Плотников Алексей Васильевич.Московский Институт Электронной Техники, Москва, Зеленоград
Источник: www.ecg.ru/...
Актуальность темы.
В 1957 году Норман Холтер впервые предложил новую методику регистрации ЭКГ, которая затем стала называться суточным (амбулаторным, холтеровским) мониторированием. Переход, в конце 70-х годов, с аналоговой записи на магнитную ленту к цифровой записи обозначил новый этап в развитии суточных мониторов ЭКГ (СМ ЭКГ). За прошедшие годы приборы СМ ЭКГ были значительно усовершенствованы: улучшено качество записи, уменьшены габариты приборов, увеличено время регистрации и число каналов.
Цифровая обработка сигналов (ЦОС) является фундаментальным принципом при разработке современной техники СМ ЭКГ. Цифровая регистрация, цифровая фильтрация и цифровая запись позволяет получать интеллектуальные приборы с новыми эксплуатационными характеристиками. Качество регистрации и ЦОС в значительной мере определяется типом аналого-цифрового преобразования (АЦП). Цифровое хранение информации в энергонезависимой твердотельной памяти является предпочтительным для последующего компьютерного анализа суточных записей на компьютере. С развитием технологии производства сверхбольших интегральных схем появилась элементная база для построения качественно нового поколения приборов СМ ЭКГ.
Цель работы.
Целью работы являлась разработка современного миниатюрного суточного монитора ЭКГ на основе ЦОС и современной элементной базе микроэлектроники.
Основные задачи исследования:
-
Разработка миниатюрного СМ ЭКГ на основе современных интегральных технологий: сигма–дельта АЦП, высокопроизводительных микроконтроллеров с малым потреблением и энергонезависимой твердотельной памяти большой емкости.
-
Разработка адаптера к ПК для высокоскоростной связи с СМ ЭКГ на основе универсального последовательного интерфейса (USB).
-
Разработка прикладного программного обеспечения (ПО) для анализа вариабельности сердечного ритма (ВСР) суточной электрокардиограммы с применением волнового (wavelet ) преобразования.
Разработка ПО для использования в рамках стандарта SCP–ECG при обмене суточными записями ЭКГ.
Научная новизна
Впервые разработан миниатюрный малопотреблющий СМ ЭКГ, в котором применены: усилители постоянного тока, сигма–дельта АЦП, твердотельная энергонезависимая память, RISC микроконтроллер, питание от одного гальванического элемента.
- Впервые в России применен интерфейс USB для подключения СМ ЭКГ к персональному компьютеру.
- Разработан алгоритм сжатия ЭКГ (с постоянной составляющей) без потерь информации для СМ ЭКГ.
- При анализе ВСР суточной электрокардиограммы использовано волновое преобразование.
- Применен стандарт SCP-ECG для обмена записями СМ ЭКГ между программными системами.
Практическая значимость работы:
Разработан миниатюрный цифровой СМ ЭКГ “АннА” (Рис. 1) с новыми техническими и эксплуатационными свойствами, а также адаптеры к USB и последовательным портам.
Создано ПО для работы с СМ ЭКГ “АннА” в ОС Windows 98 и Windows 2000: USB драйвер, библиотека прикладного программиста и тестовые программы.
Изготовлена опытная партия СМ ЭКГ “АннА”, для проведения клинических испытаний.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность применения суточных мониторов ЭКГ, сформулирована цель работы и приведены основные результаты.
Первая главасодержит сведения о современном суточном мониторе ЭКГ. Приведены основные требования к СМ ЭКГ на основании обзора отечественных и зарубежных данных, а также типовые характеристики выпускаемых СМ ЭКГ. В руководстве ACC/AHA (American College of Cardiology and
American Heart Association ) для СМ ЭКГ приводятся следующие требования: длительность регистрации не менее 24 часов, 2 или 3 канала ЭКГ, частотный диапазон не менее 0,5–40 Гц, частота дискретизации 125 Гц и выше, разрешающая способность 5-20 мкВ. Описаны основные возможности комплекса суточного мониторирования ЭКГ, что важно для интерпретации технических требований к СМ ЭКГ. Обобщенная структурная схема аналоговой части типового СМ ЭКГ представлена на рис. 2.
Вторая глава посвящена особенностям применения сигма–дельта АЦП, твердотельной энергонезависимой памяти, RISC микроконтроллеров и сжатия информации в СМ ЭКГ.
