Разработка портативного многоканального микропроцессорного кардиографа

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Аннотация

Целью проекта является разработка портативного многоканального микропроцессорного кардиографа. Предварительно рассмотрены происхождение и различные методы съема биопотенциалов сердца. Показаны особенности режимов работы кардиографа: автономного и комплексного.

На основании предъявленных технических требований производится разработка структурной, функциональной и принципиальной схем блоков прибора, производится расчет погрешностей измерения амплитуды и временных интервалов кардиосигнала.

В дипломном проекте проводится конструкторско-технологическая разработка аналого-цифрового и микропроцессорного блока, а также изготовление многослойной печатной платы данного блока. Проведена технико-экономическая оценка разрабатываемого ПММК, рассмотрены вопросы безопасности при эксплуатации кардиографа в условиях кабинета функциональной диагностики.

микропроцессорный кардиограф погрешность

Введение

С ростом и развитием науки и техники, в том числе и медицины, возникает необходимость в разработке более совершенных и удобных в обращении медицинских приборов.

С внедрением во все сферы человеческой деятельности информационных и, в частности, компьютерных технологий появилась необходимость разработки новых средств медицинской диагностики с применением ЭВМ. Это значительно облегчает работу врача, и существенно экономит время пациента.

В настоящее время люди в большей степени подвержены различным заболеваниям, в том числе и сердечно-сосудистым, которые по статистике являются причиной большинства смертей.

Поэтому диагностика сердечно-сосудистой системы является одной из важнейших задач медицины, а информационные технологии призваны помогать этому путем внедрения новейших разработок в медицинские приборы.

Одним из таких приборов является, разрабатываемый портативный многоканальный микропроцессорный кардиограф. Данное устройство может широко применяться в лечебной и диагностической медицине.

Обзор и сравнительная оценка средств измерения параметров кардиосигнала

Техническое обоснование

Биоэлектрические процессы в работающем сердце

Функциональным элементом сердца служит мышечное волокно - цепочка из клеток миокарда, соединенных конец в конец и заключенных в общую оболочку. В зависимости от морфологических и функциональных особенностей в сердце различают два типа волокон /7/:

типические - волокна рабочего миокарда предсердий и желудочков, составляющие основную массу сердца и обеспечивающие его нагнетательную функцию;

атипические - волокна водителя ритма и проводящей системы, отвечающие за генерацию возбуждения и проведение его к клеткам рабочего миокарда.

Сердечной мышце присущи особые свойства, благодаря которым осуществляется ее сложная деятельность. Это - функции автоматизма, возбудимости, проводимости и сократимости.

Мышца сердца (миокард) принадлежит к возбудимым тканям. Это значит, что волокна миокарда обладают потенциалом покоя, отвечают на надпороговые стимулы генерацией потенциалов действия и способны проводить эти потенциалы без затухания. Потенциал покоя волокон миокарда колеблется в широких пределах в зависимости от функционального характера волокна. У сократительных, типических волокон он равен в среднем -90мВ /8/, тогда как у атипических клеток синусного узла составляет не более - б0мВ. Мышечная ткань предсердий и желудочков ведёт себя как функциональный синцитий: возбуждение, возникающее в каком-либо из этих отделов, охватывает все без исключения невозбуждённые волокна. Благодаря этой особенности сердце подчиняется закону все или ничего : на раздражение оно либо отвечает возбуждением всех волокон, либо (если раздражитель подпороговый) не реагирует вовсе.

Ритмические сокращения сердца возникают автоматически, без всякого воздействия на него каких-либо внешних побудительных факторов - раздражителей. Однако сокращение типической мускулатуры сердца может произойти лишь в том случае, если предварительно в каком-либо участке этого органа возникнет электрический импульс возбуждения. Благодаря самопроизвольному ритмическому возбуждению и происходит последующее ритмическое сокращение миокарда.

Ритмические сокращения сердца возникают под действием импульсов, зарождающихся в нём самом. Это свойство называется автоматизмом. В здоровом сердце импульсы зарождаются только в синусном узле. В результате внутренних обменных процессов, суть которых до сих пор окончательно не ясна, в этом кусочке ткани через определённые промежутки времени происходит небольшой электрический разряд, запускающий сокращение сердца.

Таким образом, синусный узел служит своего рода "запальной свечой". Он является водителем ритма, автоматическим центром первого порядка. Он же последним перестаёт функционировать при остановке сердца. Зарождение импульса в водителе ритма приводит к распространению возбуждения по всему миокарду. В активность вовлекается вся масса сократительных волокон сердца. В каждом из них регистрируются потенциалы действия.

Возбуждённый участок волокна всегда заряжен электроотрицательно по отношению к соседнему невозбуждённому участку. То же самое касается и целого сердца. Волна деполяризации охватывает сердечную мышцу не совсем одновременно, а в определённой последовательности, быстро переходя с одних групп мышечных волокон на другие. Поэтому в работающем сердце всегда имеются возбуждённые и ещё не возбуждённые или уже завершившие возбуждение участки, между которыми возникает разность потенциалов, рождающая электродвижущую силу (ЭДС).

Зарегистрировать ЭДС сердца можно, приложив непосредственно к его поверхности два отводящих электрода, соединённых с осциллографом. При этом удаётся записать электрограмму сердца, представляющую собой алгебраическую сумму потенциалов действия различных зон миокарда. Однако этот метод используется, главным образом, в экспериментах на животных. Для человека, по вполне понятным причинам, он не приемлем.

Силовые линии электрического поля сердца распространяются по всему телу и могут быть зарегистрированы с любых точек его кожной поверхности. Иначе говоря, между любыми двумя точками поверхности тела можно зарегистрировать разность потенциалов, являющуюся отражением электрической деятельности возбуждённого миокарда. Кривая изменений этой разности потенциалов во времени называется электрокардиограммой, а метод регистрации - электрокардиографией.

Происхождение и регистрация электрокардиограммы

При изучении генеза электрокардиограммы необходимо использовать следующие факты /5/ общее электрическое поле сердца образуется в результате сложения полей многочисленных отдельных волокон сердца;каждое возбуждённое волокно представляет собой диполь, обладающий элементарным дипольным вектором определённой величины и направления; интегральный вектор в каждый момент процесса возбуждения представляет собой результирующую отдельных векторов; величина потенциала, измеряемого в точке, удалённой от источника, зависит главным образом от величины интегрального вектора и от угла между направлением этого вектора и осью отведения.

