Электрокардиограф

      СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Требования к электрокардиографу …………………………….4

2. Структурная схема прибора……………………………………5

3. Принципиальная схема прибора……………………………….6

4. Расчет погрешностей…………………………………………….20

Список  литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

       Заболевания сердечно-сосудистой системы до сегодняшнего дня сохраняют лидирующее положение в структуре смертности и заболеваемости среди взрослого населения экономически развитых стран. И причинами этого часто является образ жизни, вредные привычки, стрессы, использование некоторых лекарственных средств, генетическая предрасположенность, неблагоприятный экологический фон и т.д.

       Электрокардиография (ЭКГ) является незаменимым мероприятием в качестве мониторинга (наблюдения, контроля) за работой сердечно-сосудистой системы.

       Электрокардиография (ЭКГ) — метод исследования сердечной  мышцы путем регистрации биоэлектрических потенциалов работающего сердца. ЭКГ является основным методом в  диагностике заболеваний сердечно-сосудистой системы.

       Целью курсового пректирования является создание устройства, обеспецивающего  съём ЭКС с пациента, его усиление, фильтрация, оцифровка и передача в ЭВМ. Съём ЭКС необходимо производить по первому отведению Эйнтховена. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ТРЕБОВАНИЯ  К ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФУ

       Электрокардиография – это запись электрических сигналов, генерируемых при работе сердца. Сигнал ЭКГ снимается с кожных покровов при помощи электродов, размещаемых  в определённых точках.

       Метод ЭКГ-диагностики основан на регистрации  биоэлектрических потенциалов, возникающих в сердечной мышце во время сокращения. Отделы сердца охватываются возбуждением последовательно, поэтому на поверхности сердца регистрируется меняющаяся разность потенциалов между возбужденными и невозбужденными участками. Благодаря электропроводимости тканей организма эти электрические процессы можно уловить при размещении электродов на поверхности тела и по результатам ЭКГ судить о состоянии сердечно-сосудистой системы. По данным электрокардиограммы оценивают частоту и ритм сердечных сокращений, проводимость сердечной мышцы, общее состояние сердца.

       Проведя анализ ЭКГ, можно выявить признаки перенесенного инфаркта миокарда, хронической ишемии миокарда, гипертрофии левого или правого желудочка, аритмий, выявить нарушения обмена калия, кальция и магния.

       Расшифровка электрокардиограммы производится специалистом-кардиологом.

       Входные цепи аппарата ЭКГ должны усиливать  довольно слабый сигнал – в диапазоне  напряжений 0,5-5 мВ в сочетании с  постоянной составляющей величиной  до ±300 мВ, которая возникает при  контакте электрода с кожей, плюс симфазная составляющая величиной  до 1,5 В между элетродами и общим  проводом. Полоса частот, подлежащая обработке  и анализу, составляет от 0,05 Гц 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 электрода с кожей,  приводящее к дрейфу постоянной  составляющей;

       - мышечные сокращения;

       - дыхательные движения вызывают  смещение постоянной составляющей;

       - электромагнитные наводки от  других электронных устройств,  когда провода электродов ЭКГ  играют роль антенн.

       Для точной и достоверной регистрации  ЭКГ необходимо принять все меры для отфильтрования или устранения перечисленных шумов.

2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРИБОРА

Рисунок1.Структурная  схема прибора

     Блок  электродов используется для снятия электрических сигналов, генерируемых при работе сердца, с кожных покровов. Электроды размещаются в определённых точках.

     Входы цепи усилителя ЭКС не рассчитаны на высокие напряжения и могут быть повреждены, поэтому на входе схемы стоит блок защиты входной цепи.

     Электрический сигнал, снимаемый электродами, очень  мал и содержит шум. Прежде чем  подвергать этот сигнал оцифровке, его необходимо усилить. Блок усиления и формирования сигнала может быть сконструирован на операционных усилителях.

     Далее сигнал поступает в блок преобразования сигнала в цифровую форму, где также осуществляется его фильтрация. Работа системы организуется микроконтроллером, который обрабатывает полученные результаты и передает их через преобразователь интерфейса RS232 на ЭВМ с помощью оптронной развязки.

3. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА

3.1. БЛОК ЭЛЕКТРОДОВ

     Достаточная точность медицинских измерительных  приборов невозможна без электродов с хорошими эксплатационными показателями и низким уровнем шумов.

     В общем случае погрешности, вызванные  «подэлектродными явлениями» могут  быть разделены на 2 основные группы:

     - погрешности биопотенциалов, вызванные  изменением кожно-электродного импеданса;

     - погрешности вследствие наличия  контактных и поляризованных  потенциалов электродов.