Применение современных интегральных технологий позволяет строить принципиально новую схемотехнику СМ ЭКГ, обладающих целым рядом преимуществ перед обычными приборами. Качество регистрации и ЦОС в значительной мере определяется типом АЦП. Наиболее предпочтительны для ЭКГ исследований ставшие доступными с развитием технологии производства сверхбольших интегральных схем сигма–дельта АЦП. Рассмотрены преимущества сигма–дельта АЦП перед другими типами преобразований аналогового сигнала в цифровой код. Ключевыми моментами сигма-дельта преобразователей являются передискретизация, процесс шумопреобразования в сигма–дельта модуляторе, цифровая фильтрация и децимация.
Представлена структурная схема построения аналоговой части СМ ЭКГ на основе сигма–дельта АЦП AD 7714 (Рис. 3) фирмы Analog Devices (США). Два полностью идентичных канала состоят только из АЦП AD 7714, которое включает в себя: дифференциальных усилитель с программируемым коэффициентом усиления, сигма–дельта модулятор с уравновешиваем заряда и цифровой фильтр нижних частот. АЦП AD 7714 обеспечивает построение аналоговой части СМ ЭКГ с минимум внешних элементов.
Третья главапосвящена описанию устройства миниатюрного цифрового суточного монитора ЭКГ “АннА”, и адаптера к ПК для высокоскоростной связи на основе универсального последовательного интерфейса (USB).
Основные характеристики прибора:
Длительность регистрации 24 часа, 2 канала ЭКГ.
Частотный диапазон 0–40 Гц, частота дискретизации 150 Гц.
Входной диапазон +150 мВ, разрешающая способность 10 мкВ.
Входное сопротивление 90 МОм, подавление синфазной наводки 100 дБ.
Флэш-память объемом 16Мбайт, сжатия ЭКГ без потерь.
Энергонезависимые часы реального времени.
Возможно мониторироание ЭКГ на компьютере.
Потребление прибора 20 мВт.
Габариты прибора 70х55х19 мм, вес 75 г (с элементом питания).
Четвертая глава описывает разработанное прикладное программное обеспечение, применяемое при анализе и хранении суточных записей ЭКГ.
Вариабельность сердечного ритма (ВСР) — это изменчивость R-R интервалов последовательных циклов сердечных сокращений. В настоящее время определение ВСР признано наиболее информативным неинвазивным методом количественной оценки вегетативной регуляции сердечного ритма. Показаниями к проведению суточного мониторирования ЭКГ для анализа ВСР являются: жалобы связанные с нарушениями ритма сердца, оценка риска появления опасных для жизни аритмий при некоторых заболевания, оценка эффективности антиаритмического лечения или работы электрокардиостимулятора. По рекомендациям стандарта ВСР Европейского общества кардиологии и Североамериканского общества кардиостимуляции создано ПО анализа ВСР по суточным записям СМ ЭКГ “АннА”, также данное ПО вошло в состав электрокардиографического комплекса КАРД.
Волновое преобразование (wavelet) – новый перспективный метод цифрой обработки сигналов. Выделяют 2 типа: избыточное непрерывное и дискретно ортогональное волновое преобразование. Первый тип используется для исследования вариабельности сердечного ритма, ЭКГ высокого разрешения, выделение QRS комплекса, второй тип – для сжатия ЭКГ.
Выводы.
Типовая схема построения СМ ЭКГ имеет ряд технических ограничений, отражающихся на потребительских свойствах: крупногабаритные конденсаторы с малыми токами утечки в ФВЧ, дополнительный каскад усиления (в несколько сот раз) вносящий дополнительные шумы, ФНЧ высокого порядка для ограничения спектра аналогового сигнала, схемы выборки–хранения и мультиплексор перед входом 8-12-ти разрядного АЦП, вносящие дополнительные нелинейные искажения в выходной цифровой код.
Применение усилителей постоянного тока, сигма–дельта АЦП, высокопроизводительных микроконтроллеров, твердотельной энергонезависимой памяти и сжатия ЭКГ с постоянной составляющей улучшает технические и потребительские свойства систем СМ ЭКГ.
Разработанный СМ ЭКГ “АннА” имеет следующие технические характеристики: 2 канала ЭКГ, частотный диапазон 0–40 Гц, частота дискретизации 150 Гц, входной диапазон +150 мВ, разрешающая способность 5 мкВ, входное сопротивление 90 МОм, подавление синфазной наводки 100 дБ, длительность регистрации 24 часа, габариты прибора 70х55х19 мм, вес 75 г (с элементом питания).
Для подключения современного цифрового СМ ЭКГ к персональному компьютеру целесообразно разрабатывать специальный адаптер с интерфейсом к шине USB , что позволяет обеспечить передачу суточной записи на ПК за 3-5 минут.
Для анализа ВСР эффективно применять волновое преобразование, обеспечивающее высокое разрешение одновременно по времени и частоте. При его использовании достигается высокая наглядность и чувствительность в распознавании нарушений сердечного ритма.