Оборудование для снятия ЭКГ должно удовлетворять типовым критериям в отношении соотношения сигнал/шум, подавления синфазной помехи, ширины полосы регистрации и т.д.

При использовании записей первичных данных в цифровой форме не должна допускаться реконструкция сигнала, приводящая к искажению амплитуды и фазы. Аналоговые устройства для длительной записи ЭКГ на магнитную ленту должны одновременно с записью сигнала регистрировать отметки времени (phase-locked time tracking).

С целью стандартизации физиологических и клинических исследований, должны использоваться два типа записей: короткие 5 мин. записи, сделанные в физиологически стабильных условиях и анализируемые спектральными методами и / или суточная (24 ч) запись, анализируемая временными методами.

Когда в клинических исследованиях анализируются длительные ЭКГ, то записи на пациентах должны производиться в однотипных условиях и на схожем оборудовании. При использовании статистических временных и частотных методов полный сигнал должен тщательно редактироваться при помощи визуального контроля и ручной коррекции классификации QRS-комплексов и RR-интервалов. На автоматические фильтры, основанные на гипотезе логической последовательности RR-интервалов (например, исключение RR-интервалов в соответствии с определенным порогом преждевременности (certain prematurity threshold) нельзя полагаться до тех пор, пока не достигнута уверенность в качестве последовательности RR-интервалов.

Рисунок 3. Последовательность этапов при записи и обработке ЭКС с целью получения данных для анализа ВСР

Нормальные значения параметров вариабельности сердечного ритма

Поскольку всеобъемлющих исследований всех индексов ВСР в больших нормальных популяциях к настоящему времени не проводилось, ряд нормальных значений, приведенных в настоящей таблице, создан на основе работ, в которые включалось небольшое количество субъектов. Таким образом, данные величины следует рассматривать как ориентировочные и на их основе не должно делаться каких-либо определенных клинических выводов. Разделение по полу, возрасту и другим факторам, которое также является необходимым, в таблице не приводится ввиду ограниченности источников информации.

В таблицах 4, 5 приведены только те параметры ВСР, которые могут быть предложены для стандартизации дальнейших физиологических и клинических исследований.

Таблица 4. Временной анализ 24-часовой записи

Величина	Единицы	Нормальные значения (М+m)
SDNN	мс	141+39
SDANN	мс	127+35
RMSSD	мс	27+12
Триангулярный индекс ВСР		37+15

Таблица 5. Спектральный анализ 5-минутной записи (покой, лежа на спине)

Величина	Единицы	Нормальные значения (М+m)
Общая энергия	мс2	3466+1018
НЧ	мс2	1170+416
ВЧ	мс2	975+203
НЧ	н.е.	54+4
ВЧ	н.е.	29+3
НЧ/ВЧ		1.5-2.0

1.3 Обоснование и выбор структурной схемы

При разработке структуры устройства для измерения временных параметров и анализа ЭКС были использованы современные подходы и решения. Наибольший интерес представляют следующие разработки.

1. Устройство для ввода измерительной информации в ПК [7], на основе последовательного АЦП типа TLC 549/1549 (Texas Instruments), с использованием интерфейса RS-232 (рисунок 4).



Рисунок 4.

2. Компьютерный кардиограф на базе микроконтроллера PIC16C715 (Microchip) [8]. Микроконтроллер содержит встроенный АЦП, что обеспечивает кодирование входного аналогового ЭКС и передачу его в ПК. Авторы предлагают два варианта подключения входной части к компьютеру: через игровой порт, через параллельный порт. Недостатком является отсутствие гальванической развязки от ПК, что не обеспечивает необходимой электробезопасности и помехоустойчивости.

3. Электрокардиограф на базе микроконвертора ADuC342 (Analog Devices) [9]. Микроконвертор содержит быстрый 12-и разрядный АЦП и другие встроенные аналоговые периферийные устройства, имеет быстрое ядро типа 8052, 62 кбайт встроенной флэш-памяти программ и некоторые другие полезные функциональные узлы. Гальваническая развязка, примененная в интерфейсе RS-232, реализована на специальной микросхеме ADuM1301 (двунаправленном цифровом изоляторе).

4. Автономный регистратор ритма сердечных сокращений [10] предназначен для измерения и регистрации периодов сердечных сокращений - временных интервалов между двумя последовательными сокращениями сердца. Биоэлектрический сигнал с электродов поступает в аналоговый кардиоусилитель, собранный на операционном усилителе AD620AN, который усиливает и ограничивает спектр сигнала (рисунок 5). Затем в двенадцатиразрядном АЦП (MAX 187) сигнал преобразуется в цифровой вид и далее поступает в ОЭВМ (AT89C51). В ОЭВМ производится цифровое дифференцирование сигнала, необходимое для устранения дрейфа, вызванного двигательной активностью мышц, и точного выделения моментов появления R-зубцов кардиосигнала. Абсолютное значение продифференцированного сигнала сравнивается с порогом, значение которого автоматически подстраивается под максимумы сигнала, так чтобы обеспечить уверенную регистрацию R-зубца, но в то же время и защиту от ложных срабатываний в результате действия помех. В случае превышения порога производится вычисление ПСС как интервала между текущим и предыдущим появлением R-зубца и запись вычисленного значения в запоминающее устройство. По окончанию вычислений ОЭВМ переводится в холостой ход, что значительно уменьшает ее среднее энергопотребление. После прихода очередного импульса дискретизации цикл вычислений повторяется. Для запоминания измеренных значений использовано статическое КМОП запоминающее устройство емкостью 128 кбайт. Перед записью в память ОЭВМ производит компрессирование измеренных значений ПСС, поэтому такая емкость оказывается достаточной для хранения ритмограмм общей продолжительностью более 24 часов. Для формирования напряжений +5 В и -5 В из однополярного напряжения +9 В в блоке питания устройства использована микросхема импульсного преобразователя напряжения MAX 738, имеющая вход разрешения преобразования. Это делает возможным выключение регистратора по сигналу от ОЭВМ. Для реализации протокола последовательного обмена с персональным компьютером используется микросхема Max RS232.



