Кабашнюк Виктория Юрьевна
Факультет: Компьютерных информационных технологий и автоматики (КИТА)
Кафедра: Электронной техники
Специальность: Научные аналитические и экологические приборы и системы
Научный руководитель: Кузнецов Дмитрий Николаевич
Реферат на тему: "Обоснование методов и разработка средств мониторинга ЭКГ человека"
Объект исследований
Объектом исследований моей магистерской работы является портативный 12-канальный электрокардиограф - прибор, с помощью которого можно регистрировать электрические потенциалы, возникающие в результате работы сердца, и переносить их на бумагу или на дисплей компьютера в виде графика - кардиограммы.
Цели и задачи
Разработать портативный, недорогой 12-канальный ЭКГ на современной элементной базе с одновременным снятием 12 стандартных отведений.
Требования
Входные цепи ЭКГ должны усиливать довольно слабый сигнал в диапазоне напряжения 0,5-5 мВ в сочетании с постоянной составляющей до ± 300мВ, которая возникает при контакте электрода с кожей, плюс синфазной составляющей величиной до 1 В между электродами и общим проводом. Полоса частот, подлежащая обработке и анализу, составляет от 0,05 до 100 Гц [1].
Введение
В наше время из-за ухудшения состояния экологии широко распространены заболевания сердца. Причем все чаще такие заболевания и отклонения встречаются среди молодых людей. Поэтому очень важно заблаговременно зафиксировать и распознать их. Именно этими вопросами и занимается такая наука как кардиография. В Украине за последние 25 лет распространенность сердечно-сосудистых заболеваний среди населения возросла в 3 раза, а уровень смертности от них - на 45%. К сожалению не является исключением и наш город. 56% или 490 смертей в 2008 году - это смерти от сердечно-сосудистых заболеваний. В странах Европы - 276 смертей на 100 тыс. населения [2]. За последние 20 лет в США смертность от ССЗ удалось уменьшить более чем на 40% в первую очередь за счет профилактики, т.е. ключем для решения проблемы является именно профилактика и рациональная фармакопрофилактика. Рекомендациями Х Национального Конгресса кардиологов Украины по профилактике сердечно-сосудистых заболеваний предоставлен совет повысить роль соответствующих специалистов, прежде всего врачей общей практики семейной медицины и их медсестер в работе с населением, которое бы больше стало уделять внимание физическим нагрузкам, следить за массой тела и вести здоровый образ жизни. Следует также обратить внимание на такие факторы риска как сахарный диабет, концентрация в крови холестерина, индекс массы тела. Участникам Конгресса было поручено предоставить материалы работы Х Национального Конгресса кардиологов Украины местным средствам массовой информации [3]. Работа сердца как биофизической системы сопровождается генерированием внутри организма, на поверхности и за его пределами электрических, магнитных и механических (акустических) полей, что в своей пространственно-временной структуре отражают функциональное состояние сердечно-сосудистой системы (ССС) человека и позволяют проводить ее диагностику. Появление и интенсивное развитие высокочастотной электрокардиографии, кардиографии высокого разрешения и других новых функциональных методов исследования состояния сердца на ЭВМ указывают на необходимость и принципиальную возможность повышения точности, информативности автоматизированной компьютерной диагностики по зарегистрированным кардиосигналам.
Актуальность
Актуальность развития данной области медицины в Украине обусловлена большой территорией страны, отсутствием высококвалифицированных врачей и аппаратуры в сельской местности. Кроме того, применение портативных электрокардиографов для контроля за состоянием пациентов позволит снизить нагрузку на больничные стационары, поскольку постоянное или периодическое наблюдение за жизненно важными параметрами пациента может выполняться вне специализированных учреждений, и в случае возникновения критических ситуаций позволяет мгновенно реагировать на них. Для решения проблемы предотвращения и лечения сердечно-сосудистых заболеваний необходимо:
1. Обеспечить проведение первичной и вторичной профилактики, а именно: создание системы выявления болезней на ранних доклинических стадиях; оборудование учреждений здравоохранения современной диагностической аппаратурой, подготовку высококвалифицированных специалистов; внедрение современных стандартов предотвращения сердечно-сосудистых и сосудисто-мозговых заболеваний; проведение современной медикаментозной терапии.
