через стандартные функции драйверов спецификации Socket Services 2.1.

VCC(+5 V)

VPP (-H2V)

■'OR

,D2_ .-pjl

д9х.

, -CD1 . GND

Дешифратор

регистр состояния

— FT EF

I I

Буфер FIFO (512-16384 х в бит)

Атрибутивная память

(Flash Memory)

к КАРДи

Согласоеатель канала

Приемник

Генератор 14.31818 МГц

Рис. 8 Структурная схема адаптера электрокардиографа КАРДи к шине PCMCIA

Обладая рядом бесспорных достоинств, Windows не является ОС реального времени. Т.е. невозможно прогнозировать максимальное время отклика системы на какое-либо событие для передачи управления соответствующему участку кода. Эта проблема решается применением буферизации в аппаратуре ввода-вывода, разработке т.н. VxD драйвера, функционирующего на уровне ядра операционной системы (в нулевом кольце защиты), а так же "легальная" регистрация оборудования средствами ОС.

При работе с электрокардиографом КАРДи под Windows применяется 2-х уровневая схема ввода данных. На нижнем уровне расположен динамически загружаемый драйвер формата VxD, предназначенный для съема данных и управления аппаратурой. На верхнем — 32-х разрядная библиотека времени исполнения (DLL), которая транслирует аппаратно-зависимый формат данных в унифицированный для различных типов электрофизиологических устройств и реализует ряд высокоуровневых функций съема, калибровки и фильтрации. Все это обеспечивает независимый доступ прикладных программ к ЭКГ аппаратуре. Возможна одновременная работа нескольких программ с одним устройством или параллельный съем с нескольких электрокардиографов одной программой.

Третья глава описывает прикладное программное обеспечение, разработанное и адаптированное для электрокардиографа на базе сигма-дельта АЦП, а так же содержит краткое описание двух современные методов неинвазивной электрокардиографии — анализа вариабельности сердечного ритма (ВСР) и ЭКГ высокого разрешения (ЭКГ BP).

Основой ПО ЭКГ системы на базе сигма-дельта АЦП является программный комплекс KARD, который функционирует под ОС DOS и обеспечивает:

■ съем по одной из следующих схем отведений: 12 стандартных, по Небу, по Франку, биполярные ортогональные, Мак Фи;

■ отображение на экране от 1 до 12 отведений на скоростях развертки 1.25, 2.5, 5, 10 см/сек с различными масштабами по амплитуде, а так же мониторингом R-R интервалов;

■ автоматическое (с возможностью коррекции) или ручное измерение параметров ЭКГ;

■ на основе измерений 12-ти канальной ЭКГ формирование заключений, исходя из значений норм, зависимых от возраста и пола пациента;

■ проведение рипшокардиографии —• анализа вариабельности сердечного ритма во временной области; во время съема ритма — контроль параметров измерений или тренда R-R, а так же сигнал тревоги для индикации выхода пульса за заданные границы;

■ храпение результатов съема и обработки в базе данных пациентов — до 100 участков ЭКГ на одно исследование длительностью до 60 секунд каждый (12 стандартных отведений) или неограниченное по времени при анализе ритма или проведении дополнительного исследования; при архивации применяется сжатие без искажения ЭКГ;

■ работу с любым количеством баз данных пациентов — поиск, выделение, удаление, копирование записей из одной базы данных в другую, печать списков пациентов и т.д.; работа в составе локальной сети; возможность интеграции с другими программами медицинского назначения;

■ гибкое управление процессом печати; кардиограмма, выводимая на любой матричный, струйный или лазерный принтер (до 600 dpi включительно) соответствует принятым в практике масштабам (от 1.25 до 10 см/сек и от 0.5 до 4 мВ/см);

■ поддержку т.н. дополнительных исследований.

Дополнительные исследования для комплекса KARD являются внешними программными модулями, которые вызываются из-под общей управляющей оболочки комплекса и обеспечивают хранение результатов исследований в общей базе данных. В частности, в виде дополнительных исследований к комплексу KARD подключены:

■ ЭКГ высокого разрешения (разработка 110 В.В. Ковтуна) — анализ поздних желудочковых и предсердных потенциалов во временной области методом Симпсона и в частотной при помощи спектрально-временного картирования;

■ векторкардиография;

■ эпикардиальная электротопография Decarto © на основе отведений по Франку (разработана под руководством профессора Л.И.Титомира) [3];

■ модуль для конвертации кардиограмм в стандартный формат представления векторной графики системы Windows — Windows Meta File (WMF).

Вариабельность сердечного ритма — это изменчивость продолжительности интервалов R-R последовательных циклов сердечных сокращений за определенные промежутки времени. Определение ВСР является доступным неинвазивным методом оценки вегетативной регуляции сердечной деятельности. Изучение ВСР основывается на анализе ритмокардиограммы (РКГ), вариационных гистограмм и спектральном анализе. Определение ВСР проводится методами временного и частотного анализа на коротких (2-15 мин) и длинных (24 часа) участках записи. Неблагоприятными для прогноза заболеваний являются снижение показателей временного анализа, снижение высокочастотной компноненты мощности (HF) в спектре РКГ, возрастание низкочастотной мощности (LF), увеличение отношения LF/HF. В настоящее время оценка ВСР в клинике проводится для прогнозирования риска внезапной смерти у больных, перенесших острый инфаркт миокарда, а также для ранней диагностики диабетической полинейропатии. Исследования ВСР представляются перспективными не только в терапевтической практике. В анестезиологии изучается влияние средств для наркоза и анальгетиков на ВСР; исследования в акушерстве и неонатологии направлены на оценку риска внутриутробной и младенческой смерти; в неврологии предлагается использование анализа ВСР при болезни Паркинсона, рассеянном склерозе, синдроме Гийена-Барре. Изучение ВСР открывает значительные возможности для оценки колебаний тонуса вегетативной нервной системы у здоровых людей и больных с сердечно-сосудистой и другой патологией.

