ДонНТУ * Портал магистров    

Применение сигма-дельта аналого-цифрового преобразования в многоканальных электрокардиографах
С.Ф.Куриков, Д.А.Прилуцкий, С.В.Селищев

Источник: www.ecg.ru

Введение

Цифровая обработка сигналов(ЦОС) является базовым принципом для разработки функциональной структуры современных многоканальных электрокардиографов. Качество ЦОС в значительной мере определяется качеством аналого-цифрового преобразования(АЦП), которое, в свою очередь, в значительной мере зависит от качества выделения электрокардиографического сигнала. Для выделения электрокардиографического сигнала обычно используют инструментальные усилители и аналоговую фильтрацию.

С развитием технологии производства сверхбольших интегральных схем(СБИС) появилась коммерчески доступная элементная база, реализующая принцип сигма-дельта(S -D )аналого-цифрового преобразования в одной микросхеме. Данные S -D АЦП обладают высоким разрешением (более 12 разрядов),в значительной мере базируются на принципах цифровой фильтрации сигналов, что позволяет снизить требования к аналоговой фильтрации сигналов и вместо инструментальных усилителей использовать усилители постоянного тока. Недавно появились первые сообщения о реализации электрокардиографов на S -D АЦП.

В данной работе для реализации электрокардиографа использовались 22-х разрядные S -D АЦП AD7716 фирмы Analog Devices. Показано, что использование в электрокардиографах S -D АЦП является достаточно полезной альтернативой традиционных АЦП. Более того, S -D АЦП могут быть полезны и для других систем сбора и обработки биомедицинских сигналов, имеющих близкие требования по диапазону частот и динамическому диапазону входных сигналов — энцефалографическим, миографическим, реографическим и т.д.

1. Типовое решение при проектировании цифровых электрокардиографов.

В качестве типового решения примем следующую структурную схему, представленную на рис.1. Схема 12-ти стандартных отведений формируется при помощи входной коммутации перед малошумящими дифференциальными (инструментальными) усилителями, а необходимые вычисления производятся при помощи делителей напряжения на основе прецизионных резисторов.


Рис. 1 Типовая структурная схема цифрового 12-ти канального электрокардиографа.

В этой схеме съем потенциалов осуществляется с правой руки (R), левой руки (L), левой ноги (F) и шести точек от правого края грудины до левой среднеподмышечной линии (С1-С6). На основе снятых потенциалов вычисляются отведения :
основные



усиленные




грудные

При реализации такой схемы, как правило, задействуется и дополнительный электрод на правую ногу (N), который обеспечивает нулевой потенциал для аналогового сигнала. Также через этот электрод на тело пациента можно в противофазе подавать сигнал, полученный от преобразования одного или нескольких входных потенциалов, что по сути является аналогом низкодобротного рекурсивного (адаптивного) фильтра, призванного компенсировать высокоамплитудную синфазную помеху — в первую очередь наводку от электросети (50 или 60 Гц).

Соответствующими документом ГОСТа [7] определено, что у входного электрокардиографического сигнала при полном размахе 5 мВ от пика до пика допустимо наличие постоянной составляющей до 300 мВ. В первую очередь это требование объясняется необходимостью компенсации межэлектродных потенциалов, возникающих в местах подсоединения электродов. Здесь следует отметить,что у современных AgCl электродов межэлектродный потенциал составляет единицы милливольт [15].

Необходимый диапазон частот для электрокардиографа должен составлять, как минимум, полосу от 0.05 до 120 Гц (по уровню -3 dB). Причем, если к верхнему диапазону частот нет четко обоснованных требований — в разных источниках называются значения от 100 до 250 Гц, то со значением нижней частоты пропускания связываются диагностически значимые ЭКГ критерии. Так при постоянной времени менее 3.2 секунды, что соответствует 0.05 Гц, на электрокардиограмме наблюдаются искажения низкочастотного S-T интервала, приводящие к неверной диагностике изменений миокарда, вплоть до ошибочного заключения об инфарктных состояний [1,2]. С другой стороны, при некоторых исследованиях, например нагрузочных пробах, осознанно выбирается меньшая постоянная времени для лучшего удержания изолинии [4]. Для подавления помех, связанных с электромиографическими сигналами, желателен атреморный фильтр низкой частоты (ФНЧ), ограничивающий диапазон входного сигнала до 60-70 Гц, а для борьбы с сетевой помехой режекторный фильтр на 50 Гц (60 Гц) [9]. В итоге электрокардиограф должен иметь переключаемый фильтр верхних частот (ФВЧ) с наибольшей постоянной времени не менее 3.2 секунды, фильтр сетевой наводки и совмещенный с ним или реализованный отдельно переключаемый ФНЧ.

Частота дискретизации должна быть более чем в два раза выше верхней полосы пропускания. Как правило, применяют частоту дискретизации в 500 Гц, рекомендованную Американской Ассоциацией Электрокардиологов [16,17]. Разрешение по амплитуде у современных приборов должно составлять не менее 5 мкВ. Высокое амплитудное разрешение необходимо для некоторых видов обработки кардиокривых (например, ЭКГ высокого разрешения [18]), а так же для высококачественного представления электрокардиограммы на экране или в твердой копии.

