Кабашнюк В.Ю., Кузнецов Д.Н.
Портативный шестиканальный электрокардиограф с беспроводным интерфейсом связи с компьютером
Актуальность
В наши дни статистика сердечно-сосудистых заболеваний весьма плачевна. В разных странах эта статистика различается, например, в Европе на 100 000 жителей в год 200-400 умирают от сердечно-сосудистых заболеваний. В Японии же смертельных случаев «всего лишь» 90. В Украине в прошлом году смертность на 100 000 человек составила 832,6, это при том, что в 1990 году было 641,5 (от ишемической болезни сердца – 494, от гипертонии – 96) [2]. То есть в нашей стране наблюдается тенденция к росту заболеваний сердца, и это очень серьезная опасность для населения страны, ведь по количеству смертей от сердечных заболеваний мы «обгоняем» многие страны в 2-4 раза!
Для своевременной диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы, как правило, используют специальный прибор – электрокардиограф. Он позволяет достаточно точно диагностировать заболевания даже на ранних стадиях, что значительно увеличивает шансы на успешное лечение и выздоровление пациента. Таким образом, развитие электрокардиографической техники весьма актуально в наше время, а особенно в нашей стране. Поэтому кардиографы, в частности портативные с беспроводным интерфейсом связи с компьютером, необходимо сделать более доступными. Такие кардиографы могли бы использоваться в каретах скорой помощи и семейными врачами. Кроме того, возможен вариант использования таких электрокардиографов обычными людьми. В этом случае человек снимает показания прибора и, отослав их по электронной почте своему лечащему врачу, через время получает расшифровку кардиограммы.
Требования
Входные цепи электрокардиографа (ЭКГ) должны усиливать довольно слабый сигнал – в диапазоне напряжений 0,5-5 мВ в сочетании с постоянной составляющей величиной до ±300мВ, которая возникает при контакте электрода с кожей, плюс синфазная составляющая величиной до 1,5 В между электродами и общим проводом. Полоса частот, подлежащая обработке и анализу, составляет от 0,05 до 100 Гц.
На сигналы ЭКГ могут накладываться различного рода шумы и помехи. Основные источники шумов и помех это:
– влияние сетевых помех с частотой 50 Гц и гармоник сетевого напряжения;
– влияние изменений параметров контакта элект¬рода с кожей, приводящее к дрейфу постоянной составляющей;
– мышечные сокращения;
– дыхательные движения вызывают смещение по¬стоянной составляющей;
– электромагнитные наводки от других электрон¬ных устройств, когда провода электродов ЭКГ играют роль антенн;
Для точной и достоверной регистрации ЭКГ не¬обходимо принять все меры для фильтрации или устранения перечисленных шумов [1].
Типичная структура ЭКГ
На рис.1 показана структурная схема типичного одноканального электрокардиографа. Видно, что в данной сигнальной цепочке все виды фильтрации сигнала осуществляются с помощью аналоговой техники, тогда как микропроцессор, микроконтроллер или процессор DSP используется только для целей коммуникации, управления и т. п. Таким образом, имеющийся вычислитель¬ный ресурс процессора не использован. Кро¬ме того, сложные аналоговые фильтры могут оказаться весьма нежелательными с точки зрения неудобства их перестройки, а также занимаемого места на плате, высокой стоимости и энергопотребления.
Схема-прототип
За основу разработки была выбрана схема одноканального ЭКГ, выполненная на базе современного микроконвертора ADuC842 со встроенным 12-разрядным АЦП [3]. В схеме-прототипе (рис.2) реализована концепция максимального упрощения аналоговых входных цепей с полным переходом на цифровую фильтрацию. Для визуализации и регистрации электрокардиограмм использован компьютер.
Рис.1 – Структурная схема типичного одноканального электрокардиографа
Рис.2 – Схема-прототип
Предлагаемое решение
Рассмотренная выше схема была выбрана за основу и модернизирована по следующим пунктам:
1) Улучшены аналоговые входные цепи. Практика показала, что для обеспечения высокого качества регистрируемых ЭКГ при использовании 12-разрядного АЦП одного каскада усиления недостаточно. Поэтому в разработанном ЭКГ применены двухкаскадные усилители.
2) Число регистрируемых отведений увеличено до шести: три основные (I, II, III) и три усиленные (AvR, AvL, AvF) отведения.
3) Исключен каскад обратной связи для компенсации синфазного сигнала, что стало возможным благодаря полной гальванической развязке цифровых сигналов от компьютера и промышленной питающей сети.
4) Связь с компьютером реализована по беспроводному стандартному Bluetooth-интерфейсу, что повысило степень мобильности устройства и удобство его эксплуатации.
5) Основная фильтрация сигналов выполняется не в микроконверторе, как в прототипе, а в компьютере, что позволяет улучшить качество фильтрации путем реализации более сложных цифровых фильтров и повысить гибкость их настройки. Кроме того, перенос основного объема вычислений по цифровой обработке сигналов в компьютер позволил применить в разработке менее производительный, дешевый микроконвертор ADuC814 («урезанный» ADuC812).
Предлагаемое схемное решение приведено на рисунке 3.
Рисунок 3 – Предлагаемое схемное решение
Первый каскад усиления представляет собой инструментальный усилитель на базе недорогой микросхемы AD620. Данная микросхема обеспечивает необходимый коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС?100 дБ, имеет низкое напряжение шума и требует единственный внешний резистор для задания коэффициента усиления (на схеме не показан). Для того, чтобы избежать насыщения выхода при возможном входном постоянном смещении ±300 мВ и размахе выходного напряжения AD620 ±3,8 В коэффициент усиления инструментального усилителя не должен превышать 12,6. Таким образом, с учетом запаса, выберем коэффициент усиления первого каскада равным 8.
