Портативный   суточный кардиомонитор.

 

                                                  Гордейчук А.П.

 

После того, как в 1957 году   Норман Холтер впервые предложил использовать электрокардиограф с суточной записью, сменилось несколько поколений этих очень важных диагностических приборов.

            Первая суточная запись электрокардиограммы (ЭКГ) велась на магнитную ленту. Естественно, что таким суточным мониторам (СМ) были присущи все недостатки магнитофонов. Приборы имели значительные габариты, массу, создавали шум при работе, да и качество получаемой картинки было далеко от совершенства.

            В связи с бурным развитием цифровых технологий, через некоторое время появились СМ с записью информации в ППЗУ( перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство).Но небольшая информационная емкость  микросхем ППЗУ первых поколений  не позволяла вести непрерывную запись более 30 минут. Для обеспечения суточного мониторирования использовались алгоритмы сильного сжатия сигнала ( до 20 раз ) и выборочная запись фрагментов ЭКГ. В связи с  ошибками, возникающими при автоматическом выборе фрагментов записи, а также потерями информации при сжатии, СМ с твердотельной памятью вызывали некоторое недоверие у кардиологов.

            В середине 90-х годов на рынке электронных компонентов появились микросхемы энергонезависимой памяти высокой плотности записи. Среди них наибольшее распространение получили устройства, выполненные с применением "флэш" - технологии. Применение этих микросхем позволило создать СМ без применения алгоритмов фрагментарной записи и сильного сжатия ЭКГ.

            К сожалению,  Холтеровский монитор пока недоступен для многих больных даже в крупных российских городах, не говоря уже о "глубинке". Большинство муниципальных поликлиник либо имеют в своем распоряжении  устаревшие фрагментарные мониторы, либо не имеют их вовсе.

            Автор предпринял попытку разработать недорогой,  малогабаритный , современный аппарат с минимально необходимым набором функций.

            В СМ используются следующие  решения:

 

   1. Введена система защиты от помех, создаваемых мобильными телефонами.

   2. Используется оригинальный алгоритм сжатия сигнала ЭКГ без информационных потерь.

   3. Достигнуты малые габариты и вес за счет использования  современных компонентов для поверхностного монтажа.

   4. Для хранения информации используется новая микросхема " Atmel " с улучшенными (по сравнению с чипами предыдущего поколения ) параметрами, что позволило:

                        а) увеличить число циклов записи;

                        б) уменьшить количество сбоев;

                        в) уменьшить создаваемые помехи;

                        г) уменьшить себестоимость изделия

 

В настоящее время некоторые СМ строятся на базе сигма-дельта АЦП. При этом достигается некоторое упрощение входной схемы прибора. Многоразрядные  (16-24 битные) АЦП имеют в своем составе входной дифференциальный усилитель и позволяют подключать датчики непосредственно ко входу микросхемы. Несмотря на ряд преимуществ, такая схема построения входных цепей не позволяет  произвести предварительную аналоговую обработку сигнала. Эффективная цифровая фильтрация сигнала требует использования высокопроизводительных микроконтроллеров или сигнальных процессоров. Применение таких устройств сопряжено с увеличением энергопотребления, поэтому для построения СМ автор выбрал классическую схему построения входных цепей

             

             Функциональная схема  прибора приведена на рис.1

 

                                                                  Рис.1

 

             Сигнал с электродов  (R, L) поступает на помехоподавляющий   входной фильтр Z1, который значительно ослабляет высокочастотные помехи, создаваемые радиотелефонами , радиостанциями, компьютерами.

            Предварительное усиление обеспечивает инструментальный усилитель А1(А2 для второго канала) AD627 фирмы " Analog Devices ", главными особенностями  которого являются микропотребление и достаточно сильное (>90 дБ) подавление синфазной помехи.

Максимальная амплитуда полезного сигнала составляет несколько милливольт. Постоянная составляющая сигнала колеблется в значительных пределах и может достигать 300 мВ. Для разделения переменной и постоянной составляющих сигнала служит фильтр высоких частот Z2 (Z3).Его частота среза выбирается в пределах 0.05-1 Гц. Большее значение частоты среза способствует лучшему удержанию изолинии, но приводит к  заметному искажению сигнала.

