DE4106858A1 - Anordnung zum herausfiltern von grundlinienschwankungen aus physiologischen messsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Herausfiltern von Grundlinienschwankungen aus physiologischen Meß­ signalen mit einer Abtaststufe zur Bildung von Abtast­ werten der Meßsignale, einem daran angeschlossenen ersten Tiefpaßfilter, einer nachgeordneten Stufe zur Reduzierung der Abtastrate um einen vorgegebenen Faktor, einem nach­ folgenden nichtrekursiven zweiten Tiefpaßfilter, einer anschließenden Interpolationsstufe zur Erhöhung der Abtastrate um den vorgegebenen Faktor und mit einer Subtrahierstufe zur Subtraktion der von der Interpola­ tionsstufe kommenden Abtastwerte von den von der Abtast­ stufe kommenden Abtastwerten des physiologischen Meß­ signales.

Physiologische Meßsignale, die von Patienten abgenommen werden, sind normalerweise von Störsignalen, wie z. B. der von dem Wechselstromnetz induzierten 50 Hz-Wechselspan­ nung, muskelelektrischen Potentialen und Artefakten im Zusammenhang mit der Abnahme der physiologischen Meßsigna­ le von dem Patienten überlagert. Diese Störungen äußern sich, soweit sie im Vergleich zu der charakteristischen Frequenz der physiologischen Meßsignale niederfrequenter Art sind, in Form von Grundlinienschwankungen in dem erfaßten Meßsignalverlauf.

Aus "Journal of Clinical Engineering", Bd. 7, Nr. 3, Juli- Sept. 1982, Seiten 235-240, ist eine Anordnung der oben genannten Art zur Herausfilterung von Grundlinienschwan­ kungen aus einem Elektrokardiogramm bekannt. Bei der bekannten Anordnung werden die Grundlinienschwankungen aus dem in Form von Abtastwerten vorliegenden Elektrokar­ diogramm in einem Hochpaßfilter herausgefiltert, das aus einem ersten nichtrekursiven Tiefpaßfilter mit einer nachgeordneten Stufe zur Reduzierung der Abtastrate um den Faktor 8, einem daran anschließenden zweiten nichtrekur­ siven Tiefpaßfilter, einer nachfolgenden Interpolations­ stufe zur Erhöhung der Abtastrate - den Faktor 8 und einer Subtrahierstufe besteht, in der die durch die Tiefpaßfilterung erhaltenen Grundlinienschwankungen von dem mit den Grundlinienschwankungen behafteten Elektro­ kardiogramm subtrahiert werden. Durch die Verwendung von nichtrekursiven (FIR-) Filtern, die durch eine Impuls­ antwort mit einer begrenzten Impulszahl (finite impulse reponse) charakterisiert sind, werden Phasenverschiebungen und damit Signalverzerrungen bei der Filterung vermieden. Jedoch ist der Rechenaufwand, daß heißt die Anzahl der in dem Filter auszuführenden Rechenoperationen (Multiplika­ tionen) bei nichtrekursiven Filtern sehr hoch, weswegen bei der bekannten Anordnung die Abtastrate des Elektrokar­ diogramms um den Faktor 8 reduziert wird, bevor das Elektrokardiogramm dem zweiten nichtrekursiven Tiefpaß­ filter zugeführt wird. Das erste Tiefpaßfilter dient dabei zu der für die Reduzierung der Abtastrate erforderlichen Frequenzbegrenzung des Elektrokardiogramms. Je größer der Reduktionsfaktor ist, um so geringer ist zwar der Rechen­ aufwand bei dem zweiten nichtrekursiven Filter, jedoch nimmt gleichzeitig der Rechenaufwand bei dem ersten nichtrekrusiven Filter zu. Daher ist bei der bekannten Anordnung vor der eigentlichen Grundlinienfilterung eine Vorfilterung mit einer Abtastratenreduktion - den Faktor 2 vorgesehen, wodurch die Auflösung des Elektrokardio­ gramms insgesamt verringert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Heraus­ filtern von Grundlinienschwankungen aus physiologischen Meßsignalen den erforderlichen Rechenaufwand bei der Abtastfilterung zu verringern.

Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß bei der Anord­ nung der eingangs angegebenen Art das erste Tiefpaßfilter ein rekursives Filter, dessen Grenzfrequenz in bezug auf die Grenzfrequenz des zweiten Tiefpaßfilters so gewählt ist, daß von dem ersten Tiefpaßfilter hervorgerufene Phasenverschiebungen in dem zweiten Tiefpaßfilter heraus­ gefiltert werden. Im Vergleich zu nichtrekursiven Filtern zeichnen sich nämlich rekursive Filter durch einen ge­ ringeren Rechenaufwand bezogen auf die Filterleistung bzw. Filterwirkung aus. Der Nachteil, daß rekursive Filter Phasenverschiebungen bei dem zu filternden Signal hervor­ rufen, tritt bei der erfindungsgemäßen Anordnung insoweit nicht auf, als der Frequenzbereich, in dem die Phasen­ verschiebungen praktisch wirksam sind, in dem zweiten Tiefpaßfilter herausgefiltert wird.

Eine Veringerung von Signalverzerrungen bei der Filterung wird in vorteilhafter Weise durch eine Verzögerungsstufe zur verzögerten Weiterleitung der von der Abtaststufe kommenden Abtastwerte an die Subtrahierstufe erzielt. Dabei wird für die Verzögerungsstufe die gleiche Verzöge­ rung gewählt, wie sie in den Tiefpaßfiltern auftritt.

Wegen des verringerten Rechenaufwandes bei der Filterung findet die erfindungsgemäße Anordnung in vorteilhafter Weise bei der prozeßgekoppelten, daß heißt on-line Analyse der physiologischen Signale Verwendung.

Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figur der Zeichnung Bezug genommen, die ein Ausführungs­ beispiel der erfindungsgemäßen Anordnung in Form eines Blockschaltbildes zeigt.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist ein Eingang der Anordnung bezeichnet, an dem ein physiologisches Meßsignal, bei­ spielsweise ein von einem Patienten abgenommenes Elektro­ kardiogramm anliegt. An dem Eingang 1 ist eine Abtaststufe 2 zur Bildung von Abtastwerten des physiologischen Signals angeschlossen. Die Abtastwerte werden einerseits über eine Verzögerungsstufe 3 einem ersten Eingang (+) einer Sub­ trahierstufe 4 und andererseits über ein erstes Tief­ paßfilter, eine nachgeordnete Stufe 6 zur Reduzierung der Abtastrate, ein nachfolgendes zweites Tiefpaßfilter 7 und eine daran anschließende Interpolationsstufe 8 mit einem zweiten Eingang (-) der Subtrahierstufe 4 verbunden, an deren Ausgang das von den Grundlinienschwankungen befreite physiologische Meßsignal in Form von Abtastwerten zur weiteren prozeßgekoppelten (on-line) Signalverarbeitung zur Verfügung steht. In den Blöcken 5 bis 8 wird das abgetastete physiologische Meßsignal tiefpaßgefiltert, so daß an dem zweiten Eingang (-) der Subtrahierstufe 4 die Abtastwerte der Grundlinienschwankungen erscheinen, welche in der Subtrahierstufe 4 von den Abtastwerten des physio­ logischen Meßsignals subtrahiert werden; die Blöcke 3 bis 8 bilden also ein Hochpaßfilter.