Данные большинства исследователей говорят о том, что наиболее частым механизмом тахиаритмий является механизм повторного входа импульса риэптри (re-entry), Необходимыми условиями для его реализации являются наличие замедления проведения импульса и однонаправленной блокады в каком-либо участке миокарда. Экспериментальные и клинические исследования показали наличие одностороннего и задержанного проведения фронта волны деполяризации в области с пограничной зоной некроза, вследствие нарушения межклеточных контактов в параллельно ориентированных волокнах, гетерогенности распространения и фрагментации

волнового фронта деполяризации. С появлением метода ЭКГ высокого разрешения с помощью усреднения сигнала стало возможным неинвазивное выявление этих сигналов, названных поздними потенциалами желудочков (ППЖ). ППЖ регистрируются с поверхности тела в виде низкоамплитудной фрагментированной электрической активности,1 локализованной в конце комплекса QRS и на протяжении сегмента ST. Таким образом, зоны миокарда с задержанной желудочковой деполяризацией могут представлять собой патологоанатомический субстрат для риэнтри, а ППЖ являются маркерами этого аритмогенного субстрата. Наибольший вклад в клиническое изучение метода внес Симпсон (M.Simson), выявивший взаимозависимость между ППЖ и индуцируемостыо желудочковых тахикардий [3].

Из-за низкой амплитуды, практически неотличимой среди шумовых компонентов стандартного ЭКГ-сигнала, ППЖ на обычной ЭКГ не выявляются. Для их выделения используют три последовательных действия:

1. усреднение ЭКГ сигнала (для снижения уровня шума),

2. усиление,

3. фильтрацию в различных частотных диапазонах.

Для ЭКГ BP в основном используется ортогональная биполярная схема отведений или корригированная по Франку. В основе метода регистрации ППЖ, так называемого временного (time-domain) анализа (метод Симеона), лежит усреднение ЭКГ сигнала трех ортогональных отведений X, Y, Z с последующей фильтрацией в частотном диапазоне 40-250 Гц и анализом их

векторной суммарной величины slX2 +У2 +Z2 (Рис. 9), на основании значения которой делается заключение о наличии или отсутствии признаков ППЖ. Для этого анализируют следующие количественные показатели: * продолжительность фильтрованного комплекса QRS (TotQRSF),

■ продолжительность низкоамплитудных (менее 40 мкВ) сигналов в конце комплекса QRS (LAS40),

■ среднеквадратичную амплитуду последних 40 мс фильтрованного комплекса QRS (RMS40).

Orthogonal leads X.Y.Z Vector magnitude

25, «or

Рис. 9 Анализ ППЖ no методу Симпсона. Отведения no Франку для пациента с ППЖзаписаны при помощи электрокардиографа КЛРДи. Усреднено 240 комплексов. Для фильтрации использован двунаправленный фильтр Батерворта четвертого порядка. Программа написана на языке

MathLab.

Метод спектрально-временного картирования (СВК) или спектральное картирование множественных сегментов заключается в вычислении спектра движущегося во временной оси "окна" в конечной части QRS и сегменте ST. По результатам расчетов строится трехмерный график частоты, времени и амплитуды. Важным достоинством метода является возможность выделения сигналов ППЖ от шумовых по их типичной спектральной картине. Следовательно, при использовании этого метода имеется вероятность выявления ППЖ даже в единичных сердечных сокращениях.

Однако, СВК рассматривает нестационарные сигналы как стационарные, разделяя их на блоки псевдостационарных сегментов, чья статистика остается по существу неизменной в течение их длительности. Применяемое далее БПФ имеет фундаментальный недостаток: если временное окно сделать очень коротким, то пострадает частотное разрешение, с другой стороны, удлиняя его, можно аннулировать предположение о стационарности в пределах окна.

Альтернативный путь анализа является волновое преобразование (wavelet transformation). Оно подразумевает разложение нестационарных сигналов в ряд базисных функций, образованных из функции прототипа, особо выбранной для сигнала. Wavelet преобразование может обеспечить как очень хорошее временное разрешение на высоких частотах, так и удовлетворительное частотное разрешение на низких частотах. Интересно, что это возможно даже при отсутствии информации о характере временных и

частотных параметрах сигнала, благодаря избыточности присущей непрерывному wavelet преобразованию.

Wavelet-преобразование определяется как:

Wx(t.a)o^Jx(u).g-(^)du (1)»

где g(cr,t) - wavelet-функция, * - означает комплексное сопряжение. Наиболее широко используется wavelet-функция Морлета (Morlct's wavelet), определяемая как:

g(t) = -е"2 (2) . Следовательно, можно записать:

= е -е 2°2 (3).

Преобразование Фурье равенства (3) является симметричной функцией относительно частоты (Оо/2ла. Поэтому wavelet-преобразование можно рассматривать как частотно-временное с частотой анализа равной о)о/2яа. Среди множества известных на данный момент волновых функций wavelet-функция Морлета обладает следующими отличительными свойствами:

■ определяется точной аналитической функцией;

■ проста для вычисления;

■ ее применение ведет к квазинепрерывному представлению;

Любая функция, используемая в качестве wavelet-функции, должна удовлетворять следующему необходимому условию:

fg(/)^«0. (4)

В случае wavelet-функции Морлета это условие выполнимо для широкого диапазона значений со0. Другой подход основан на фиксации со0 и модификации g(t) введением дополнительного параметра ст, что приводит к модифицированной wavelet-функции:

t2

g(<r,t) = е^-'е"2"2 . (5) Таким образом выбирая малые значения a (al) - высокая концентрация энергия во временной области - получают низкое разрешение в частотной области и, наоборот, большие значения о (ст2) приводят к более высокому разрешению в частотной области (принцип неопределенности). Принимая во внимание это утверждение, для пары значений a (al,a2) определено модифицированное wavelet-npeo6pa3oeanue:

\Л/„,,Да) =

/х(и)-с

и — 1

ди =

Га

(4-1)' "2-п'л»

-1(и-|).

