Актуальные проблемы выбора функциональных узлов устройства регистрации биопотенциалов сердца

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ФГБОУ ВПО Балашовский институт (филиал)

Саратовского государственного университета имени Н.Г.Чернышевского

Актуальные проблемы выбора функциональных узлов устройства регистрации биопотенциалов сердца

Симашев М.А.

Сорокин А.Н

Электрокардиография является основным методом электрофизической инструментальной диагностики состояния сердца. Широкое применение в лечебных учреждениях, обусловленное большой диагностической ценностью и относительно низкой себестоимостью метода, вызывает необходимость обращать на него пристальное внимание в процессе обучения. Из-за активного внедрения информационно-вычислительных комплексов, как в процесс диагностики патологических состояний, так и в процесс обучения появляется необходимость решения задачи подбора функциональных узлов для построения упрощенного устройства регистрации биопотенциалов сердца на базе ПВЭМ.

Рис. 1. Структура программно-аппаратного комплекса

Структурно блок-схема данного комплекса представлена на рис.1, где ИБО - исследуемый биологический объект, служащий источником биоэлектрического сигнала; БО - блок отведений, представляющий собой электроды и систему проводников; БУ - блок усилителей исходного биоэлектрического сигнала; БП - блок питания, осуществляющий электропитание устройства; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь, выполняющий преобразование усиленных аналоговых сигналов биологической природы в скалярные величины пригодные для последующей обработки на ЭВМ; ПВЭМ - персональная электронно-вычислительная машина, выполняющая функцию регистрации, обработки, хранения и вывода информационного потока; УГП - устройство графического представления, служащее для визуального представления полученных сигналов; ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, выполняющее функцию хранение полученных данных.

Данная блок-схема подразумевает ряд особенностей.

Во-первых, обработка сигнала в ПВЭМ представлена только программно, без учета того, что как сама ПЭВМ, так ее составные узлы и внешние элементы сами по себе являются сложными программно-аппаратными комплексами.

Во-вторых, схема подключения блока отведений к биологическому объекту упрощена и имеет лишь три отведения, Однако, в основе лежит общепринятая для современной кардиографии концепция треугольника Эйнтховена, так же предусматривающей ряд допущений: человеческое тело по отношению к электрическому полю рассматривается как однородный проводник; генератор сердечной электродвижущей силы заменен точечным диполем; морфологически человеческое тело представляется в виде равностороннего треугольника с вершинами в кистях рук и левой ноге.

В-третьих, технические требования, предъявляемые к электродам систем отведения, а именно: напряжение собственного шума менее 30 мкВ, время непрерывного контактирования с объектом исследования более получаса, собственное сопротивление - менее 5 кОм, а так же разность электродных потенциалов не превышающую 100 мВ [1].

В-четвертых, требования, предъявляемые к блоку усилителей биоэлектрических сигналов, определяются не только напряжением питания, коэффициентом усиления минимальным уровнем внутренних шумов, уровнем входного напряжения поданного непосредственно от биологического объекта и колеблющегося в рамках от 1 до 5 мВ, но и уровнем разрешения АЦП, находящемся в прямой зависимости с разрядностью АЦП и определяемым для двоичных систем формулой (1), в которой Где a - уровень разрешения АЦП; c- разрядность АЦП:

(1)

Необходимо отметить, что подбор блока усилителей осуществляется одновременно с выбором блока питания и аналогово-цифрового преобразователя. При этом ключевым устройством выступает АЦП, выполняющий функции интерфейса по взаимодействию между аналоговой и цифровой частью устройства. АЦП подбирается в соответствии со следующими требованиями: минимальный уровень привносимых искажений при максимальном входном напряжении не превышает 4,5 В, разрядность, как минимальное количество дискретных значений на выходе АЦП, не приводящее к критическим искажениям показаний, должна быть не менее 8 бит. Стоит отметить, что технические характеристики большинства выпускаемых на данный момент встраиваемых звуковых карт с PCI-интерфейсом передачи данных, в том числе и бюджетного класса следующие: разрядность, как правило, 16 бит, входное напряжение с минимальным уровнем помех до 5 В. Использовав АЦП звуковой карты как наиболее оптимальное решение, отвечающее техническим требованиям в полной мере, получаем выражение (2), отражающее уровень разрешения АЦП:

(2)

При приведении к уровню входного напряжения уровень сигнала составит 76,29 мкВ на один шаг квантования. Столь малое значение позволяет получать дискретный сигнал максимально приближенный к исходному аналоговому биоэлектрическому сигналу, что вместе с минимальным уровнем требуемых доработок является ключевым при выборе АЦП.

