RU2063167C1 - Method and device for producing electric cardiogram - Google Patents

Abstract

FIELD: medicine; cardiology. SUBSTANCE: electric cardiological signals are measured preliminary during several seconds. After that the signals are subjected to calibration processing by means of finding and fixing energy function E(T). Maximal value of the function has to be found. Then basic cycle of measurements is carried out. During this cycle, E(T) is measured once more and compared with E(max). Cardiological signal if filtered by filter with bandpass of 100 Hz and lower, if value of E(T) is higher than 0,15 E(max). Filter is used with bandpass of 40 Hz and lower if E(T) is equal or lower than 0,15E(max). Method is realized by the device, which has electrodes 1, cardiological unit 2, analog-to-digital converter 3, computer 4 and preliminary processing unit 5. Unit 5 has the first adder 6, the first memory unit 7, inverter 8, timer 9, the second memory unit 10, arithmetic unit 11, the third memory unit 12, control unit 13, unit 14 for determining maximal value, comparator 15, controlled filter 16. EFFECT: improved precision of identification of specific elements of electric cardiogram. 2 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к области медицины, а именно к кардиологии и предназначенного для исследования сердечно-сосудистой системы и последующей оценки состояния сердца, основанной на расшифровке электрокардиограммы (ЭКГ). The invention relates to medicine, namely to cardiology and intended for the study of the cardiovascular system and subsequent assessment of the state of the heart, based on the decoding of the electrocardiogram (ECG).

Наиболее близким по технической сущности являются способ и устройство, известные из "Автоматизированной системы для ввода и обработки электрофизиологических данных "Ритм", Техническое описание и инструкция по эксплуатации, " 1990 г. The closest in technical essence are the method and device, known from the "Automated system for input and processing of electrophysiological data" Rhythm ", Technical description and operating instructions," 1990

Известный способ включает в себя цикл измерений параметров кардиосигналов для определения функционального состояния сердца, его обработку на ЭВМ и конечную графическую регистрацию ЭКГ. The known method includes a cycle of measuring parameters of cardiac signals to determine the functional state of the heart, its processing on a computer and the final graphical registration of the ECG.

Известное из указанной системы устройство для получения ЭКГ содержит электроды, соединенные со входом кардиоблока, выполненного в виде усилителя и коммутатора кардиосигналов и соединенного со входом аналого-цифрового преобразователя, который подключен к ЭВМ. A device for producing an ECG known from the indicated system comprises electrodes connected to the input of a cardio block made in the form of an amplifier and a switch of cardiac signals and connected to an input of an analog-to-digital converter that is connected to a computer.

Хотя использование ЭВМ и повышает скорость анализа ЭКГ, однако поступающая на ЭВМ информация содержит большое количество помех, вызванных, например, аппаратными шумами, смещением электродов и т.д. Поэтому распознавание элементов ЭКГ, например, слабых пиков, затруднено, что приводит к низкой точности измерения параметров ЭКГ. Although the use of computers increases the speed of ECG analysis, the information received on the computer contains a large amount of interference caused, for example, by hardware noise, displacement of electrodes, etc. Therefore, the recognition of ECG elements, for example, weak peaks, is difficult, which leads to low accuracy in measuring ECG parameters.

Предложенный способ получения электрокардиограммы включает два цикла измерений электрокардиосигналов: предварительный и основной. Под основным циклом измерений понимают измерение параметров кардиосигналов, проведенных по общепринятым методикам за установленный в медицинской практике период времени, которые необходимы для определения функционального состояния сердца. Стадия предварительных измерений это вспомогательные измерения кардиосигналов, проведенные в течение нескольких секунд для регистрации хотя бы одного кардиоцикла. Эти изменения необходимы для получения реперных нормативных значений сигналов, в частности, для определения максимального значения энергетической функции. Согласно предложенному способу после проведения стадии предварительных измерений в течение нескольких секунд осуществляют калибровочную обработку полученных электрокардиосигналов путем определения и фиксации значений энергетической функции E(T) кардиосигнала из выражения