Специализированная система очень быстро проводит возбуждение к различным отделам желудочков. Вследствие этого размер участка миокарда, активирующегося одним волокном Пуркинье (по этому участку волна возбуждения движется непрерывно), относительно невелик (около 1см). Это расстояние называется длиной свободного пробега. Длину волны возбуждения можно рассчитать, умножив скорость проведения (около 1м/с) на продолжительность возбуждения (около 0,3с); она равна 0,3м. Из этого следует, что в каждый момент цикла возбуждения в сердце могут существовать лишь небольшие участки волны возбуждения.

По мере того как волна возбуждения распространяется по волокну миокарда на участке, соответствующем длине свободного пробега, создаётся градиент напряжения (dV/dx), величина которого в каждый момент зависит от фазы возбуждения. В области фронта волны имеется крутой градиент величиной 120мВ (соответствующей амплитуде потенциала действия) на участке длиной около 2мм (градиент напряжения равен 600мВ/см). Напротив, во время фазы реполяризации возникают гораздо меньшие градиенты напряжения, направленные в обратную сторону. В первом приближении волокно миокарда ведёт себя в физическом отношении как переменный диполь, характеризующийся определённой величиной и направлением. По определению дипольный вектор направлен от минуса к плюсу, то есть от возбуждённого участка к невозбуждённому (возбуждённый участок снаружи заряжен отрицательно по отношению к невозбуждённому). Дипольный вектор переднего фронта волны возбуждения можно назвать вектором деполяризации, а вектор её заднего фронта, направленный в обратную сторону, вектором реполяризации.

В каждый момент в процессе возбуждения сердца отдельные векторы суммируются и образуют интегральный вектор. Он строится так же, как результирующая двух сил по правилу параллелограмма; при этом исходя из двух векторов строится третий. Внутри стенки сердца большая часть векторов (по подсчётам до 90%) действует во взаимопротивоположных направлениях и нейтрализует друг друга.

Величина и направление зубцов электрокардиограммы

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Для того, чтобы выявить связь между ориентацией вектора сердца и полярностью зубцов электрокардиограммы, необходимо рассмотреть электрическое поле вокруг диполя, помещённого в однородную проводящую среду. Точки этого поля, обладающие одинаковыми потенциалами, образуют так называемые изопотенциальные линии. Из рисунка 1.1 видно, что расстояние между точками А и Б зависит прежде всего от угла между осью диполя и осью отведения и равна проекции интегрального вектора на ось отведения. Если направление отведения совпадает с направлением интегрального вектора, величина регистрируемой разности потенциалов максимальна. Если же эти направления взаимно перпендикулярны, разность потенциалов равна нулю. В принципе это правило можно перенести и на электрокардиограмму человека, хотя на практике в этом случае картина значительно сложнее. Это связано с тем, что, во-первых, тело человека не является электрически однородной средой, во-вторых, сердце расположено не в сердце сферического проводника. В связи с этим электрическое поле сердца на поверхности тела искажается.

Отведения от конечностей

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Первую точную запись электрокардиограммы осуществил в 1903 году голландский учёный В. Эйнтховен /8/. Для получения чёткой электрокардиограммы электроды следует накладывать на определённые участки тела, дающие наибольшую разность потенциалов. При биполярных отведениях по Эйнтховену конечности играют роль проводников, поэтому точки, от которых отводят потенциалы, фактически расположены в местах соединения конечностей с туловищем. Таких точек три: правая рука, левая рука, левая нога. Они почти совпадают с вершинами равностороннего треугольника, стороны которого представляют собой оси отведения. В центре его расположен источник ЭДС - сердце. По Эйнтховену ЭДС сердца является вектором, то есть имеет определённую величину, полярность и направление. На рисунке 1.2 направление ЭДС сердца изображено стрелкой. В каждый момент, соответствующий определённой фазе сердечного цикла, в сердце возбуждено множество участков, то есть возникает множество разностей потенциалов и порождённых ими ЭДС, обладающих свойствами вектора. Из них складывается равнодействующая ЭДС сердца в данный момент времени. Её направление называется средней моментной электрической осью сердца. Электрическая ось - это вектор, в норме направленный справа налево.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Поскольку сердце представляет собой трёхмерный орган, то электрическая ось направлена также сзади наперёд. В стандартных отведениях (рисунок 1.3) снимается не вся ЭДС, а только та её часть, которая проецируется на линию данного отведения. Из рисунка 1.2 видно, что самая большая проекция ЭДС относится к линии П отведения.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

При использовании униполярных отведении от конечностей по Гольд-бергеру (рисунок 1.4) регистрируют разность потенциалов между электродом, наложенным на конечность, и референтным электродом, представляющим собой объединённый электрод от двух других конечностей. Ось отведения aVR представляет собой биссектрису утла между стандартными отведениями I и II. Оси отведении aVL и aVF являются биссектрисами двух других углов треугольника Эйнтховена.

Грудные отведения

Отведения от конечностей считаются классическими, стандартными. Они отражают в основном проекции векторной петли на фронтальную плоскость. Что же касается униполярных прекардиальных отведении по Вильсону (рисунок 1.5), то по ним можно судить главным образом о проекции интегрального вектора на горизонтальную плоскость.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

При снятии этих отведении референтный электрод получают путём объединения трёх отведении от конечностей, а активный помещают на определённые участки грудной клетки в области сердца.

Электрокардиограмма здоровых людей (рисунок 1.6) состоит из четырёх направленных вверх (положительных) зубцов Р, R, Т и U (который встречается непостоянно), а также из двух направленных вниз (отрицательных) зубцов Q и S /7/. Зубец Р нередко называют предсердным комплексом, а зубцы Q, R, S и Т составляют желудочковый комплекс.

До возникновения автоматического импульса сердце находится в невозбужденном состоянии, разность потенциалов отсутствует, и поэтому на электрокардиограмме пишется прямая горизонтальная линия (изолиния). Но как только водитель ритма выработает очередной потенциал действия и волна возбуждения начнет распространяться по предсердиям, на записи появляется небольшой направленный вверх зубец Р.