Рисунок 5

На основании вышеописанных устройств была разработана схема электрическая структурная устройства для измерения временных параметров и анализа ЭКС (рисунок 6), которая состоит из последовательно соединенных электродов, усилителя ЭКС (УЭКС), полосового фильтра (ПФ), нормирующего усилителя (НУ), микроконтроллера - однокристальной микро-ЭВМ (МК), устройства гальванической развязки (УГР) и персонального компьютера (ПК).

Электрокардиосигнал с электродов поступает на усилитель ЭКС, задающий необходимый амплитудный уровень для стабильной работы последующих узлов. Далее усиленный сигнал фильтруется ПФ от составляющих сигнала лежащих вне спектра КИ. Так как поступающий с электродов сигнал двухполярный, а входной сигнал МК должен быть только положительным, в схеме предусмотрен нормирующий усилитель. МК содержит в своей структуре встроенный АЦП, и обеспечивает АЦ преобразование сигнала, его первичную обработку и передачу в ПК по последовательному интерфейсу RS-232. Гальваническая развязка, обеспечивающая электробезопасность пациента и помехозащиту устройства, реализована в УГР. Развязанная от ПК схема питается от гальванического источника питания (батарея или аккумулятор).

1.4 Выбор И ОБОСНОВАНИЕ элементной базы

Усилитель ЭКС

Основой усилителя ЭКС является дифференциальный (инструментальный) усилитель, имеющий высокие входные сопротивления по обоим входам.

В качестве такого усилителя была выбрана микросхема INA118 (Burr-Brown), представляющий собой микромощный инструментальный усилитель общего применения, обладающий прекрасными точностными параметрами. Входная цепь с обратной связью по току обеспечивает широкую полосу пропускания даже при высоком коэффициенте усиления (70 кГц при К_у = 100). Единственный внешний резистор устанавливает любое усиление от 1 до 10 000. Внутренние цепи защиты входного каскада выдерживают напряжение до ±40 В. Лазерная подгонка обеспечивает очень низкое напряжение смещения (50 мкВ), малый дрейф (0.5 мкВ/'С) и высокий коэффициент подавления синфазных входных сигналов (110 дБ при К_у = 1000). Усилитель работает при напряжении питания в диапазоне от ±1.35 В до ±18 В Ток потребления составляет 350 мкА, что делает его незаменимым для схем с батарейным питанием. Прибор INA118 выпускается в пластмассовом корпусе DIP-8 (INA118P, INA118PB) и в корпусе SO-8 для поверхностного монтажа (INA118U, INA118UB) и предназначен для применения в диапазоне температур от -40°С до +85°С [11, 12].

Каждый из входов INA118 защищен при помощи двух полевых транзисторов, которые обеспечивают малое последовательное сопротивление при нормальных рабочих условиях и прекрасные шумовые параметры усилителя (рисунок 7). В случае приложения избыточного входного напряжения, эти транзисторы ограничивают входной ток на уровне 155 мА. Дифференциальное входное напряжение буферируется транзисторами Q1 и Q2 и прикладывается к резистору, вызывая протекание тока через резисторы R_G, R1 и R2. Выходной дифференциальный усилитель удаляет синфазную составляющую из входного сигнала и суммирует выходное напряжение с напряжением на выводе REF. Падение напряжения база-эмиттер V_BE и падение напряжения на резисторах R1 и R2 приводят к тому, что выходные напряжения усилителей А1 и А2 ниже входных напряжений приблизительно на 1 В.

Рисунок 7.

Коэффициент усиления INA118 устанавливается с помощью одного внешнего резистора R_Q, включенного между выводами 1 и 8:

К_У = 1 + 50 кОм/R_S

Величина 50 кОм, входящая в состав уравнения, представляет из себя сумму двух внутренних резисторов обратной связи операционных усилителей А1 и А2. Эти два резистора подгоняются на этапе изготовления прибора до точного соответствия номинальному значению. Точность и температурный коэффициент сопротивления этих резисторов включены в точностные и температурные параметры INA118. Стабильность и температурные изменения внешнего резистора установки коэффициента усиления, также влияют на коэффициент усиления.

