Аналоговый блок интеллектуального кардиоанализа аритмии

,МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»

Кафедра «Информационно-измерительная  техника»

 

 

 

 

Расчетно-пояснительная  записка 

к курсовому проекту по дисциплине:

«Аналоговые измерительные устройства»

 

Тема: «Аналоговый блок интеллектуального кардиоанализа аритмии»

 

Выполнила: ст. гр.08ПИ1

                                                                                __________   Никитина А.С.

Принял: д.т.н., профессор

__________      Нефедьев Д.И.

 

 

 

 

 

 

Пенза 2012

Содержание

 

РЕФЕРАТ 3

Введение 4

Обзорная часть 6

ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ 13

ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА РАБОТЫ 18

выбор и описание микросхем 21

РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ. 40

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 42

ПРИЛОЖЕНИЕ  А 43

 

 

 

Реферат

Пояснительная записка по курсовому проекту на тему «Аналоговый блок интеллектуального кардиоанализа аритмии» объемом 43 листа, содержит  19 рисунков,  2 графика, 4 таблицы, приложение.

Цель  работы разработка средства измерения.

Данное  средство измерения предназначено для проведения функциональной диагностики кардиологических заболеваний человека и может быть применено в медицинских учреждениях, а так же для мониторинга состояния пациента в условиях свободной активности вне медицинских учреждений.

В процессе работы проведен обзор существующих датчиков ЭКС, разработаны структурные, функциональные и принципиальные электрические  схемы, проведен анализ погрешностей и  рассчитаны отдельные цепи и блоки  устройства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Существенным  фактором, влияющим на успех лечения  кардиологических заболеваний человека, является возможность их диагностирования. Достоверно выявить подобные отклонения возможно с помощью методов диагностики, основанных на анализе электрокардиосигнала (ЭКС).

Особую  роль в решении задачи диагностирования работы человеческого сердца   играют миниатюрные регистраторы ЭКС.  Для разработки таких приборов необходимо рассмотреть целый ряд вопросов, связанных с организацией систем мониторинга ЭКС.

Основная  задача мониторинга - автоматическая диагностика  аритмий. Но даже при врачебном анализе  ЭКГ возможна ее различная интерпретация, связанная с терминологией, ограниченностью  записи, помехами записи и умением  отличать патологическую ЭКГ от нормальной.

Аритмия сердца ( «несогласованность, нескладность») — патологическое состояние, при котором происходит нарушения частоты, ритмичности и последовательности возбуждения и сокращения сердца. Аритмия — любой ритм сердца, отличающийся от нормального синусового (ВОЗ, 1978). То есть при таком патологическом состоянии нарушается нормальная сократительная активность сердца, что может привести к целому ряду серьёзных осложнений. Термин «аритмия» объединяет различные по механизму, клиническим проявлениям и прогностическому значению нарушения образования и проведения электрического импульса. В обычной жизни, когда с сердцем все в порядке, человек, как правило, не ощущает его биения, не воспринимает его ритма. А при появлении аритмии явно чувствуются перебои, замирание сердца либо резкое хаотическое сердцебиение.

 

Кардиоанализ – это уникальный метод неинвазивного конроля функционального состояния сердца, основанный на компьютерном расчете и 3D-визуализации "портретов сердца" электромагнитного излучения миокарда

 

по низкоамплитудным флуктуациям  стандартной ЭКГ, регистрируемой по отведениям от конечностей.

Данная методика обеспечивает быстрое и точное отнесение состояния  сердца к одной из четырех групп: норма, пограничное состояние, невыраженная патология, выраженная патология.

Он наглядно показывает и  врачу, и пациенту проблемные области  сердца, позволяет выявить ишемическую  болезнь сердца, предынфарктное состояние, дает информацию о выраженности и  локализации очага изменений  на трехмерном "портрете" сердца, о степени опасности состояния, а также о наиболее вероятном  виде патологии. Информативность метода очень высока, особенно когда речь идет о выявлении ишемической болезни сердца, предынфарктных состояний, уточнении причин аритмий, различных кардиомиопатий. Быстрота и надежность в исследовании сердечной электропроводимости позволяет врачу использовать КАРДИОАНАЛИЗ для оценки эффективности назначенной терапии.