            Для дополнительного подавления помех служит  активный фильтр  низких частот третьего порядка Z4(Z5) .   Его частота среза - 35 Гц. При этом достигается хорошее подавление сетевой помехи частотой 50 Гц и её гармоник. Он собран на одном из сдвоенных операционных усилителей (ОУ) ОР296 фирмы "Analog Devices". Микросхема ОР296 содержит два ОУ с микропотреблением и выходом Rail-to-rail. Достоинством схемы фильтра является то,что она не требует точного подбора элементов и работает устойчиво.

            После усилителя А4 (A5) на втором ОУ  OP296, обеспечивающего необходимый коэффициент передачи, сигнал поступает на вход 10- разрядного АЦП последовательных приближений.

            АЦП входит в состав периферии микроконтроллера U1  PIC16F877 фирмы "Microchip", который осуществляет управление прибором. Встроенные периферийные устройства микроконтроллера используются достаточно полно, что позволило сократить число используемых микросхем в приборе. Так, для обмена информацией с запоминающим устройством, используется последовательный интерфейс  SPI.

            Для связи с компьютером задействован контроллер асинхронного последовательного обмена USART.

Отсчет реального времени ведется при помощи встроенного таймера микроконтроллера, имеющего выводы для подключения дополнительного  часового кварцевого резонатора.

Для экономии батарей используется также режим пониженного энергопотребления  SLEEP в некоторых режимах работы. 

            Данные, поступающие в микроконтроллер, сжимаются при помощи адаптивного алгоритма без потерь информации. Алгоритм архивации использует априорные знания о структуре кардиосигнала. Коэффициент сжатия  для типовой ЭКГ составляет 2.5 -3.0. При сжатии данные  записываются в флэш-память монитора -  U2. Запоминающим устройством служит микросхема AT45DB642 емкостью 64 Мбит из cемейства "Data flash" фирмы "Atmel".  Она выполнена по новой технологии  NOR,  которая сочетает в себе надежность технологии EPROM и  высокую плотность записи технологии  FLASH.   

            Для компенсации помех, возникающих при ухудшении контакта  электродов с кожей и улучшения подавления  наводки с промышленной частотой, служит схема А3 на операционном усилителе OP196  ф. "Analog Devices". Входные цепи ОУ связаны с системой электродов, и, при возникновении дисбаланса, схема компенсирует уход изолинии при помощи напряжения отрицательной обратной связи, подаваемого с выхода ОУ на заземляющий электрод.

            Монитор снабжен кнопкой для  получения меток плохого самочувствия пациента.

 Пуск прибора возможен как с компьютера, так и при помощи кнопки.

            После завершения исследования , информация может быть передана в персональный компьютер для визуализации и проведения анализа.

            Монитор имеет режим контроля , что позволяет проверить качество установки электродов, а также провести обычную процедуру снятия электрокардиограммы.

            Передача данных осуществляется при помощи адаптеров для USB  и COM  последовательных портов компьютера. Адаптеры выполнены с применением оптической гальванической развязки  на оптронных микросхемах 6N137. Это обеспечивает безопасность пациента при проверке качества наложения электродов. Наибольшая скорость передачи  достигается  при применении адаптера USB, но, к сожалению, не все эксплуатируемые компьютеры снабжены этими последовательными портами. Длительность загрузки информации при использовании адаптера  USB cоставляет около 5 минут, а при использовании COM - адаптера с интерфейсом  RS-232 - около 20 минут.

            Внешний вид прибора показан на рис.2 , а его вид со снятой крышкой- на рис.3

                                  

                                                                               Рис.2

 

 

                                                                           Рис.3

 

 

Для работы кардиолога с монитором разработано специальное программное обеспечение.

Программа (рис. 4) обеспечивает автоматический анализ ритма и позволяет врачу оперативно просмотреть и распечатать интересующие его фрагменты.

 

 

 

Основные технические характеристики монитора:

 

 1. Количество синхронных каналов:                            2

 2. Частота дискретизации                                          150 Гц.

 3. Подавление высокочастотных наводок                   более 50 Дб

 4. Подавление синфазной помехи                              более 110 Дб

 5. Алгоритм сжатия данных                                        без потерь

 7. Продолжительность регистрации                            24 часа непрерывно

 8. Габаритные размеры                                               80х60х25

 9. Источник питания                                                    4 элемента ААА

10. Потребляемая мощность                                        20мВт

 10. Вес                                                                          75 г.

 

 

                                                                 Рис.4


На главную страницу