Непрерывная амплитудно-фазо-частотная цифровая коррекция
аппаратных искажений реографического сигнала 
в режиме ON-LINE.

Беляев К. Р., Кузьминых Н. Ю., Морозов А.А., Cтрелков Б.В.

В докладе представлен новый подход к цифровой коррекции амплитудно-фазо-частотных искажений, вносимых в реографический сигнал аналоговыми фильтрами необходимость которого показана рядом предыдущих исследований.

В результате теоретических и экспериментальных исследований, проводимых в МГТУ, достигнут существенный прогресс в схемотехнике и методическом обеспечении реокардиографических измерений. Новые разработки реографических преобразователей на современной элементной базе позволяют получать приведённый ко входу уровень шумов менее 0.3 m в рабочем диапазоне частот. Передаточная характеристика реографического преобразователя с высокой точностью описывается дифференцирующим звеном первого порядка. Поэтому впервые появилась возможность реализовать АФЧ-коррекцию в виде цифрового фильтра небольшой (3­5 точек) длины. Что означает, что задержка распространения сигнала через фильтр не превышает 0.03­0.05 секунд (для частоты дискретизации 100 Гц).

Предлагаемый алгоритм коррекции использует рекурсивную цифровую фильтрацию и работает с непрерывным потоком данных. Это выгодно отличает данный алгоритм от ранее предложенных алгоритмов АФЧ-коррекции, в которых обработка идёт по блокам данных фиксированной длины, причём в выходном сигнале на границах блоков имеются заметные искажения. Новый алгоритм коррекции требует существенно меньших затрат машинного времени (в 10 и более раз).

Перед началом работы реографа производится тестовая процедура, во время которой в автоматическом режиме определяется частота среза аналогового дифференцирующего звена реографа по переходной характеристике. Как показали исследования, это необходимо для повышения точности коррекции и снижает влияние долговременных дестабилизирующих факторов. На основе полученных данных рассчитываются коэффициенты корректирующего фильтра.

Корректирующий фильтр реализован в виде цифрового интегрирующего звена первого порядка, который компенсирует действие аналогового дифференцирующего звена реографа, а также двух дифференцирующих фильтров первого порядка с частотой среза существенно ниже, чем нижняя граница пропускания реографа. Частота среза фильтров выбирается из соображений обеспечения необходимой точности восстановления в низкочастотной области. В результате система (реограф)+ (корректирующий фильтр) имеет частоту среза, соответствующую дифференцирующим звеньям, т.е. значительно ниже, чем исходно у реографа. Нижняя частота среза реографов обычно лежит в пределах 0.1­0.3 Гц. Для воспроизведения на частоте 0.05 Гц с точностью не менее 5% надо выбрать частоту среза дифференцирующих фильтров порядка 0.001 Гц.

Тестирование алгоритма показало его высокую эффективность. Для ряда модельных сигналов была получена точность восстановления 0.01% по среднеквадратическому отклонению (в этих тестах погрешность квантования отсутствовала), что хорошо согласуется с теоретическим предсказанием.

Определяющими факторами точности восстановления сигнала с помощью предлагаемого метода являются:

• точность определения нижней частоты среза реографа (по нашей методике тестирования- не хуже 1%);
• погрешность квантования сигнала- зависит от реально используемого количества разрядов АЦП;
• точность аппроксимации АФЧ характеристик аналогового фильтра цифровыми фильтрами (для 3­точечных фильтров достигнута точность 0.1 дБ по амплитуде и 0.003 радиан по фазе).

Показано, что без использования АФЧ­ коррекции реографического сигнала существенно снижается точность расчёта ряда диагностических параметров и воспроизводимость измерений. Отклонение в расчете УОК может достигать 20%, других важных параметров- до 40%.

Особенно важна фазовая коррекция для исследования дыхательной активности с помощью реокардиографии, так как характерная частота дыхательных движений (0.1­0.4 Гц) лежит вблизи частоты среза реографа и потому дыхательная волна весьма заметно искажается. Проведено сравнение синхронных записей трансторакальной реограммы (ТТРГ) и спирограммы лёгких у здоровых добровольцев в покое в положении лёжа. После использования АФЧ­ коррекции дыхательный паттерн, полученный из ТТРГ, с отклонением не более 5% по СКО совпадал со спирограммой. Практически впервые появилась возможность получать из сигнала ТТРГ как реограмму, из которой удалены дыхательные артефакты, так и дыхательный паттерн с клинически приемлемой точностью.

В докладе обсуждаются практические аспекты клинических исследований на основе разработанного подхода.