Кабашнюк Вікторія Юріївна

Факультет комп'ютерних інформаціонних технологій та автоматики

Кафедра: Електронної техніки

Спеціальність: Наукові аналітичні та екологічні прибори та системи

Науковий керівник: Кузнєцов Дмитро Миколайович

Реферат на тему: "Обгрунтування методів і розробка засобів моніторингу ЕКГ людини"

Об'єкт досліджень

Об'єкт моєї магістерської роботи є портативний 12-канальний електрокардіограф - прилад, за допомогою якого можна реєструвати електричні потенціали, що виникають в результаті роботи серця, і переносити їх на папір або на дисплей комп’ютера у вигляді графіку – кардіограми.

Цілі та задачі

Розробити портативний, недорогий 12-канальний ЕКГ на сучасній елементній базі з одночасним зняттям 12 стандартних відведень.

Вимоги

Вхідні ланцюги ЕКГ повинні посилювати досить слабкий сигнал в діапазоні напруги 0,5-5 мВ в поєднанні з постійною складовою до ± 300мВ, яка виникає при контакті електрода зі шкірою, плюс сінфазова складова величиною до 1 В між електродами і загальним проводом. Смуга частот, що підлягає обробці та аналізу, становить від 0,05 до 100 Гц [1].

Вступ

В наш час через погіршений стан екології широко розповсюджені захворювання серця. При чому все частіше такі захворювання та відхилення зустрічаються серед молодих людей. Тому дуже важливо завчасно зафіксувати та розпізнати їх. Саме цими питаннями й займається така наука як кардіографія.

В Україні за останні 25 років поширеність серцево-судинних захворювань серед населення зросла в 3 рази, а рівень смертності від них – на 45%. Нажаль не є виключенням і наше місто. 56% або 490 смертей в 2008 році - це смерті від серцево-судинних захворювань. В країнах Європи - 276 смертей на 100 тис. населення [2]. За останні 20 років в США смертність від серцево-судинних захворювань вдалось зменшити більш як на 40% в першу чергу за рахунок профілактики, тобто ключем для вирішення проблеми є саме профілактика та раціональна фармакопрофілактика. Загалом рекомендаціями Х Національного Конгресу кардіологів України з профілактики серцево-судинних захворювань надано пораду підвищити роль відповідних фахівців, насамперед лікарів загальної практики сімейної медицини та їх медсестер в їх роботі з населенням, яке би більше стало приділяти уваги фізичним навантаженням, слідкувати за масою тіла та вести здоровий спосіб життя. Слід також звернути увагу на такі фактори ризику як цукровий діабет, концентрація в крові холестерину, індекс маси тіла. Учасникам Конгресу було доручено надати матеріали роботи Х Національного Конгресу кардіологів України місцевим засобам масової інформації [3].

Робота серця як біофізичної системи супроводжується генеруванням всередині організму, на поверхні та за його межами електричних, магнітних та механічних (акустичних) полів, що у своїй просторово-часовій структурі відображають функціональний стан серцево-судинної системи (ССС) людини і дозволяють проводити її діагностику. Поява та інтенсивний розвиток високочастотної електрокардіографії, кардіографії високої роздільної здатності, спектрально-часового електрокардіографічного картування, кардіоінтервалографії та інших нових функціональних методів дослідження стану серця на ЕОМ вказують на необхідність і принципову можливість підвищення точності, інформативності автоматизованої комп'ютерної діагностики по зареєстрованих кардіосигналах.

Актуальність

Актуальність розвитку даної галузі медицини в Україні зумовлена великою територією країни, відсутністю висококваліфікованих лікарів та апаратури в сільській місцевості. Крім того, застосування портативних електрокардіографів для контролю над станом пацієнтів дозволить знизити навантаження на лікарняні стаціонари, оскільки постійне або періодичне спостереження за життєво важливими параметрами пацієнта може виконуватися поза спеціалізованими установами, і у разі виникнення критичних ситуацій дозволяє миттєво реагувати на них. Для розв’язання проблеми запобігання та лікування серцево-судинних захворювань необхідно:

1.Забезпечити проведення первинної та вторинної профілактики, а саме: створення системи виявлення хвороб на ранніх доклінічних стадіях; обладнання закладів охорони здоров’я сучасною діагностичною апаратурою; підготовку висококваліфікованих спеціалістів; упровадження сучасних стандартів запобігання серцево-судинним і судинно-мозковим захворюванням; проведення сучасної медикаментозної терапії.