Для повышения  надежности автоматической диагностики  аритмий имеет значение такая  методика анализа электрокардиосигналов (ЭКС), которая может обеспечить оптимальный по затратам и клинической ценности результат анализа. Тем более что ЭКГ - диагностика не может быть окончательной без ознакомления с клинической картиной заболевания.

Необходимо  добиваться наилучшего соотношения  стоимость — эффективность. Кроме  перечисленных основных медицинских  и эксплуатационных требований на такие  устройства  распространяются государственные  и отраслевые стандарты на электронные  медицинские приборы, регламентирующие показатели качества, диапазон изменения  параметров и погрешности измерений.

 

Обзорная часть 

На сегодняшний  день создано большое количество датчиков ЭКС различных фирм производителей. Рассмотрим некоторые из них и проведем анализ технических характеристик и цен на датчики ЭКС.

Электрокардиограф Поли-Спектр-8/EX 12-канальный миниатюрный  беспроводный

Поли-Спектр-8/EX - 12-канальный миниатюрный  беспроводный электрокардиограф (рисунок 1.1). Прибор не связан проводом с компьютером! Он может располагаться прямо на теле пациента. А ЭКГ от него передается по радио с использованием технологии Bluetooth на расстояние до 7 метров!

Рисунок 1.1

Несмотря на то, что данные от этого  кардиографа передаются по радио, он имеет технические характеристики, существенно превышающие те, которыми обладают представленные сейчас на рынке  проводные электрокардиографы: частота  квантования — 1000 Гц, разрядность  АЦП — 24 бит.

Такие параметры оцифровки вместе с библиотекой мощных цифровых фильтров, использующихся при обработке ЭКГ  в компьютере, позволяют добиться высочайшего качества ЭКГ.

В базовой комплектации Поли-Спектр-8/EX позволяет регистрировать от одного до 12 отведений кардиограммы и один канал дыхания, автоматически проводить  контурный анализ ЭКГ с построением  синдромального заключения, хранить и печатать ЭКГ.

 

 

 

Но основная область применения этого прибора  — нагрузочные тесты (велоэргометрия, тест на беговой дорожке, ортопроба, проба на кресле Барани и т.п.). Именно в условиях интенсивных движений обследуемого можно в полной мере оценить достоинства беспроводной передачи ЭКГ. Ведь электрокардиограф находится прямо на теле пациента, а значит, можно использовать короткий кабель отведений, и колебания его больше не будут сказываться на качестве кардиограммы!

Таблица 1.1.Технические характеристики электрокардиографа8/EX 12

Каналы ЭКГ
Количество отведений ЭКГ	12
Диапазон измерения напряжения	0.03 – 1 мВ
Полоса пропускания	0.05 250 Гц
Диапазон измерения ЧСС	30 240 /мин
Контроль обрыва электродов в процессе регистрации ЭКГ	есть
Защита от импульсов дефибриллятора	есть
Подавление синфазных помех	не менее 100 дБ
Входное сопротивление	не менее 40 МОм
Общие параметры электронного блока:
Разрядность АЦП	24
Частота квантования ЭКГвыбирается пользователемиз списка)	250, 500, 1000 Гц
Связь с компьютером через беспроводный интерфейс	Bluetooth
Габаритные размеры электронного блока	140 70 24 мм
Масса электронного блока	не более 0.2 кг
Канал измерения температуры:
Количество каналов	1
Диапазон измерения температуры	30 – 45 С

 

 

 

 

 

 

12 канальный датчик ЭКГ для холтеровской системы "DiaCard" KР-12

Рисунок 1.2

Датчик модель KР-12, изображенный на рисунке 1.1.6, портативный малогабаритный 12-ти канальный кардиорегистратор для проведения исследований ЭКГ по методу Н.Холтера (максимальновозможных нарушений в работе сердца), в стационарных и амбулаторных условиях, продолжительностью до 24 часов с последующей обработкой на персональном компьютере с использованием программного обеспечения ”DiaCard”

Регистрация выполняется с использованием кабеля на 10-отведений, что позволяет регистрировать стандартные 12 каналов ЭКГ: I, II III - по Эйнтховену (с конечностей), aVR, aVL, aVF - по Гольдьбергеру (усиленные) и V1, V2, V3, V4, V5, V6 – по Вильсону (грудные).