Возбуждение самого синусного узла не получает отражения на электрокардиограмме. Зубец Р представляет собой алгебраическую сумму потенциалов действия, возникающих в волокнах правого и левого предсердий. Интервал P-Q соответствует промежутку времени, в течение которого волна возбуждения проводится от предсердий к желудочкам по проводящей системе. У здоровых людей длительность данного интервала колеблется в пределах от 0.12 до 0.19 секунд.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Пройдя по волокнам проводящей системы, волна возбуждения переходит на сократительный миокард желудочков, охватывая их в определенной последовательности. Снова в сердце появляются возбужденные и невозбужденные участки, генерирующие разность потенциалов, и на электрокардиограмме возникают зубцы.

Первый из них - очень небольшой отрицательный зубец Q - обусловлен возбуждением межжелудочковой перегородки и верхушки сердца. Восходящее колено этого зубца непосредственно переходит в наиболее высокий положительный зубец R. Это - основной зубец электрокардиограммы. Он соответствует распространению возбуждения по боковым стенкам и поверхности обоих желудочков, а также основанию левого желудочка. Нисходящее колено R-зубца переходит в отрицательный зубец S.

Все три зубца (Q, R, S) образуют начальную часть желудочкового комплекса. Длительность комплекса QRS в норме колеблется от 0,06 до 0,09 секунд.

Вслед за зубцом S вновь рисуется прямая линия, переходящая в зубец Т. Интервал ST соответствует периоду, когда желудочки полностью деполяризованы.

Зубец Т является конечной частью желудочкового комплекса. Многие авторы считают, что он отражает процесс прекращения возбуждения в желудочках, то есть реполяризацию. По другим данным он обусловлен поздней быстрой деполяризацией желудочков.

Полагают также, что зубец Т отражает обменные процессы в мышце сердца. Этот зубец - наиболее изменчивая часть желудочкового комплекса, быстро реагирующая на самые разнообразные физиологические и патологические воздействия.

Иногда после зубца Т на электрокардиограмме появляется небольшой направленный вверх зубец U, происхождение которого точно не установлено. За зубцом Т, а при наличии зубца U - за последним, следует горизонтальная линия, соответствующая периоду, когда сердце находится в диастоле. Этот период продолжается до появления новой волны возбуждения, то есть до момента возникновения очередного зубца Р на электрокардиограмме.

Таким образом, комплекс QRST отражает процесс охвата возбуждением желудочков, то есть является их электрической систолой. Отрезок Q - Т, соответствующий времени от начала до конца возбуждения желудочков, показывает длительность электрической систолы.

Хотя на записи не получает отражения биоэлектрическая активность водителя ритма и проводящих путей, тем не менее по электрокардиограмме можно судить об автоматической активности сердца (по числу, ритму и темпу возникновения электрокардиографических комплексов), о появлениях экстренных возбуждений, возникающих в клетке водителя ритма или в каких-либо иных очагах автоматии, состоянии проводящей системы и многих других сторонах сердечной деятельности.

Электрокардиография является информативным методом и пользуется большой популярностью, как у врачей, так и у пациентов, потому что процедура снятия электрокардиограммы не очень сложна и абсолютно безвредна. Однако врач тратит довольно много времени на преставление грудного электрода и на регистрацию каждого отведения в отдельности. Запоминающий цифровой электрокардиограф позволяет снизить до минимума время процедуры (шесть секунд), записать в память одновременно сигналы с двенадцати отведений, а также использовать прибор при выездах врача на дом.

Технические требования к разрабатываемому кардиографу

Основные технические требования проектируемого электрокардиографа должны удовлетворять ГОСТ 19687-89 "Приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца. Общие технические требования и методы испытаний." Основные параметры электрокардиографа должны соответствовать приведённым ниже:

Диапозон входных напряжений, мВ	250
Максимальная приведенная погрешность измерения амплитуды кардиосигнала, %	0.5
Максимальная абсолютная погрешность измерения временного интервала в кардиосигналене не более, мС	5
Чувствительность, мкВ	3
Входной импеданс, Мом	5
Коэффициент ослабления синфазных сигналов, не менее	100000
Напряжение внутренних шумов, пориведенных ко входу, мкВ, не более	2
Неравномерность амплитудно-частотной характеристики в диапозонах частот от 0.5 до 50 Гц, % от 60 до 150 Гц, %	90...105 70...105
Частота дискретизации входного сигнала не менее, Гц	1000

Электрокардиограф должен иметь калибратор, обеспечивающий подачу сигнала прямоугольной формы в каждом канале. Относительная погрешность регистрации калибровочного сигнала должна быть не более 5%. Калибровочный сигнал должен быть введён перед всеми элементами связи по переменному току, определяющими постоянную времени и перед всеми регулировками, доступными оператору.

Постоянный ток в цепи пациента, протекающий через любой электрод, включая нейтральный, не должен превышать 0.1мкА.

По электробезопасности электрокардиограф должен соответствовать ГОСТ 12.2.025-76 "Изделия медицинской техники. Электробезопасность." По электробезопасности электрокардиограф должен относиться к классу защиты П, типу BF.

Эксплуатационные характеристики прибора:

установленная безотказная наработка - не менее 2500 часов;

средняя наработка на отказ - не менее 9000 часов;

полный установленный срок службы прибора - не менее 4 лет;

- средний срок службы - не менее 5 лет.

Анализ принципов функционирования электрокардиографов

За последнее время внешний вид и принцип действия одноканального электрокардиографа, который все еще остается основным аппаратом в российских больницах, изменились очень мало. Однако, параметры и технические возможности этого электрокардиографа не позволяет с высокой точностью определить и зарегистрировать биопотенциалы сердца, следствием этого является появление новых и радикально отличных от старых моделей типы электрокардиографов. Рассмотрим некоторые из них.