Несмотря на малый ток потребления, INA118 обладает широкой полосой пропускания даже при большом усилении, что иллюстрирует типовая «Зависимость коэффициента усиления от частоты» Это обусловлено схемотехникой обратной связи по току. Время установления остается прекрасным даже при большом усилении. При единичном усилении на кривой появляется подъем в 3 дБ на частоте 500 кГц. Это также обусловлено схемотехникой обратной связи по току и не является признаком неустойчивости.

INA 118 обеспечивает малое значение уровня шума в большинстве применений. Шумовые параметры усилителя оптимизированы для дифференциального сопротивления источника входного сигнала в диапазоне от 1 кОм до 50 кОм. При меньшем сопротивлении источника предпочтительно использование малошумящего усилителя INA103, а при большем сопротивлении лучшие шумовые параметры могут быть достигнуты при использовании усилителя INA111 со входом на полевых транзисторах. Размах низкочастотных шумов INA118 составляют приблизительно 0.28 мкВ, при измерении в полосе частот от 0.1 до 10 Гц. Это обеспечивает значительно лучшие шумовые параметры по сравнению с усилителями, стабилизированными прерыванием.

Линейный диапазон входных напряжений для входных цепей INA118 лежит от величины, превышающей напряжение отрицательного источника питания на 1 В до значения на 0,6 В ниже напряжения положительного источника питания. Однако, так как дифференциальное входное напряжение приводит к увеличению выходного напряжения, линейный диапазон входных напряжений будет ограничен также размахом выходных напряжений усилителей А1 и А2. Таким образом, линейный диапазон синфазных входных сигналов зависит от выходного напряжения усилителя и его напряжения питания. Даже в случае наступления перегрузки по входу выходное напряжение усилителя может быть нормальным.

INA118 сохраняет работоспособность при понижении напряжения питания до ±1.35 В. Параметры INA118 практически не меняются при изменении напряжения питания в диапазоне от ±1.35 В до ±18 В.

Каждый из входов INA118 защищен от напряжений до ±40 В, входное напряжение +40 В на одном из входов и -40 В на другом не вызовет выхода усилителя из строя при номинальных входных напряжениях. Внутренние цепи защиты обеспечивают малое значение последовательного сопротивления на каждом из входов. Последовательные резисторы на входах, обеспечивающие аналогичную защиту, привели бы к значительному уровню шума. В случае перегрузки по входу цепи защиты обеспечивают ограничение входного тока на безопасной величине от 1.5 до 5 мА.

Операционные усилители

В качестве операционных усилителей в усилителе ЭКС, ПФ и нормирующем усилителе применены недорогие, но весьма приемлемые по характеристикам, счетверенные малопотребляющие ОУ LM2902 (National Semiconductor Corporation). Это ОУ имеют следующие характеристики:

· высокий коэффициент усиления до 100дБ;

· рабочая частота до 1Мгц;

· диапазон напряжения питания от 3 до 32 В (при однополярном питании) или от ±1,2 до ±16 В (при двухполярном питании);

· ток потребления 700 мкА.

Расположение выводов микросхемы LM 2902N показано на рисунке 11.



Рисунок 11.

Микроконтроллер

Микроконтроллер является основным элементом разрабатываемого устройства для измерения временных параметров и анализа электрокардиосигналов. Его применение дает большие преимущества в плане технологичности, габаритов, стоимости, а также дает возможность легко модифицировать и совершенствовать прибор.

При выборе микроконтроллера основными требованиями являлись: открытая архитектура, простота программирования, доступность программного обеспечения и невысокая стоимость.

В настоящее время нашли широкое распространение 8-разрядные RISC микроконтроллеры AVR фирмы Atmel Corporations. Они представляют собой мощный инструмент для создания современных высокопроизводительных и экономичных многоцелевых приборов. На настоящий момент соотношение «цена - производительность - энергопотребление» для микроконтроллеров AVR по-прежнему остается едва ли не лучшим на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров [13].

Концепция новых скоростных микроконтроллеров была разработана группой разработчиков исследовательского центра ATMEL в Норвегии, инициалы которых затем сформировали марку AVR. Первые микроконтроллеры AVR AT90S1200 появились в середине 1997 г. и быстро снискали расположение потребителей.

AVR-архитектура объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый из которых может работать как регистр-аккумулятор, и развитую систему команд фиксированной 16-бит длины. Большинство команд выполняются за один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой следующей команды, что обеспечивает производительность до 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты.

32 регистра общего назначения образуют регистровый файл быстрого доступа, где каждый регистр напрямую связан с АЛУ. За один такт из регистрового файла выбираются два операнда, выполняется операция, и результат возвращается в регистровый файл. АЛУ поддерживает арифметические и логические операции с регистрами, между регистром и константой или непосредственно с регистром.

Регистровый файл также доступен как часть памяти данных. 6 из 32-х регистров могут использоваться как три 16-разрядных регистра-указателя для косвенной адресации. Старшие микроконтроллеры семейства AVR имеют в составе АЛУ аппаратный умножитель.

Базовый набор команд AVR содержит 120 инструкций. Инструкции битовых операций включают инструкции установки, очистки и тестирования битов.

Все микроконтроллеры AVR имеют встроенную FLASH ROM с возможностью внутрисхемного программирования через последовательный 4-проводной интерфейс.

