Пичка Татьяна Владимировна

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра Электронной техники

Специальность: Электронные системы

Научный руководитель: Кочин Александр Евгеньевич

Тема выпускной работы:

Обоснование и исследование структуры электронной системы регистрации сердечной деятельности мелких лабораторных животных

Реферат по теме магистерской работы:

Обоснование и исследование структуры электронной системы регистрации сердечной деятельности мелких лабораторных животных

1. Актуальность темы

     В настоящее время основной для исследования физиологических процессов, как у животных, так и у людей являются экспериментальные исследования. В практике таких исследований наибольшее распространение в качестве лабораторных животных получили лабораторные крысы, метаболические и функциональные процессы которых наиболее сопоставимы с процессами, которые проходят в организме человека. Так же эти животные получили широкое применение в лабораторных исследованиях, благодаря тому, что они обладают маленьким размером, неприхотливы в питание и содержании, а также у них достаточно высокая скорость воспроизведения потомства. Крыс используют в качестве модели организма для анализа ряда важных медико-биологических показателей, например, сердечно-сосудистые заболевания, нарушение обмена веществ, неврологические расстройства и другие.

В процессе патофизиологических исследований, в которых используются лабораторные животные,  измеряется широкий спектр  параметров их жизнедеятельности (таких как состояние сердечно-сосудистой системы,  состояние дыхательной и нервной систем и др.). В качестве интегральных параметров жизнедеятельности наиболее целесообразно использовать частоту сердечных сокращений (ЧСС) и частоту дыхательной деятельности (ЧДД). Дыхательная и сердечно-сосудистая системы нашего организма являются наиболее важными системами нашего организма, плюс ко всему они работают в тесной взаимосвязи друг с другом. Исходя из этого, комплексное исследование организма должно включать в себя параллельный мониторинг ЧСС и ЧДД. Определение этих двух параметров необходимо для построения экспериментальной модели физиологического поведения лабораторного животного, что возможно лишь при снятии параметров животного параллельно, так что б можно было выявить их взаимосвязь.   Для проведения параллельного мониторинга ЧСС и ЧДД наиболее целесообразно выделить один параметр, например, электрокардиограмму,  при дальнейшем анализе которого можно получить искомые характеристики и взаимосвязи.

2. Цель и задачи работы

Целью магистерской работы является разработка и обоснование электронной системы регистрации ЧСС и ЧДД мелких лабораторных животных, которая предоставит возможность проведения параллельного мониторинга, интересующих  систем, без необходимости иммобилизации лабораторного животного, что в свою очередь даст возможность повысить эффективность  патофизиологических исследований.

Основными задачами магистерской работы являются:

• анализ общих методов проведения  патофизиологических экспериментов;
• определение комплексного параметра, с помощью которого будет возможен параллельный мониторинг  ЧСС и ЧДД;
• анализ методов снятия электрокардиограммы и параметров, влияющих на качество регистрации ЭКГ;
• анализ электрокардиограммы с целью выявления на ней характеристик, позволяющих определить ЧСС и ЧДД;
• выделение данных, способствующих, получению  достоверные данные о сердечной и дыхательной деятельности;
• синтез электронной системы регистрации ЧДД и ЧСС, основывающейся на миниатюрном электрокардиографе;
• апробация и внедрение электронной системы.

3. Научная новизна

Новизна данной работы заключается в  том, чтобы определить комплексный параметр, дальнейший анализ которого приведет нас к получению полной информации о ЧСС и ЧДД, что в свою очередь имеет практическую значимость при построении экспериментальной модели физиологического поведения лабораторного животного. В качестве комплексного параметра была выбрана электрокардиограмма, для снятия которой разработана электронная система на основе миниатюрного одноканального электрокардиографа. Миниатюризация системы позволит избавиться от необходимости иммобилизации животного, что улучшит результаты исследований, так как при иммобилизации крысе в организм вводят наркотические вещества, к которым животное не может адаптироваться, в  то время как оно легко может адаптироваться к дополнительному весу или другим незначительным физическим воздействиям.