Технические особенности датчика и программного обеспечения системы обработки ”DiaCard” предусматривают возможность проведения и анализа* исследований с наложением как 4-х отведений (с конечностей), при которых уже регистрируются 6 каналов ЭКГ - базовые, а так и с выборочной установкой любого доступного количества грудных отведений (дополнительно к базовым).

 

 

В системе  обработки реализована возможность  контурного анализа и вывода на печать любого участка суточной записи 12 каналов  ЭКГ.

Датчик выполнен в ударопрочном брызгозащищенном корпусе из светло-серого АВС - пластика.

Датчик оборудован современным цветным графическим жидкокристаллическим дисплеем, который используется для подготовки к исследованию и проверки качества регистрируемого сигнала во всех 12-ти каналах.

Для управления функциями датчика применена закрытая пленочным экраном клавиатура, состоящая из 6-ти кнопок, защищенная от загрязнения и допускающая контакт с дезинфицирующими средствами, не содержащими активный хлор, спирты и растворители.

Запись  данных осуществляется на флешь карту  памяти объемом 2ГБ, встроенную в датчик.

Датчик оборудован считывающим устройством стандарта USB-2.0. Для переноса данных достаточно подключить датчик к компьютеру обычным, входящим в комплект, кабелем USB-A/miniUSB. Время считывания исследования составляет всего несколько минут.

Функция анализа искусственного водителя ритма (ИВР) в датчике включена всегда и для ее работы никаких дополнительных настроек не

требуется. Запись отфильтрованного и выделенного  сигнала ИВР выполняется отдельным  каналом. Для  анализа ИВР используется дополнительная опция программного обеспечения «PM».

Входные каскады усилителей ЭКГ защищены от импульсов дефибриллятора.

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.2 Технические характеристики "DiaCard" KР-12

Количество отведений	12
Диапазон входных напряжений	0,01÷10,0 мВ
Частотный диапазон	0,1÷60 Гц
Память	2ГБ
Продолжительность записи, ч	24
Дисплей	ЖКИ 1.65'' (128Х64)
Питание, В / тип источника, кол-во	2,8÷3,4 / батарейка АА, 2 шт.
Габаритные размеры	110х60х25 мм
Вес	115г

 

 

 

Электрокардиограф многоканальный с автоматическим режимом  ЭК12Т «АЛЬТОН-103»

Альтон-103 - относится к новому поколению  цифровых электрокардиографов, удачно сочетающих современные технологии, элегантный дизайн, универсальность  применения, удобство в работе и  надежность.

Рисунок 1.3

Основные возможности:

* Конструкция  "все в одном"  
* ЖК-экран 60 х 60 мм на передней панели прибора  
* Хранение ЭКГ на съемной карте памяти  
* Широкий выбор форматов печати  
* Питание от бортовой сети автомобиля

При создании компактного электрокардиографа «Альтон-103» были использованы новейшие технологические разработки. Отличительной  особенностью прибора является блок питания в корпусе аппарата. Такое  конструктивное решение существенно  снижает габариты и вес комплекта, а пользоваться кардиографом становиться удобнее. На ЖК-экране можно мониторировать до 3 отведений ЭКГ. В кардиографе реализована удобная система управления. Это значительно расширяет диапазон функций аппарата и возможности работы с сохраненными данными.

Электрокардиограф обеспечивает автоматическое проведение основных измерений ЭКГ  и печать результатов. Отсек для бумаги позволяет использовать рулоны длиной до 50 м, что обеспечивает бесперебойную длительную работу. Автономным источником питания служат два широкораспространенных NiMH аккумулятора типа R20. Зарядки хватает на регистрацию более 80 ЭКГ.

«Альтон-103» может комплектоваться  картой памяти стандарта SD (ММС), а также  портом Bluetooth. Это позволяет хранить практически неограниченное количество записей ЭКГ и легко переносить данные в компьютер по беспроводному соединению.