Электрокардиограф с записью ЭКГ на ленту

Если ежедневно необходимо записывать и мониторировать большое число ЭКГ, то можно существенно уменьшить затраты труда персонала, применяя автоматические трехканальные электрокардиографы. Эти приборы не только записывают с помощью трехканального регистратора сигнал от трех отведений одновременно, но и автоматически переключаются на следующую группу из трех отведений. Поэтому ЭКГ от 12 стандартных отведений можно автоматически записать в виде последовательности от четырех групп из трех записей. При этом для реальной записи необходимо примерно 10 секунд. Группы регистрируемых отведений и моменты времени, в которые происходит переключение, указываются автоматически с помощью кодовых меток, наносимых в начале записи. В конце записи во всех трех регистрирующих каналах фиксируются калибровочные импульсы. Хотя реальная длительность записи существенно уменьшается по сравнению с одноканальными электрокардиографами, в этом случае требуется больше времени для закрепления электродов на пациенте, так как для каждого положения грудных электродов необходимо использовать отдельные электроды. Однако существенно упрощается монтаж ЭКГ: отпадает необходимость разрезать и монтировать отрезки для отдельных отведенй.

Электрокардиографы, предусматривающие обработку сигнала на ЭВМ

Все более широко используется автоматический анализ ЭКГ на ЭВМ. Этот метод требует, чтобы сигнал от стандартных отведений последовательно передавался к ЭВМ с помощью соответствующих средств; при этом также должна одновременно передаваться дополнительная информация о пациенте. Для этого можно присоединить автоматический электрокардиограф. Сигналы ЭКГ можно либо записать на ленту и позднее ввести в ЭВМ, либо непосредственно передать на ЭВМ по специальным линиям с помощью специального акустического соединительного устройства. Информация о пациенте вводится с помощью наборных дисков или клавишных панелей и передается вместе с ЭКГ сигналами. Во время передачи сигнала производится запись ЭКГ, которая позволяет убедиться, что передаваемые сигналы свободны от помех и искажений.

Векторные электрокардиографы

Напряжение, порождаемое деятельностью сердца можно представить в виде вектора абсолютной времени. В ранее рассмотренном электрокардиографе регистрируется только абсолютная величина напряжения. Вектор-кардиография позволяет отобразить и абсолютную величину и пространственную ориентацию сердечного вектора. Однако этот вектор является трехмерной величиной, и чтобы полностью описать его с помощью двухмерных фигур, необходимы три его проекции на ортогональные плоскости. Чтобы снять сигналы для вектор-кардиограммы, нужно использовать специальную систему размещения электродов (чаще всего используется система Франка). Вектор-кардиограмма обычно отображается на ЭЛТ, аналогичной ЭЛТ, используемой в мониторах для наблюдения за пациентами. Каждый QRS комплекс отображается как последовательность «петель» на экран; изображение потом фотографируется фотокамерой. Существуют вектор-кардиографы, в которых для замедления ЭКГ сигналов используются ЭВМ, это позволяет записать вектор-кардиограммы с помощью механических двухкоординатных графопостроителей.

Электрокардиографические системы для испытаний под нагрузкой

Коронарная недостаточность часто не отражается в ЭКГ, если запись производится в состоянии покоя. В испытаниях с упражнениями на двух ступенях на сердечно-сосудистую систему дается физическая нагрузка. Перед записью ЭКГ пациенту предлагают подниматься и спускаться по специальной паре ступеней высотой около 23 см. На этом же принципе основаны и испытания под нагрузкой во время, которых пациент идет с определенной скоростью по бегущей дорожке, наклон которой можно изменить. При испытаниях с упражнениями на двух ступенях используется обычный одноканальный электрокардиограф, для испытаний под нагрузкой применяют специальные системы, которые обычно комплектуют из нескольких отдельных приборов.

Типичная система для испытаний под нагрузкой состоит из следующих частей:

бегущая дорожка, которая может быть снабжена автоматическим программным устройством для изменения скорости и наклона, что позволяет дозировать нагрузку;

радиометрическая система снятия ЭКГ, позволяющая записывать ЭКГ без артефактов, в то время как пациент находится на дорожке;

монитор ЭКГ с дисплеем на ЭЛТ и измерителем частоты сердечных сокращений;

электрокардиограф;

автоматический или полуавтоматический сфигмоманометр для косвенного измерения давления крови.

Так как испытания под нагрузкой создают определенный риск для пациентов с сердечными недомоганиями или для тех, у кого подозревают такие недомогания, во время проведения этих испытаний обычно держат наготове дефибрилятор постоянного напряжения.

Непрерывная запись ЭКГ (запись Холтера)

Так как обычная ЭКГ представляет собой короткий отрезок записи сердечной деятельности, то аритмии, которые продолжаются короткое время и возникают случайно или только при определенных условиях (например, при эмоциональном стрессе) часто пропускаются. Метод непрерывной записи ЭКГ, который был впервые введен Норманом Холтером, дает возможность обнаружить аритмии такого вида. При этом ЭКГ пациента записывается во время его обычной ежедневной деятельности с помощью специального магнитофона. Самый маленький прибор такого типа можно носить в кармане рубашки, он позволяет записать ЭКГ в течение 24часов. Записанная лента анализируется с помощью специального сканирующего устройства, которое воспроизводит запись с более высокой скоростью, чем та, использовалась при записи. С помощью этого прибора ленту, содержащую запись за 24 часа, можно воспроизвести за 12 минут. Во время воспроизведения отдельные периоды ЭКГ отражаются на экране как «частокол», в котором отчетливо видны отрезки, соответствующие аритмии. Как только такой отрезок будет обнаружен, лента перематывается назад и воспроизводится замедленно, чтобы можно было получить обычную ЭКГ для интервала времени, когда происходила аритмия. Специальные часы, синхронизированные с приводом лентопротяжки, позволяют соотнести интервалы времени, когда происходила аритмия, с деятельностью пациента.

Описание наиболее распространенных электрокардиографов, выпускаемых отечественной промышленностью

Рассмотрим более подробно некоторые виды электрокардиографов, их технические характеристики, структурные схемы и назначение.

Одноканальный электрокардиограф ЭК1Т-04

Электрокардиограф ЭК1Т-04 одноканальный портативный с перьевой записью на теплочувствительной диаграммной ленте предназначен для измерения зависимости разности потенциалов электрического поля сердца от времени при исследовании сердечно-сосудистой системы человека в условиях клиник, больниц, госпиталей, скорой и неотложной помощи на дому.