     Для уменьшения влияния этих явлений  на точность измерения биопотенциалов применяются малополяризующиеся электроды  или так называемые обратимые, в  которых металл контактирует со своими труднорастворимыми соединениями.

     В данном приборе используется электрографический хлорсеребряный электрод (такие электроды  получили наибольшее распространение). Хлорсеребряный электрод состоит из серебра и хлорида серебра  Ag-AgCl, помещённых в раствор, сожержащий ионы хлорида, чаще хлорида натрия или калия.

     Используются  одноразовые электроды, они предпочтительнее, так как всегда готовы к употреблению, имеют большую клеящую поверхность, исключающую смещение электродов.

Рисунок 2. Конструкция электрода

1. Пористая диафрагма со слоем серебра;
2. Поры, одна часть из которых заполнена солью AgCl, а другая электролитом;
3. Спай, обеспечивающий электрический контакт токоотвода 4 со слоем серебра;
4. Токоотвод;
5. Корпус.

     На  амлитуду снимаемого сигнала и уровень  перекрестных помех влияют форма  электродов (дисковая или прямоугольная), а также межэлектродное расстояние и площадь их поверхности. Амплитуда  снимаемого сигнала пропорциональна  межэлектродному расстоянию, в то время как полоса пропускания  с увеличением этого расстояния уменьшается. Увеличение площади поверхности  электродов также ведет к увеличению амплитуды получаемого сигнала  и способствует большей стабильности изолинии, однако при этом резко  возрастает влияние перекрестных помех. Принимая во внимание эти факторы, были выбраны электроды торговой марки Skintact (Австрия) – ЭКГ-Электрод одноразовый FS-50 (FS50) самоклеящийся, диаметр 50 мм для взрослых.

Рисунок 3. Электрод одноразовый FS-50

     Пенопласт, применяемый в ЭКГ-Электроде одноразовом FS-50 (FS50), изготовлен на основе полиэтилена, поэтому он не пропускает жидкость. Также данный электрод имеет сверхпрочный клей для надежной адгезии с кожей  пациента. Присоединительные клеммы электродов выполнены из прочной нержавеющей стали, что обеспечивает стандартные допуски и минимальный износ присоединительных проводов.

     Контактная  часть датчика имеет слой из серебряного (Ag) или хлорсеребряного покрытия (AgCl). Причем, благодаря технологии “C-LINE”  слой хлорсеребряного покрытия наносится  только на стыке с гелем, что предотвращает  губительный эффект коррозии и обеспечивает неизменное качество в течение всего  срока годности одноразовых ЭКГ-Электродов.

3.2. БЛОК ЗАЩИТЫ ВХОДНОЙ ЦЕПИ

     Блок  защиты входной цепи представляет собой ограничительные резисторы и двухстороннее диодное ограничение.

     Сопротивление кремниевых диодов велико и практически  не влияет на Z_вх. Ограничительные резисторы монтируются на входе кабеля отведений.

     В этой схеме появление повышенного  напряжения любой полярности на любом  из проводов вызовет открывание соответствующей  пары диодов, которые «гасят» входной  сигнал, не давая ему пройти на вход усилительной части.

Рисунок 4. Схема блока защиты входной  цепи

3.3. БЛОК УСИЛЕНИЯ

     Блок  усиления и формирования сигнала  может быть сконструирован на операционных усилителях. Применение специализированных инструментальных усилителей способствует снижению затрат, уменьшению размеров устройства и экономии времени разработчика. Идеальный усилитель биопотенциалов должен иметь бесконечно большое входное сопротивление, полностью подавлять помехи от силовой сети, быть нечувствительным к потенциалам поляризации и помехам, лежащим за пределами полосы частот полезного сигнала. Он не должен вносить собственные шумы, частотные и нелинейные искажения в рабочей полосе частот и в динамическом диапазоне полезного сигнала.

     Учитывая  эти параметры, был выбран инструментальный усилитель  фирмы Analog Devices AD620.

ХАРАКТЕРИСТИКИ  УСИЛИТЕЛЯ

Расчет  коэффициента усиления DA1 – AD620 

            Чтобы снизить напряжение помех и обеспечить линейный режим работы усилителя, используют индифферентный электрод (Right Leg Driver –RLD), с помощью которого на биообъект подается инвертированное напряжение синфазных помех, усиленное в 91 раз.

            Применен операционный усилитель  типа OP97 – малопотребляющий, прецизионный ОУ.

Расчет  коэффициента усиления DA2 – OP97 

3.4. БЛОК ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ЦИФРОВОЙ КОД

         АЦП управляется при помощи  нескольких внутренних регистров.  Это: регистр обмена, регистр режима, два регистра фильтра, три регистра  калибровки нуля шкалы, три регистра калибровки полной шкалы и регистр данных. Данные в эти регистры записываются через последовательный интерфейс; этот же интерфейс позволяет также считывать данные из указанных регистров. Любое обращение к любому регистру должно начинаться с операции записи в регистр обмена. После включения питания или сброса АЦП ожидает записи в регистр обмена. Данные, записываемые в этот регистр, определяют тип следующей операции (чтение или запись), а также к какому регистру будет идти обращение.