4. Выбор метода решения

 В процессе патофизиологических исследований, в которых используются лабораторные животные,  измеряется широкий спектр  параметров их жизнедеятельности (таких как состояние сердечно-сосудистой системы,  состояние дыхательной и нервной систем и др.). В качестве интегральных параметров жизнедеятельности наиболее целесообразно использовать частоту сердечных сокращений (ЧСС) и частоту дыхательной деятельности (ЧДД).  Определение этих двух параметров необходимо для построения экспериментальной модели физиологического поведения лабораторного животного, что возможно лишь при снятии параметров животного параллельно, так чтоб можно было выявить их взаимосвязь.   Для проведения параллельного мониторинга ЧСС и ЧДД наиболее целесообразно выделить один параметр, например, электрокардиограмму,  при дальнейшем анализе которого можно получить искомые характеристики и взаимосвязи.

4.1. Анатомия проводящей системы сердца.

Рисунок 1. Схема проводящей системы сердца.
1 – синоатриальный узел; 2 – тракт передний межузловой  Бахмана (Bachman); 3 – тракт средний межузловой  Венкенбаха (Wenckebach); 4 – тракт задний межузловой  Тореля (Thorel); 5 – межпредсердный пучок Бахмана (Bachman); 6 – априовентикулярный (АВ) узел; 7 – общий ствол пучка Гиса; 8 – левая  ножка пучка Гиса и ее ветви; 9 – правая ножка пучка Гиса;10 – волокна Пуркинье.

4.2. Отведения в электрокардиографии

Отведения в электрокардиографии можно разделить на однополосные и двухполосные, а так же на отведения расположенные, на поверхности тела и внутри (внутрипищеводные, внутрисердечные).

В основе метода ЭКГ лежит регистрации разности потенциалов, возникающих на поверхности человека. Точки, между которыми регистрируется разность потенциалов, носят название  электрокардиографических отведений.  Естественно, различные отведения должны иметь различное положение на теле человека. Разность потенциалов регистрируется с помощью электродов, которые подключены к гальванометру электрокардиографа. Один электрод носит название активный или положительный (он подключается к положительному плюсу гальванометра), а второй – неактивный или отрицательный. В последнее время в клинической практике наиболее часто используются 12 отведений, из которых 6 отведений от конечностей и 6 с поверхности грудной клетки:

• 3 стандартных отведения (от конечностей);
• 3 усиленных однополюсных отведения (от конечностей);
• 6 грудных отведений.

В отведениях от конечностей используются 4 электрода. Между тремя из них регистрируется разность потенциалов, а четвертый (черный) выполняет функцию заземления (он накладывается на правую ногу). Эти электроды имеют стандартную цветовую маркировку и место наложения:

• красный (на правом запястье);
• желтый (на левом запястье);
• черный (на правой голени);
• зеленый (на левой голени).

Стандартные отведения – это первые отведения, которые были применены при регистрации ЭКГ. Они были предложены В.Эйнтховеном [Einthoven] в 1913 году (т.е. спустя 10 лет после разработанного им же первого гальванометра-электрокардиографа). Эти отведения  называются стандартными и маркируются цифрами I, II, III. Стандартные отведения регистрируют разность потенциалов:

• отведение I – между руками (положительным является желтый электрод, расположенный на левой руке);
• отведение II – между правой рукой и левой ногой (положительным является зеленый электрод, расположенный на левой ноге);
• отведение III – между левыми конечностями (положительным  является зеленый электрод, расположенный на левой ноге).