Электрокардиограф ЭК1Т-04 по типу источника питания выпускается в двух вариантах:

электрокардиограф с комбинированным питанием - питание как от сети переменного тока напряжением 127/220 В, частотой 50 или 60 Гц через блок стабилизатора, так и от блока аккумуляторов напряжениями 11-14 В;

электрокардиограф с сетевым питанием - питание только от сети переменного тока напряжением 127/220 В частотой 50 или 60 Гц через блок стабилизатора.

Приведем некоторые технические характеристики электрокардиографа ЭК1Т-04.

Диапазон изменения напряжения - от 0.03 до 4 мВ.

Чувствительность (изменяется ступенчато ) - 5, 10, 20 мм/мВ.

Диапазон изменения интервалов времени - от 0.06 до 2 секунд.

Полоса пропускания - 0.1 - 60 Гц.

Верхняя граничная частота - не менее 60 Гц.

Постоянная времени - не менее 2.2 секунд.

Скорость движения носителя записи - 25 и 50 мм/с.

Ширина диаграммной ленты - 50 мм.

Эффективная ширина записи - 40мм.

Входное сопротивление - не менее 2х20мОм.

Уровень внутренних шумов, приведенных по входу - не более 30мкВ.

Вид записи - тепловая

Регистрируемые сведения - I, II, III, aVR, aVL, aVF, V.

Питание:

от сети переменного тока напряжением 127/220В10%, частотой 500.5 Гц или 600.6Гц;

от блока аккумуляторов напряжением 11 - 14В.

Время установления рабочих режимов - не более 1мин.

Время непрерывной работы, ч., не менее:

при питании от сети переменного тока - 8;

при питании от полностью заряженного блока аккумуляторов - 2.

Потребляемая мощность, Вт, не более:

от сети - 20;

от блока аккумуляторов - 8.5.

Габаритные размеры - 270х170х92мм.

Масса, кг, не более:

с блоком стабилизатора - 4.2;

с блоком аккумуляторов - 3.8;

с комплектом запасных частей и принадлежностей - 10.

Испытательное напряжение усиленной изоляции сетевой части прибора по отношению к рабочей части и корпусу - 4000В.

Условия эксплуатации электрокардиографа:

температура окружающей среды - от 10 до 95С;

относительная влажность воздуха при температуре 25С и атмосферном давлении (100040)гПа - до 90%.

Вероятность безотказной работы электрокардиографов за 500ч. условно-непрерывной работы - не менее 0.8.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Средний срок службы до списания при соблюдении условий эксплуатации, транспортировки и хранения - не менее 5 лет.

Структурная схема одноканального электрокардиографа ЭК1Т-04 представлена на рисунке 1.7.

Одноканальный электрокардиограф с микропроцессорным управлением ЭК1ТЦ-01

Более совершенным из одноканальных электрокардиографов с

перьевой записью на теплочувствительной диаграммной ленте является электрокардиограф с микропроцессорным управлением. Микропроцессор позволяет автоматизировать управление электрокардиографом, в частности, управление работой двигателя, нагревом пера, устройством включения питания и клавиатурой и обеспечивает вывод информации на индикаторы, а также с помощью микропроцессора осуществляется измерение RR-интервалов. Структурная схема микропроцессорного электрокардиографа представлена на рисунке 1.8.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Цифровой компьютерный электрокардиограф

В 2000 году Зеленоградской фирмой медицинские компьютерные схемы был разработан компьютерный электрокардиограф KARDi, который имеет следующие параметры:

Программное обеспечение ПЭВМ позволяет производить различные методики. Например, съем стандартной ЭКГ, сжатие ЭКГ, автоматический анализ, мониторинг ЭКГ, ритмографию и печать результатов.

Данный электрокардиограф построен по схеме приведенной на рисунке 1.9.

Схема работает следующим образом: ПЭВМ выдает управляющую информацию на карту ввода/вывода, устройство связи с ПЭВМ и АЦП с целью задать необходимый режим работы всего устройства. После этого АЦП с необходимым периодом дискретизации преобразовывает сигналы биопотенциалов сердца, усиленные ВУ, в цифровой код, который далее УС передается в ПЭВМ. Дальнейшая обработка кардиосигнала производится в ПЭВМ. Такой вариант построения электрокардиографов имеет ряд недостатков:

отсутствие в кардиографе средств, для первичной обработки ЭКГ;

связь с компьютером осуществляется по специальному интерфейсу, что требует специальной карты ввода/вывода;

Невозможность работы электрокардиографа в автономном режиме (без ПЭВМ).

Исходя из недостатков перечисленных выше электрокардиографов видно, что возникает необходимость создания электрокардиографа по медико-техническим параметрам близкого к электрокардиографу KARDi, но который имеет возможность записи и предварительной обработки ЭКГ в автоматическом режиме, то есть без ПЭВМ. Данное усовершенствование позволит значительно упростить работу с электрокардиографом в автоматическом режиме, а также улучшить ряд его технологических характеристик: размер, вес и потребляемая мощность. Позволит реализовать непрерывную запись ЭКГ (запись Холтера). Также электрокардиограф должен иметь стандартный интерфейс для связи с ПЭВМ. Такие как: порт CENTRONIC, COM, USB, SCASI.

Выбор и описание структурной схемы

На основе изложенного в п.1.3 можно составить структурную схему электрокардиографа. Разработанная структурная схема приведена в графическом приложении 1909.Д01.167.00.00.Э1. На схеме используются следующие обозначения: ВУ - входной усилитель; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; УГР - устройство гальванической развязки; ЦСП - цифровой сигнальный процессор; ОЗУ - оперативное запоминающие устройство; БП - блок питания; КВВ - контроллер ввода/вывода; БКИ - блок клавиатуры и индикации; ПЭВМ - персональная ЭВМ.

