Пічка Тетяна Володимирівна

Факультет комп’ютерних інформаційних технологій та автоматики

Кафедра Електронної техніки

Спеціальність: Електронні системи

Науковий керівник: Кочин Олександр Євгенович

Тема випускної роботи:

Обґрунтування та дослідження структури електронної системи реєстрації серцевої діяльності невеликих лабораторних тварин.

Реферат за темою магістерської роботи:

Обґрунтування та дослідження структури електронної системи реєстрації серцевої діяльності невеликих лабораторних тварин.

1. Актуальність теми:

     В наш час основною для дослідження фізіологічних процесів, як у тварин, так і у людей є експериментальні дослідження. На практиці таких досліджень найбільше поширення в якості лабораторних тварин отримали лабораторні щури, метаболічні та функціональні процеси яких найбільш схожі з процесами, які проходять в організмі людини. Також ці тварини отримали широке застосування в лабораторних дослідженнях, завдяки тому, що вони мають маленький розмір, не вибагливі до харчування і утримання, й також у них досить висока швидкість відтворення потомства. Щурів використовують в якості моделі організму для аналізу ряду важливих медико-біологічних показників, наприклад, серцево-судинних захворювань, порушень обміну речовин, неврологічних розладів та інші.

У процесі патофізіологічних досліджень, в яких використовуються лабораторні тварини, вимірюється широкий спектр параметрів їх життєдіяльності (таких як стан серцево-судинної системи, стан дихальної та нервової систем та ін.) В якості інтегральних параметрів життєдіяльності найбільш доцільно використовувати частоту серцевих скорочень (ЧСС) і частоту дихальної діяльності (ЧДД). Дихальна і серцево-судинна системи нашого організму є найбільш важливими системами, також вони працюють у тісному взаємозв'язку одна з одною. Виходячи з цього, комплексне дослідження організму має включати в себе паралельний моніторинг ЧСС і ЧДД. Визначення цих двох параметрів необхідно для побудови експериментальної моделі фізіологічної поведінки лабораторної тварини, що можливо лише при знятті параметрів паралельно, так щоб можна було виявити їх взаємозв'язок. Для проведення паралельного моніторингу ЧСС і ЧДД найбільш доцільно виділити один параметр, наприклад, електрокардіограму, при подальшому аналізі якого можна отримати необхідні характеристики і їх взаємозв’язок.

2. Мета та задачі роботи:

Метою магістерської роботи я розробка та обґрунтування електронної системи реєстрації ЧСС і ЧДД невеликих лабораторних тварин, яка надасть можливість проведення паралельного моніторингу, що відповідних систем, без необхідності іммобілізації лабораторної тварини, що в свою чергу дасть можливість підвищити ефективність патофізіологічних досліджень.

Основними завданнями магістерської роботи є:

• аналіз загальних методів проведення патофізіологічних експериментів;
• визначення комплексного параметру, за допомогою якого буде можливо здійснювати паралельний моніторинг ЧСС і ЧДД;
• аналіз методів зняття електрокардіограми і параметрів, які впливають на якість реєстрації ЕКГ;
• аналіз електрокардіограми з метою виявлення характеристик, що дозволяють визначити ЧСС і ЧДД;
• виділення даних, що сприяють, отриманню достовірних даних про серцеву та дихальну діяльності;
• синтез електронної системи реєстрації ЧДД і ЧСС, що ґрунтується на мініатюрному електрокардіографі;
• апробація електронної системи.

3. Наукова новизна

Новизна даної роботи полягає в тому, щоб визначити комплексний параметр, подальший аналіз якого приведе нас до отримання повної інформації про ЧСС і ЧДД, що в свою чергу має практичну значимість при побудові експериментальної моделі фізіологічної поведінки лабораторної тварини. В якості комплексного параметра була обрана електрокардіограма, для зняття якої розроблена електронна система на основі мініатюрного одно канального електрокардіографа. Мініатюризація системи дозволить позбутися від необхідності іммобілізації тварини, що поліпшити результати досліджень, так як при іммобілізації щура в організм вводять наркотичні речовини, до яких тварина не може адоптуватися, в той час як вона легко може адаптуватися до додаткової ваги або інших незначних фізичних впливів.