2. Обеспечить своевременное оказание специализированной и высокоспециализированной медицинской помощи, а именно: создание стандартов диагностики и протоколов лечения острых сердечно-сосудистых и сосудисто-мозговых заболеваний на догоспитальном и госпитальном этапах, с определением необходимого перечня диагностических и лечебных процедур; дооснащение существующих кардиологических, кардиохирургических и инсультных центров современным диагностическим и лечебным оборудованием для предоставления в полном объеме специализированной медицинской помощи в случае острых сердечно-сосудистых и сосудисто-мозговых заболеваний (в том числе интервенционных и хирургических методов); подготовку специалистов для областных и региональных кардиологических, кардиохирургических и инсультных центров.
3. Осуществить такие реабилитационные мероприятия: внедрение стандартов и клинических протоколов терапевтического ведения больных разного возраста (антигипертензивная и липидоснижающая, антиагрегатная и антикоагулянтная терапия) после инвазивных кардиологических и кардиохирургических вмешательств, а также после вмешательств на магистральных сосудах головы и шеи [4].
История кардиографии
Наличие электрических явлений в сердечной мышце, что сокращается, впервые обнаружили два немецких ученых: Р. Келликер и И. Мюллер в 1856 году. Они провели исследования на различных животных, работая на открытом сердце. Однако возможность изучения электрических импульсов сердца отсутствовала до 1873 г., когда был сконструирован электрометр, прибор, который позволил регистрировать электрические потенциалы. В результате совершенствования этого устройства появилась возможность записывать сигналы с поверхности тела, что позволило английскому физиологу А. Уоллеру впервые получить запись электрической активности миокарда человека. Он же впервые сформулировал основные положения электрофизиологических понятий ЭКГ, предположив, что сердце представляет собой диполь, то есть совокупность двух электрических зарядов, равных по величине, но противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Уоллеру принадлежит и такое понятие, как электрическая ось сердца. Первым, кто вывел ЭКГ из стен лабораторий в широкую врачебную практику, был голландский физиолог, профессор Утрехтского университета Виллем Эйнтховен. После семи лет упорных трудов, на основе изобретенного Д. Швейггером струнного гальванометра, Эйнтховен создал первый электрокардиограф. В этом приборе электрический ток от электродов, расположенных на поверхности тела, проходил через кварцевую нить. Нить была расположена в поле электромагнита и вибрировала, когда ток, проходивший через нее, взаимодействовал с электромагнитным полем. Оптическая система фокусировала тень от нити на светочувствительный экран, на котором фиксировались ее отклонения. Первый электрокардиограф был весьма громоздким сооружением и весил около 270 кг. Его обслуживанием были заняты пять сотрудников. Тем не менее, результаты, полученные Эйнтховеном, были революционными. Впервые в руках врача оказался прибор, который столь много говорил о состоянии сердца [5].
Понятие кардиографии
Рассмотрим электрокардиографию как один из наиболее прогрессивных методов исследования сердечно-сосудистой системы (ССС) более подробно. Электрокардиография - метод графической регистрации изменения величины и направления электродвижущей силы (ЭДС) поврежденных участков миокарда во времени в соответствии с определенной осью отведений. Электрокардиограмму регистрируют на бумаге чернильным или тепловым способом. Вектор суммарной ЭДС возбуждения желудочков получил название электрической оси сердца (ЭОС) в норме направление ЭОС примерно совпадает с анатомической осью сердца. Наиболее полно электрокардиограмма отражает нарушения ритма и проводимости (блокады течения проводниковых путей сердца). На втором месте в диагностическом плане стоит распознавание перегрузок (гипертрофии) желудочков и предсердий. Электрокардиограмма фиксирует особенности возбуждения миокарда и проведения импульсов, косвенно отражая состояние клеток мышц сердца. Формы зубцов электрокардиограммы зависят от положения электродов на теле пациента. Общепринятая методика включает в настоящее время снятие 12 отведений.
Стандартные отведения (по Эйнтховену)
Первым, кто вывел ЭКГ из стен лабораторий в широкую врачебную практику, был Виллем Эйнтховен. Он ввел понятие отведения, предложив три так называемых стандартных отведения от конечностей, то есть измерение разности потенциалов между левой и правой рукой (I отведение), между правой рукой и левой ногой (II отведение) и между левой рукой и левой ногой (III отведение). Заслуги Эйнтховена были оценены по достоинству и в 1924 г. ему была присуждена Нобелевская премия.