Для задания различных постоянных времени сигнала применяют переключаемый ФВЧ. Необходимую крутизну спада АЧХ в области верхних частот формируют при помощи ФНЧ как минимум второго порядка — теоретически на частоте равной половине от частоты дискретизации сигнал не должен превышать уровень, соответствующий младшему значащему разряду АЦП — в противном случае произойдет эффект наложения спектров [12]. Аналоговый тракт должен обеспечить общий коэффициент усиления порядка 1000. Таким образом, 12-ти канальная система должна состоять из 12 трактов усиления, как минимум по три активных элементов в каждом, 12-ти канальном мультиплексоре и 12-ти (совпадение) разрядном АЦП за которым следует цифровой сигнальный процессор (DSP), микроконтроллер или компьютер [20, 22].

Существует метод снижения аппаратных затрат, в котором электрокардиограф для синхронного съема 12-ти стандартных отведений строится по восьмиканальной схеме. Основываясь на том, что из 12 отведений только 8 линейно независимые [13], из схемы, представленной на Рис.1, исключают 4 канала, что в полтора раза уменьшает количество аналоговых трактов, а так же позволяет использовать широкораспространенные восьмиканальные мультиплексоры или АЦП со встроенными мультиплексорами. Например, исключают аппаратные отведения III, aVR, aVL, aVF.

2. Электрокардиограф на основе S-D АЦП.

Микросхема AD7716 фирмы Analog Devices — четырехканальный параллельный 22-х разрядный S-D АЦП со встроенным цифровым ФНЧ, выполнен по LC2MOS технологии, напряжением питания ±5 В и типовой мощностью потребления 35 мВт. Рекомендован фирмой-разработчиком для применения в разнообразных системах, в том числе и в биомедицинских системах [21,20].

Функциональная схема одного из четырех каналов AD7716 приведена на Рис.2. Основу этого АЦП составляет входной модулятор, который работает следующим образом: выход интегратора определяет ошибку, которую необходимо скомпенсировать с помощью обратной связи, что реализуется цепочкой из компаратора (1-битный АЦП), 1-битного ЦАПа и схемы вычитания (делитель на входе интегратора). Эта операция циклически повторяется, а отбор битов, как результатов преобразования, происходит между компаратором и ЦАПом.


Рис. 2 Типовая схема одного канала S-D АЦП.

По Найквисту [12], частота дискретизации должна быть в два раза больше верхней граничной частоты аналогового сигнала. В S -D АЦП частота дискретизации во много раз больше удвоенной верхней граничной частоты аналогового сигнала, что позволяет увеличить число значащих разрядов АЦП и улучшить шумовые характеристики преобразования.

После модулятора в AD7716 установлен цифровой фильтр НЧ, который определяет верхнюю граничную частоту входного аналогового сигнала. АЧХ фильтра представлена на Рис.3.


Частота - Гц
Рис. 3 Амплитудно-частотная характеристика цифрового фильтра АД7716 при частоте выдачи отсчетов 500Гц.

3. Выводы

В Московском институте электронной техники с использованием описанного подхода разработан компьютерный электрокардиограф для работы по системе 12 стандартных отведений, а так же по Небу и Франку. Конструктивно он выполнен в разветвителе кабеля отведений размером 100x65x25. Разветвитель соединяется с вычислительным блоком посредством высокопрочного 4-х жильного витого кабеля до 15 метров длиной. Предназначен для подключения к персональному компьютеру PC AT с шиной ISA через плату адаптера или к мобильным системам через карту PCMCIA (тип II)[28]. Использование аппаратной буферизации обеспечивает надежную работу электрокардиографа как в DOS, так под многозадачными средами типа Windows 3.1 / Windows 95. Потребляемая мощность порядка 0.4 Вт. Встроены защита от дефибриллятора и система определения подсоединенных электродов. Обеспечена гальваническая развязка пациента от вычислительного блока (класс электробезопасности II CF). Входное сопротивление не менее 100 МОм. Рабочий диапазон частот сигнала 0-146 Гц (по уровню -3 дБ), программные ФВЧ от 0.02 до 1 Гц, режекторный фильтр на 50 Гц. Разрешение по амплитуде порядка 1.2 мкВ при диапазоне ± 10мВ. Коэффициент подавления синфазных сигналов не менее 100 дБ. Программное обеспечение (сертификат МЗМП РФ №185 от 12.01.96) для мониторинга, автоматического измерения ЭКГ и постановки заключений, длительного автоматического контроля ЭКГ, ЭКГ высокого разрешения, работы с базами данных электрокардиограмм.