4. Вибір методу

    У процесі патофізіологічних досліджень, в яких використовуються лабораторні тварини, вимірюється широкий спектр параметрів їх життєдіяльності (таких як стан серцево-судинної системи, стан дихальної та нервової систем та ін.) В якості інтегральних параметрів життєдіяльності найбільш доцільно використовувати частоту серцевих скорочень (ЧСС) і частоту дихальної діяльності (ЧДД). Дихальна і серцево-судинна системи нашого організму є найбільш важливими системами, також вони працюють у тісному взаємозв'язку одна з одною. Виходячи з цього, комплексне дослідження організму має включати в себе паралельний моніторинг ЧСС і ЧДД. Визначення цих двох параметрів необхідно для побудови експериментальної моделі фізіологічної поведінки лабораторної тварини, що можливо лише при знятті параметрів паралельно, так щоб можна було виявити їх взаємозв'язок. Для проведення паралельного моніторингу ЧСС і ЧДД найбільш доцільно виділити один параметр, наприклад, електрокардіограму, при подальшому аналізі якого можна отримати необхідні характеристики і їх взаємозв’язок.

4.1. Анатомія провідної системи серця.

Рисунок 1. Схема провідної системи серця.
1 – синоатріальний вузол; 2 – тракт передній міжвузловий  Бахмана (Bachman); 3 – тракт средній міжвузловий  Венкенбаха (Wenckebach); 4 – тракт задній міжвузловий  Тореля (Thorel); 5 – міжпредсердний пучок Бахмана (Bachman); 6 – апріовентікулярний (АВ) вузол;7 – загальний стовбур пучка Гіса;8 – ліва  ніжка пучка Гіса та її гілки;9 – правая ніжка пучка Гіса; 10 – волокна Пуркіньє.

4.2. Відведення в електрокардіографії

Відведення в електрокардіографії можна розділити на однополюсні і двополюсні, а також на відведення розташовані на поверхні тіла і всередині.

В основі методу ЕКГ лежить реєстрація різниці потенціалів, що виникають на поверхні людини. Точки, між якими реєструється різниця потенціалів, носять назву електрокардіографічних відведень. Різні відведення повинні мати різне місце на тілі людини. Різниця потенціалів реєструється за допомогою електродів, які підключені до гальванометра електрокардіографа. Один електрод носить назву активний або позитивний (він підключається до позитивного плюса гальванометра), а другий - неактивний або негативний. Останнім часом в клінічній практиці найбільш часто використовуються 12 відведень, з яких 6 відведень від кінцівок і 6 з поверхні грудної клітки:

• 3 стандартних відведення (від кінцівок);
• 3 посилених однополюсний відведення (від кінцівок);
• 6 грудних відведень.

У відведеннях від кінцівок використовуються 4 електрода. Між трьома з них реєструється різниця потенціалів, а четвертий (чорний) виконує функцію заземлення (він накладається на праву ногу). Ці електроди мають стандартну колірне маркування і місце накладення:

• червоний (на правому зап'ясті);
• жовтий (на лівому зап'ясті);
• чорний (на правій гомілці);
• зелений (на лівої гомілки).

Стандартні відведення – це перші відведення, які були застосовані при реєстрації ЕКГ. Вони були запропоновані В. Ейнтховеном [Einthoven] в 1913 році (через 10 років після розробленого ним же першого гальванометра-електрокардіографа). Ці відведення називаються стандартними і маркуються цифрами I, II, III. Стандартні відведення реєструють різницю потенціалів:

• відведення I - між руками (позитивним є жовтий електрод, розташований на лівій руці);
• відведення II - між правою рукою і лівою ногою (позитивним є зелений електрод, розташований на лівій нозі);
• відведення III - між лівими кінцівками (позитивним є зелений електрод, розташований на лівій нозі).