Периферия МК AVR включает: таймеры-счетчики, широтно-импульсные модуляторы, поддержку внешних прерываний, аналоговые компараторы, 10-разрядный 8-канальный АЦП, параллельные порты (от 3 до 48 линий ввода и вывода), интерфейсы UART и SPI, сторожеой таймер и устройство сброса по включению питания. Все эти качества превращают AVR-микроконтроллеры в мощный инструмент для построения современных, высокопроизводительных и экономичных контроллеров различного назначения.

В рамках единой базовой архитектуры AVR-микроконтроллеры подразделяются на три подсемейства:

· Classic AVR основная линия микроконтроллеров с производительностью отдельных модификаций до 16 MIPS, FLASH ROM программ 28 Кбайт, ЕEPROM данных 64512 байт, SRAM 128512 байт;

· mega AVR с производительностью 46 MIPS для сложных приложений, требующих большого обьема памяти, FLASH ROM программ 64128 Кбайт, ЕEPROM данных 64512 байт, SRAM 24 Кбайт, SRAM 4 Кбайт, встроенный 10-разрядный 8-канальный АЦП, аппаратный умножитель;

· tiny AVR низкостоимостные микроконтроллеры в 8-выводном исполнении имеют встроенную схему контроля напряжения питания, что позволяет обойтись без внешних супервизорных микросхем [13-17].

AVR-микроконтроллеры поддерживают спящий режим и режим микропотребления. В спящем режиме останавливается центральное процессорное ядро, в то время как регистры, таймеры-счетчики, сторожевой таймер и система прерываний продолжают функционировать. В режиме микропотребления сохраняется содержимое всех регистров, останавливается тактовый генератор, запрещаются все функции микроконтроллера, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса. В зависимости от модели, AVR-микроконтроллеры работают в диапазоне напряжений 2,7 В либо 4,6 В

Средства отладки. ATMEL предлагает программную среду AVR-studio для отладки программ в режиме симуляции на программном отладчике, а также для работы непосредственно с внутрисхемным эмулятором. AVR-studio доступен с WEB-страницы ATMEL, содержит ассемблер и предназначен для работы с эмуляторами ICEPRO и MegaICE. Ряд компаний предлагают свои версии Си-компиляторов, ассемблеров, линковщиков и загрузчиков для работы с микроконтроллерами семейства AVR. Микроконтроллеры ATMEL широко применяются в России и, как следствие, программируются многими отечественными программаторами. Ряд российских фирм предлагает также различные аппаратные средства отладки AVR-микроконтроллеров.

Наиболее широкими возможностями обладают микроконтроллеры ATmega, содержащие в своем составе АЦП. На основании основных характеристик микроконтроллеров, приведенных в [16] выбираем микроконтроллер ATmega8L.

Ниже приведены его основные технические характеристики.

· память программ (FLASH) 8 Кбайт;

· память данных (EEPROM) 512 байт;

· память данных (ОЗУ) 1 Кбайт;

· количество линий ввода / вывода 23;

· напряжении питанияе  2,7 … 5,5 В;

· рабочая частота 0. 8 МГц;

· максимальный ток потребления при напряжении питания 3 В и рабочей частоте 4 МГц составляет 6 мА.

Архитектура микроконтроллера показана на рисунке 12.



Рисунок 12. Архитектура ATMega8

В своем составе ATmega8L имеет 10-и разрядный 8-и канальный АЦП. Его основные параметры:

· абсолютная погрешность ± 2 е.м.р.;

· интегральная нелинейность ± 0,5 е.м.р.;

· быстродействие до 15000 выборок/с.

В процессе работы АЦП может функционировать в двух режимах:

· режим одиночного преобразования, когда запуск каждого преобразования инициируется пользователем;

· режим непрерывного преобразования, когда запуск преобразований выполняется непрерывно через определенные интервалы времени.

Для управления модулем АЦП в МК ATmega8L используются регистры6

· управления и состояния АЦП (ADCSR);

· управления мультиплексором (ADMUX);

· специальных функций (SFIOR).

При запуске первого преобразования после включения АЦП для выполнения преобразования требуется 25 тактов (т.е. на 12 тактов больше, чем обычно). В течении этих тактов выполняется «холостое» преобразование инициализирующее АЦП. Временные диаграммы работы АЦП в режиме одиночного преобразования приведены на рисунке 13.

Рисунок 13.

Все микроконтроллеры семейства Mega имеют в своем составе универсальный синхронно-асинхронного приемопередатчика USART. Все модули приемопередатчиков обеспечивают полнодуплексный обмен по последовательному каналу, при этом скорость передачи данных может варьироваться в широких пределах. Временные диаграммы для синхронного режима работы USART показаны на рисунке 14.

Рисунок 14.

Расположение выводов микропроцессора AT Mega8 в корпусе DIP-28 показаны на рисунке 15.

Рисунок 16. Расположение выводов микропроцессора AT Mega8

Гальваническая развязка

Безопасность пациента обеспечивает гальваническая развязка цифрового сигнала, примененная в интерфейсе RS-232, который в свою очередь связывает микропроцессор и компьютер. В качестве устройства изоляции применена микросхема ADuM 1301 - трехканальный двунаправленный цифровой изолятор, созданный по технологии iCoupler фирмы Analog Devices. Данная технология позволила создать устройство развязки цифрового сигнала, лишенные недостатков, присущих оптопарам (таких, как очень малый коэффициент передачи, нелинейная передаточная характеристика и других) [18].