где T текущая координата точки с определенными значением кардиосигнала,
Δ эмпирически определенный интервал времени, равный 10 15 мсек при интервале оцифровки 2 мсек,
Y(i) амплитуда в точке интервала (T, T+D), и находят максимальное значение E_max энергетической функции.The proposed method for producing an electrocardiogram includes two cycles of measurements of electrocardiograms: preliminary and main. Under the main measurement cycle is understood the measurement of the parameters of cardiac signals performed according to generally accepted methods for the period of time established in medical practice, which are necessary to determine the functional state of the heart. The preliminary measurement stage is an auxiliary measurement of cardiosignals taken within a few seconds to register at least one cardiocycle. These changes are necessary to obtain reference normative values of signals, in particular, to determine the maximum value of the energy function. According to the proposed method, after carrying out the preliminary measurement stage, calibration of the received electrocardiosignals is carried out for several seconds by determining and fixing the values of the energy function E (T) of the cardiosignal from the expression

where T is the current coordinate of the point with a certain value of the cardiac signal,
Δ empirically determined time interval equal to 10 15 ms with a digitization interval of 2 ms,
Y (i) the amplitude at the point of the interval (T, T + D), and find the maximum value of E_max energy function.

Затем проводят основной цикл измерений, во время которого фиксируют результаты измерений кардиосигналов, определяют по ним энергетическую функцию E(T), сравнивают полученные значения E(T) с максимальным значением E_max и осуществляют фильтрацию кардиосигнала фильтром с полосой пропускания до 100 гц в точках, в которых значение энергетической функции кардиосигнала E(T) превышает пороговое значение, равное K•E_max, где эмпирически определенный коэффициент K равен 0,15, и фильтром с полосой пропускания до 40 гц для точек со значением энергетической функции E(T)≅K•E_max, при этом значение E используется также для идентификации зубцов комплекса QRS. После обработки осуществляют конечную графическую регистрацию ЭКГ.Then, the main measurement cycle is carried out, during which the measurement results of the cardiosignals are recorded, the energy function E (T) is determined from them, the obtained values of E (T) are compared with the maximum value of E_max and the cardiosignal is filtered by a filter with a passband of up to 100 Hz in points, in which the value of the energy function cardiosignal E (T) exceeds a threshold value equal to K • E_max, where empirically defined coefficient K is 0.15, and a filter with a bandwidth of up to 40 Hz for the points with a value of energy Fu ktsii_{E (T) ≅K • E max} , wherein E value is also used for identifying the QRS complex of the teeth. After processing, the final graphical registration of the ECG is carried out.

Способ реализуется с помощью предложенного устройства для получения ЭКГ. The method is implemented using the proposed device for obtaining an ECG.

На фиг. 1 исходная ЭКГ(А) и ЭКГ после фильтрации (Б),
на фиг. 2 электрическая схема устройства структурная.In FIG. 1 initial ECG (A) and ECG after filtration (B),
in FIG. 2 electrical circuit diagram of the device.

Устройство содержит электроды 1, соединенные со входом кардиоблока 2, который содержит усилители и коммутатор биопотенциалов. Кардиоблок 2 соединен с первыми входом аналого-цифрового преобразователя 3, соединенного с ЭВМ 4 через блок предварительной обработки 5. The device containselectrodes 1 connected to the input of thecardio block 2, which contains amplifiers and a biopotential switch. Cardioblock 2 is connected to the first input of the analog-to-digital Converter 3 connected to thecomputer 4 through thepre-processing unit 5.

Блок предварительной обработки 5 состоит из первого сумматора 6 первого блока памяти 7, инвертора 8, таймера 9 второго блока памяти 10, арифметического блока 11, содержащего умножитель и второй сумматор, третьего блока памяти 12, блока управления 13, блока определения максимума 14, компаратора 15, управляемого фильтра 16. Thepre-processing unit 5 consists of afirst adder 6 of thefirst memory unit 7, aninverter 8, atimer 9 of thesecond memory unit 10, anarithmetic unit 11 containing a multiplier and a second adder, athird memory unit 12, acontrol unit 13, amaximum determination unit 14, acomparator 15 managedfilter 16.

