Система анализа электрокардиосигнала для определения состояния водителей на критерий "бодрость-сон-утомление"

В настоящее время в связи с увеличением плотности как городского, так и загородного трафика транспортных средств все большую актуальность приобретает задача контроля состояния водителя, в частности отслеживание момента времени его засыпания или утомления.

Одним из методов решения этой задачи является использование электрокардиосигнала (ЭКС) для оценки состояния наблюдаемого в текущий момент времени. Известно, что при засыпании человека частота сердечных сокращений (ЧСС) уменьшается, увеличивается RR-интервал. С точки зрения медицинской терминологии это состояние брадикардии. Увеличение ЧСС – тахикардия – наблюдается при утомляемости.

В данной работе в качестве пороговых значений для принятия решения о засыпании или усталости водителя берутся значения в 60 и 100 ударов сердца в минуту соответственно. Нахождение ЧСС пациента в данный момент времени в этом диапазоне считается нормальным и соответствует состоянию бодрости, уход из заданного диапазона свидетельствует о засыпании или утомлении в зависимости от того, в какую сторону изменилось значение ЧСС – уменьшилось ( < 60) или возросло ( > 100) соответственно.

Нами было проведено экспериментальное исследование разрабатываемого устройства контроля состояния «бодрость–сон–утомление» с использованием одноразовых контактных электродов. Однако, несмотря на точность получаемых результатов при применении данной техноло- гии съема сигналов, использование ее вне медицинского учреждения затруднительно и не подходит для длительного ношения цифрового анализатора. Технология контактных датчиков также при длительном использовании доставляет пациентам значительные неудобства. В практической реализации планируется применять для регистрации ЭКС емкостные бесконтактные датчики EPIC, разработанные фирмой Plessey-Semiconductors. Эти датчики достаточно просто разместить вблизи груди пациента, чтобы получить качественную электрокардиограмму. Устройство должно будет располагаться в кармане водителя в области грудной клетки.

Предполагается, что система будет состоять из двух блоков: устройства съема и устройства обработки. Для организации передачи данных в разрабатываемом портативном анализаторе аритмий был выбран метод передачи по радиоканалу. Кабели, соединяющие блок съема и блок первичного анализа, хотя и обеспечивают большую надежность, помехоустойчивость и скорость передачи данных, однако не подходят для применения в условиях кабины автомобиля.

Для передачи информации в пределах транспортного средства по радиоканалу предполагается выбор стандарта беспроводной связи Bluetooth.

В разрабатываемом устройстве полоса частот полезного сигнала составляет диапазон 1–70 Гц. Для подавления сетевой наводки используется цифровой режекторный фильтр на 50 Гц.

Рис. Блок-схема алгоритма

Помимо сетевой наводки полезный сигнал подвергается воздействию других нежелательных помех, как высокочастотных, так и низкочастотных. При снятии электрокардиосигнала наибольшее негативное воздействие оказывают миографические шумы. Их воздействие создает определенные трудности в процессе обработки и анализа показаний пациента. Для выделения качественного сигнала были разработаны следующие фильтры:

• 1.    Фильтр низких частот с частотой среза 70 Гц. Данный фильтр предназначен для сглаживания внешних высокочастотных помех и выделения полезного сигнала заданной полосы пропускания, равной 70 Гц. Параметры фильтра: ФНЧ; частота дискретизации F_s = 1000 Гц, частота среза F_c = 70 Гц. Синтезируется цифро-

• вой КИХ-фильтр, фильтрация по методу окна Барлетта, порядок фильтра 9.

• 2.    Фильтр высоких частот с частотой среза 1 Гц. Данный фильтр подавляет нежелательные низкочастотные составляющие. Основная задача фильтра высоких частот – это коррекция дрейфа изолинии.

Для синтеза цифрового фильтра по заданным частотным характеристикам применяется пакет Fdatool, для моделирования процесса фильтрации – пакет Sptool.

Анализ проводится на временном интервале в 30 секунд, оценивается частота сердечных сокращений на этом промежутке времени.

Для определения временного положения R-пика QRS-комплекса на ЭКС были использованы материалы [1]. По данной методике, способ селекции R-пика ЭКС включает в себя цифровую фильтрацию электрокардиосигнала, предварительную стадию измерений для регистрации хотя бы одного кардиоцикла и определения максимального значения E _max энергетической функции E ( T ), а также стадию основных измерений, предполагающую фиксирование результатов измерений электрокардиосигнала, определение по ним энергетической функции E ( T ) и сравнение их с E _max.

Сначала на интервале времени в 1 секунду происходит калибровочный съем сигнала. На этом отрезке времени определяется контрольный R-пик как максимальное значение на отрезке. Если пиков два и больше, в качестве контрольного берется R-пик с максимальным значением. Далее выстраивается пороговый уровень по значению 0.4 R _max. Отсчеты, значения которых лежат ниже порогового уровня, не обрабатываются. Как только значение отсчетов превысит пороговый уровень, начинается поиск R-пика, также определяется его временное положение. Создается два массива значений: значение отсчетов, определенных как R-пик, и массив соответствующих им координат временной оси.

После определения всех R-пиков и их временного положения на отрезке времени в 30 секунд находятся длительности RR-интервалов как разность между мгновенными значениями времени двух соседних R-пиков. Найденными значениями заполняется еще один массив значений. В полученном массиве чисел определяются максимальный и минимальный элементы, по их разности делается предположение о регулярности ритма сердца. Параллельно высчитывается RR_ср – среднее значение RR-интервалов за 30 секунд. По полученному значению программа определяет частоту сердечных сокращений и проверяет результат на соответствие норме по пороговым значениям нормы от 60 до 100 ударов в минуту.

При превышении порога 100 делается заключение о наличии учащенного сердцебиения, или тахикардии, прибор сигнализирует об утомленном состоянии пациента. Если значение ЧСС лежит ниже допустимого предела 60, программа диагностирует замедленное сердцебиение или брадикардию, блок обработки сигнализирует засыпание. В этом случае подается сигнал звуковой тревоги.

На рисунке представлена блок-схема алгоритма обработки сигнала для получения значения формального параметра Z , говорящего о состоянии водителя: сон ( Z = 3), бодрость ( Z = 4) или утомление ( Z = 5).

Заключение

В статье проанализирована зависимость между состояниями человека (бодрость–сон–утом-ление) и частотой сердечных сокращений (ЧСС). Определены пороговые значения ЧСС, означающие переход между вышеупомянутыми состояниями. Разработана методика и блок-схема алгоритма определения ЧСС по RR-интервалам ЭКС. Предлагается использовать данную методику для контроля состояния водителя транспортного средства. Дальнейшее развитие работы видится в практической реализации портативного устройства, передающего сигнал о засыпании или утомлении водителя.