Устройства iCoupler, кроме того, обеспечивают высокую скорость передачи данных при гораздо меньшем энергопотреблении по сравнению с оптопарами.

Основные технические характеристики ADuM 1301:

· Низкое потребление:

· При 5 В питании:

· - 1.0 мА на канал на скорости до 2 Мбит/с

· - 3.5 мА на канал на скорости 10 Мбит/с

· При 3 В питании:

· - 0.7 мА на канал на скорости до 2 Мбит/с

· - 2.1 мА на канал на скорости 10 Мбит/с

· Двунаправленная передача данных

· Совместим с 3.3 В и 5.0 В питанием / уровнями логических сигналов

· Максимальная рабочая температура 100°C

· Высокая скорость передачи данных: от 0 до 100 Мбит/с (NRZ)

· Превосходные временные параметры: максимальное искажение длительности импульса 2 нс, максимальное временное рассогласование каналов 2 нс;

· Способность выдерживать воздействие изменяющегося входного синфазного сигнала, имеющего скорость нарастания более 25 кВ/мкс

Расположение выводов АDuM 1301 для 16 выводного SOIC корпуса показано на рисунке 17.

Рисунок 17. Расположение выводов АDuM 1301

Преобразователи уровня для интерфейса RS-232

Широкое распространение микроконтроллеров и устройств на их основе вновь повысило интерес разработчиков к интерфейсу RS-232 как к предельно простому последовательному каналу управления микроконтроллером с помощью компьютера. Для преобразования уровня RS-232 (по стандарту RS-232 сигнал передаётся уровнями -3… - 15 В (логическая «1») и +3…+15 В (логический «0»)) в стандартные логические уровни TTL применяют специальные преобразователи уровней (драйвера) между микроконтроллером и ПК.

Среди фирм, выпускающих преобразователи уровня для интерфейса RS-232, бесспорным лидером является MAXIM (63 вида ИС). Все эти микросхемы можно условно разделить на два класса - ИС для работы с гальванической развязкой и без неё, но с защитой от статического электричества. Для разрабатываемого устройства выбираем простую (один передатчик и один приёмник) RS-232-совместимые ИС - МАХ3311Е с напряжением питания +5 В и одним инвертирующим генератором накачки (необходимы только три конденсатора) (рисунок 18). Скорость передачи - 460 Кбит/с. Особенностью МАХ3311Е является отключение генератора накачки в режиме пониженного энергопотребления, «поддергивание» напряжения V - до уровня земли и отключение выхода передатчика. Выпускаются МАХ3311Е в 10-выводных корпусах mМАХ.

Рисунок 18.

Источник питания

Питание изолированной части устройства осуществляется от двух гальванических элементов типа АА напряжением 1,5 В. Для того, чтобы обрабатывать биполярный входной сигнал усилителям INA 118 и LM2902 требуется биполярное питание ±3 В. Для получения стабилизированного биполярнго напряжения ±3 В от батареи напряжением 3 В применим стабилизатор на переключаемых конденсаторах ADP3607-3 и инвертор на переключаемых конденсаторах ADP3605-3 (Analog Devices) [9].

ИС ADP3607-3 - удвоитель напряжения со стабилизированным выходным напряжением, обеспечивает ток до 50 мА. Инвертор ADP3605-3 имеет фиксированное выходное напряжение -3В и может обеспечить ток до 120 мА.

Неизолированная часть устройства (часть ADuM 1301 и - МАХ3311Е) питается от порта RS-232, здесь в качестве стабилизатора напряжения применим микросхему L78L05 c выходным напряжением 5В. Расположение выводов 78L05 показано на рисунке 19.

Рисунок 19

Резисторы

Во всех цепях (кроме ПФ) применяются резисторы общего назначения С2-19 мощностью 0,125 Вт и с погрешностью ± 5%.

В качестве подстроечных резисторов целесообразно использовать многооборотные С5-15 с погрешностью ± 5%.

Для построения ПФ используются прецизионные резисторы С2-29В с погрешностью ± 0,1%.

Конденсаторы

Неполярные конденсаторы малой емкости - тип КМ-5.

Полярные конденсаторы - тип К-50.

1.5 Разработка схемы электрической принципиальной

Усилитель ЭКС собран на микросхемах DA1 (INA 118), DA2.1, DA2.2 (LM2902) и резисторах R1-R4. Здесь применена проверенная временем схема, приведенная в документации на INA 118 [11, 12] и используемая в усилителях биопотенциалов.

Для компенсации помех сигнал из точки соединения резисторов R4 и R5 дополнительно усиливается и подается на биообъект. Схема электрическая принципиальная усилителя ЭКС приведена на рисунке 20. Необходимый коэффициент усиления определяется резисторами R4 и R5.

Рисунок 20.

Полосовой фильтр собран на операционном усилителе LM2902 (DA2.3), резисторах R6-R9 и конденсаторах С1-С2. Здесь используется известный фильтр NASA [19], имеющий максимум пропускания на частоте 17 Гц и добротность Q=3,3. Принципиальная схема полосового фильтра представлена на рисунке 21.