Усиленные отведения (по Голдбергеру)
Усиленные отведения от конечностей были предложены Е. Голдбергером (1942 г.) Это однополюсные отведения. Применяют три усиленных отведения от конечностей: от правой руки (aVR) от левой руки (aVL) и от левой ноги (aVF). (Augmented - усиленный right - правый left-левый foot - нога).
Грудные отведения (по Вильсону)
Шесть отводений от конечностей дают возможность регистрировать ЭДС во фронтальной плоскости. Грудные отведения были предложены Вильсоном и являются однополюсными. Обозначаются как Vi. Обычно грудных отведений регистрируется шесть (V1, V2, V3, V4, V5, V6).
Связь между стандартными отведениями
Между стандартными, усиленными и грудными отведениями существуют вполне определенные соотношения, которые необходимо учитывать при разработке различного рода аппаратов для кардиографических целей:
Рис.1.Отведения Эйнтховена (Эйнтговена)
где L, R, F - потенциалы левой, правой руки и левой ноги соответственно.
Рис.2.Усиленные отведения Гольдбергера
Рис.3.Грудные отведения Вильсона - Гольдбергера
где Ci - точка на поверхности грудной клетки, i = 1 .. 6 [6].
Размещение электродов для снятия 12 стандартных отведений показано на рисунке 4.
Рис.4.Размещение электродов на теле человека
Анимация состоит из 10 кадров; объем анимации - 122 Кб, размер - 500x280 пикселей, количество циклов воспроизведения - бесконечное
Нестандартные отведения
Стоит отметить, что помимо общепринятых стандартных для специальных методик обследования возможно и другое взятие отведений. Подобные способы обычно названы по именам авторов, например взятие отведений по Небу, методика Франка, система отведений по И. Т. Акулиничеву. подобного рода взятие отведений применяется, например, для целей векторокардиографии. При необходимости используются отведения со спины, шеи, дополнительные грудные (V7, V8, V9 ...). Правосторонние грудные. Особое место следует уделить отведениям специального назначения - таким, как пищеводным и внутриполостным (внутрипредсердным и внутрижелудочковым). При введении этих отведений существенно важна длина электрода. Электродом в этом случае является металлический катетер, вводимый например через пищевод на определенную глубину. Уровень сигнала в подобных отведениях может быть выше обычного (снятого с поверхности кожи) на порядок, требующий особых характеристик от аппаратуры. Широкое распространение получили ЭКГ методики исследования, проводимые в условиях мышечной работы на велоэргометрии (велоэргометрия) с приспособлениями, позволяющими регулировать величину нагрузки с помощью изменения сопротивления вращения педалей (нагрузочные пробы). Системы отведений при проведении нагрузочных проб несколько отличаются от стандартных. В клинической практике общее число систем взятия отведений (и вариантов медицинских методик) превышает 40 вариантов. Все подобные электрографические системы могут быть разделены на 3 группы: системы, основанные на принципах построения двухполюсный грудных отведений; системы, основанные на принципах ортогональных отведений; системы, основанные на принципах формирования 12-ти общепринятых стандартных отведений. Из числа наиболее известных и имеющих практическое применение, назовем следующие: 1. Двухполюсные отведения A (Anterior), D (Dorsalis), I (Inferior) по Небу предложенные в 1938г.) 2. Отведения по Л. А. Бутченко - три отведения; 3. Отведения по А.Т. Воробьевому - двухполюсные (рисунок 5).
Рис.5.Взятие отведений по: Небу (А), Бутченко (В), Воробьевому (С)
Методика Неба состоит в том, что электроды расположены на грудной клетке так, что образуют 'маленький сердечный треугольник'. Этим способом отведений достигается не плоскостное, а топографическое отображение потенциалов 3-х поверхностей сердца: передней-A задней-D и нижней-I. Например, индифферентный электрод при методике взятия отведений по Франку может быть расположен в точке F1 (область крестца), либо, если это не удобно, - в области F2 - слева в восьмом межреберье. Методика взятия отведений 'по Франку' удобна тем, что позволяет получить при применения данных семи электродов три ортогональных отведения (рисунок 6) [7].
Рис.6.Схема наложения электродов по Франку
Вид нормальной электрокардиограммы человека
Обычно на ЭКГ можно выделить 5 зубцов: P, Q, R, S, T. Иногда можно увидеть малозаметную волну U. Зубец P отображает работу предсердий, комплекс QRS - систолу желудочков, а сегмент ST и зубец T - процесс реполяризации миокарда (рисунок 7) [8].
