Вайсман М. В.Московский Институт Электронной Техники, Москва, Зеленоград
Источник: www.ecg.ru/...
Актуальность темы.
Действующий ГОСТ 19687-89 "Приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца. Общие технические требования и методы испытаний" распространяется на аналоговые приборы для измерения и регистрации биоэлектрических потенциалов сердца. Установленные стандартом тестовые сигналы не позволяют полноценно тестировать и калибровать цифровые электрокардиографы (ЭК). Например, при использовании сигнала гармонической формы с частотой больше 10% частоты дискретизации сигналов ЭК приходится сталкиваться с эффектом "визуального биения" амплитуды оцифрованного сигнала, что затрудняет точное измерение его амплитудных характеристик.
Разрабатываемый Международной Электротехнической Комиссией документ стандарта на современные ЭК рекомендует методы испытаний, основанные на тестовых сигналах, имитирующих электрическую активность сердца. Применение таких сигналов обусловлено следующими причинами:
Невозможностью провести определение параметров цифровых ЭК с помощью методов испытаний, применяющие сигналы гармонической, прямоугольной формы и их смеси в качестве тестовых сигналов.
Необходимостью в определении точности оценок длительностей и амплитуд элементов электрокардиограммы (ЭКГ), устойчивости к различным шумам и артефактам измерительных алгоритмов, построение которых основано на априорных знаниях структуры ЭКГ.
Необходимостью в определении чувствительности и специфичности алгоритмов постановки диагностических заключений с целью сопоставления результатов обследований пациента, полученных на разных ЭК.
В качестве тестовых сигналов могут применяться заранее классифицированные реальные или синтезированные электрокардиосигналы (ЭКС), которые воспроизводятся генераторами сигналов специальных форм – имитаторами ЭКС.
Существует большое разнообразие имитаторов ЭКС, которые необходимы для тестирования и периодической поверки ЭК в условиях медицинских учреждений и производства. Характеристики тестовых сигналов имитаторов существенно влияют на возможность проведения метрологического контроля аппаратной и программной частей современного ЭК в соответствии с принятыми стандартами.
Новый международный стандарт опирается на предшествующий стандарт на аналоговые приборы, используя его методы испытаний. Безусловно, определенная преемственность методов испытаний должна быть сохранена, поскольку основные функции ЭК со времен их создания не изменились. Однако цифровые ЭК предоставляют доступ к оцифрованным сигналам. На основании этого возможно и необходимо строить методы испытаний базирующиеся на цифровой обработке данных.
Научная новизна:
Впервые установлено, что применение принципа набора координатных систем и представление кардиоцикла как последовательность элементов отрезков и парабол позволяют эффективно синтезировать многоканальные калибровочные и аналитические ЭКС.
Впервые на базе спектрального анализа оцифрованных ЭК тестовых псевдослучайных сигналов (ПСС) предложена методика оценки амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) многоканальных цифровых ЭК.
Первая глава содержит сведения о типовых решениях, применяемых при построении цифровых ЭК, их программном обеспечении, а также современных имитаторах ЭКС.
Современный цифровой ЭК реализуется как система взаимосвязанных аппаратных и программных средств. С одной стороны, такое техническое решение повышает качество и функциональность ЭК. С другой стороны, цифровые ЭК должны удовлетворять действующим техническим требованиям на их основные параметры, которые проверяются с помощью оговоренных методов испытаний. Эти методы испытаний разрабатывались для проверки приборов, измеряющие и регистрирующие биоэлектрические потенциалы сердца – аналоговых ЭК. Они не распространяются на приборы с автоматическим анализом и диагностикой, которыми являются современные цифровые ЭК. Эти методы используют тестовые сигналы, которые не позволяют корректно измерять параметры приборов в силу особенностей цифровой обработки сигналов современными ЭК. В связи с этим возникает необходимость в разработки испытательных методов и средств специально для цифровых ЭК.
На основе анализа характеристик современных имитаторов ЭКС сделаны следующие выводы:
Ни один имитатор ЭКС не формирует постоянного напряжения + 300 мВ, подаваемого на все входные каналы ЭК вне зависимости от текущего тестового сигнала.
Смесь сигналов гармонической и прямоугольной форм не поддерживается ни одним имитатором ЭКС, что делает не возможным проверку нелинейности АЧХ и эффективной ширины записи ЭК, согласно действующим стандартам.
С помощью рассмотренных имитаторов ЭКС не представляется возможным проверить коэффициент ослабления синфазных сигналов, т.к. отсутствует гармонический сигнал размахом 20 В с частотами 50 и/или 60 Гц.
Точностные характеристики, диапазоны и типы тестовых сигналов частично совпадают с требованиями стандартов.
Следует отметить, что некоторые модели имитаторов также включают функции проверки пульсоксиметров, измерителей давления и температуры.