При регистрации ЭКГ в соответствующих точках на теле пациента по общепринятым методикам размещают электроды 1, соединенные со входом кардиоблока 2. When registering an ECG at appropriate points on the patient’s body, according to generally accepted methods,electrodes 1 are placed, connected to the input of thecardio block 2.

После начала регистрации ЭКГ проводят стадию предварительного измерения в течение 2 сек времени, достаточного для измерения по крайней мере одного кардиоцикла. Во время регистрации ЭКГ кардиограмм различных отведений через входящий в состав кардиоблока 2 коммутатора поступают на вход АЦП 3. Временный интервал между двумя последовательными точками оцифровки задается таймером 9. Текущее значение кардиосигнала запоминается в первом блоке памяти 7 и по сигналу от таймера на первый сумматор 6 одновременно поступает текущее значение кардиосигнала от АЦП 3 и через инвертор 8 хранящееся в первом блоке памяти 7 предыдущее значение кардиосигнала с обратным знаком. Разница амплитуд Y(i)-Y(i-1), полученная на выходе первого сумматора 6 запоминается во втором блоке памяти 10. Арифметическое устройство 11 по сигналу от управляющего блока 13 осуществляет выборку из второго блока памяти 10 N-1 предыдущих значений разности кардиосигналов и вычисляет энергетическую функцию E(T), значение которой запоминается в третьем блоке памяти 12. После окончания стадии предварительного измерения длительностью 2 сек. блок управления 13 посылает сигнал блоку определения максимума 14, который осуществляет последовательную выборку из третьего блока памяти 12 значений функции E(T) и определяет максимальное значение этой функции, которое передает в блок сравнения 15 и затем выдает сигнал блоку управления 13, который после этого запускает основную стадию измерения. После окончания основной стадии измерения блок сравнения 15 осуществляет последовательную выборку значений E(T) из третьего блока памяти 12, сравнивают текущее значение E(T) с максимальным значением, определенным на стадии предварительных измерений и при E(T)>0,15•E_max посылает сигнал на блок цифровой фильтрации 16, изменяющий параметры сглаживающего фильтра таким образом, что при E(T)>0,15•E_max полоса пропускания фильтра составляет 100 гц, а при E(T)≅0,15•E_max уменьшается до 40 гц. Кроме того при E(T)>0,8•E_max блок сравнения посылает значение Т в ЭВМ 4, где оно запоминается и используется при дальнейшей обработке для вычисления интервалов PР и идентификации зубцов комплекса QRS. Коэффициенты 0,8 и 0,15 определены эмпирически. Сглаженный кардиосигнал от управляемого фильтра поступает на ЭВМ 4, которая осуществляет обработку кардиосигналов, отображает на экране дисплея сглаженную ЭКГ и определяет ее параметры.After the start of ECG registration, a preliminary measurement step is carried out for 2 seconds of a time sufficient to measure at least one cardiocycle. During registration of the ECG, cardiograms of various leads through the switch included in thecardio block 2 are sent to theADC input 3. The time interval between two consecutive digitization points is set bytimer 9. The current value of the cardiosignal is stored in thefirst memory block 7 and simultaneously from the timer to thefirst adder 6 at the same time the current value of the cardiosignal from theADC 3 is received, and through theinverter 8, the previous value of the cardiosignal with the opposite sign stored in thefirst memory unit 7 is received. The difference in amplitudes Y (i) -Y (i-1) obtained at the output of thefirst adder 6 is stored in thesecond memory unit 10. Thearithmetic device 11, on a signal from thecontrol unit 13, selects from the second memory unit 10 N-1 previous values of the difference of the cardiosignals and calculates the energy function E (T), the value of which is stored in thethird memory block 12. After the end of the preliminary measurement stage lasting 2 seconds. thecontrol unit 13 sends a signal to themaximum determination unit 14, which sequentially fetches from thethird memory block 12 the values of the function E (T) and determines the maximum value of this function, which transfers to thecomparison unit 15 and then issues a signal to thecontrol unit 13, which then starts main stage of measurement. After the end of the main measurement stage, thecomparison unit 15 sequentially samples the values of E (T) from thethird memory block 12, compares the current value of E (T) with the maximum value determined at the preliminary measurement stage and at E (T)> 0.15 • E_max sends a signal todigital filtering unit 16, which changes the parameters of the smoothing filter so that at E (T)> 0.15 • E_max the filter passband is 100 Hz, and at E (T) ≅0.15 • E_max decreases up to 40 Hz. In addition, at E (T)> 0.8 • E_max, the comparison unit sends the value of T to thecomputer 4, where it is stored and used in further processing to calculate the intervals PP and identify the teeth of the QRS complex. Coefficients of 0.8 and 0.15 are determined empirically. The smoothed cardio signal from the controlled filter is fed to thecomputer 4, which processes the cardiosignals, displays a smoothed ECG on the display screen and determines its parameters.

