Уидроу, Стирнз - Адаптивная обработка сигналов (1044225), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Предыдущее обобщение завершает рассмотрение принципов адаптивного подавления помех. В последующих подразделах опиотн саны различные практические приложения этого метода. К ним осятся подавление нескольких видов помех в электрокардиографии, помех в речевых сигналах, помех в боковых лепестках диаграммы направленности антенны, периодической или узкополосной помехи при отсутствии внешнего эталонного сигнала. Для этих приложений приводятся экспериментальные результаты, отражаюшие характеристики адаптивного подавления. Подавлеиие помехи с частотой 60 Гц в электрокардиографии В [22] подчеркивается, что основная проблема записи электро- кардиограммы (ЭКГ) связана с «появлением на выходе помехи с частотой 60 Гц», В этой работе приводится анализ различных причин возникновения такой помехи,в том числе магнитной индукции, электрических токов в проводниках и в теле пациента, аппа- 299 а! бт Н а ало процесса адаптации !)Ф ~уФ~~„~ Завернув ие п адаптации Адаптивное устроиство подавления помехи в! Рнс.
12.!4. Полввлсвнс сетевой помехи с частотой 60 Гп в эпептрокврдттогрдфттв зо! 300 ратурных паводок. Приводится описание ряда способов минимизации этой помехи, среди них — правильное заземление и применение витых пар. Другой способ уменьшения помехи с частотой 60 Гц в ЭКГ заключается в адаптивном подавлении этой помехи, которое можно использовать отдельно или совместно с более традиционными подходами.
На рнс. 12.14 приведена схема применения н электрокардиографии адаптивного подавления помехи. Входной сигнал поступает с предварительного усилителя ЭКГ, эталонный сигнал с частотой 60 Гц — со штепсельной розетки с соответствующим ослаблением, Адаптивный фильтр имеет два весовых коэффициента, перестраиваемых по схеме, аналогичной схеме на рис. 12.6. Оба взвешенных эталонных сигнала суммируются, в результате чего формируется выходной сигнал фильтра, который вычитается из входного сигнала системы Комбинации значений весовых коэффициентов позволяют изменять эталонный сигнал по амплитуде и фазе любым необходимым для подавления образом. Для подавления чистого синусондального сигнала требуются оба весовых коэффициента, или обе степени свободы.
На рис. 12.15 приведен характерный результат группы экспериментов, проведенных в реальном масштабе времени. Отсчеты содержат 10 бит, а скорость отсчетов составляет 1000 Гц. На этом рисунке показаны входной сигнал — сигнал ЭКГ с сильной помехой частотой 60 Гц (а), эталонный сигнал сети, снятый со штеп- Рис. !2 !рц Попввлсппе помех в электрохврдногрвфвпт и — ваоцно т снтнад, П вЂ” и~ н тл не телоннон вход * е — витодноц с инат ус родства по- Лавлепая сольной розетки (б), выходной сигнал устройства подавления (в). Отметим, что после завершения процесса адаптации помеха на выходе отсутствует и ясно видны подробности ЭКГ. Подавление помехи донорского сердца в влектрокардиографии нри его трансплантации Электрической деполяризацпей желудочков сердца человека управляет группа специальных мышечных образований, которые называются атрновентрикулярным (АВ) узлом.
Котя этот узел может функционировать независимо и асинхронно, обычно нм управляет аналогичная группа образований — синоатрнальный (СА) узел, деполяризация которого инициирует электрический импульс, передаваемый за счет проводимости через атрнальиую мышцу сердца к АВ узлу.
Снпоатриальный узел связан с центральной нервной системой, которая, управляя скоростью деполяризации, регулирует частоту сокращения сердца [23, 241. Адаптивное устройство подавления помехи Г 1 Входной сигнал лиой гивп б) Метод трансплантации сердца, разработанный Н. Шемуэем из Медицинского центра Станфордского университета, состоит в том, что «новое», или донорское, сердце ошивается с частью атриума «старого» сердца пациента [2б1 По линии шва формируется ткань шрама, которая электрически изолирует небольшой остаток старого сердца, содержащий только СА узел, от нового сердца, содержащего как СА, так и АВ узлы.
Синоатриальный узел старого сердца остается связанным с центральной нервной системой и оно продолжает сокращаться со скоростью, управляемой центральной нервной системой. Синоатриальный узел нового сердца, который нельзя хирургически соединить с центральной нервной системой, генерирует спонтанные импульсы, что приводит к сокращению нового сердца со своей самопроизвольной скоростью. В исследованиях по трансплантации сердца, а также в кардиологических исследованиях в целом желательно определять скорость возбуждения старого сердца и наблюдать его электрические Рис.
1н.!б. Получение и обработка сигналов ЭКГ у пациента с пересаженным сердцем Зох сигналы. Такие сигналы из-за помехи сокращения нового сердца нельзя получить обычными средствами электрокардиографии и легко получить при использовании адаптивного подавления этой помехи. На рис. 12.16 приведена схема применения адаптивного подавления помехи в электрокардиографии при трансплантации сердца. Эталонный сигнал подается с помощью пары обычных датчиков„закрепляемых на груди пациента. Эти датчики принимают сигнал, который поступает в основном от нового сердца, т. е. от источника помехи, Входной сигнал снимается с катетера, который состоит из небольшого коаксиального кабеля, введенного в область атриума старого сердца, Конец катетера длиной в несколько миллиметров представляет собой открытую часть центральной жилы кабеля, которая выполняет роль антенны и воспринимает электрические сигналы сердца, При правильном его размещении сигналы старого и нового сердец принимаются с одинаковой интенсивностью, На рис.