Рисунок 21

Нормирующий усилитель сдвигает входной сигнал (с выхода ПФ) в положительную область и позволяет регулировать коэффициент усиления всего тракта. Собран на операционном усилителе LM2902 (DA 3.1, DA 3.2) и резисторах R10-R21. Первый каскад (DA 3.1) имеет коэффициент усиления k=1, обеспечивает сдвиг сигнала примерно на 1,5 В вверх, за счет подачи напряжения с делителя напряжения R10, R14, R17. Второй каскад (DA 3.2) имеет переменный коэффициент усиления k=3-5, который определяется резисторами R13, R20, R21 [20, 21]. Схема электрическая принципиальная нормирующего усилителя приведена на рисунке 22.

Рисунок 22

Для включения микроконтроллера (DD1) применена типовая схема, приведенная на рисунке 23. [14].

Микропроцессоры AVR архитектуры позволяют низковольтное внутрисхемное программирование. С помощью небольшого шлейфа проводников IDC10 длинной 20-30 см программатор подключается прямо в схему проектируемого устройства и микропроцессор прошивается рабочим напряжением.

Генератор опорного напряжения выполнен на кварцевом резонаторе QZ и конденсаторах С4, С5.

Делитель напряжения R22-R24 регулирует опорное напряжение микроконтроллера.

Светодиод VD1 является индикатором работы устройства (в частности микроконторллера), резистор ограничивает ток в цепи светодиода до значения 10-15 мА.

Гальваническая развязка выполнена на микросхеме DD2 (АDuM 1301). В качестве преобразователя уровня для интерфейса RS-232 применяется ИС MAX3311E (DD3). Для нормальной работы этой микросхемы используются три конденсатора С13-С15.

RC цепь R22-C3 предназначена для сброса (Reset) - обнуления всех регистров при включении МК.

Для питания изолированной части устройства используются два гальванических элемента типа «АА» (GB1, GB2), стабилизатор ADP3607-3 (DA4) и инвертор ADP3605-3 (DA5). Конденсаторы С8-С12 - необходимые элементы типовой схемы включения [14]. Шина «А» - напряжение питания +3В; шина «В» - напряжение питания -3В. Шина «С» - «общий».

Неизолированная часть устройства (часть ADuM 1301 и - МАХ3311Е) питается от порта RS-232, через диоды VD2, VD3 и стабилизатор напряжения L78L05 (DA5).

К персональному компьютеру устройство подключается через кабель DB9 (вилка / розетка) с соответственной распайкой.

1.6 Расчет отдельных узлов

Расчет УЭКС

При питании аналоговой части прибора (УЭКС, ПФ, НУ) напряжением ± 3В напряжение на выходе НУ может принимать максимальное значение примерно 2,4 В, что составляет около 0,8 от напряжения питания. Входной ЭКС имеет диапазон напряжений 0…5 мВ, поэтому общий коэффициент усиления необходимо принять равным 2,4/0,005?500.

Примем коэффициент усиления УЭКС равным 200, а коэффициент усиления НУ 2,5.

Рассчитаем номиналы резисторов R4, R5, задающих коэффициент усиления УЭКС.

k = 1 + 50 кОм/Rs [11, 12],

где Rs = R4+R5.

Отсюда Rs=50кОм/k-1=50000/199=251,3 Ом.

Выберем номинал резисторов R4=R5=120 Ом.

Пересчитаем коэффициент усиления УЭКС.

k = 1 + 50 000/120+120=200,33.

Расчет нормирующего усилителя

Коэффициент усиления НУ должен быть равным 2,5. Зададим диапазон от 2 до 3 и резистор R13=300 КОм. Тогда номинал резисторов обратной связи должен лежать в диапазоне 600-900 КОм [20, 21]. Выберем R20 =560 КОм, а R21=330 КОм. При этом диапазон изменения коэффициента усиления будет 1,87…2,96.

Напряжение смещения для сдвига напряжения в положительную область должно составлять 2,4/2=1,2 В. Зададим диапазон 1,0…1,4 В. Рассчитаем номиналы резисторов R10, R14, R17. Падение напряжения на всех трех резисторах 3,0 В. Ток в цепи выберем равным нескольким микроамперам, тогда примем номиналы резисторов R10=860 КОм, R17=1Мом, а R14=560КОм. Ток в цепи будет равен 3/(860+1000+560)=1,23 мкА. При этом напряжение смещения будет лежать в диапазоне 1.05…1,7.

Расчет источника опорного напряжения

Делитель напряжения R22 - R24 для опоры АЦП должен иметь напряжение порядка 2,4 В. Выберем номиналы резисторов R22= R24=1МОм, R23=560 КОм. При этом ток в цепи 3/2560=1,17 мкА, опорное напряжение будет лежать в диапазоне 1,17…1,83 В.

Ток потребления устройства

Для определения тока потребления прибора необходимо сложить токи потребления всех его компонентов:

· УЭКС на INA118 потребляет порядка 350 мкА;

· ОУ LM2902 потребляют 2Ч700=1400мкА;

· МК AT Mega8L - 6 мА;

· Изоляторы ADuM 1301 -2,1 мА;

· Стабилизаторы ADP - 2Ч2,5=5 мА;

Драйвер RS-232 MAX3311 в данном расчете не учитываем, так как он питается от порта ПК.