ВУ выполняет функцию согласования сопротивления человеческого тела и выходного сопротивления АЦП, также осуществляет защиту электрокардиографа при использовании дефибрилятора, и нормирование входного сигнала. АЦП представляет собой 9 синхронно работающих 22 битных аналого-цифровых преобразователя. УГР обеспечивает гальваническую развязку необходимую для электробезопасности пациента. ЦСП в режиме автономной работы выполняет первичную обработку, сжатие и запись в ОЗУ сигналов ЭКГ. ОЗУ предназначено для хранения кардиограмм при работе электрокардиографа в автономном режиме. КВВ предназначен для обмена информацией с ПЭВМ. БИ в режиме работы с ПЭВМ (комплексный режим) осуществляет вывод информации о состоянии аппаратной части электрокардиографа. А в автономном режиме на него осуществляется вывод электрокардиограмм, для того чтобы оператор мог видеть качество записываемых сигналов. БП осуществляет электропитание всех узлов электрокардиографа. ПЭВМ имеет специальное программное обеспечение для обработки кардиосигнала.

Расчет электрической схемы и определение основных характеристик ПММК

Функциональная схема и описание принципа ее действия

Функциональная схема представлена в графическом приложении 1909.Д01.167.01.00.Э2. На схеме приняты следующие обозначения: R, L, F, C1, C2, C3, C4, C5, C6, N - отведения; УЗ1...УЗ9 - устройства защиты; УПСП - устройство подавления синфазной помехи; У - усилители; АЦП1...АЦП9 - аналого-цифровые преобразователи; УГР - устройство гальванической развязки; DSP - цифровой сигнальный процессор (Digital Signal Processor); RAM - оперативное запоминающее устройство; AVR - контроллер ввода/вывода (КВВ); TTL-232 - преобразователь уровня;

Сигналы отведений подаются на входы устройств защиты, которые служат для ограничения входного напряжения на уровне 1В, и выполняют роль защиты входа усилителя от перегрузок (например, при применении дефибрилятора), а также имеют интегрирующую RC-цепь для защиты усилителя от высокочастотных помех, наводимых на тело человека.

Усилитель служит для согласования сопротивления тела человека и входа АЦП, и масштабирует входной сигнал для нормальной работы АЦП. Усилитель выполнен на малошумящем операционном усилителе, имеющем малое смещение нуля. Операционный усилитель включен по неинвертирующей схеме.

УПСП выполняет функцию выделения напряжения общего для всех сигнальных электродов и формирования напряжения, равного по модулю, но противоположенному по знаку, для подавления части синфазного напряжения на входах усилителей. УПСП выполнен на малошумящем операционном усилителе, включенном по схеме инвертирующего усилителя, имеющего большой коэффициент усиления (100...1000).

АЦП выполняет функцию преобразования аналогового сигнала в цифровой и передачу цифрового сигнала по последовательному каналу связи в цифровую часть кардиографа. АЦП должен обладать малым уровнем шумов дискретизации и достаточным динамическим диапазоном (не менее 95дБ) для линейного преобразования (без ограничения) в цифровой вид синфазной составляющей входного напряжения для формирования стандартных (а также по Вильсону и других) отведений в цифровом виде.

Устройство гальванической развязки служит для электрической изоляции входной части кардиографа, имеющей электрический контакт с телом пациента, и цифровой части, непосредственно связанной с ПЭВМ. Устройство гальванической развязки реализовано на быстродействующих диодных оптронах.

Цифровой сигнальный процессор (DSP) предназначен для первичной обработки кардиосигналов при работе кардиографа с ПЭВМ. А в автономном режиме выполняет функции: формирование отведений, фильтрации кардиосигналов, сжатие полученных данных, запись их в ОЗУ большого объема.

КВВ в комплексном режиме предназначен для обмена данными электрокардиографа с ПЭВМ, по одному из последовательных портов: USB или RS-232, и отображения управляющей информации на ЖК-дисплее. В автономном режиме работы выполняет функции контроллера управляющего отображением информации (управляющей и сигнал одного из отведений) на ЖК-дисплее.

Оперативное запоминающее устройство предназначено для хранения электрокардиограмм в автономном режиме работы электрокардиографа. Время хранения может составлять несколько суток. Состоит из набора микросхем статического ОЗУ, имеющих режим малого энергопотребления.

ЖК индикатор предназначен для вывода различной информации. Представляет собой графический матричный ЖК-дисплей, имеющий параллельный интерфейс ввода/вывода данных.

Преобразователь TTL-232 предназначен для согласования по уровню логических сигналов AVR-микроконтроллера и последовательного порта ПЭВМ RS-232.

Расчет и описание принципиальной схемы

Выбор и описание параметров АЦП

Так как формирование отведений осуществляется в цифровом виде, АЦП должен обеспечивать линейное преобразование не только дифференциальной составляющей поступающего сигнала, но и синфазной, то есть динамический диапазон АЦП (D) должен быть не менее 95...98Дб. Исходя из этого можно рассчитать минимальное число разрядов АЦП, причем полученное число округляем до ближайшего большего целого числа.

где D - динамический диапазон АЦП;

Это количество разрядов достаточно при использовании АЦП имеющего идеальные характеристики, и при идеальном контакте электродов с кожей человека, так как применяемое АЦП не идеально, и имеется значительная контактная разность потенциалов (до 200мВ) между электродом и кожей, поэтому, диапазон входного напряжения электрокардиографа составляет примерно 0.3В, и следует применять АЦП с большей разрядностью. АЦП должен выполнять преобразование входного сигнала менее чем за 1мс, это требуется при спектральном анализе кардиограмм.

Выбираем АЦП типа AD7716BS, его параметры:

Входное напряжение, В	Uвх	2.5
Разрядность		22
Интегральная нелинейность, %		0.003
Абсолютная погрешность преобразования в конце шкалы, %		1
Напряжение питания:
аналоговая часть, В	Uп1	4.75...5.25
	Uп2	-4.75...-5.25
цифровая часть , В	Uп3	4.75...5.25
Токи потребляемые от источников питания:
аналоговая часть, мА	Iп1	1.25
цифровая часть, мА	Iп2	2.5

АЦП имеет синхронный последовательный интерфейс для обмена данными с процессором. В интерфейсе используются следующие сигналы: SCLK - синхроимпульсы, которые обеспечивают синхронизацию бит; RFS - синхронизация приема кадра; TFS - синхронизация передачи кадра; DR - прием данных; DT - передача данных. Также имеются сигналы каскадирования, позволяющие объединять до восьми микросхем данного типа. Скорость передачи по синхронному последовательному порту может достигать 8МБ/с. Так как каждая микросхема содержит четыре АЦП нам необходимо три таких микросхемы. Для управления ними необходимо три сигнала: RESET - запуск преобразования входного сигнала; DRDY - завершение преобразования входного сигнала; CLKIN - тактовая частота для синхронизации АЦП.