На выходах инструментальных усилителей по каждому каналу установлены простейшие RC-фильтры высших частот первого порядка с частотой среза 0,05 Гц (элементы С1..С3 и R4..R6). Данные фильтры исключают из сигнала неинформативную постоянную составляющую, что необходимо для дальнейшего усиления сигнала. Вторые каскады усиления обеспечивают основное усиление с коэффициентом КU =125 и смещение сигнала на величину Uсм=1,25 В (половина диапазона АЦП). Далее усиленный сигнал поступает на RC-фильтры низких частот (С4..С6, R7..R9) с частотой среза 100 Гц, которые ограничивают верхнюю частоту сигнала и исключают погрешность обусловленную эффектом наложения спектров.
Микроконвертор ADuC814 выполняет аналого-цифровое преобразование сигналов ЭКГ по трем каналам с частотой дискретизации равной 500 Гц на канал и передает оцифрованные данные в компьютер посредством Bluetooth-интерфейса, реализованного на стандартном промышленном модуле WT12. WT12 - малогабаритный встраиваемый Bluetooth-модуль 2-го класса, поддерживающий спецификацию Bluetooth v2.0, что позволяет передавать данные со скоростью более 2 Мбит/с на расстояние до 100 метров. Характеризуется небольшими размерами, низким энергопотреблением и возможностью работы в индустриальном диапазоне температур.
Безопасность пациента
В соответствии с правилами стандарта AAMI (Association for the Advancement of Medical Instrumentation) для обеспечения безопасности пациента в разработанном ЭКГ применен безопасный источник питания и гальваническая развязка цифрового сигнала посредством беспроводного Bluetooth интерфейса. Кроме того, в схеме имеются резисторы R1, R2, R3 для ограничения максимального тока утечки на землю или тока в аварийном режиме не более 50 мкА.
Питание изолированной части регистратора ЭКГ осуществляется с помощью батареи, которая периодически подзаряжается с помощью зарядного устройства в то время, когда аппарат ЭКГ не используется. Для того чтобы обрабатывать биполярный входной сигнал, усилителям AD620 требуется биполярное питание ±5 В. Стабилизатор напряжения на переключаемых конденсаторах ADP3607-5 и инвертор на переключаемых конденсаторах ADP3605 служат для получения стабилизированного двухполярного питания от аккумулятора напряжением 3,6 В. Оба напряжения питания (±5 В) получены с помощью емкостных «зарядовых насосов», в принципе неспособных генерировать небезопасное напряжение даже при нарушении режимов работы, так как в схеме отсутствуют катушки индуктивности. В этих микросхемах также имеется режим отключения (shutdown), что позволяет микроконвертору переводить их в этот режим, когда система находится в состоянии ожидания.
Цифровая обработка сигналов
В полном объеме функции цифровой обработки выполняет компьютер, который решает следующие основные задачи:
– обмен данными с микроконвертером;
– реализация различных (по выбору) цифровых фильтров;
– программное восстановление трех усиленных отведений (AvR, AvL, AvF) по основным (I, II, III):
– регистрация и визуализация данных ЭКГ;
– масштабирование по амплитуде и времени;
– архивирование и печать результатов.
Результаты испытаний
Опытный образец 6-канального ЭКГ на базе предложенного схемного решения был изготовлен в СКТБ «Турбулентность» ДонНУ. Конструктивно аппарат выполнен в пластиковом корпусе размерами 200?150?30 мм и массой не более 500 г. В качестве источника питания использована аккумуляторная батарея номиналом 3,6 В и емкостью 750 мА/ч. На рисунке 3 приведен вид регистрируемых кардиосигналов на экране монитора компьютера. Спроектированный кардиограф прошел трехмесячные испытания в кардиологическом отделении городской больницы №1 г.Донецка. В целом по результатам испытаний получены положительные отзывы. Специалистами отмечены хорошее качество регистрируемых кардиограмм, удобство эксплуатации и возможность дистанционного долговременного мониторинга состояния пациента. К недостаткам было отнесено то, что для полной диагностики необходимо одновременно регистрировать не 6, а 12 стандартных отведений (включая грудные).
Рис.4 – Вид регистрируемых кардиосигналов на экране монитора компьютера
Выводы
Предложенное схемное решение обеспечивает хорошее качество регистрируемых кардиосигналов по шести стандартным отведениям, мобильность и удобство дистанционного мониторинга. В качестве рекомендаций по модернизации отмечается последующий переход на высокоразрядный быстрый сигма-дельта АЦП и адаптацию схемы под миниатюрный носимый ЭКГ по Холтеру.
Список использованных источников
1. Приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца. Общие технические требования и методы испытаний. ГОСТ 19687-89 – М.: Издательство стандартов, 1989 – 19с.
2. Борис Хандрос. Остановилось сердце…//Зеркало недели .1996. №23. URL: http://www.zn.ua/articles/2854#article (дата обращения 26.03.2011).
3. Компани Бош Энрик, Хартман Эккарт Электрокардиограф на базе микроконвертора//Компоненты и технологии. 2004. №6. URL:http://www.kite.ru/articles/elcomp/2004_06_104.php (дата обращения 26.03.2011).