2.Забезпечити своєчасне надання спеціалізованої та високоспеціалізованої медичної допомоги, а саме: створення стандартів діагностики і протоколів лікування гострих серцево-судинних і судинно-мозкових захворювань на догоспітальному та госпітальному етапах, з визначенням необхідного переліку діагностичних і лікувальних процедур; організацію системи стандартизованого обстеження хворих; надання в повному обсязі спеціалізованої медичної допомоги в разі гострих серцево-судинних захворювань; дооснащення існуючих кардіологічних, кардіохірургічних та інсультних центрів сучасним діагностичним та лікувальним обладнанням для надання в повному обсязі спеціалізованої медичної допомоги в разі гострих серцево-судинних і судинно-мозкових захворювань (у тому числі інтервенційних та хірургічних методів); створення системи пренатальної діагностики вроджених вад серця; підготовку спеціалістів для обласних та регіональних кардіологічних, кардіохірургічного та інсультних центрів.

3.Здійснити такі реабілітаційні заходи: упровадження стандартів та клінічних протоколів терапевтичного ведення хворих різного віку (антигіпертензивна та ліпідознижувальна, антиагрегатна та антикоагулянтна терапія) після інвазійних кардіологічних та кардіохірургічних втручань, а також після втручань на магістральних судинах голови та шиї [4].

Історія кардіографії

Наявність електричних явищ у серцевому м'язі, що скорочується, вперше виявили два німецьких учених: Р. Келлікер та І. Мюллер у 1856 році. Вони провели дослідження на різних тваринах, працюючи на відкритому серці. Однак можливість вивчення електричних імпульсів серця була відсутня до 1873 р., коли був сконструйований електрометр, прилад, що дозволив реєструвати електричні потенціали. У результаті вдосконалення цього пристрою з'явилася можливість записувати сигнали з поверхні тіла, що дозволило англійському фізіологові А. Уоллеру вперше отримати запис електричної активності міокарда людини. Він же вперше сформулював основні положення електрофізіологічних понять ЕКГ, припустивши, що серце представляє собою диполь, тобто сукупність двох електричних зарядів, рівних за величиною, але протилежних за знаком, що знаходяться на деякій відстані один від одного. Уоллерові належить і таке поняття, як електрична вісь серця.

Першим, хто вивів ЕКГ зі стін лабораторій у широку лікарську практику, був голландський фізіолог, професор Утрехтського університету Віллем Ейнтховен. Після семи років наполегливих праць, на основі винайденого Д.Швейггером струнного гальванометра, Ейнтховен створив перший електрокардіограф. У цьому приладі електричний струм від електродів, розташованих на поверхні тіла, проходив через кварцову нитку. Нитка була розташована в поле електромагніта і вібрувала, коли струм, що проходив через неї, взаємодіяв з електромагнітним полем. Оптична система фоксувала тінь від нитки на світлочутливий екран, на якому фіксувалися її відхилення. Перший електрокардіограф був дуже громіздким спорудженням і важив близько 270 кг. Його обслуговуванням були зайняті п'ять співробітників. Тим не менш, результати, отримані Ейнтховеном, були революційними. Вперше в руках лікаря виявився прилад, який настільки багато говорить про стан серця [5].

Поняття кардіографії

Розглянемо електрокардіографію як один з найбільш прогресивних методів дослідження серцево-судинної системи (ССС) більш докладно.

Електрокардіографія - метод графічної реєстрації зміни величини і напрямку електрорушійної сили (ЕРС) ушкоджених ділянок міокарда в часі відповідно до певної осі відведень.

Електрокардіограму реєструють на папері чорнильним або тепловим способом.

Вектор сумарної ЕРС збудження шлуночків отримав назву електричної вісі серця (ЕВС); в нормі напрямок ЕВС приблизно збігається з анатомічною віссю серця.

Найбільш повно електрокардіограма відображає порушення ритму і провідності (блокади протягом провідникових шляхів серця). На другому місці в діагностичному плані стоїть розпізнавання перевантажень (гіпертрофії) шлуночків і передсердь.

Електрокардіограма фіксує особливості збудження міокарда та проведення імпульсів, побічно відображаючи стан клітин м'язів серця. Форми зубців електрокардіограми залежать від положення електродів на тілі пацієнта.

Загальноприйнята методика зняття відведень включає в даний час зняття 12 відведень.

Стандартні відведення (за Ейнтховеном)

Першим, хто вивів ЕКГ зі стін лабораторій у широку лікарську практику, був Віллем Ейнтховен. Він ввів поняття відведення, запропонувавши три так званих стандартних відведення від кінцівок, тобто вимірювання різниці потенціалів між лівою і правою рукою (I відведення), між правою рукою і лівою ногою (II відведення) та між лівою рукою і лівою ногою (III відведення). Заслуги Ейнтховена були оцінені по достоїнству і в 1924 р. йому була присуджена Нобелівська премія.