и = У + 1 du = йу

• е ■

= |и = VI = -7- ^

V а

х(и + 1)-е

2 (па)

(7)

где Р означает Фурье оператор.

Очевидно, что для данного значения я (связанного с частотой) параметр ст определяет ширину Гаусового окна. Малые значения о улучшают временное разрешение в ущерб спектральному и наоборот. Интуитивно понятно, что произведение (7) принимает большие значения только тогда, когда оба множителя значительны. Таким образом, получены высокое

временное разрешение ^\/ст1 х и высокое частотное разрешение ^\/ст2 х.

Чтобы получить центральную частоту волновой функции равную 1 Гц при а=1, мы должны принять со0=2л rad/ceк. В классическом волновом преобразовании параметр а изменяется согласно закону: а=2'а. Если а целое, закон называется двоичным. Из равенства (3) следует, что центральная частота также подчиняется двоичному закону, что несовместимо с классическим частотно-временным распределением. Следовательно, возможно переписать определение этого параметра как:

1

п-М'

где АГ — интервал дискретизации по частоте, а п - положительное целое.

На Рис. 10 представлен результат применения модифицированого волнового преобразования для анализа ППЖ.

е

Рис. 10 Трехмерное представление векторной суммы с использованием модифицированного волнового преобразования. Обрабатывалась та же усредненная запись отведений Франка для пациента с ППЖ, что использована для временного анализа (Рис. 9). Представлена терминальная часть QRS комплекса. Программа написана на языке MathLab. Параметры модифицированного Wavelet преобразования подбирались экспериментально:

с/=/, 02=151

Четвертая глава освещает вопросы обмена и хранения ЭКГ информации.

Стандарт SCP-ECG (Standard communications protocol for computerized electrocardiography) Европейского Союза, разработанный под эгидой технического комитета ТС 251 Европейского Комитета по Стандартизации (CEN) устанавливает единый протокол передачи электрокардиографических данных как между цифровыми кардиографами и компьютеризированной системой управления, так и между компьютерными системами различных производителей. Стандарт разбивает логическую последовательность ЭКГ данных (запись) на секции и описывает содержание и формат представления каждой секции ( Табл. 1).

Табл. / Общий формат записи и стандарте SC '/'-1-Х'(!

" Секция0(обязательна) ."

. , Список указателей на начало каждой последующей секции

Секция 1 (обязательна) Данные о пациенте (имя, идентификатор, пол, дата рождения и т.д.);

данные об обследовании (дата, время, условия и т.д.)

.....

" При кодировании по Хафмену (Huffman) все таблицы для распаковки исходного У^:;ciiriia;i:a'(CeV или рспрез^ (Секция 5) и разностного

/ ' _..iJiiije idi , С ^^ F*^5« РЙС <э"**1»±».1,ос>*<:с>Г1** *«г> лл . .-'jr.;

Секция 3

Перечисление отведений, переданных в текущей записи, атак же общей информации об их кодировании ' ■ , =Секция 4 / ■ : .

Расположение QRS комплексов (только в режиме "высокой" компрессии) i ; ' : Секция 5

Для каждого отведения репрезентативный комплекс

Секция 6 ■..

Для каждого отведения исходный сигнал или, при использовании медианного кодирования, разностный сигнал, полученный путем вычитания 1 репрезентативного комштекса из исходного сигнала '' Секция 7

Общие для всех отведений измерения каждого комплекса в записи (длительности, углы поворота электрических осей и т.д.) и список артефактов от искусственного водителя ритма

''' Текстовый диагноз от «интерпретирующего» устройства ;

Секция 9

Диагностические данные, специфичные для производителя

'7* 7*7"; .....* " СекТцйяГШ \ " :- ' • '/'"■

Измерения, произведенные для каждого отведения отдельно (амплитуды,

длительности и т.д.) , ' -

Секция 11

Унифицированное закодированное заключение

Для поддержки стандарта SCP-ECG на уровне категории 3 в ОС Windows разработаны программные компоненты, выполненные по технологии СОМ. Данная технология обеспечивает независимость от языка программирования, повторное использование кода и гибкое управление версиями программного обеспечения. Главным принципом этой архитектуры является требование поддержки компонентами определенных строго установленных наборов функций - интерфейсов. Для применения

разработанных компонент необходимо создать приложение на языке программирования с поддержкой СОМ-технологии (практически все современные компиляторы для среды Windows). Реализация интерфейсов OLE Automation дополнительно позволяет интегрировать отдельные компоненты или всю систему с большим количеством уже существующих приложений, включая программы Excel и Word из пакета Microsoft Office Разработаны следующие компоненты:

■ Компонент представления данных SCPECGData, обеспечивающий доступ к информации посредством функций СОМ-интерфейса. Параметрами функций являются структуры данных стандарта SCP-ECG.

■ Компонент кодирования и сжатия SCPECGCodec, преобразующий разнородные данные в единую последовательность секций согласно стандарту SCP-ECG, а также осуществляющий сжатие и контроль целостности информации.

■ Транспортный компонент SCPECGTransport, отвечающий за установление соединения, передачу информации и работу с физическим уровнем. В его качестве может выступать RS-232C с протоколом передачи XMODEM или дисковый файл.

■ Компонент-оболочка SCPECG для автоматизации инициализации и стыковки вышеперечисленных интерфейсов.