Питание электрокардиографа может  осуществляться непосредственно от бортовой сети автомобиля. Базовый комплект поставки: электрокардиограф, 2 аккумулятора (NiMH размер R20), кабель пациента, комплект электродов (4 конечностных и 6 грудных), электродный гель, термобумага, сумка для переноски.

Дополнительная комплектация: карта  памяти SD (ММС), модуль передачи данных по Bluetooth, (комплектации C, AC), возможность питания от бортовой сети автомобиля (комплектации A, AC).

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.3 Технические характеристики ЭК12Т «АЛЬТОН-103»

Встроенный блок питания от сети
Встроенный ЖК-экран	60 х 60 мм
Формат печати 1 или 3 отведения   АЦП	12 бит
частота дискретизации на канал	8000 Гц
Скорость подачи бумаги	12,5, 25 или 50 мм/с
Ширина и макс. длина термобумаги	(рулон) 57 мм x 50 м
Размеры электрокардиографа	180х140х75
Возможность питания от бортовой сети автомобиля
Масса: с кабелем пациента и аккумулятором	1,0 кг   комплекта в сумке менее 2,5 кг

 

Вывод

Рассмотрев  существующие аналоги датчиков ЭКС можно сделать следующий вывод: большинство производителей медицинской аппаратуры стремятся к миниатюризации массогабаритных показателей своей продукции.  Но как видно немало важную роль в реализации своей продукции играет цена на продукцию.  Далеко не каждый человек  способен позволить приобрести  данные аппараты. Поэтому нужно учитывать и такой аспект как цена при проектировании новых, существенно лучших приборов диагностирования ЭКС.

 

 

 

 

 

 

 

2.1 Разработка и описание структурной схемы.

 

В цель нашей  разработки входит создание современной  системы беспрерывного анализа  состояния сердца. Система состоит из датчика, закрепленного на теле пациента и устройства приема и окончательной обработки информации. В качестве такого устройства может использоваться, например, смартфон. Сигнал с датчика передается на устройство по радиоканалу.

Ключевые  требования, предъявляемые к датчику  это малые размеры, низкое энергопотребление  в совокупности с достаточной  точностью регистрации ЭКС. Так  же, прибор должен удовлетворять всем современным требованиям по безопасности и иметь защиту от разряда кардиостимуляторов, который может привести к выходу из строя всего устройства

 

Рисунок 2.1 Структурная схема

 

Э-электроды

ЦЗ-цепи защиты

ИУ-инструментальный усилитель

ОУ-операционный усилитель

ДО-детектор обрыва электродов

ФНЧ-фильтр нижних частот

АЦП- аналогово-цифровой преобразователь

 

 

 

 

 

 

МП-микропроцессор

БП-блок питания

ПП-приемопередатчик

БУФ-блок усиления и фильтрации

БОС-блок оцифровки сигнала

 

Далее рассмотрим предлагаемую схему.

Сигнальная  цепочка может быть значительно  упрощена при использовании микроконтроллера, который позволяет заменить АЦП, фильтры и вычислительный блок одной  интегральной микросхемой. Дополнительные преимущества заключаются в гибкости перестройки параметров фильтра и в изоляции цифрового интерфейса.

Для схемы  аналогового входа применено  традиционное для подобных систем решение: инструментальный усилитель (ИУ) и операционный усилитель обратной связи, выход  которого подключен к телу пациента. В качестве инструментального усилителя  необходимо использовать усилитель  с высокой точностью и хорошими характеристиками на постоянном токе:

большой коэффициент  ослабления синфазного сигнала КОСС, смещение на входе не более 50 мкВ, малый  входной ток (1 нА макс.) и низкое напряжение шума.

 Для  того чтобы избежать насыщения  выхода, коэффициент усиления необходимо  установить такой, чтобы размах  выходного напряжения соответствовал  максимальному, если на входе присутствует максимальное расчетное напряжение сигнала.  

В схеме  обратной связи, предназначенной для  компенсации синфазного

сигнала, необходим малопотребляющий, прецизионный ОУ с чрезвычайно высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала. Эта схема подает на тело пациента напряжение, компенсирующее синфазную составляющую сигнала с целью устранить влияние синфазного сигнала.