Эйнтховен представлял сердце в виде точечного источника электрического  тока – диполя. Разность потенциалов между электродами регистрируется во фронтальной плоскости. Мысленно соединив отведения, получаем равносторонний треугольник, который был назван в честь В.Эйтховена (рис. 4.1 и 4.2), каждая сторона этого треугольника является осью соответствующего отведения. Если из центра треугольника провести перпендикулярные линии к сторонам треугольника, то каждая сторона будет разделена на две части: положительную и отрицательную. Таким образом, проекция вектора деполяризации сердца на положительную или отрицательную ось соответствующего отведения приводит к появлению положительной или отрицательной составляющей зубца  Р или комплекса QRS. Это же относиться и к процессам реполяризации (т.е. к зубцу Т). Проведя оси трех отведений через центр треугольника, получаем трех осевую систему отведений (рис. 4.3.А), которая облегчает анализ ЭКГ в стандартных отведениях.[1]

Рис. 4.1. Стандартные отведения от конечностей по Эйнтховену ( К – красный электрод; Ж – желтый электрод; Ч – черный  электрод (не регистрирует потенциалы, возникающие в сердце, а выполняет роль заземления); З – зеленый электрод).

Рис.4.2. А – треугольник Эйнтховена и полярность электродов.
Б – треугольник Эйнтховена с перпендикулярами к сторонам треугольника.

Рис.4.3. Трехосевая система двухполюсных отведений от конечностей по Эйнтховену (вариант А) и трехосевая  система однополюсных усиленных отведений от конечностей по Голбергеру (вариант Б).

Усиленные отведения от конечностей – однополюсные отведения, для регистрации  которых используются те же электроды, что и для стандартных отведений. Более того, расположение этих электродов полностью соответствует стандартным отведениям. Активный электрод располагается на одной из конечностей. Он присоединяется к положительному полюсу гальванометра. Другой электрод – т.н. объединенный электрод Голдбергера, который представляет собой  объединение электродов от двух других конечностей и является неактивным.

Обозначение этих отведений:

• “a” – augmented (усиленный);
• “V” – Voltage (потенциал);
• “R” – Right (правый);
• “L” – Left (левый);
• “F” – Foot (нога).

Таким образом, существует три усиленных отведения от конечностей:

• aVR – усиленное отведение от правой руки;
• aVL – усиленное отведение от левой руки;
• aVF – усиленное отведение от ноги.

Из усиленных отведений от конечностей можно составить трехосевую систему по аналогии с трехосевой системой двухполюсных стандартных отведений (рис.4.3.Б).
Шестиосевая система отведений по Бейли. Объединив трехосевую систему двухполюсных отведений от конечностей и трехосевую систему усиленных отведений от конечностей, можно  получить шестиосевую систему, что и сделал Бейли в 1943 году. Представленная система отведений (рис. 4.4.) позволяет визуально более точно определить ЭОС во фронтальной  плоскости. [2]

Рис.4.4. Шести осевая система отведений от конечностей по Бейли.

Грудные отведения по Wilson. Задолго до усиленных отведений от конечностей, предложенных Голдбергером в 1942 году, Уилсон разработал систему грудных отведений. В настоящее время чаще используются 6 грудных отведений. Активный электрод располагается на грудной клетке и подсоединен к положительному полюсу гальванометра.  Индифферентный электрод представляет собой объединение 3 электродов от конечностей. [8] Положение грудных отведений следующее:

• V1 – 4-е межреберье у правого края грудины;
• V2 – 4-е межреберье у левого края грудины;
• V3 – средняя точка линии V2 –  V4;
• V4 – слева 5-е межреберье по среднеключичной линии;
• V5 – пересечение передней подмышечной линии и горизонтальной линии, проведенной от отведения V4 (при вертикальном положение туловища);
• V6 – пересечение средней подмышечной линии и горизонтальной линии, проведенной от отведения V4 (при вертикальном положение туловища);
• V7 – пересечение  задней подмышечной линии и горизонтальной линии, проведенной от отведения V4 (при вертикальном положение туловища);
• V8 – пересечение  лопаточной линии и горизонтальной линии, проведенной от отведения V4 (при вертикальном положение туловища);
• V9 – пересечение околопозвоночной линии и горизонтальной линии, проведенной от отведения V4 (при вертикальном положение туловища).