Das mit 7 bezeichnete Tiefpaßfilter ist ein nichtrekur­ sives Filter, das bei der Filterung keine Phasenfehler erzeugt. Jedoch ist bei derartigen Filtern der Rechenauf­ wand, also die Zahl der durchzuführenden Rechenoperationen und die Signalverzögerung relativ hoch. Um beides zu verringern, wird die dem Tiefpaßfilter 7 zugeführte Rate von Abtastwerten reduziert. Das ist auf Grund der relativ niedrigen Frequenz der Grundlinienschwankungen möglich. Die Reduzierung der Abtastrate erfolgt in der Stufe 6. Das der Stufe 6 vorgeordnete Tiefpaßfilter 5 dient zu der für die Abtastratenreduzierung erforderlichen Frequenzbegren­ zung des abgetasteten Meßsignals. Im Unterschied zu dem zweiten Filter 7 ist das erste Filter 5 eine rekursives Filter, bei dem der Rechenaufwand bezogen auf die Filter­ leistung erheblich geringer ist. Der Nachteil, daß das rekursive Filter 5 Phasenfehler in dem zu filternden Signal hervorruft, tritt nicht in Erscheinung, da die Grenzfrequenz des Filters 5 in bezug auf die des Filters 7 so gewählt ist, daß die Phasenfehler in dem Filter 7 herausgefiltert werden.

Da die Tiefpaßfilterung in den Blöcken 5 bis 8 mit einer bestimmten Verzögerung erfolgt, wird das ungefilterte abgetastete Meßsignal parallel dazu in der Verzögerungs­ stufe 3 um denselben Betrag verzögert, um in der Sub­ trahierstufe 4 eine von Fehlern aufgrund von Verzögerungs­ unterschieden freie Subtraktion der Grundlinienschwankun­ gen von den Meßsignal zu ermöglichen.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zur Herausfilterung von Grundlinienschwankungen aus einem Elektrokardiogramm ist vorzugsweise eine Abtastrate in der Abtaststufe 2 von 500 Hz vorgesehen; der Reduktionsfaktor in der Stufe 5 beträgt 40. Die Anordnung arbeitet prozeßgekoppelt (on- line) mit einem Signalprozessor, von dessen Rechenkapa­ zität nur Bruchteil für die Filterung in Anspruch genommen wird.

Bezugszeichenliste

1 Eingang
2 Abtaststufe
3 Verzögerungsstufe
4 Subtrahierstufe
5 rekursives Tiefpaßfilter
6 Stufe zur Abtastratenreduzierung
7 nichtrekursives Tiefpaßfilter
8 Interpolationsstufe
9 Ausgang

Claims (3)

1. Anordnung zum Herausfiltern von Grundlinienschwankungen aus physiologischen Meßsignalen mit einer Abtaststufe (2) zur Bildung von Abtastwerten der Meßsignale, einem daran angeschlossenen ersten Tiefpaßfilter (5), einer nach­ geordneten Stufe (6) zur Reduzierung der Abtastrate um einen vorgegebenen Faktor, einem nachfolgenden nichtrekur­ siven zweiten Tiefpaßfilter (7), einer anschließenden Interpolationsstufe (8) zur Erhöhung der Abtastrate um den vorgegebenen Faktor und mit einer Subtrahierstufe (4) zur Subtraktion der von der Interpolationsstufe (8) kommenden Abtastwerte von den von der Abtaststufe (2) kommenden Abtastwerten des physiologischen Meßsignals, da­ durch gekennzeichnet, daß das erste Tiefpaßfilter (5) ein rekursives Filter ist, dessen Grenzfrequenz in bezug auf die Grenzfrequenz des zweiten Tiefpaßfilters (7) so gewählt ist, daß von dem ersten Tiefpaßfilter (5) hervorgerufene Phasenverschiebungen in dem zweiten Tiefpaßfilter (7) herausgefiltert werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verzögerungsstufe (3) zur verzögerten Weiter­ leitung der von der Abtaststufe (2) kommenden Abtastwerte an die Subtrahierstufe (4).

3. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 zur prozeßgekoppelten (on-line) Analyse der physiologischen Meßsignale.