Так же должны присутствовать цепи защиты от дефибриллирующих импульсов и токов утечки, обеспечивающие безопасность пациента в соответствии с требованиями стандарта AAMI (Association for the Advancement of Medical Instrumentation).

Эти стандарты  требуют, чтобы среднеквадратическое значение тока  утечки на землю или  тока в аварийном режиме не превышало 50 мкА.

Для фильтрации сигнала можно использовать как  аналоговые фильтры, так и ресурсы  микроконтроллера. Производительность современных микроконтроллеров  достаточна для  того чтобы полностью  обрабатывать сложные сигналы не прибегая к аналоговой фильтрации. Однако такие микроконтроллеры относительно дороги и потребляют значительную мощность. Выходом из этой ситуации является совмещение аналоговой и цифровой фильтрации. В аналоговой части можно оставить легко реализуемые активные или  пассивные фильтры, например, применить  один ФВЧ. При этом исключается значительная часть вычислений в микроконтроллере. Сложные фильтры, требующие настройки  и использования прецизионных элементов, можно реализовать программным  методом. Такая схема позволяет  значительно упростить реализацию и удешевить конструкцию. При  этом монтажная площадь, занимаемая элементами, по сравнению со схемой без аналоговой обработки практически  не увеличивается, так как современные  дискретные элементы и аналоговые микросхемы очень миниатюрны, а уменьшение требуемой  вычислительной мощности позволяет  использовать небольшие маломощные микроконтроллеры.

Аналого-цифровой преобразователь должен входить в состав микроконтроллера, это также приводит к уменьшению занимаемого места на плате и снижению энергопотребления.

Для связи  с ведущим устройством, датчик должен использовать распространенный беспроводной протокол использующий технологию низкого  энергопотребления, это подразумевает  использование специального контроллера  или модуля.

 

 

 

 

 

 

2.2 Разработка и описание функциональной схемы

 

 На основе структурной схемы была разработана функциональная схема электронного блока, приведенная на рисунке 2.2

                                                                                              

 

Рисунок 2.2. Функциональная схема

 

Устройство  работает следующим образом. ЭКС  поступает на вход датчика через  провода, подключенные к кожным электродам. На входе устройства присутствует защита от электростатических разрядов и разряда  дефибриллятора.  Во время дефибрилляции импульс, размах которого может достигать 4 кВ, попадает на электроды ЭКГ. Защиту от воздействия дефибриллятора выполняют путем двухстороннего диодного ограничения исходно запертыми диодами. Обратное сопротивление диодов велико и практически не влияет на входной импеданс. Кроме того, входной ток можно ограничить с помощью резисторов.

 

 

 

 

 

Сигнал  с двух сигнальных электродов поступает  на вход инструментального усилителя (ИУ), который обеспечивает предварительное  усиление. Для компенсации синфазной  помехи в схему вводится дополнительная обратная связь. С выхода ИУ через  дополнительный ОУ сигнал в противофазе  поступает на тело пациента. Для  этого задействуется третий дополнительный электрод, который обычно располагается  на правой ноге. После ИУ сигнал поступает  на вход фильтра верхних частот частотой среза около 0,05 Гц.   Тем самым  устраняется постоянная составляющая сигнала, возникающая из-за неидеальности электродов.

Для контроля входного сигнала в современных  кардиоанализаторах используется детектор обрыва электродов (ДО), который выдает сигнал, при обрыве связи с одним или несколькими электродами. В данной схеме детектор выполнен в виде компаратора, сравнивающего входное напряжение сигнала с заданной величиной U₀. В случае отсутствия сигнала детектор обрыва подает сигнал на микроконтроллер (МК), который генерирует уведомляющий сигнал и передает его через приемопередатчик (ПП) на главное устройство.

Для преобразования, поступившего с электродов  сигнала  ЭКГ в удобный для анализа  и оценки цифровой вид, используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП), входящий в состав периферии микроконтроллера.

Микроконтроллер производит оценку поступившего сигнала, и передает информацию о сигнале  и его значения на ПП через интерфейс  связи.

