Аналоговый блок интеллектуального кардиоанализа аритмии

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