Расчет устройства защиты и входных усилителей

В качестве устройства защиты применяем диодный ограничитель напряжения (ДО), собранного на элементах: сопротивлении R1 и диодах VD1, VD2. Для задания уровня ограничения применяются источники напряжения собранные на сопротивлениях R2, R3 и диодах VD1, VD2.

Входной усилитель представлен в виде неинвертирующего усилителя коэффициенты усиления, которого задаются с помощью сопротивлений R4 и R5 и рассчитывается по формуле.

(2.1)

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Зная напряжение питания цепи R2-VD1 (5В) и примерное падение напряжения на диоде VD1 (0.7В), находим падение напряжения на резисторе R2:

Задаемся током для прямого смещения диодов равным 1мА. Следовательно, сопротивление резистора R2, определяем по формуле

,

.

Выбираем резистор R2 типа Р1-12-0.125-4.3кОм5%.

Импульс дефибрилятора имеет амплитуду 6кВ, поэтому перед диодным ограничителем необходимо установить дополнительные средства защиты от высокого напряжения. В качестве устройства защиты принимаем защитный стабилитрон типа 6РЕ100 с напряжением пробоя 100В, следовательно, напряжение на входе ДО не превышает 100В и ток через диоды ДО не превышает Iдmax.

где Uвх max - максимальное напряжение на входе ДО.

.

Выбираем диод с учетом условий Iпр>Iдmax, Uоб>2Uпит. Таким образом, выбираем диод типа 1N914.

Выбираем операционный усилитель DA1 типа OP200GP. Его параметры:

Напряжение питания, В	Uпит	5...20
Напряжение питания номинальное, В	Uпит ном	9
Потребляемый ток, мкА	Iпот	570
Коэффициент усиления	KU	32105
Входной ток, нА	Iвх	5
Входной ток смещения, нА	dIвх	3.5
Входное сопротивление:
синфазный режим, Гом	Rвх синф	125
дифференциальный режим, Мом	Rвх диф	10
Сопротивление нагрузки, кОм	Rн	2
Максимальное выходное напряжение, В	Uвых max	12.2
Ток шума, пА (F=0.01...100 Гц)	Iш	15
Напряжение шума, мкВ (F=0.01...100 Гц)	Uш	0.5
Коэффициент подавления синфазного напряжения, дБ	Кос сф	130
Коэффициент ослабления помех напряжения питания, мкВ/В	Кос пит	1.67106
Температурный дрейф нуля, мкВ/C	TCОУ	0,5

Выбираем резистор R5 типа Р1-12-0.125-10 кОм5%.

Используя формулу 2.1, рассчитываем сопротивление резистора R4:

;

Выбираем резистор R4 типа Р1-12-0.125-68 кОм5%.

В схеме электрокардиографа используется девять входных усилителей, для построения которых применяем пять ОУ типа OP200PG.

Расчет и выбор элементов устройства гальванической развязки

Скорость передачи данных по последовательному каналу связи между АЦП и DSP составляет 8 Мб/с при этом частота следования импульсов в последовательном канале связи может достигать 8 МГц. Исходя из выше сказанного оптроны УГР должны передавать без искажений прямоугольные импульсы с частотой 8 МГц, и изоляция между входом и выходом оптронов должна выдерживать напряжение 4 кВ.

Выбираем оптрон типа HCPL-4661#520, его параметры:

Сопротивление вход-выход, Ом	RI-O	1012
Максимальное напряжение вход-выход, В	UI-O max	5000
Емкость входа, пФ	CI	60
Прямое напряжение на входе, В	UI пр	1,4
Прямой входной ток, мА	Iвх	7,5
Прямой максимальный входной ток, мА	Iвх max	20
Обратное напряжение на входе, В	UI обр	5
Напряжение питания (выходной части), В	UO пит	5
Максимальное напряжение на выходе, В	UO max	7
Максимальный выходной ток, мА	IO max	50
Максимальное время задержки сигнала, нС	tз max	75
Количество оптопар, шт		2

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Для управления микросхемами АЦП необходима гальваническая развязка восьми цифровых сигналов, из них шесть сигналов передаются в АЦП и два из АЦП. Гальваническая развязка всех восьми сигналов осуществляется одинаковыми схемами, одна из которых приведена на рисунке 2.2. Данная схема рекомендуется технической документацией на оптрон HCPL-4661#520.

Микросхема DD1 - шесть инверторов с открытым коллектором на выходе. Значения сопротивления резистора R2 также рекомендуются технической документацией на оптрон, и равняется 1 кОм.

Выбираем резистор R2 типа: Р1-12-0.125-1 кОм.

Сопротивление резистора R1 можно рассчитать по формуле:

,

где Uп1 - напряжение питания входной части равное 5В.

Выбираем резистор R1 типа: Р1-12-0.125-470 Ом.

Выбор и описание цифрового сигнального процессора

Применяемый в данном случае процессор должен обладать высоким быстродействием, большим объемом адресного пространства внешней памяти, малой потребляемой мощностью, систему команд оптимизированную для обработки аналоговых сигналов, имеет синхронный последовательный интерфейс для подключения АЦП и других периферийных устройств. Этим требованиям соответствует цифровой сигнальный процессор типа ADSP2181KS - 133 семейства ASDP21XX фирмы Analog Devices.

Цифровой сигнальный процессор (ЦСП) отличается от обычного микропроцессора в первую очередь архитектурой и системой команд. В основу построения ЦСП положены следующие принципы:

использование гарвардской архитектуры;

сокращение длительности командного цикла;

применение конвейеризации;

применение аппаратного умножителя;

включение в систему команд специальных команд цифровой обработки сигналов (ЦОС);

Гарвардская архитектура подразумевает хранение программ и данных в двух раздельных запоминающих устройствах. Соответственно на кристалле имеется две раздельных шины адреса и данных. Это позволяет совмещать во времени выборку и исполнение команд, обеспечивает короткий командный цикл.