Доработка звуковой карты (рис. 2) состоит в отключении штатных микрофонных, усилителей (МУ), так как их характеристики не отвечают высоким техническим требованиям усилителей биоэлектрических сигналов применяемых в электрокардиографии.

Рис. 2. Обобщенная блок схема входного канала PCI звуковой карты.

Оптимальным решением при выборе блока питания устройства является использование непосредственно блока электропитания ПЭВМ. Подключение к которому наиболее удобно осуществить через интерфейс USB. На рис. 3 обозначена группа из двух контактов, отвечающая за подачу питания в электрическую цепь.

Рис 3. Положение питающей контактной группы USB порта.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 4. Принципиальная схема инструментального усилителя ina118.

Технические характеристики блока питания и АЦП ограничивают выбор блока усилителей биоэлектрических потенциалов по напряжению питания уровнем менее 5 В и выходными значениями напряжения так же на уровне менее 5 В. Оптимальным вариантом для данных характеристик является инструментальный усилитель ina118 (рис. 4) производства фирмы Texas instruments, представляющий собой созданный непосредственно для электрокардиографов блок из трех интегрированных операционных усилителей, выполняющий усиление входных напряжений, подаваемых на входы 2, 3 обозначенные Vin +, Vin-, до уровня в 1,37 В, выход 5, 6 - V0 и Ref соответственно, с минимальным уровнем искажений [2]. Таким образом, разрешение двоичного АЦП по напряжению при таком подборе комплектующих составит менее 30 мкВ.

Как следует из принципиальной схемы (рис. 4) данный инструментальный усилитель обладает полярным питанием ±5 В, подаваемым на V+, V- входы 7 и 4 соответственно, что в свою очередь требует применение преобразователя постоянного тока для получения биполярного питания. Заданным техническим требованиям удовлетворяют микросхемы LTC7660 и LTC1044 [3].

Требования к программной части для данного устройства в полной мере отвечает следующие программные продукты: LabView, Xoscope, Oscilloscope 2.51, Oscilloscope DSSI.

LabView, являясь продуктом с закрытым исходным кодом, предусматривает ограниченный функционал [4], достаточный для решения учебных задач, в условно-бесплатной версии для Linux [5] при использовании вместе с библиотекой WaveIO [6]. Xoscope является программным осциллографом с открытым исходным кодом, распространяемым из репозиториев Ubuntu Linux. Прочие перечисленные программы, распространяемые авторами на безвозмездной основе, так же являются программными реализациями осциллографов и способны выполнять функции электрокардиографа в учебных целях.

Таким образом, осуществлен подбор функциональных узлов для устройства регистрации биопотенциалов сердца. Основные параметры узлов, такие как доступность, информативность, точность показаний отвечают предъявленным к электрокардиографам требованиям. Общая простота блок-схемы, наряду с использованием аналогичных диагностической кардиологии принципов, определяет легкость выполнения сборочно-наладочных работ при сборке устройства в будущем.

аппаратный биопотенциал сердце цифровой

Список литературы

Кореневский, Н.А. Проектирование электронной медицинской аппаратуры для диагностики и лечебных воздействий/ Н.А Кореневский, Е.П. Попечителев, С.А. Филист - М: Курск - С. 1999. -533с. ISBN 5-88562-089-х

Precision, Low Power Instrumentation Amplifier [Электронный ресурс] / Официальный сайт компании Texas Instruments - Режим доступа: www.ti.com/lit/ds/symlink/ina118.pdf -15.11.2012

Micropower Comparators [Электронный ресурс] / Официальный сайт компании Linear Technology - Режим доступа: http://www.linear.com/product/LTC1440 - 25.11.2012

LabView [Электронный ресурс] / Википедия свободная энциклопедия -Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/LabVIEW -17.12.2012

Интеграция с оборудованием [Электронный ресурс] /Официальный сайт компании National Instruments - Режим доступа: http://www.labview.ru/labview/what_is_labview/integration_with_hardware.php - 20.12.2012

WaveIO: A Soundcard Interface for LabView [Электронный ресурс] / Christian Zeitnitz -Режим доступа: http://www.zeitnitz.de/Christian/waveio -23.12.2012

Размещено на Allbest.ru