Иногда, кроме отведения V1 на правой половине грудной клетки, используют и другие отведения, которые обозначаются латинской буквой “R” (right – правый):

• V3R – электрод расположен симметрично V3;
• V4R – электрод расположен симметрично V4;
• V5R – электрод расположен симметрично V5;
• V6R – электрод расположен симметрично V6;

На рисунке 4.5 можно видеть расположение грудных отведений в горизонтальной плоскости.

Рис.4.5. Грудные отведения, расположенные в горизонтальной плоскости:
V1-6 – «классические» грудные отведения; V7-9 – дополнительные отведения, расположенные на левой половине грудной клетки; V3R-6R – дополнительные отведения, расположенные на правой половине грудной клетки.

4.3. Техника регистрации ЭКГ

Техническая погрешность во время регистрации  ЭКГ  во многих случаях сводят на нет все усилия по ее последующему анализу. Качество регистрации ЭКГ зависит от:

• правильного наложения электродов на грудную клетку и конечности;
• надежного контакта электродов с поверхностью тела;
• исправности электрокардиографа;
• заземления электрокардиографа.

Возможность изменить параметры регистрируемой ЭКГ ограничиваются:

• скорость движения ленты во время регистрации ЭКГ;
• выбором амплитуды регистрируемых зубцов и комплексов (осуществляется с помощью выбора амплитуды 1 мВ).[7]

5. Структурная схема, проектируемой электронной системы

 На рисунке 2 представлена  структурная схема одноканального кардиографа на базе, которого будет построена система регистрации ЧСС и ЧДД.  [9]

На структурной схеме используются такие блоки: блок усиления – дифференциальный инструментальный усилитель, с установленным коэффициентом усиления; изолирующий усилитель; блок фильтрации – состоит из трех фильтров: низкочастотного, высокочастотного и режекторного; блок АЦП; блок микроконтроллера.

Рис 2.   Структурная схема электронной системы.

6. Обработка данных, полученных в результате эксперимента.

Для проверки выдвинутой гипотезы был проведен эксперимент, в ходе которого были получены следующие данные:

a

b

с
Рис.3. Результаты снятия кардиограммы лабораторного животного.
а – I отведение, b – II отведение, с – III отведение.

Полученные данные  были подвергнуты быстрому преобразованию Фурье (БПФ), в программном пакете MATLAB 7. Результаты преобразования в виде частотного спектра представлены на рисунке 4. [4]

Рис.4.  Частотный спектр

Проанализировав полученные значения можно выявить несколько закономерностей в частотном спектре. Первая закономерность наблюдается в области частот около 6,5 Гц и кратных ей. Увеличение мощности этих частот связаны с ЧСС. Вторая закономерность, в вышеприведенном спектре менее наглядна, но проведя дополнительный анализ можно выделить еще один частотный диапазон с повышенной мощностью, эта область частот около 1,4 Гц. Сигналы этой частоты связаны с дыхательной деятельностью лабораторного животного. И третья закономерность заключается в наличии в частотном спектре достаточно существенной постоянной составляющей и частот с низкой частотой до 0,5 Гц. В высокочастотной части спектра исходного сигнала в области 50Гц  наблюдается нарушение первой закономерности, которое связано с наличием в цифровом кардиографе режекторного фильтра с частотой подавления 50 Гц.

Для улучшения идентификации частоты дыхания и ЧСС исходный сигнал кардиографа был подвергнут цифровой фильтрации с целью уменьшения влияния постоянной составляющей и частот до 0,5 Гц. Исходный сигнал был обработан с помощью цифрового высокочастотного (ВЧ) фильтра Баттерворта 6 порядка с частотой среза 0,5Гц. Поскольку цифровой фильтр  данного порядка имеет высокую инерционность, то на результирующей осциллограмме (рисунок 5) можно наблюдать зону переходных процессов, которая заканчивается в районе двух секунд.

Рис.5.  I отведение после ВЧ фильтрации

Для дальнейшего частотного анализа необходимо удалить из полученного сигнала промежуток времени от нуля до двух секунд, так как его наличие при частотном анализе приведет к дополнительным ошибкам. Частотный спектр отфильтрованного сигнала, который не включает в себя участок с переходными процессами (рисунок 6), представлен на рисунке 7.