Ейнтховен представляв серце у вигляді точкового джерела електричного струму – диполю. Різниця потенціалів між електродами реєструється у фронтальній площині. Подумки з'єднавши відведення, отримуємо рівносторонній трикутник, який був названий на честь В. Ейтховена (рис. 4.1 та 4.2), кожна сторона цього трикутника є віссю відповідного відведення. Якщо з центру трикутника провести перпендикулярні лінії до сторін трикутника, то кожна сторона буде розділена на дві частини: позитивну і негативну. Таким чином, проекція вектора деполяризації серця на позитивну або негативну вісь відповідного відведення призводить до появи позитивної або негативної складової зубця Р або комплексу QRS. Це ж відноситься і до процесів реполяризації (до зубця Т). Провівши осі трьох відведень через центр трикутника, отримуємо трьох осьову систему відведень (рис. 4.3.А), яка полегшує аналіз ЕКГ в стандартних відведеннях. [1]

Рис. 4.1. Стандартні відведення від кінцівок по Ейнтховену (К - червоний електрод; Ж - жовтий електрод; Ч - чорний електрод (не реєструє потенціали що виникають у серці, а виконує роль заземлення); З - зелений електрод)

Рис.4.2. А - трикутник Ейнтховена і полярність електродів.
Б - трикутник Ейнтховена з перпендикулярами до сторін трикутника.

Рис.4.3. Трьох осева система двополюсних відведень від кінцівок по Ейнтховену (варіант А) і трьох осева система однополюсних посилених відведень від кінцівок по Голбергеру (варіант Б).

Посилені відведення від кінцівок – однополюсні відведення, для реєстрації яких використовуються ті ж електроди, що і для стандартних відведень. Більш того, розташування цих електродів повністю відповідає стандартним відведення. Активний електрод розташовується на одній з кінцівок. Він приєднується до позитивного полюса гальванометра. Інший електрод – об'єднаний електрод Голдбергера, який є об'єднання електродів від двох інших кінцівок і є неактивним. Позначення цих відведень:

Позначення цих відведень:

• a - augmented (посилений);
•  V - Voltage (потенціал);
•  R - Right (правий);
•  L - Left (лівий);
•  F - Foot (нога).

Таким чином, існує три посилених відведення від кінцівок:

• aVR - посилене відведення від правої руки;
•  aVL - посилене відведення від лівої руки;
•  aVF - посилене відведення від ноги.

З посилених відведень від кінцівок можна скласти трьох осеву систему за аналогією з трьох осьовою системою двополюсних стандартних відведень (рис.4.3.Б).

4.3. Техніка реєстрації ЕКГ

Технічна помилка під час реєстрації ЕКГ у багатьох випадках зводить нінащо всі зусилля по подальшому аналізу ЕКГ. Якість реєстрації ЕКГ залежить від:

• правильного накладення електродів на грудну клітку і кінцівки;
• надійного контакту електродів з поверхнею тіла;
• справності електрокардіографа;
• заземлення електрокардіографа.

Можливість змінити параметри реєстрованої ЕКГ обмежуються:

• швидкість руху стрічки під час реєстрації ЕКГ;
• вибором амплітуди реєстрованих зубців і комплексів (здійснюється за допомогою вибору амплітуди 1 мВ). [7]

5. Структурна схема

 На рисунку 2 представлена структурна схема одно канального кардіографа на базі, якого буде побудована система реєстрації ЧСС і ЧДД. [9]

На структурній схемі використовуються такі блоки: блок підсилення – диференційний інструментальний підсилювач, зі встановленим коефіцієнтом підсилення; ізолюючий підсилювач; блок фільтрації – складається з трьох фільтрів: низькочастотного, високочастотного та режекторного; блок АЦП; блок мікроконтролера.

Рис 2.   Структурна схема електронної системи.

6. Обробка даних.