Посилені відведення (за Голдбергером)

Посилені відведення від кінцівок були запропоновані Є. Голдбергером (1942 р.) Це однополюсні відведення. Застосовують три посилених відведення від кінцівок: від правої руки (aVR) від лівої руки (aVL) і від лівої ноги (aVF). (Augmented - посилений right - правий left-лівий foot - нога).

Грудні відведення (за Вільсоном)

Шість відведень від кінцівок дають можливість реєструвати ЕРС у фронтальній площині. Грудні відведення були запропоновані Вільсоном і є однополюсними. Позначаються Vi. Зазвичай грудних відведень реєструється шість (V1, V2, V3, V4, V5, V6).

Зв'язок між стандартними відведеннями

Між стандартними, посиленими і грудними відведеннями існує цілком визначені співвідношення, які необхідно враховувати при розробці різного роду апаратів для кардіографічних цілей:

Рис.1.Відведення Ейнтховена (Ейнтговена)

де L, R, F - потенціали лівої, правої руки і лівої ноги відповідно.

Рис.2.Посилені відведення Гольдбергера

Рис.3.Грудні відведення Вільсона - Гольдбергера

де Ci - точка на поверхні грудної клітини, i = 1..6 [6].

Розміщення електродів для зняття 12 стандартних відведень показане на рисунку 4.

Рис.4.Рисунок 4 – Розміщення електродів на тілі людини

Анімація складається з 10 кадрів; об'єм анімації – 122 Кб; розмір – 500?280 пікселів; кількість циклів відтворення – нескінченна

Нестандартні відведення

Варто зазначити, що крім загальноприйнятих стандартних відведень для спеціальних методик обстеження можливе й інше взяття відведень. Подібні взяття зазвичай названі за іменами авторів, наприклад взяття відведень за Небом, методика Франка, система відведень за І. Т. Акулінічевим. подібного роду взяття відведень застосовується, наприклад, для цілей векторокардіографіі.

У разі необхідності використовуються відведення зі спини, шиї, додаткові грудні (V7, V8, V9 ...). Правобічні грудні. Особливе місце слід приділити відведенням спеціального призначення - таким, як стравохідним і внутрішньопорожнинним (внутрішньопередсердним і внутрішньошлуночковим). При введенні цих відведень суттєво важлива довжина електрода. Електродом в цьому випадку є металевий катетер, що вводиться наприклад через стравохід на певну глибину.

Рівень сигналу в подібних відведеннях може бути вище звичайного (знятого з поверхні шкіри) на порядок, що вимагає особливих характеристик від апаратури. Широке розповсюдження отримали ЕКГ методики дослідження, що проводяться в умовах м'язової роботи на велоергометрії (велоергометрія) з пристосуваннями, що дозволяють регулювати величину навантаження за допомогою зміни опору обертання педалей (навантажувальні проби).

Системи відведень при проведенні навантажувальних проб дещо відрізняються від стандартних. У клінічній практиці загальне число систем взяття відведень (і варіантів медичних методик) перевищує 40 варіантів. Всі подібні електрографічні системи можуть бути поділені на 3-ї групи: системи засновані на принципах побудови двополюсний грудних відведень; системи, засновані на принципах ортогональних відведень; модифіковані системи, засновані на принципах формування 12-ти загальнопр-знання стандартних відведень.

З числа найбільш відомих і тих, що мають практичне застосування, назвемо наступні: 1. Двополюсні грудні відведення A (Anterior), D (Dorsalis), I(Inferior) за Небом (Nehb запропоновані в 1938р.); 2. Відведення за Л. А. Бутченко - три відведення; 3. Відведення за А.Т. Воробйовим - двополюсні грудні (рисунок 5).

Рис.5.Взяття відведень за: Небом (А), Бутченко (В), Воробйовим (С)

Методика Неба полягає в тому, що електроди розташовані на грудній клітці так, що утворюють 'маленький серцевий трикутник'. Цим способом відведень досягається не площинне, а топографічне відображення потенціалів 3-х поверхонь серця: передньої-A задньої-D і нижньої-I. Тут в основному слід враховувати, що кінцівне відведення при проведенні навантажувальних проб замінюється еквівалентним взяттям з грудей. Наприклад, індиферентний електрод при методиці взяття відведень за Франком може бути розташований у точці F1 (область крижів), або якщо це не зручно, - в області F2 - ліворуч у восьмому міжребер'ї. Методика взяття відведень 'за Франком' зручна тим, що дозволяє отримати при приміненні семи електродів три ортогональних відведення (рисунок 6) [7].