Конвейерный режим используется для сокращения длительности командного цикла. Обычно применяется двух- или трехкаскадный конвейер, что позволяет на разных стадиях выполнения одновременно обрабатывать две или три инструкции.

Аппаратный умножитель применяется для сокращения времени выполнения одной из основных операций ЦОС - операции умножения. В процессорах общего назначения эта операция реализуется за несколько тактов сдвига и сложения и занимает много времени, а в ЦСП благодаря специализированному умножителю - за один командный цикл.

Система команд сигнальных процессоров оптимизирована для выполнения базовых задач ЦОС. Такие как умножение с накоплением, инверсия бит адреса (для быстрого преобразования Фурье), кольцевые буфера (для фильтров) и многое другое.

Процессор ADSP2181KS-133 содержит три независимых полнофункциональных вычислительных устройства: арифметико-логическое устройство (АЛУ), умножитель/аккумулятор (МАС), и устройство барабанного сдвига (SHIFTER). Вычислительные устройства непосредственно работают с 16-ти битными данными и имеют аппаратную поддержку для работы с числами повышенной точности (см рисунок 2.3).

АЛУ выполняет стандартный набор арифметических и логических операций и примитивное деление. МАС выполняет умножение за один цикл, а также операции умножения/сложения и умножения/вычитания. Устройство барабанного сдвига производит арифметические и логические сдвиги, нормализацию и денормализацию. В нем реализованы операции над числами в разных форматах, в том числе над числами с плавающей точкой, занимающими более одного слова.

Все три вычислительных устройства содержат входные и выходные устройства, которые доступны через внутреннюю шину данных памяти данных (DMD). Вычислительные операции обычно берут операнды из входных регистров и помещают результат в выходной регистр. Эти регистры обеспечивают буферизацию между вычислительными устройствами и памятью.

Два выделенных генератора адресов данных DAG и многофункциональный счетчик команд обеспечивают эффективное использование вычислительных устройств. Генераторы адресов данных обеспечивают адреса памяти данных, когда данные пересылаются из выходных или во входные регистры.

Каждый из двух генераторов запоминает по четыре адресных указателя. Имея два генератора адресов, процессор может генерировать два адреса за один цикл, что обеспечивает исполнение двух адресных инструкций.

DAG1 может генерировать адреса только для памяти данных. DAG2 может генерировать адреса, как для памяти данных, так и для памяти программ.

Счетчик команд формирует адреса инструкций для памяти программ. Он управляет регистром инструкций, который содержит исполняемую в данный момент команду. Регистр инструкций буферизирует исполнение программы. Команды загружаются в регистр инструкций в течение одного цикла, а исполняются в течение следующего, одновременно с загрузкой следующей инструкции. Чтобы минимизировать циклы ожидания, счетчик команд выполняет условные переходы, вызовы и возвраты из подпрограмм за один цикл. Он имеет внутренний счетчик вложенности циклов и стек циклов, что позволяет исполнять циклы без потери времени.

Шина адреса памяти данных DMA (Data Memory Address) и шина адреса памяти инструкций PMA (Program Memory Address) используются для указания адресов, относящихся к памяти данных и инструкций. Шины данных памяти данных DMD (Data Memory Data) и шины данных памяти программ PMD (Program Memory Data) используются для данных соответствующего адресного пространства. Эти четыре шины мультиплексированы при обращении к внешней памяти в две шины, шину адреса и шину данных. Шина внутренних результатов (R) прямо связывает различные внутренние устройства и обеспечивает передачу промежуточных результатов.

Ширина шины PMA - 14 бит, что обеспечивает доступ к шестнадцати кбайтам инструкции и данных. Шина PMD имеет ширину 24 бита, что обеспечивает загрузку двадцати четырех битной инструкции.

Ширина шины DMA - 14 бит, что обеспечивает доступ к шестнадцати кбайтам данных. Шина DMD имеет ширину 16 бит, что обеспечивает пересылку любого регистра процессора в любой другой регистр или в память/из памяти в течение одного цикла.

Шина PMD также может быть использована для пересылок данных в/из вычислительных устройств напрямую или через устройство обмена между шинами PMD-DMD. Устройство обмена между шинами PMD-DMD позволяет пересылать данные с одной шины на другую и содержит логику для преодоления разницы шины в 8 бит между двумя шинами.

Почти все процессоры семейства имеют два двунаправленных последовательных порта (SPORT) с двойной буферизацией. Эти порты используют синхронную передачу данных и используют кадровые сигналы, чтобы контролировать поток данных. Каждый порт может тактироваться от внутреннего таймера или от внешней частоты. Сигналы кадровой синхронизации могут быть сгенерированы как самим портом, так и получены извне. Длина слова может меняться от трех до шестнадцати бит. Один порт (SPORT 0) имеет многоканальные возможности, что позволяет получать и передавать слова данных из двадцати четырех или тридцати двух словного потока битов. Другой порт (SPORT 1), может быть сконфигурирован для использования внешних сигналов прерывания IRQ1 и IRQ0 и внешних сигналов Flag out (FO) и Flag in (FI).

Программируемый интервальный таймер обеспечивает периодическую генерацию прерываний. восьми битный масштаб позволяет ему декрементировать содержимое шестнадцати битного регистра-счетчика в диапазоне от каждого цикла до каждого двести пятьдесят шестого цикла процессора.

Мощность, выделяемая в данных резисторах не превышает 0.125Вт, так как напряжение питания - 5В, а минимальное значение сопротивления применяемых резисторов - 300Ом. Так как напряжение питания составляет 5В, конденсаторы, используемые в схеме выбираем на рабочее напряжение 10В.

Расчет основных метрологических показателей ПММК

Основная погрешность измерения биопотенциалов сердца электрокардиографом складывается из погрешностей аналоговой части и погрешности аналого-цифрового преобразователя. Различают два вида погрешности: по времени и по амплитуде.

Расчет погрешности измерения амплитуды кардиосигнала