Для перевірки висунутої гіпотези був проведений експеримент, в ході якого були отримані наступні дані:

a

b

с
Рис.3. Результаты зняття кардіограми лабораторної тварини.
а – I відведення, b – II відведення, с – III відведення.

Отримані дані були піддані швидкому перетворенню Фур'є (ШПФ), у програмному пакеті MATLAB 7. Результати перетворення у вигляді частотного спектру представлені на рисунку 4.[4]

Рис.4.  Частотний спектр

Проаналізувавши отримані значення можна виявити кілька закономірностей у частотному спектрі. Перша закономірність спостерігається в області частот близько 6,5 Гц і кратних їй. Збільшення потужності цих частот пов'язані з ЧСС. Друга закономірність, в наведеному вище спектрі менш наглядна, але провівши додатковий аналіз можна виділити ще один частотний діапазон з підвищеною потужністю, ця область частот близько 1,4 Гц. Сигнали цієї частоти пов'язані з дихальною діяльністю лабораторного тварини. І третя закономірність полягає в наявності в частотному спектрі досить суттєвої постійної складової і частот з низькою частотою до 0,5 Гц. У високочастотної частині спектру вихідного сигналу в області 50Гц спостерігається порушення першої закономірності, яке пов'язане з наявністю в цифровому кардіограф інжективного фільтру з частотою заглушення 50 Гц.

Для покращення ідентифікації ЧДД і ЧСС вихідний сигнал кардіографа був підданий цифрової фільтрації з метою зменшення впливу постійної складової і частот до 0,5 Гц. Вихідний сигнал був оброблений за допомогою цифрового високочастотного (ВЧ) фільтра Баттерворта 6 порядку з частотою зрізу 0,5Гц. Оскільки цифровий фільтр цього порядку має високу інерційність, то на результуючої осцилограм (рисунок 5) можна спостерігати зону перехідних процесів, яка закінчується в районі двох секунд.

Рис.5.  I відведення після ВЧ фільтрації

Для подальшого частотного аналізу необхідно видалити з отриманого сигналу проміжок часу від нуля до двох секунд. Так як його наявність при частотному аналізі призведе до додаткових помилок. Частотний спектр відфільтрованого сигналу, що не включає в себе ділянку з перехідними процесами (рисунок 6), представлений на рисунку 7.

Рис. 6. Ділянка кардіограми з другої по сьому секунди

Рис. 7. Спектр потужності

Розглядаючи отриманий частотний спектр можна досить просто виявити частоти, які пов'язані як з ЧСС, так і з ЧДД. Проведені дослідження показують, що використовуючи один канал кардіографа і наступну цифрову обробку отриманих даних можна отримати достовірну інформацію про ЧСС і частоті дихання лабораторної тварини. У результаті проведених досліджень можна говорити про те, що використання одно канального кардіографа в якості електронної системи реєстрації частоти серцевих скорочень і дихальної активності у лабораторних тварин можливо та раціонально, але вимагає подальшої цифрової обробки даних.

 Висновок

У роботі сформульовані мета і задачі досліджень, які аргументуються реальними потребами патофізіологів в даній системі реєстрації, які зумовлені підвищенням ефективності проведення медичних досліджень.  При мініатюризації системи пропаде необхідність у іммобілізації щура, що збільшить реалістичність картини. Реєстрація ЧСС і ЧДД буде здійснюватися шляхом обробки даних ЕКГ, одержуваних за допомогою мініатюрного кардіографа.

Подальші дослідження дозволять побудувати оптимальний алгоритм визначення ЧСС і ЧДД з сигналу ЕКГ.

Література

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.

Примітка

При написанні данного реферату кваліфікаційнна робота магістра ще не завершена. Дата остаточного завершения роботы: 1 грудня 2010 р. Повний текст роботи й матеріали по темі роботи можуть бути отримані в автора або його наукового керівника після зазначеної дати.

---

N.B.: ДонНТУ * Портал магістрів ДонНТУ * Біографія * Реферат

Біографія

Реферат