Вторая глава посвящена описанию алгоритма синтеза тестовых ЭКС и его оптимизации по вычислительным ресурсам микроконтроллера имитатора ЭКС.
При возбуждении и реполяризации сердца возникает электрическое поле, которое можно зарегистрировать на поверхности тела. При этом между различными точками создается разность потенциалов, изменяющаяся в соответствии с колебаниями величины и направления этого электрического поля. Эти разности потенциалов, изменяющиеся во времени, являются ЭКС.
Для реализации генерирования ЭКС имитаторами наиболее подходит алгоритм, основанный на линейной и квадратичной интерполяции участков ЭКС. В рамках этого алгоритма ЭКС задается в виде последовательности отрезков и участков парабол, называемые далее элементами ЭКС. Для описания изменения формы и очередности появления элементов ЭКС введен набор систем координат (СК). Начало набора СК (рис. 1) совпадает с началом текущего кардиоцикла и последовательно перемещается при возникновении следующих кардиоциклов. Момент времени первого отклонения какого-либо ЭКС от собственной изоэлектрической линии является началом набора СК в текущем кардиоцикле. Изоэлектрическая линия ЭКС является осью абсцисс, соответствующей этому сигналу СК. Таким способом формируется перемещаемый набор СК циклов ЭКС, относительно которых определяются координаты исходных и конечных точек элементов ЭКС.
Отметим, что требуемое время построения АЧХ одного канала цифрового ЭК описанным выше методом составит максимум одну минуту. Сравнивая это время с продолжительностью проведения измерения стандартным способом, безусловно, можно сделать вывод о значительных преимуществах предложенного метода оценки АЧХ цифровых ЭК. В четвертой главе сформулированы принципы и методы построения многофункционального программируемого имитатора ЭКС.
Блок двунаправленного последовательного компьютерного интерфейса представляет собой преобразователь уровня напряжения с оптической развязкой на двух оптопарах, питание которого со стороны компьютера осуществляется за счет напряжений на линиях DTR и RTS интерфейса RS232. Используемая в имитаторе ППЗУ является флэш-память (flash memory), которая не требует внешнего, высокого напряжения для записи данных. Наличие такой ППЗУ позволяет реализовать свойство программируемости имитатора ЭКС, т.е. изменение набора тестовых ЭКС. ЖКИ отображает информацию о состоянии прибора и иерархическое меню выбора тестовых сигналов. Выбор опций иерархического меню и установка параметров сигналов осуществляется с помощью энкодера. Генератор для запуска ЦАП является тактовым генератором, выход которого подключен к входу схемы 16-ти разрядного счетчика МК. Использование такого способа запуска ЦАП повышает точность интервалов выдачи значений сигналов в ЦАП. Связующим звеном цифровой и аналоговой частей прибора является блок ЦАП. Этот блок 12-ти разрядных ЦАП обеспечивает двенадцать независимых выходных каналов. Целесообразно использовать ЦАП с буферизированными выходами по напряжению, которые позволяют строить простые выходные каскады имитатора. В силу дифференциальной структуры входных каскадов ЭК, выходное напряжение имитатора относительно вывода N воспринимается ЭК как биполярное напряжение, т.к. использована схема смещения нулевого уровня. В имитаторе используются интегральные микросхемы аналоговых активных фильтров, которые не требуют трудоемкой настройки и имеют буферизированные выходы. Пассивный аттенюатор построен как делитель напряжения, который приводит диапазон напряжений выходных тестовых сигналов к требуемому значению. Первый канал предназначен для вывода сигналов перечисленных в пунктах 1.a-1.f, второй канал - для вывода напряжения, имитирующего поляризацию электродов. Преобразователь уровня напряжения обеспечивает напряжение питания дифференциального усилителя. На входы дифференциального усилителя подаются однополярный синусоидальный сигнал с размахом 2.5 В и постоянное напряжение +1.25, получаемое с помощью делителя напряжения +2.5 В. Таким способом формируется сигнал гармонической формы (50/60 Гц) с диапазоном + 20 В в третьем канале. Многоканальные ЭКС выводятся через каналы L, R, F, C1-C6.
Выводы
Разработанный многофункциональный программируемый имитатор ЭКС позволяет проводить испытание программных и аппаратных средств многоканальных цифровых ЭК
Применение принципа набора координатных систем и представление кардиоцикла как последовательность элементов отрезков и парабол позволяют эффективно синтезировать многоканальные калибровочные и аналитические ЭКС нормального и патологического ритмов.
Применение цифровой обработки выходных тестовых сигналов ЭК методами теории идентификации систем повышает качество испытательных процедур.
Использование информационных методов спектрального оценивания при определении АЧХ многоканальных цифровых ЭК повышает их точность и сокращает время, необходимое для их оценки.