Рис. 6. Участок кардиограммы со второй по седьмую секунды

Рис. 7.  Спектр мощности участка кардиограммы

Рассматривая полученный частотный спектр можно достаточно просто выявить частоты, которые связаны как с ЧСС, так и с частотой дыхания. Проведенные исследования показывают, что используя один канал кардиографа и последующую цифровую обработку полученных данных можно  получить достоверную информацию о ЧСС и частоте дыхания лабораторного животного.  В результате проведенных исследований можно говорить о том, что использование одноканального кардиографа в качестве электронной системы регистрации частоты сердечных сокращений и дыхательной активности у лабораторных животных возможно и рационально, но требует последующей цифровой обработки данных.

 Заключение

В работе сформулированы цель и задачи исследований, которые аргументируются реальными потребностями патофизиологов в данной системе регистрации, которые обусловлены повышением эффективности проведения медицинских исследований. При миниатюризации системы пропадет необходимость в иммобилизации крысы, что увеличит реалистичность картины. Регистрация ЧСС и ЧДД будет осуществляться путем обработки данных ЭКГ, получаемых с помощью миниатюрного кардиографа.

Дальнейшие исследования позволят построить оптимальный алгоритм определения ЧСС и ЧДД из сигнала ЭКГ.

Литература

1. Толстой В.А. 22 лекции по ЭКГ: Учебное пособие. – Донецк: ООО «Лебедь», 2000. – 448 с.
2. Мурашко В.В., Струтынский А.В. Электрокардиография: Учебное пособие – М.: «МЕДпресс», 1999. – 312 с, ил.
3. Рекурсивні цифрові фільтри (розрахунок та синтез структурних схем, розрахунок похибок квантування)/ Геанін В.О., Єрмоленко П.А., Макаренко В.В., Мовчан Т.В., Писаренко Л.Д., Пілінський В.В., Розорінов Г.М., Хотяїнцев С.М. : Навчальний посібник. – Київ: ВПФ УкрІНТЕІ, 2001. – 184с, іл. - Укр.
4. Введение в цифровую фильтрацию/Под ред. Р.Богнера и А.Константиндиса. – М.:Мир, 1976. – 364с.
5. Голд Б., Рейдер У. Цифровая обработка сигналов. – М.: Советское радио, 1979. – 367с.
6. Де Луна А.Б. Руководство по клинической ЭКГ. Пер. с англ. – М.: Медицина, 1993 – 361с.
7. Дощин В.Л. Клинический анализ электрокардиограммы. – М.: Медицина, 1982 – 207с.
8. Теоретические основы электрокардиологии// под ред. Нельсона К.В. и Гезеловица Д.Б.: пер. с англ. – М.: Медицина, 1979. – 470с.
9. Eckart Hartmann. ECG front-end design is simplified with MicroConverter  [Электронный ресурс]: – Режим доступа: http://www.analog.com/library
10. Amirali Shayan Arani. Noninvasive Cardioneural Signal Extraction. [Электронный ресурс]: – Режим доступа: http://roger.ucsd.edu/Amirali
11. Вайсман М.В. Построение алгоритмов и средств испытаний многоканальных цифровых электрокардиографов. [Электронный ресурс]: – Режим доступа: http://ecg.ru/pub
12. Antoniadis A., G. Oppenheim. Wavelets and statistics, Lecture Notes in Statistics 103. – Springer Verlag, 1995.
13. B. Burke Hubbard. The world according to wavelets.  – Wellsley.: AK Peters, 1996.

Примечание

При написании данного реферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

---

N.B.: ДонНТУ * Портал магистров ДонНТУ * Биография * Реферат * Библиотека * Ссылки * Отчет о поиске * Как остановить время ...

Биография

Реферат

Библиотека

Ссылки

Отчет о поиске

Как остановить время ...