Рис.7.Нормальная ЭКГ человека
Разработка структуры входных цепей 12-канального ЭКГ
Использование количества каналов меньше 12 может дать представление преимущественно лишь об одной какой-то стороне состояния пациента. Наиболее полную информацию об электромеханической активности ССС можно получить лишь при условии параллельного снятия всех 12-ти отведений.
Проанализировав формулы, приведенные на рисунках 1-3 можно вместо непосредственного снятия усиленных отведений и III отведения Эйнтховена восстановить их программным способом, выразив их через I и II отведения Эйнтховена.
Переход на сигма-дельта АЦП
На рисунке 8 представлена типовая структура одноканального ЭКГ.
Рис.8.Типовая структура одноканального ЭКГ с АЦП низкого разрешения
Использование современных высокопроизводительных многоканальных сигма-дельта АЦП высокого разрешения с быстрым переключением каналов позволяет существенно упростить схемотехнику измерительных каналов ЭКГ [9]. Полученная структура представлена на рисунке 9.
Рис.9.Структура измерительного канала ЭКГ с сигма-дельта АЦП
Учитывая уменьшение непосредственно снимаемых отведений с 12 до 8 за счет восстановления 4 каналов программно, а также используя высокопроизводительный сигма-дельта АЦП высокого разрешения была получена структура входных цепей 12-канального ЭКГ, представленная на рисунке 10.
Рис.10.Предлагаемая структура входных цепей 12-канального ЭКГ
Выводы
Предложенная структура входных цепей 12-канального ЭКГ благодаря использованию высокопроизводительного многоканального сигма-дельта АЦП высокого разрешения характеризуется достаточно простой схемотехникой. Кроме того, обеспечивается одновременное снятие всех 12 стандартных отведений, что является залогом получения наиболее полной картины о состоянии пациента[10, с.255].
Список литературы
1. Приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца. Общие технические требования и методы испытаний. ГОСТ 19687 - 89 - М.: Издательство стандартов, 1989 - 19 с.
2. Борис Х. Остановилось сердце ... [Электронный ресурс] / / Зеркало недели, 1996 - № 23 URL: http://www.zn.ua/articles/2854 # article (дата обращения 26.03.2011).
3. Х Національний конгрес кардіологів: проведено на державному рівні! [Электронный ресурс]// Online Аптека.ua - 05.10.2009 - № 710 (39) URL: http://www.apteka.ua/article/9577 (дата обращения 02.04.2011).
4. Об утверждении Государственной программы предотвращения и лечения сердечно-сосудистых и сосудисто-мозговых заболеваний на 2006 - 2010 годы. КМ Украины. Постановление КМ от 31.05.2006 № 761 [Электронный ресурс] URL: http://search.ligazakon.ua/l_doc2.nsf/link1/KP060761.html (дата обращения 20.03.2011).
5. Электрокардиография [Электронный ресурс] URL: http://www.kardio.ru/profi_1/ekg.htm (дата обращения 21.04.2011).
6. Техника ЭКГ/ Под ред. Аракчеева А.Г., Сивачова О.В. - 2011 [Электронный ресурс] URL: http://usefulnurse.ucoz.ru/publ/19-1-0-123 (дата обращения 25.04.2011).
7. Поверхностные электрокардиографические отведения [Электронный ресурс] URL: http://www.ecg.su/ECG_Leads (дата обращения 20.05.2011).
8. ЭКГ - основной метод диагностики аритмии! [Электронный ресурс] URL: http://www.kardiodom.ru/articles87.html (дата обращения 14.04.2011).
9. Миани Т., Власенко А. Сигма-дельта АЦП AD7739, AD7734, AD7738, AD7739 в системах с низким энергопотреблением [Электронный ресурс] // Компоненты и технологии, 2006 - № 9 URL: http://www.kit-e.ru/articles/dac/2006_9_54.php (дата обращения 14.04.2011) .
10. Кабашнюк В.Ю., Кузнецов Д.Н., Обоснование структуры входных цепей 12-канального электрокардиографа, Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых. Сборник научных трудов XI научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 17-20 мая 2011 - Донецк, ДонНТУ, 2011. - 306 с.
Примечание
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение - декабрь 2011. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.