Рис.6.Схема накладання електродів за Франком

Вигляд нормальної електрокардіограми людини

Зазвичай на ЕКГ можна виділити 5 зубців: P, Q, R, S, T. Іноді можна побачити малопомітну хвилю U. Зубець P відображає роботу передсердь, комплекс QRS - систолу шлуночків, а сегмент ST і зубець T - процес реполяризації міокарда (рисунок 7) [8].

Рис.7.Вигляд нормальної ЕКГ людини

Розробка структури вхідних ланцюгів 12-канального ЕКГ

Використання кількості каналів меншої за 12 може дати уявлення переважно лише про одну якусь сторону стану пацієнта. Найбільш повну інформацію про електромеханічну активність ССС можна отримати лише при умові паралельного зняття усіх 12-ти відведень.

Проаналізувавши формули, приведені на рисунках 1-3 можна замість безпосереднього зняття посилених відведень (2) та III відведення Ейнтховена (1) відновити їх програмним способом, висловивши їх через I і II відведення Ейнтховена.

Перехід на сигма-дельта АЦП

На рисунку 8 представлена типова структура одноканального ЕКГ.

Рис.8.Типова структура одноканального ЕКГ з АЦП низького дозволу

Використання сучасних високопродуктивних багатоканальних сигма-дельта АЦП високого дозволу з швидким перемиканням каналів дозволяє істотно спростити схемотехніку вимірювальних каналів ЕКГ [9]. Отримана структура представлена на рисунку 9.

Рис.9.Структура вимірювального каналу ЕКГ з сигма-дельта АЦП

Враховуючи зменшення відведень, що безпосередньо знімаються, з 12 до 8 за рахунок відновлення 4 каналів програмно, а також використовуючи високопродуктивний сигма-дельта АЦП високого дозволу, була отримана структура вхідних ланцюгів 12-канального ЕКГ, представлена на рисунку 10.

Рис.10.Пропонована структура вхідних ланцюгів 12-канального ЕКГ

Висновки

Запропонована структура вхідних ланцюгів 12-канального ЕКГ завдяки використанню високопродуктивного багатоканального сигма-дельта АЦП високого дозволу характеризується досить простою схемотехнікою. Крім того, забезпечується одночасне зняття всіх 12 стандартних відведень, що є запорукою отримання найбільш повної картини про стан пацієнта [10, с.255].

Перелік використаної літератури:

1. Прилади для вимірювання біоелектричних потенціалів серця. Загальні технічні вимоги та методи випробувань. ГОСТ 19687-89 – М.: Видавництво стандартів, 1989 – 19с.

2. Борис Х. Зупинилось серце…[Електронний ресурс] //Зеркало тиждня, 1996 - №23 URL: http://www.zn.ua/articles/2854#article (дата звернення 26.03.2011).

3. Х Національний конгрес кардіологів: проведено на державному рівні! [Електронний ресурс] // Online Аптека.ua - 05.10.2009 - № 710 (39) URL: http://www.apteka.ua/article/9577 (дата звернення 02.04.2011).

4. Про затвердження Державної програми запобігання та лікування серцево-судинних і судинно-мозкових захворювань на 2006 - 2010 роки. КМ України. Постанова КМ від 31.05.2006 № 761 [Електронний ресурс] URL: http://search.ligazakon.ua/l_doc2.nsf/link1/KP060761.html (дата звернення 20.03.2011).

5. Електрокардіографія [Електронний ресурс] URL: http://www.kardio.ru/profi_1/ekg.htm (дата звернення 21.04.2011).

6. Техніка ЕКГ / Під ред. Аракчеєва А.Г., Сівачова О.В. - 2011 [Електронний ресурс] URL: http://usefulnurse.ucoz.ru/publ/19-1-0-123 (дата звернення 25.04.2011).

7. Поверхневі електрокардіографічні відведення [Електронний ресурс] URL: http://www.ecg.su/ECG_Leads (дата звернення 20.05.2011).

8. ЕКГ - основний метод діагностики аритмії! [Електронний ресурс] URL: http://www.kardiodom.ru/articles87.html (дата звернення 14.04.2011).

9. Міані Т., Власенко О. Сигма-дельта АЦП AD7739, AD7734, AD7738, AD7739 в системах з низьким енергоспоживанням [Електронний ресурс] / / Компоненти та технології, 2006 - № 9 URL: http://www.kit-e.ru/articles/dac/2006_9_54.php (дата звернення 14.04.2011).

Кабашнюк В.Ю., Кузнєцов Д.М., Обгрунтування структури вхідних кіл 12-канального електрокардіографа, Автоматизація технологічних об'єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць XI науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м.Донецьку 17-20 травня 2011 р. – Донецьк, ДонНТУ, 2011. – 306 с.

Примітка

При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення - грудень 2011. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.