Литература

  1. Водолазский Л.А. Основы техники клинической электрографии. - М.: Медицина, 1966 - 270 с.
  2. Вычислительные системы и автоматическая диагностика заболеваний сердца./ Под.ред. Ц. Карераса и Л.Дрейфуса - М.: Мир, 1974 - 504 с.
  3. Использование некоторых систем отведений ЭКГ и ВКГ в кардиологической дифференциальной диагностике. Методические рекомендации. - М.: Министерство здравоохранения СССР, 1984 — 28 с.
  4. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ: Учеб. пособие для вузов./ Под ред. А.Л. Барановского и А.П. Немирко. - М.: Радио и связь, 1993 - 248 с.
  5. Куриков С.Ф., Прилуцкий Д.А., Селищев С.В. Технология S -D преобразования в многоканальных электрокардиографах, Тезисы докладов Международной конференции БИОМЕДПРИБОР-96,Москва,ВНИИМП РАМН,1996,с.26-27.
  6. Методы автоматического анализа электрокардиограмм / Обзорная информация. Промышленность медицинской техники. - М.: Центральное бюро научно-технической информации Министерства медицинской и медикобиологической промышленности, 1986 - 32 с.
  7. Приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца. Общие технические требования и методы испытаний. ГОСТ 19687-94 — М.: Издательство стандартов, 1994 — 19 с.
  8. Применение радиоэлектронных приборов в биологии и медицине. / Под.ред. Р.Е.Кавецкого. - Киев: Навукова дума. 1976 - 375 с.
  9. Сантопетро Р.Ф. Происхождение и характеристики основного сигнала, шума и наводки в высокочастотной электрокардиограмме. - ТИИЭР, 1977, Т.65, N5, С. 137-145.
  10. Теоретические основы электрокардиологии./ Под.ред. К.В.Нельсона, Д.В.Гезеловица: - М. Медицина, 1979 - 470 с.
  11. Титомир. Автоматический анализ электромагнитного поля сердца. - М.: Наука, 1984 - 175 с.
  12. Цифровая обработка сигналов. Справочник. / Гольденберг Л.М. и др. - М.: Радио и связь, 1985 - 312 с.
  13. Шакин В.В. Вычислительная электрокардиография. - М.: Наука, 1981. - 166 с.
  14. Электроды для съема биоэлектрических потенциалов. Общие технические требования и методы испытаний. ГОСТ 25995-86 — М.: Издательство стандартов, 1986 — 25 с.
  15. Электроды неполяризующиеся на основе системы хлор-серебро. ТУ БИТС 943 112 005. - Львов: НТК РЭМА, 1994 — 40 с.
  16. AAMI Standards and Recommended Practices, Biomedical Equipment. AAMI. Arlington, Virg.— 1993. Vol 2, 4th ed,- 230 p.
  17. Bailey J.J., Berson A.S., Garson A., et al. Recommendation for standartization and specification in automated electrocardiography: bandwidth and digital signal processing: A report for health professionals by an ad hos writing group of the commitee on electrocardiography and cardiac electrophysiology of the Council on Clinical Cardiology, - American Heart Association.- 1990, Circulation Vol.81 - 730 p.
  18. Berbari EJ. High-resolution electrocardiography.- CRC Crit Rev Bioeng., Boca Raton, Florida - 1988, Vol.16 - 67 p.
  19. Cohen A. Biomedical Signals: Origin and Dynamic Characteristic; Frequency-Domain Analysis. In The Biomedical Engineering Handbook, Editor-in-Chief J.D.Bronzino, CRC and IEEE Press, Boca Raton, Florida - 1995,pp.805-827.
  20. Curtin M. Sigma-Delta techniques reduce hardware count and power consumption in biomedical analog front end, Analog Dialogue Journal,1994,vol.28,N 2,pp.6-8.
  21. Design-In Reference Manual. Data Convertes. - Analog Devices, Inc., Norwood, USA - 1996.
  22. McKee J.J., Evans N.E. and Wallace D. Sigma-Delta analogue-to-digital converters for ECG signal acquisition, in CD-ROM Proceeding of 18th Annual International Conference of the IEEE EMBS, Amsterdam, 1996.
  23. Medical Instrumentation. Application and Design. / editor Webster J.G. - Boston, Houghton Mifflin - 1992.-790 p.
  24. Nagel J.H. Biopotential amplifiers, in The Biomedical Engineering Handbook, Editor-in-Chief J.D.Bronzino, CRC and IEEE Press, Boca Raton, Florida - 1995,pp.1185-1195.
  25. Neuman M.R. Biopotential Electrodes, in The Biomedical Engineering Handbook, Editor-in-Chief J.D.Bronzino, CRC and IEEE Press, Boca Raton, Florida - 1995,pp.745-757.
  26. New Product Application. - Analog Devices, Inc., Norwood, USA --- 1996, pp.3-84 — 3-87.
  27. Park Sangil, Principles of Sigma-Delta Modulation for Analog-to-Digital Converters. In The Communications Applications Manual.- Motorola Inc., Phoenix, Arizona - 1993, Vol. DL411D/REV1, p.293-350.
  28. The PCMCIA Developer’s Guide.-Sycard Technology, Sunnyvale, California - 1994.- 203 p.
N.B.: ДонНТУ * Портал магистров ДонНТУ * Биография * Реферат * Библиотека * Ссылки * Отчет о поиске * Как остановить время ...