ЭВМ 4 вычитает из ЭКГ изоэлектрическую линию, определенную методом наименьших квадратов по точкам, расположенным на участках, прилегающих к границам выбранного кардиоцикла и затем на этих же участках определяет S-среднеквадратичное отклонение от среднего разности Y(i)-Y(i-1). Граница зубцов ЭКГ определяются как границы участков, на которых производная, полученная при помощи кубических сплайнов, больше порогового значения, равного 2S. На участках, где производная больше порогового значения определяются положения экстремумов, как точки, в которых производная меняет знак. Экстремумы, расположенные между двумя экстремумами одного знака, идентифицируются как провал между двумя пиками и отбрасываются. На сегменте ST определяется среднее значение кардиосигнала и определяется угол наклона прямой линии, проведенной методом наименьших квадратов по точкам, лежащим на этом участке ЭКГ. Computer 4 subtracts the isoelectric line determined by the least-squares method from the ECG from the points located in the areas adjacent to the borders of the selected cardiocycle and then determines the S-mean-square deviation from the mean difference Y (i) -Y (i-1) in these same areas. The border of the ECG teeth is defined as the boundaries of the areas in which the derivative obtained using cubic splines is greater than the threshold value of 2S. In areas where the derivative is greater than the threshold value, the positions of the extrema are determined as points at which the derivative changes sign. Extremes located between two extremes of the same sign are identified as a gap between two peaks and are discarded. On the ST segment, the average value of the cardiosignal is determined and the angle of inclination of the straight line determined by the least squares method according to the points lying on this section of the ECG is determined.

Техническим результатом предложенного способа и устройства является ускорение и повышение точности распознавания характерных элементов ЭКГ, используемых для целей медицинской диагностики. The technical result of the proposed method and device is to accelerate and increase the accuracy of recognition of characteristic ECG elements used for medical diagnostic purposes.

В предлагаемом способе предварительная обработка полученного кардиосигнала дает значительное улучшение соотношения сигнал/шум без искажения исходной информации, что ускоряет процесс анализа ЭКГ и увеличивает точность измерения ее параметров. In the proposed method, the preliminary processing of the received cardiac signal gives a significant improvement in the signal-to-noise ratio without distorting the initial information, which accelerates the ECG analysis process and increases the accuracy of measuring its parameters.

Claims (2)

Translated fromRussian

1. Способ получения электрокардиограммы, включающий основной цикл измерений электрокардиосигнала, его обработку и регистрацию ЭКГ, отличающийся тем, что осуществляют стадию предварительных измерений в течение нескольких секунд и калибровочную обработку полученных электрокардиосигналов путем определения и фиксации значений энергетических функций Е(Т) кардиосигнала из выражения

где Т текущая координата точки с определенным значением кардиосигнала;
Δ эмпирически определенный интервал времени, равный 10-15 мс при интервале оцифровки 2 мс;
Y(i) амплитуда кардиосигнала в точке интервала [T,T+Δ] и нахождения максимального значения E_max,
а в процессе осуществления основного цикла измерений фиксируют результаты измерений кардиосигналов, определяют по ним энергетическую функцию Е(Т), сравнивают полученные значения Е(Т) с максимальным значением Е_max и осуществляют фильтрацию кардиосигналов фильтром с полосой пропускания до 100 Гц для значений кардиосигналов, энергетическая функция Е(Т) которых превышает пороговое значение, равное К•Е_max, где К эмпирически определенный коэффициент, равный 0,15, и фильтром с полосой пропускания до 40 Гц для со значением энергетической функции Е(Т)<K•E_max, а значение Е_max используют для идентификации зубцов комплекса QRS.1. A method of obtaining an electrocardiogram, including the main cycle of measurement of an electrocardiogram, processing and recording an ECG, characterized in that they carry out a preliminary measurement step for several seconds and calibrate the received electrocardiograms by determining and fixing the values of the energy functions E (T) of the cardiac signal from the expression