Алгоритмы, достигающие наибольшей эффективности сжатия ЭКГ, используют т.н. сжатие с потерями или квазиобратимое сжатие. После восстановления таких ЭКГ сигнал лишь с определенной достоверностью повторяет свой оригинал до сжатия. Традиционными подходами для сжатия с потерями являются прореживание отсчетов (уменьшение разрешения по времени) в момент диастолической паузы ЭКГ сигнала, уменьшение разрешения по амплитуде (уменьшение количества разрядов), частотная фильтрация (разрешение по амплитуде уменьшается в определенных диапазонах частот, часто с использованием адаптивных решающих правил), различные комбинации перечисленных методов. Считается, что потерянная при сжат ии информация не имеет диагностической значимости. Тем не менее современные методы компьютерной обработки ЭКГ сигнала, применяющие статистическую обработку и фильтрацию с целью повышения отношения сигнал/шум (используются ири выделении QRS, контроле аритмий, в ЭКГ BP), являются чувствительными даже к минимальным искажениям сигнала в амплитудной, фазовой или частотной областях. Более того, методы сжатия, использующие информацию о структуре сигнала (прореживание сигнала в момент диастолической паузы), устойчиво работают при наличии стабильного малоизменчивого ритма сердца с однотипными комплексами, а ири некоторых сердечных патологиях как раз это и отсутствует. В результате на атипичных ЭКГ прореживание попадает на участки предсердного ритма, экстрасистолы и нормальные QRS комплексы.

Примененный в программном комплексе KARD алгоритм сжатия цифровой ЭКГ использует априорные знания о структуре аналогового электрокардиографического сигнала, а именно то, что он в общем случае незначительно изменяется за время между соседними отсчетами и то, что в спектре ЭКГ сигнала может присутствовать высокоамплитудная помеха от электрической сети (50 или 60 Гц).

Алгоритм кодирования состоит из следующих этапов:

1. выбор оптимального шага для вычисления разности;

2. вычисление разностей между текущим и одним из предыдущих отсчетов, каким конкретно - определено по результату выполнения первого шага; результат сохраняется в массиве разностей;

3. определение минимального количества бит (веса) достаточного для хранения каждого разностного отсчета, полученного на предыдущем шаге; результат сохраняется в массиве весов;

4. оптимизация массива весов с использованием критерия штрафов (пропорциональных служебной информации) при переходе с одного веса на другой;

5. кодирование массива разностей с использованием количества необходимых бит на основе информации из массива весов; по возможности, дополнительное сжатие методом RLE (run length encoding — кодирование длин серий при помощи замены цепочки повторяющихся байт на этот байт и счетчик повторения).

Предложенный алгоритм обладает следующими преимуществами:

■ обеспечивает возможность стопроцентного восстановления исходного цифрового сигнала до сжатия,

■ использует только целочисленные вычисления,

■ обладает высокой скоростью восстановления — сигнал восстанавливается за один проход (цикл вычисления) при минимальных требованиях к оперативной памяти.

В результате тестирования алгоритма на нормальных и патологичных ЭКГ, а так же записях с различными видами артефактов средний коэффициент сжатия составил 2.61.

Выводы.

1. Типовая схема построения цифровых электрокардиографов имеет ряд недостатков и ограничений, в конечном счете отражающихся на технических и потребительских свойствах ЭКГ системы, — прецизионные резисторы во входном каскаде схемы формирования отведений, относительно сложные инструментальные входные усилители для подавления синфазной помехи, крупногабаритные конденсаторы с малыми токами утечки в ФВЧ, ФНЧ высокого порядка для ограничения спектра аналогового сигнала при достаточно низкой частоте оцифровки, схемы выборки-храисния и мультиплексор перед входом 12-ти

разрядного АЦП, вносящие дополнительные нелинейные искажения и фазоиый межканальный сдвиг в выходной цифровой код.

2. Сигма-дельта an ач ого - ■ цифр о/юе преобразование обеспечивает работу с разрешением 16-24 бит при полосе сигнала соответственно от долей герца до единиц килогерц. Основополагающими принципами сигма-дельта АЦП являются многократная передискретизация, цифровая фильтрация и децимация.

3. Применение многоканальных интегральных , сигма-дельта АЦП позволяет строить принципиально новую схемотехнику цифровых электрокардиографов, обладающих целым рядом потребительских и технических преимуществ перед обычными аппаратами. За счет высокой разрядности сигма-дельта АЦП аналоговый канал такого электрокардиографа может состоять из однокаскадного усилителя постоянного напряжения с коэффициентом усиления в единицы. Дискретизация сигнала проводится параллельно по всем каналам. Требуемые в зависимости от задачи ФВЧ и схема отведений реализуется программно. Многократная передискретизация входного сигнала позволяет в качестве ФНЧ использовать простейший R-C фильтр.

4. Для подсоединения современного цифрового электрокардиографа к персональному компьютеру наиболее обосновано разрабатывать специальный последовательный канал передачи с интерфейсами к внутренним шинам ISA для стационарных систем и PCMCIA для портативных устройств. На данный момент в персональном компьютере отсутствуют общераспространенные внешние порты со скоростью передачи в 300 Кбод и выше. И ни один из существующих универсальных портов не предусматривает линий питания для подключаемых устройств.

5. Од/1 tutu из наиболее распространенных и доступных современных методов неинвазивной электрокардиографии являются анализ вариабельности сердечного ритма и ЭКГ высокого разрешения. Их реализация в программном обеспечении для компьютерного )лсктрокардиогр;и|к| позволяет значительно повысить качество ЭКГ диагностики, в частности оценивать риск внезапной смерти, диагностировать диабетическую полинейропатию, прогнозировать возможность различных нарушении ритма сердца и т.д.

6. Дли анализа биомедицинских сигналов эффективно применять волновое преобразование, обеспечивающее высокое разрешение по времени и частоте. При его использовании в электрокардиографии достигается высокая чувствительность в распознавании нарушений сердечного ритма (ВСР) и выявлении мелкоочаговых повреждений миокарда (ЭКГ BP).

7. Для обмена ЭКГ данными между программными системами, а так же программными системами и автономными электрокардиографами

целесообразно использовать стандарт SCP-ECG европейского комитета по стандартизации.

8. Сигма-дельта аналого-цифровое преобразование эффективно использовать в устройствах сбора медико-биологической информации при работе сигналами частотой до единиц килогерц.

Цитируемая литература:

1. Bailey J. J., Berson A. S., Garson A., et a!. Recommendation for standartization and specification in automated electrocardiography: bandwidth and digital signal processing. -American Heart Association - Circulation.-1990.-V. 81 .-730p.