Таким образом, ток потребления всего прибора от гальванических элементов будет равным 0,35+1,4+6+2,1+5?16мА. При этом потребляемая мощность составит 16Ч3=48мВт

Время работы от одного комплекта батарей.

При использовании батарей емкостью 1000мА/ч время работы от одного комплекта составит 1000/16=62,5 ч.

1.7 Анализ погрешностей

Погрешность измерения временных интервалов

Максимальная погрешность измерения временных интервалов ЭКС будет при измерении минимального интервала T_min=250 мс. Абсолютную погрешность дискретизации определим как где t_d - период дискретизации сигнала, равный 2 мс (частота дискретизации по заданию 500 Гц). Тогда максимальная относительная погрешность будет равна

Кроме погрешности дискретизации существует временная погрешность обнаружения информативных КИ, которая будет зависеть от алгоритма обнаружения. Примем временную погрешность обнаружения

Таким образом погрешность измерения временных интервалов ЭКС будет составлять не более 1,8%.

Погрешность аналого-цифрового преобразования

Микроконтроллер ATMega8L имеет в своем составе 10-и разрядный АЦП. Для преобразования сигнала используем все 10 разрядов, тогда для входного сигнала напряжением 5 мВ один квант (е.м.р.) будет составлять

Интегральная нелинейность составляет 0,5 е.м.р. [15], т.е. примерно 2,5 мкВ.

Абсолютная погрешность преобразования ±2 е.м.р. [15], т.е. ±10 мкВ, что составит 0,2% от входного сигнала.

Динамическую погрешность АЦП определим из максимальной скорости сигнала и времени преобразования АЦП. Время преобразования АЦП составляет 65-260 мкс. При максимальной скорости изменения сигнала 0,25 мВ/мс (т.е. в худшем случае) за 260 мс входной сигнал изменится на 0,25Ч260=63 мкВ, что от входного сигнала будет составлять

Погрешность усилителей

Инструментальный усилитель INA 118 имеет напряжение смещения 50 мкВ, что составляет 1% от входного сигнала 5мВ.

Напряжение шума усилителя (размах) составляет порядка 0,2…0,3 мкВ [12], что от входного сигнала составляет 0,006%.

Погрешность коэффициента усиления в худшем случае составляет 1% [12].

1.8 Разработка алгоритмов

Разработка алгоритма анализа ВСР

Структура устройства, разработанная в настоящем дипломном проекте, позволяет создавать и модифицировать различные анализаторы ЭКС, меняя и наращивая программное обеспечение. При этом может обеспечиваться анализ (распознавание) формы кардиоимпульсов для последующего поиска аритмий с изменением формы КИ (желудочковые экстрасистолы, в том числе и политопные), а также для исследования ST-сегмента. Если проводить только лишь обнаружение КИ (без анализа формы), то возможно проводить выявление аритмий не приводящих к изменению формы (предсердных и наджелудочковых экстрасистол) и анализ вариабельности сердечного ритма.

В разделе разработан алгоритм анализа ВСР по четырем показателям, рекомендованным Рабочей группы Европейского общества кардиологии и Североамериканского общества кардиостимуляции и электрофизиологии [6]:

· SDNN - для оценки общей ВСР;

· триангулярный индекс ВСР - для оценки общей ВСР;

· SDANN - для оценки низкочастотных компонент вариабельности;

· RMSSD - для оценки высокочастотных компонент вариабельности.

Схема обобщенного алгоритма анализа ВСР приведена на рисунке. На первом этапе происходит обнаружение КИ, далее измеряются временные интервалы между соседними импульсами . Используя частоту дискретизации 500 Гц погрешность измерения интервалов (абсолютная) будет составлять не более 2 мс (относительная погрешность для худшего случая - 200 мс, будет составлять не более 1%). Показатель SDNN является среднеквадратическим отклонением (стандартным отклонением), поэтому для его вычисления найдем математическое ожидание интервалов (среднее):

где n - количество интервалов.

Затем вычисляем дисперсию

квадратный корень из которой и даст искомый показатель SDNN

Для вычисления показателя SDANN необходимо вычислить СКО средних значений интервалов по 5-и минутным промежуткам в течении всей записи. Среднее значение длительности для 5-и минутного промежутка

Дисперсия средних интервалов будет равна

тогда показатель SDANN рассчитаем как квадратный корень из дисперсии.

Для вычисления RMSSD необходимо найти квадратный корень из средней суммы квадратов разностей между интервалами. Найдем разности между соседними интервалами

Для нахождения триангулярного индекса ВСР (TI) необходимо разделить общее число интервалов n на высоту гистограммы (Y) интервалов с шагом 1/128 с.

Высота гистограммы численно равна максимальному количеству интервалов в одном из диапазонов (карманов) гистограммы. Находим длительность наименьшего интервала, откладываем от него 8 мс, подсчитываем количество интервалов, попавших в этот диапазон, Затем переходим к следующему диапазону (по возрастанию). Таким образом, находим максимальное количество интервалов в одном из диапазонов. Это и есть значение Y.