Приемо-передатчик представляет собой модуль одной  из распространенных интерфейсов передачи данных через радиоканал. Обычно такие  модули имеют интерфейсы согласования с микроконтроллерами и прочими  устройствами и не требуют настройки.

 

 

 

 

 

2.3 Разработка алгоритма приема, обработки и передачи ЭКС

 

 

Рисунок 2.3 Алгоритм работы

 

После подачи питания микроконтроллер устанавливается  в начальное состояние, после  чего начинается выполнение программы  инициализации.

 

 

В первую очередь производится назначение портов ввода/вывода.

При выполнении программы инициализации параметров АЦП в первую очередь настраивается  делитель частоты для преобразователя  «аналог–код». Тем временем происходит задание параметров аналого–цифрового преобразования (частота дискретизации и коэффициент усиления). Далее выбирается источник опорного напряжения. Указывается выравнивание результатов преобразования. Выбираются входные каналы. Устанавливаются регистры разрешения АЦП и выбора режима работы.

После начальных  установок контроллер должен установить связь со смартфоном, если синхронизация  установлена, начинается основной цикл программы. Выполняется проверка обрыва электродов, если обрыва не замечено, то запускается работа АЦП. Частота  дискретизации составляет 500 Гц.

На следующем  этапе микроконтроллер дожидается записи отсчета в регистр АЦП  и как только соответствующий  флаг будет выброшен, начнется копирование  результата во временный буфер, который  устанавливается программой. Вместе с копированием попутно может  выполнятся преобразование кода АЦП в удобный для передачи вид.

Далее микроконтроллер  побайтно копирует информацию из буфера в выходные регистры выбранного нами интерфейса передачи. Эту информацию на другом конце линии получает приемник. После передачи выполняется проверка правильности передачи. Если все завершилось  нормально и команды на выключение не последовало, программа возвращается на этап проверки обрыва электродов и  основной цикл повторяется.

Каждый  вывод микросхемы может работать как вход или выход порта. По умолчанию  все выводы настроены как входы, и поэтому необходимо указать  выходы. При выполнении программы  инициализации портов ввода/вывода, выставляются нулевые значения на шинах  адреса и данных, после чего далее  выполняется программа инициализации  параметров АЦП.

При выполнении программы инициализации параметров АЦП в первую очередь настраивается  делитель частоты для преобразователя  «аналог–код». Тем временем происходит задание параметров аналого–цифрового преобразования (частота дискретизации и коэффициент усиления). Далее выбирается источник опорного напряжения. Указывается выравнивание результатов преобразования. Выбираются входные каналы. Устанавливаются регистры разрешения АЦП и выбора режима работы.

После начальных  установок контроллер должен установить связь со смартфоном, если синхронизация  установлена, начинается основной цикл программы. Выполняется проверка обрыва электродов, если обрыва не замечено, то запускается работа АЦП. Частота  дискретизации составляет 500 Гц.

На следующем  этапе микроконтроллер дожидается записи отсчета в регистр АЦП  и как только соответствующий  флаг будет выброшен, начнется копирование  результата во временный буфер, который  устанавливается программой. Вместе с копированием попутно может  выполнятся преобразование кода АЦП в удобный для передачи вид.

Далее микроконтроллер  побайтно копирует информацию из буфера в выходные регистры выбранного нами интерфейса передачи. Эту информацию на другом конце линии получает приемник. После передачи выполняется проверка правильности передачи. Если все завершилось  нормально и команды на выключение не последовало, программа возвращается на этап проверки обрыва электродов и  основной цикл повторяется.

 

 

 

 

 

 

2.4 Выбор и описание микросхем

2.4.1 Блок предварительного усиления и фильтрации

 

Входной сигнал датчика представляет собой  совокупность ЭКС и различных  помех и наводок. Частотный диапазон полезного сигнала 0,05-100 Гц, амплитуда  колеблется в пределах ±5 мВ, при  этом амплитуда помех может превышать  это значение в несколько раз. Основные типы помех, присутствующие в  сигнале, снимаемом с электродов это:

-Высокочастотные  помехи, наводимые различными устройствами

- Помеха 50/60 Гц, наводимая промышленной сетью

- Помехи  от биопотенциалов работающих  мышц