2. Park Sangil. Principles of Sigma-Delta Modulation for Analog-to-Digital Converters. // In The Communications Applications Manual-Motorola Inc., Phoenix, Arizona-1993.-V. DL411D/REV1.-P. 293-350.

3. Титомир JI. И. Автоматический анализ электромагнитного поля сердца.- М.: Наука.-1984.-175с.

4. Simson М. В. Use of signal in the terminal QRS complex toidentify patients with ventricular tachycardia aftermyocardial infarction - Circulation.-l 981.-64:235-242.

Публикации по теме диссертации:

1. Куриков С. Ф„ Пршуцкий Д. А., Селищев С. В. Технология X - Д преобразования в многоканальных электрокардиографах. // Тезисы докладов Международной конференции по биомедицинскому приборостроению «Биомсдприбор-96»,-Москва, ВНИИМП РАМН.-8-10 октября i996.-C. 26-27.

2. Kurekov S. К, Prilutski D. A., Selishchev S. V. Sigma-Delta Analoque-to-Digital converters for Biomedical Data Acquisition Systems // Proceeding of 4th European conference on engineering and medicine.-Warsaw, May 25-28, 1997.-P.163-164.

3. Prilutski D. A., Kurekov S. F. and Selishchev S. V. Sigma-Delta Analogue-to-Digital Converters for ECG acquisition systems. // Proceeding of XXV th International Conference on Electrocardiology- Budapest, 3-6 June, 1998.-P.382-384.

4. Куриков С. Ф., Пршуцкий Д. А., Селищев С. В. Применение технологии многоразрядного сигма-дельта преобразования н цифровых многоканальных и/аорокарлиогрифах. //«Мошкшкжш; гсх/шкн».-! W7.-Ns4.-C. 7-10.

5. Selishchev S. К, Gorosluuiin II К, Ivaiiuv С. (!., Prilutski IX A. Integration of methods High Resolution liCG and electrocaidiograpliical mapping lor spatial localization late ventricular potentials. // Proceeding of XXV "' International Confcrcnceon Electrocardiology.-Htidapcst, 3-6 .lime, 1998.-P. 102-103.

6. Горожанин Д. В., Иванов P. /'., Селищев С. II., Чрияуцкий Д. A. Wavelct-преобразование и электрокардиография высокого разрешения. // Тезисы докладов 1-го международного симпозиума "'Электроника к медицине. Мониторинг, диагностика, терапия" и рамках международной конференции "1Сардиосгим-98".-Санкт-11стербург, 5-7фсираля I998.-C. 140-142.

7. Куриков С. Ф„ Пршуцкий Д. А., Селищев С. В. Сигма-дельта преобразопапие м цифровых электрокардиографах. // Тезисы докладов 1-го международного

симпозиума "Электроника и медицине. Мониторинг, диагностика, терапия" в рамках международной конференции "Кардиостим-98".-Санкт-Петербург, 5-7февраля 1998.-С. 89-90.

8. Belozerov У. М., Prilutski D. A., Selishchev S. V. Computer system for clinical echocardiography // CD-ROM Proceeding of 18lh Annual International Conference of the IEEE EMBS.- Amsterdam, 1996.

9. Belozerov Y. M., Prilutski D. A., Vladimlrov V. V., Selishchev S. V. Computer system for clinical echocardiography and doppler blood flow measurement. // Proceeding of 4lh European conference on engineering and medicine.- Warsaw, May 25-28, 1997. -P. 18-19.

10. АрхирееаД. В., Велозсров 10. M., Потшико Г. //., ПршуцкийД. А., Селищев С. В. Оценка и прогнозирование состояния сердечно-сосудистой системы. 11 Тезисы докладов 1-го международного симпозиума "Электроника п медицине. Мониторинг, диагностика, терапия" п рамках международной конференции "Кардиостим-98".-Санкт-Петербург, 5-7 февраля 1998.-С. 84-85.

11. Архиреев Д. В., Белозеров IO. А/., ПршуцкийД. А., Селищев С. В. Компьютерная система для клинической эхокардиографии. // Тезисы докладов Международной конференции по биомедицинскому приборостроению «Биомедприбор-96».-Москва, ВНИИМП PAMH.-8-Юоктября 1996.-С. 44-45.

12. Архиреев Д. В., Гусев А. //., Куртов С. В., Прилуцкий Д. А. Телеметрическая система контроля состояния операторов. // Тезисы докладов научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика-98».— Москва, МИЭТ.-20-22 апреля 1998.-С. 177.

13. Архиреев Д. В., Гусев А. П.. Куриков С. Ф., Прилуцкий Д. А. Телеметрическая система контроля состояния операторов. // Тезисы докладов Международной конференции по биомедицинскому приборостроению «Биомедприбор-98».-Москва, ВНИИМП РАМН.-6-8 октября 1998.-С. 222-223.

14. Куриков С. Ф„ Плотников А. В., Прилуцкий Д. А., Селищев С. В. Элекгроэнцефалограф на основе сигма-дельта АЦП. // Тезисы докладов Международной конференции по биомедицинскому приборостроению «Биомедприбор-98».- Москва, ВНИИМП РАМН.-6-8 октября 1998.-С. 220-221.

15. Нагин В. А., Потапов И. В., ПршуцкийД. А., Селищев С. В. Программная система ЭКГ на основе компонентной архитектуры СОМ. // Тезисы докладов Международной конференции по биомедицинскому приборостроению «Биомедприбор-98»,- Москва, ВНИИМП РАМН.-6-8 октября 1998.-С. 215-217.

16. Плотников А. В., Прилуцкий Д. А., Селищев С. В. Стандарт DICOM в компьютерных медицинских технологиях. // «Медицинская техиика».-1997-Л»2.-С. 18-24.