     Алгоритм  настройки AD7714 и считывания с нее информации изображен на рис. 7. Как следует из рисунка, вначале микросхему нужно настроить соответствующим образом, задав аналоговые входы, сигнал с которых будет оцифровываться, режим калибровки, коэффициент усиления внутреннего усилителя, частоту среза цифрового фильтра, входной  диапазон (биполярный или униполярный), разрядность считываемого результата (16 или 24 бита), режимы потребления, включения/выключения цифрового фильтра и проверки работоспособности преобразователя. Это осуществляется тремя последовательными цикла ми записи соответствующей информации в верхний регистр и нижний регистры фильтра и регистр режима. Настройка AD7714 представляет собой шесть последовательных циклов записи. После этого возможно считывание информации.

Рисунок 5. Функциональная блок-схема AD7714

Рисунок 6. Обозначение выводов AD7714

Рисунок 7. Алгоритм считывания и настройки  AD7714

3.5. БЛОК МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

     Работа  системы организуется микроконтроллером DD2, который вначале настраивает, а затем опрашивает АЦП DD1, обрабатывает полученные результаты и передаёт их на ЭВМ.

     Управление  АЦП осуществляется микроконтроллером по входам DRDY, CS, SCLK, DIN и RESET, данные считываются с выхода DOUT. Эти выводы соединены с линиями Р1.5, Р1.0, Р1.4, Р1.6 и Р1.7 микроконтроллера соответственно. Сигнал для оцифровки подается на входы AIN5 и AIN6 АЦП. Входной буфер АЦП отключен за счет подачи нулевого потенциала на вход BUFFER.

Рисунок 8. Обозначение выводов AT89C51 

Рисунок 9. Функциональная блок-схема AT89C51 

     Особо нужно отметить то, что микроконтроллер  при включении формирует сигнал сброса АЦП по входу RESET.

     Способ  формирования сигнала сброса, приведенный в фирменном описании, позволяет добиться надежного старта AD7714.

     AD7714 настраивается на работу со  входами AIN5 и AIN6. Тактовая частота работы микросхемы — 2,4576 МГц. Первую частоту среза выбираем равной 50 Гц. С этой целью в регистры фильтра (при выбранной тактовой частоте) нужно занести число 384 дес.= 001100000000В (0011В —в старший регистр фильтра, 00000000В — в младший). Работа производится в униполярном входном режиме, считывается 24-битовый результат. Коэффициент усиления внутреннего усилителя выберем равным 128, а перед измерением будем запускать режим автокалибровки, подстраивающий и ноль и коэффициент усиления полной шкалы. Затем зададим частотный диапазон (от 0,05 до 100 Гц).

     Программа взаимодействия микроконтроллера с  АЦП включает следующую последовательность операций:

1. Запись в регистр обмена: задается входной канал.
2. Запись в верхний регистр фильтра: устанавливаются 4 старших бита слова фильтра, а также устанавливается биполярный/униполярный режим и длина выходного слова.
3. Запись в нижний регистр фильтра: устанавливаются 8 младших битов слова фильтра.
4. Запись в регистр режима: устанавливается коэффициент усиления, инициируется автокалибровка.
5. Опрашивается сигнал, указывающий на наличие в регистре данных нового результата преобразования.
6. Чтение результата из регистра данных.
7. Циклический повтор действий 5 и 6, пока не будет считано заданное число отсчетов.     

3.6. БЛОК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИНТЕРФЕЙСА RS232

     Для передачи данных из устройства в COM-порт компьютера используется драйвер СОМ-порта МАХ232Е, типовая схема включения которого показана на рисунке 10.

Характеристики  MAX232E

Рисунок 10. Типовая схема включения микросхемы MAX232

3.7. ОПТРОННАЯ РАЗВЯЗКА

     Оптронная развязка применена в цифровом интерфейсе RS232, связывающим электрокардиограф и компьютер.

     Узлы, обеспечивающие оптическую изоляцию входного интерфейса RS232C, гальванически связанного с цепями персонального компьютера, называют диспетчерами персонального компьютера (DPC - Dispatcher PC).

      Важнейшей характеристикой современных DPC является его быстродействие. Обеспечение высокого быстродействия собственно DPC резко сокращает вероятность возникновения ошибок рассогласования.

     Оптическая  изоляция обычно выполняется на микросхемах  транзисторных оптронов.