12.17 показаны характерные входные сигналы и соответствующий выходной сигнал устройства подавления помехи. Эталонный сигнал содержит Нощные сигналы ЯРЯ, которые в обычной ЭКГ указывают на возбуждение желудочков. Входной сигна.т содержит синхронные с сигналами ЯР$ импульсы и отражает процесс сокращения нового сердца, а другие видимые со- Новое сердце Новое сердце Рис. 12.17. ЭКГ пациента с пересаженным ссрдцем: а — сигнал на эталонном входе )от нового сердца): б — вхалнай снпгал (ат нового н ста. Рого сердец): в — сигнал на вмхаде устройства подавления )от старого сердца) 303 ардиовектор матери и на груди Нейтраланжй лектрод Карднпвекюр ттт, плода поженив ков на живо~с е] б] От дата ков на животе Вжкпдто с гна ставляющие возникают из-за сокращения с другой скоростью старого сердца.
При адаптивной фильтрации и вычитании из входного сигнала эталонного сигнала получаем сигнал, показанный .на рис. 12,17,в, который представляет собой сигнал старого сердца с очень слабыми импульсами от нового сердца. Отметим, что импульсы и того и другого сердца легко разделить даже если они возникают в один и тот же момент времени. Кроме того, электрический сигнал нового сердца является установившимся и точным, тогда как сигнал старого сердца значительно меняется от сокращения к сокращению.
В данном эксперименте использован адаптивный трансверсальный фильтр с 48 весовыми коэффициентами и скоростью отсчетов 500 Гц. Подавление ЭКГ матери в фетальной электрокардиографии Прн приеме родов часто используют ЭКГ брюшной полости [26 — 28], которые позволяют определить частоту сокращения сердци плода и установить число плодов. Однако амплитуда фонового шума, возникауощего из-за мышечной н двигательной актнвности плода, часто оказывается равной и большей, чем амплитуда сокращения сердца 129 — 31~. Еще более серьезную проблему представляет сокращение материнского сердца, амплитуда которого в 2 ... 10 раз больше амплитуды сокращения сердца плода, что является помехой при снятии ЭКГ [32]. Для того чтобы показать эффективность применения в фетальной электрокардиографпн адаптивного подавления помех, в Станфордском университете проведено несколько экспериментов '.
Бель экспериментов — выделить наиболее точно ЭКГ плода, с тем чтобы проводить наблюдение не только за частотой сокращения сердца, но и за действительной формой электрического сигнала на выходе. Для записи сигнала сокрашения материнского сердца н получения нескольких эталонных сигналов для устройства подавления использовано четыре обычных датчика на груди пациента-'. Для записи смешанного сигнала сокращений сердца матери и плода использован отдельный датчик на внешней стороне брюшной полости, который формирует входной сигнал.
На рис. 12.!8 показаны векторы электрических полей сердца матери и плода и карта размещения датчиков. Каждый датчик соединен с парой ' Аналогичные попытки подавления сигнала сокращения материнского сеодца без применении устройства адаптивной обработки описаны в [33]. При этом путем тщательного размещения датчиков и подстройки коэффициента усиления усилителя достигнуто некоторое уменыпение помехи от сигнала материнского сердца, однако при адаптивной обработке могут быть достигнуты лучщие результаты. ' Длн упрощения задачи фильтрации помехи взято несколько эталонных сигналов.
Точное число эталонных сигналов, необходимых для исключении ЭКГ матери, еще не известно и составляет предмет исследований. ЗС4 Рис. 12.18. Подавление сигнала материнского сердца при электрокардиографии плода: а — калан а Г * алел, п,,ого полн и тт, н н юда: б — рттсположспне пас нпко электродов. Входные сигналы, поступающие от всех датчиков, предварупельно фильтруются, приводятся к цифровому виду и записываются на магнитофон.
Приведенное на рнс, 12.19 много- капа.п ное адаптивное устройство подавления помехи является частным случаем схемы на рнс. 12.13, Каждый фильтр эталонного капала имеет 32 неравномерно (по логопериодпческому закону] расставленных отводов с общей задержкой 129 мс. На рпс. 12.20 показаны характерные входные н выходной сигналы устройства подавления, Предварительная фильтрация проводится в полосе 3 . 35 Гц со скоростью отсчетов 258 Гц На рис. 12,1З, Схема устройства подавления помет с многими эталонными входами, используемое в эксперименте по слитию ЭКГ плода 30о Составляющая ЭКГ плода б) Составляющая ЭКГ маге Рис.
12.20. Результаты эксперимента по снитию ЗКГ . ( плода (ширина полосы 3 ... 35 Гц, частота отсчета 256 Гц): а — сипмл на аталоннои входе (от летчика на тру(ти); б— — входное сигнал (от датчика на животе); а — выходной сигнал устройства подавления вхо выходе устройства осуществляется подавление доминнруюш шнх во дном сигнале сигналов сокращения материнского сердца. (Масштаб шкалы напряжений для выходного сигнала на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