17. Плотников А. В.. Прилуцкий Д. А., Селищев С. В. Стандарт DICOM в компьютерных медицинских технологиях. II Тезисы докладов Международной конференции по биомедицинскому приборостроению «Биомедприбор-96».-Москва, ВНИИМП РАМН.-8-10 октября 1996.-С. 120-121. 1

18. Плотников А. В., Прилуцкий Д. А., Селищев С. В. Стандарт SCP-ECG для обмена цифровыми ЭКГ. // Тезисы докладов Международной конференции по

биомеднцннскому приборостроению «Ьиомсдпрнбор-98», - Москиа. 1ЯН1ИМП РЛМ11.-6-8 октября 1948. С". 213 21?.

19. ¡¡¡шлуцкий Д. A. 11j>oi раммпое обеспеченно дли комплекса кардиоднатоешкн. // 'Гсзисы докладон научно-технической конференции «Микроэлектроника н информатика».- Моекиа, МИ')Т-12-14 апреля 1995. С'. IS 19.

20. Прилуцкий Д. А. Технология Х-Д преобразования н многоканальных электрокардиографах. // Тонем докладов паучно-гсхничсской кон(|)еренцнн «Микроэлектроника и информатика»,- Москва, М1Г)Т. 1997. С. 12.4.

21. Прилуцкий Д. А. Технология Y.- А преобрашпания к цифроныч электрокардиографах. // Тезисы докладон научно-технической конференции «Электроника и 1шформатнка-97».- Москна. МИ')Т.-25-26 ноября 1997. С. 1-11.

22. Прилуцкий Д. А. Цифровой ФИЧ для комш.кнерпою электрокардиографа. // Тезисы докладов 1-го международного снмшпнуми "'Днекэропика it медицине. Мониторинг, диагностика, терапия" н рамках международной конференции "Кардиостим-98".-Санкт-Пстербург, 5-7фснрадя 1998.-С. I 15.

Более подробно с материалами по теме диссертационной работы можно ознакомиться в сети Internet по адресам www.mks.ni или www.ccg.i4i.



На правах рукописи.

Московский государственный институт электронной техники

у г-1 I ^

(технический университет)

■ ■ ■■

Прштуцкий Дмитрий Анатольевич

Электрокардиографическая система на основе сигма-дельта аналого-цифрового преобразования

Специальность 05.11.17—Медицинские приборы и системы.

Диссертация на соискание ученой стелены кандидата технических наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук;

профессор С.В.Сетщев

-

Москва, 1998

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ......................................................................................1

СПИСОК И ОБОЗНАЧЕНИЕ АББРЕВИАТУР........................... ...... 4

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................5

1.1. Типовое схемное решение для 12-ти канального цифрового электрокардиографа.....................................................................................12

1.2. Ограничения и недостатки типовых схемных решений для цифровых электрокардиографов...............................................................16

2.1. Сигма-дельта аналого-цифровое преобразование..........................17

2.1.1. Передискретизация.............................................................................19

2.1.2. Сигма-дельта преобразователи и шум квантования.......................21

2.1.3. Цифровая фильтрация и децимация.................................................26

2.1.4. Форма выходного потока сигма-дельта АЦП..................................28

2.1.5. Схемы модулятора высшего порядка...............................................28

2.1.6. Многоступенчатые шумоформирующие сигма-дельта преобразователи............................................................................................29

2.1.7. Многобитовые сигма-дельта преобразователи................................30

2.2. Четырехканальный 22-х разрядный сигма-дельта АЦП AD771631

2.3. Электрокардиограф на основе сигма-дельта АЦП.......................... 36

2.4. Усилитель постоянного напряжения для электрокардиографа на сигма-дельта АЦП........................................................................................38

2.5. Анализ поведения входных каскадов электрокардиографа при разряде кардиодефибриллятора.................................................................39

2.6. Цифровой ФВЧ для компьютерного электрокардиографа...........43

2.7. Подключение электрокардиографа на базе сигма-дельта АЦП к персональному компьютеру........................................................................44

2.7.1. Последовательный канал передачи электрокардиограф-компьютер .........................................................................................................................47

2.7.2. Интерфейсы электрокардиографа КАРДи к шине ISA персонального компьютера.........................................................................49

2.7.3. Интерфейс электрокардиографа КАРДи к шине PCMCIA переносного компьютера.............................................................................53

2.7.4. Работа с PCMCIA адаптером в DOS приложениях.........................59

2.7.5. Поддержка PCMCIA адаптером технологии автоматического конфигурирования (Plug And Play).............................................................67

2.7.6. Логика управления с электрокардиографом на базе сигма-дельта АЦП................................................................................................................69

2.7.7. Функционирование электрокардиографа под Windows 95............72

3.1. Комплекс программ для электрокардиографических исследований KARD......................................................................................77

3.1.1. Возможности комплекса KARD........................................................77

3.1.2. Структура комплекса KARD.............................................................80

3.1.3. Дополнительные исследования для комплекса KARD...................84

3.2. Вариабельность сердечного ритма.....................................................85

3.2.1. Понятие о сердечной регуляции.......................................................87

3.2.2. Методы исследования ВСР и стандарты на измерения..................88

3.2.3. Ритмокардиограмма............................................................................89

3.2.4. Гистограмма и вариационная пульсограмма...................................91

3.2.5. Спектральный анализ.........................................................................95

3.2.6. Характеристика ВСР у здоровых людей..........................................97

3.2.7. ВСР при различной патологии..........................................................98

3.2.8. Влияние лекарственных препаратов на ВСР...................................99

3.2.9. Перспективы анализа ВСР...............................................................100

3.3. Электрокардиография высокого разрешения................................101

3.3.1. Поздние потенциалы как маркеры электрической нестабильности миокарда......................................................................................................101

3.3.2. Методы регистрации и некоторые требования к системам ЭКГ BP .......................................................................................................................103

3.3.3. Временной анализ.............................................................................107

3.3.4. Частотно-временной анализ на основе БПФ.................................109

3.3.5. Частотно-временной анализ с использованием волнового преобразования...........................................................................................112