     Фактически, все оптроны по быстродействию можно  разделить на 3 группы: с высоким  быстродействием (6N137, HCPL-2601, HCPL-2611, HCPL-2630, HCPL-2631), со средним быстродействием (6N136, CNW4502, HCPL-4502б) и с низким быстродействием, к которым следует отнести  все остальные оптроны. Оптроны с высоким быстродействием достаточно дороги и трудно доставаемы. Из оптронов средней группы наиболее доступен оптрон 6N136. Испытания показали, что он устойчиво работает даже на скорости 115200, что является пределом скорости большинства COM-портов современных компьютеров. В связи с этим, этот тип оптрона выбран в качестве оптимального.

Характеристики 6N136

Рисунок 11. Расположение выводов оптрона 6N136 
 
 
 
 
 
 

3.6. БЛОК ПИТАНИЯ

Блок питания представляет собой батарею крона 9 В, к которой подключены микросхемы LM7905, LM7908, преобразующие заданное напряжение.

4. РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ

      При определении суммарной погрешности  измерительного устройства необходимо руководствоваться следующими правилами:

--Для  определения значения оценки  результирующей погрешности всего  измерительного устройства должны учитываться взаимные корреляционные связи различных составляющих погрешности отдельных функциональных блоков, поэтому исходными данными для расчета являются значения соответствующих оценок отдельных составляющих, а не оценки суммарных погрешностей отдельных функциональных узлов.

Эти составляющие прежде всего разделяются на аддитивные и мультипликативные, для их последующего раздельного суммирования.

--Так  как суммировать с учетом корреляционных  связей можно лишь средние  квадратические значения составляющих, то для каждой составляющей  должны быть по исходным данным найдены ее средние квадратические значения.

--Далее  должны быть выделены группы  сильно коррелированных между  собой составляющих погрешности и внутри этих групп произведено алгебраическое суммирование. К ним, как правило, относят погрешности, вызванные одной общей причиной(общий источник питания, одинаковые температурные условия и т.д.), когда тесные корреляционные связи определяются логически,  и для них принимают  rr  равным  +1  или   -1.

      Погрешности же, между которыми такие взаимосвязи  не обнаруживаются, относят к некоррелированным и для них принимают rr=0.

--После  того как все группы сильно  коррелированных погрешностей выделены и внутри их произведено алгебраическое суммирование, суммарные по группам и оставшиеся вне группы погрешности можно считать уже некоррелированными и складывать по правилу

--Значение  погрешности с 90%-ной доверительной  вероятностью определяем согласно рекомендациям

      Аддитивные  погрешности.

      Аддитивная  погрешность обусловлена температурной  нестабильностью резисторов, тепловым шумом резисторов, а также точностью подбора самих резисторов.

        Точность подбора резисторов  определяет систематическую погрешность, которая может быть устранена в процессе калибровки прибора. Температурная погрешность определяется ТКС резистора и для прецизионных резисторов принимаем значение равным 100×10^-6 1/°С. Полагая, что DТ=20°С, определяем

       =100×10^-6×20=0,2%

      Уровень собственных шумов резисторов составляет 1 мкВ/В, то есть 0,0001%. Это значительно  меньше температурных погрешностей, поэтому погрешность собственного шума резисторов во внимание не принимаем.

      Погрешность от температуры для приборов для  приборов лабораторных условиях, определяется кривой циклического изменения температуры. Температура человека +37°С, температура окружающей среды  +24°С. Поэтому распределение температуры оказывается равномерным. Учитывая, что , а k для равномерного закона распределения равен 1,73.

      Усилитель имеет аддитивную погрешность, обусловленную  смещением нуля. Так как дрейф нуля как правило связан с температурой, то полагаем что погрешность, связанная с дрейфом, распределение по равномерному закону, следовательно

       .

      Так как блок усиления содержит три операционных усилителя, то для определения его  суммарной аддитивной погрешности  воспользуемся таблицей 2.

      Таблица 2 - Функциональные узлы, входящие в  блок усиления, и их аддитивные погрешности

Суммарная аддитивная погрешность будет равна

.

То есть погрешность нуля

      Мультипликативные погрешности.

      Мультипликативную погрешность, обусловленную нестабильностью  напряжения питания и температурным  дрейфом коэффициента усиления. Напряжение смещения нуля для усилителя AD620 составляет 50 мкВ при Uвых = ±0,01В. Тогда

       .

      Усилитель питается от стабилизированного напряжения (так же как и стабилизатор тока). Колебания гальванического источника  питания составляют 30%. Так как коэффициент усиления AD620 пропорционален напряжению питания, то мультипликативная погрешность также составляет 30%. Так как в приборе используется стабилизатор напряжения с коэффициентом стабилизации приблизительно 80, тогда мультипликативная погрешность усилителя уменьшится до 0,38%.