where T is the current coordinate of the point with a specific value of the cardiac signal;
Δ empirically determined time interval equal to 10-15 ms with a digitization interval of 2 ms;
Y (i) the amplitude of the cardiac signal at the point of the interval [T, T + Δ] and finding the maximum value of E_max ,
and in the process of carrying out the main measurement cycle, the results of measurements of cardiac signals are recorded, the energy function E (T) is determined from them, the obtained values of E (T) are compared with the maximum value of E_max and the cardiosignals are filtered by a filter with a passband of up to 100 Hz for cardiac signals, energy function E (T) exceeds a threshold value equal to K • E_max, where K is an empirically defined coefficient equal to 0.15, and a filter with a bandwidth of up to 40 Hz with the value of the energy function E ( ) <K • E_max, and the value of E_max is used to identify the QRS waves. 2. Устройство для получения электрокардиограммы, содержащее электроды для контактирования с определенными точками тела пациента, соединенные с входом кардиоблока, выполненного в виде усилителя и коммутатора кардиосигналов и соединенного с первым входом аналого-цифрового преобразователя, который соединен с ЭВМ, отличающееся тем, что соединение аналого-цифрового преобразователя с ЭВМ осуществлено через блок предварительной обработки кардиосигнала, выполненный в виде первого сумматора, первый вход которого соединен с первым выходом АЦП, второй выход которого соединен с первым входом первого блока памяти, выход которого через инвертор соединен с вторым входом первого сумматора, а второй вход с первым выходом таймера, причем второй выход таймера соединен с вторым входом АЦП, при этом первый и второй выходы первого сумматора соединены соответственно с первым входом второго блока памяти и с первым входом арифметического блока, содержащего умножитель и второй сумматор, первый выход арифметического блока соединен с входом третьего блока памяти, а второй и третий входы соединены соответственно с первым выходом второго блока памяти и с первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого соединены соответственно с входом таймера и с первым входом блока определения максимума, при этом второй вход блока определения максимума соединен с первым выходом третьего блока памяти, второй выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом блока определения максимума, а первый и второй выходы компаратора соединены с первым выходом управляемого фильтра и с одним из входов ЭВМ, при этом второй выход второго блока памяти соединен с вторым входом управляемого фильтра, выход которого соединен с ЭВМ, соединенной с входом блока управления. 2. Device for producing an electrocardiogram, containing electrodes for contacting with certain points of the patient’s body, connected to the input of the cardio block, made in the form of an amplifier and commutator of cardiosignals and connected to the first input of an analog-to-digital converter, which is connected to a computer, characterized in that the connection is analog -digital converter with a computer is implemented through the preliminary processing unit of the cardiosignal, made in the form of a first adder, the first input of which is connected to the first output of the AD P, the second output of which is connected to the first input of the first memory block, the output of which through an inverter is connected to the second input of the first adder, and the second input with the first output of the timer, the second output of the timer connected to the second input of the ADC, while the first and second outputs of the first adder connected respectively to the first input of the second memory block and to the first input of the arithmetic block containing the multiplier and the second adder, the first output of the arithmetic block is connected to the input of the third memory block, and the second and third inputs are connected respectively, with the first output of the second memory unit and with the first output of the control unit, the second and third outputs of which are connected respectively to the timer input and the first input of the maximum determination unit, while the second input of the maximum determination unit is connected to the first output of the third memory unit, the second output which is connected to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the output of the maximum determination unit, and the first and second outputs of the comparator are connected to the first output of the controlled filter and to one of computer inputs, while the second output of the second memory unit is connected to the second input of the managed filter, the output of which is connected to a computer connected to the input of the control unit.

Images