4.1. Стандарт SCP-ECG комитета CEN/TC 251 для обмена цифровыми ЭКГ..........................................................................................118

4.1.1. Кодирование данных согласно протоколу SCP-ECG...................118

4.1.2. Сжатие ЭКГ сигнала.........................................................................121

4.1.3. Универсальный ЭКГ код для интерпретации................................125

4.1.4. Минимальный набор сообщений для обмена данными ЭКГ.......127

4.1.5. Низкоуровневый транспортный протокол для обмена данными

между цифровыми электрокардиографами и компьютерными системами....................................................................................................129

4.1.6. Поддержка многоязыковой среды..................................................130

4.1.7. Уровни совместимости.....................................................................131

4.1.8. Перспективы 8СР-ЕСО....................................................................132

4.2. СОМ компоненты для поддержки импорта-экспорта в стандарте 8СР-ЕСС........................................................................................................133

4.3. Сжатие электрокардиограмм.............................................................136

4.3.1. Алгоритм разностного адаптивного сжатия цифровых ЭКГ.......138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................141

БИБЛИОГРАФИЯ...........................................................................143

Список и обозначение аббревиатур

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

БПФ - быстрое преобразование Фурье

ВКГ - векторкардиография, векторкардиографический

ВСР - вариабельность сердечного ритма

ВЧ - высокочастотный

ЖТ - желудочковая тахикардия

НЧ - низкочастотный

ОС - операционная система

ОУ - операционный усилитель

ПО - программное обеспечение

1111Ж - поздние потенциалы желудочков

РКГ - ритмокардиограмма

СБИС - сверхбольшая интегральная схема

ФВЧ - фильтр верхних частот

ФНЧ - фильтр нижних частоты

ЦАП -цифро-аналоговый преобразователь

ЦОС - цифровая обработка сигналов

ЭКГ - электрокардиограмма, электрокардиографический

ЭКГ ВР - электрокардиография высокого разрешения

ЭКС - электрокардиосигнал

Бурное развитие кардиологии за последние 2-3 десятилетия во многом обусловлено разработкой и широким внедрением в клиническую практику новых, в том числе и электрокардиографиче- " ских (ЭКГ), методов исследования. На основании ЭКГ исследований можно судить об изменении во времени величины и направления электродвижущей силы возбужденных участков сердца, подтверждать или устанавливать медицинские диагнозы. На сегодняшний день из наиболее диагностически значимых неин-вазивных электрокардиографических (ЭКГ) методов можно выделить следующие :

• Анализ стандартной 12-ти канальной электрокардиограммы. Повсеместно распространенное исследование, имеющее давние традиции [16, 94, 102, 129]. Распространенность объясняется относительно невысокими запросами к регистрирующей аппаратуре и возможностью постановки диагнозов по внешнему виду графика и небольшому количеству измерений на нем. При кажущейся простоте анализа именно автоматизированная "расшифровка" 12-ти канальной ЭКГ представляет большие затруднения из-за проблем в формализации рассуждения кардиолога при постановке диагноза.

• Анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР). Метод основан на выделении из ЭКГ сердечного ритма (R-R интервалов) и последующего его анализа во временной и частотной областях. Практически невозможен без применения цифровых вычислителей. В 1996 году опубликованы рекомендации по ВСР Европейским обществом кардиологии (European Society of Cardiology) и Североамериканским обществом кардиостимуляции и электрофизиологии (North American Society of Pacing and Electrophysiology) [28].

• ЭКГ высокого разрешения. При регистрации используется одна из ортогональных схем отведений. Метод основан на цифровом усреднении ЭКГ сигнала. В результате получается один сердечный цикл с высоким отношением сигнал-шум. Проводя дальнейшую частотную фильтрацию и нормализацию получают кривую пригодную для количественного анализа на предмет наличия в сердце зон повреждения по методу Симеона (Simpson) [65]. Альтернативный метод с более высокой

Бурное развитие кардиологии за последние 2-3 десятилетия во многом обусловлено разработкой и широким внедрением в клиническую практику новых, в том числе и электрокардиографических (ЭКГ), методов исследования. На основании ЭКГ исследований можно судить об изменении во времени величины и направления электродвижущей силы возбужденных участков сердца, подтверждать или устанавливать медицинские диагнозы. На сегодняшний день из наиболее диагностически значимых неин-вазивных ЭКГ методов можно выделить следующие :

• Анализ стандартной 12-ти канальной электрокардиограммы. Повсеместно распространенное исследование, имеющее давние традиции [16, 94, 102, 129]. Распространенность объясняется относительно невысокими запросами к регистрирующей аппаратуре и возможностью постановки диагнозов по внешнему виду графика и небольшому количеству измерений на нем. При кажущейся простоте анализа именно автоматизированная "расшифровка" 12-ти канальной ЭКГ представляет большие затруднения из-за проблем в формализации рассуждения кардиолога при постановке диагноза.

• Анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР). Метод основан на выделении из ЭКГ сердечного ритма (R-R интервалов) и последующего его анализа во временной и частотной областях. Практически невозможен без применения цифровых вычислителей. В 1996 году опубликованы рекомендации по ВСР Европейским обществом кардиологии (European Society of Cardiology) и Североамериканским обществом кардиостимуляции и электрофизиологии (North American Society of Pacing and Electrophysiology) [28].

• ЭКГ высокого разрешения. При регистрации используется одна из ортогональных схем отведений. Метод основан на цифровом усреднении ЭКГ сигнала. В результате получается один сердечный цикл с высоким отношением сигнал-шум. Проводя дальнейшую частотную фильтрацию и нормализацию получают кривую пригодную для количественного анализа на предмет наличия в сердце зон повреждения по методу Симеона (Simpson) [65]. Альтернативный метод с более высокой

чувствительностью — преобразование сигнала для анализа в частотно-временной области [31], например, на основе волнового преобразования (Wavelet transformation) [45]. Последнее также применяется при анализе ВСР. Методы реализуемы только на цифровых электрокардиографах. Существуют рекомендации Американской Сердечной Ассоциации (American Heart Association) по применению метода [13].