Исследования, проводившиеся в рамках дипломного проекта, заключались в проведении вычислений показателей ВСР в среде MS ECXEL. В качестве примера была рассмотрена пятиминутная запись ЭКС. Зависимость длительности интервалов от номера интервала показана на рисунке 1. Гистограмма распределения длительностей интервалов приведена на рисунке 1. В Приведенном примере в 5-и минутном отрезке содержаться 337 интервалов. Среднее значение интервалов равно 889,73. Показатель SDNN равен 10,94 мс. Высота гистограммы Y=53. Триангулярный индекс равен 333/53=6,35.



Рисунок 25

Рисунок 26

Заключение

В ходе дипломного проектирования было разработано устройство для измерения временных параметров и анализа электрокардиосигналов. Данный прибор был разработан с учетом современных тенденций развития микропотребляющей электронной аппаратуры и всех требований, предъявляемых к медицинским приборам, а также требованиям ТЗ на дипломный проект.

Устройство для измерения временных параметров и анализа электрокардиосигналов имеет следующие технические характеристики:

Диапазон входных напряжений, мВ ± 5

Диапазон изменения временных интервалов, мс 250-1800

Коэффициент ослабления синфазной составляющей ЭКС, дБ ? 110

Частота дискретизации сигнала, Гц 500

Погрешность измерения временных интервалов, % 1,8

Погрешность АЦ преобразования, % 0,2

Напряжение питания, В 3

Тип элементов питания АА (2 шт.)

Интерфейс для связи с ПК RS-232

Ток потребления, мА ? 20

Продолжительность непрерывной работы без замены элементов питания, ч ?50

Габаритные размеры, мм 90x60x30

Масса (без электродов и элементов питания), г 280

Разработанный прибор предназначен для измерения длительности кардиоциклов (R-R интервалов) и последующей статистической обработки этой информации с целью вычисления наиболее информативных показателей ВСР. В дипломе выбраны четыре показателя ВСР, рекомендованные Рабочей группы Европейского общества кардиологии и Североамериканского общества кардиостимуляции и электрофизиологии:

· Стандартное отклонение всех NN-интервалов (SDNN);

· Общее количество NN-интервалов, деленное на высоту гистограммы всех NN-интервалов с шагом 1/128 мс (триангулярный индекс);

· Стандартное отклонение средних значений NN-интервалов, вычисленных по 5-минутным промежуткам в течение всей записи (SDANN)

· Квадратный корень из средней суммы квадратов разностей между соседними NN-интервалами (RMSSD).

Разработан алгоритм вычисления значений этих показателей, которые позволят предсказать вероятности появления угрожающих жизни состояний.

Структура устройства, разработанная в настоящем дипломном проекте, позволяет создавать и модифицировать различные анализаторы ЭКС, меняя и наращивая программное обеспечение.

Разработанное устройство предназначено для учреждений здравоохранения, рекомендуется использовать в спортивной медицине. Применение такого прибора повысит качество диагностики и лечения угрожающих жизни состояний.

Список использованных источников

прибор кардиоцикл информативный

1. Дощицин В.Л. Практическая электрокардиография. - М.: Медицина, 1987.

2. Истомина Т.В., Кривоногов Л.Ю. Вопросы помехоустойчивости при измерениях параметров электрокардиосигнала // Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. - Вып. 25. - С. 167-173.

3. Барановский А.Л.. Калиниченко А.Н., Немирко А.П. и др. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ. Учеб. Пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1993.

4. Горелик А.Л., Скрипкин В.А. Методы распознавания: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1989.

5. Истомина Т.В., Кривоногов Л.Ю. Сравнительный анализ алгоритмов обнаружения информативных импульсов ЭКС // Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002, - Вып. 26, - С. 91-98.

6. www.HRV.ru - сайт посвященный ВСР.

7. П. Гель. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс. М.: ДМК, 2000.

8. Котляков Б. Компьютерный кардиограф. Схемотехника. №9, 2002.

9. Компани-Бош Э., Хартманн Э. Электрокардиограф на базе микроконвертора. Компоненты и технологии, №6, 2004, с. 104-110.

10. Балашов Ю., Козьмин В. и др. Автономный регистратор ритма сердечных сокращений. Современные технологии автоматизации, №2, 1998, с. 74-76.

11. Интегральные микросхемы. Перспективные изделия. Выпуск 1. - М.: ДОДЕКА, 1996.

12. www.burr-brown.com - официальный сайт компании Вurr-Вrown.

13. Голубцов М.С., Кириченкова А.В. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2004.

14. Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы. - М.: Додэка, 2004.

15. Евстифеев А.Н. МикроконтроллерыAVR семейств Tiny и Mega фирмы

16. «ATMEL». - М.: ДОДЕКА, 2004.

17. www.atmel.ru - официальный русскоязычный сайт корпорации Atmel.

18. Analog Devices. 3V/5V, Triple-Channel Digital Isolators ADuM1300 / ADuM1301. 2004.

19. Микрокомпьютерные медицинские системы. Проектирование и применение. Под. ред. У. Томпкинса, Д Уэбстера. - М.: Мир, 1983.

20. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1998.

21. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988.

Размещено на Allbest.ru

...