• ЭКГ картирование. Синхронная многоканальная регистрация сердечных потенциалов. Визуализация карты распределения потенциалов по поверхности грудной клетки (поверхностное картирование). При решении обратной задачи (сердце — как электрический генератор, тело — как объемный проводник) возможно построение карты распределения потенциалов непосредственно по поверхности сердца (эпикардиальное картирование) [126]. Естественно в последнем случае диагностика более точна. Так при использовании дипольных моделей электрической активности сердечной ткани можно локализовать источники возбуждения в каждый момент времени [131]. Практическое использование метода возможно только при применении компьютеров.

• Суточное мониторирование электрокардиограммы (Холте-ровское мониторирование). Длительная (24-48 часов) регистрация на носимый накопитель 2-3 отведений ЭКГ с последующим анализом на центральной станции [46]. В современных системах в роли последней практически повсеместно используется персональный компьютер [97]. Обработка записи сводится к выявлению и классификации эктопических ритмов и комплексов, анализу ВСР, а также для анализа динамики изменений интервалов QT и ST. В наиболее совершенных системах имеются функции для ЭКГ BP.

На основе современных персональных компьютеров (ПК) класса Pentium с высокопроизводительными графическими акселераторами и большими объемами жестких дисков (единицы гигабайт) возможна разработка электрокардиографической системы для проведения большинства перечисленных выше методов ЭКГ исследований. Портативные ПК класса NoteBook по своим функциональным возможностям приближаются к настольным, что позволяет создавать такие системы для различных условий применения. При использовании 32-х разрядной операционной системы (ОС) класса Windows 95/ 98 / NT, библиотек обработки сиг-

налов оптимизированных по скорости выполнения (к примеру -Intel Signal Processing Library, фирмы Intel Corp.), а также новых технологий визуализации Direct Draw © и Direct 3D © фирмы Microsoft Corp. возможно получение результатов исследования в реальном времени. Создание программного обеспечения из отдельных компонентов на основе спецификации Common Object Model (СОМ) с поддержкой OLE и ActiveX документов [123] обеспечит масштабируемость и мобильность проекта.

Основой такой ЭКГ системы должен быть компьютерный электрокардиограф, построенный на современной элементной базе — многоканальных малошумящих операционных усилителях, многоразрядных и многоканальных интегральных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), программируемых логических матрицах и/или микроконтроллерах.

Основой всех цифровых электрокардиографов является АЦП — от его параметров во многом зависят основные характеристики всей системы. Одним из передовых методов многоразрядного аналого-цифрового преобразования является применение так называемого сигма-дельта преобразования [42]. Поэтому представляется перспективным использование в современном компьютерном электрокардиографе интегрального АЦП на основе технологии сигма-дельта.

Цель работы

Целью работы является разработка современной компьютерной электрокардиографической системы на основе сигма-дельта аналого-цифрового преобразования.

Основные результаты работы

Разработана электрокардиографическая система {Рис.1) состоящая из:

• компьютерного электрокардиографа КАРДи на основе сигма-дельта АЦП;

• комплекса программ KARD для кардиографических исследований;

• персонального компьютера и печатающего устройства.

Компьютерный электрокардиограф КЛРДи создан на основе интегральных 22-х разрядных сигма-дельта АЦП. КАРДи предназначен для работы по системам 12-ти стандартных отведений. Неба, Франка и МакФи.

Рис.1 Стационарная системы на основе компьютерного электрокардиографа КАРДи.

Рис.2 Компьютерный электрокардиограф КЛРДи с ISA адаптером.

Конструктивно электрокардиограф КАРДи выполнен в разветви-теле кабеля отведений размером 100x65x25, соединяемым с вычислительным блоком витым проводом до 15 метров длиной. КАРДи подключается к персональному компьютеру PC AT с шиной ISA через плату адаптера {Рис.2) или к мобильным системам через карту PCMCIA тип II [73] (Рис.3). Использование аппарат-

кой буферизации обеспечивает надежную работу электрокардиографа как в DOS, так и в многозадачных ОС Windows 95, Windows 98, Windows NT.

Рис.3 Компьютерный электрокардиограф КАРДи с PCMCIA адаптером.

Основные параметры электрокардиографа КАРДи:

• входное сопротивление не менее 100 МОм;

• динамический диапазон сигнала ±600 мВ;

• разрешение по амплитуде не менее 1.2 мкВ;

• рабочий диапазон частот сигнала 0-146 Гц (по уровню -3 дБ); программные ФВЧ от 0.01 до 1 Гц, режек-торный фильтр на 50 Гц;

• коэффициент подавления синфазных сигналов не менее 100 дБ (с калибровкой не менее 110 дБ);

• потребляемая мощность не более 0.4 Вт.

В электрокардиограф КАРДи встроены защита от дефибрилятора и система определения подсоединенных электродов. Обеспечена гальваническая развязка пациента от вычислительного блока (класс электробезопасности II CF).

Для работы с электрокардиографом КАРДи разработан комплекс программ для электрокардиографических исследований KARD (сертификат МЗМП РФ №185 от 12.01.96). Программы комплекса KARD предусматривают возможность мониторинга, автоматического измерения ЭКГ и постановки заключений, длительного автоматического контроля ЭКГ, проведения ЭКГ высокого разрешения, работы с базами данных электрокардиограмм.

К моменту написания диссертационной работы компьютерный электрокардиограф КАРДи направлен на технические и клинические испытания (выписка №5 от 9.06.98 заседания комиссии по клинико-диагностическим приборам и аппаратам Комитета по новой технике Минздрава России).

Проведены предварительные клинические испытания ЭКГ систем в составе электрокардиографа КАРДи и программного комплекса KARD, в том числе в клиниках Медицинского Российского государственного университета, Университета дружбы народов, Медицинского стоматологического московского института, НИИ педиатрии и детской хирургии МЗ РФ, Федеральном цен