Аналоговый блок интеллектуального кардиоанализа аритмии

Кроме того, при контакте электродов с кожей  возникает постоянный потенциал  до 200 мВ, который так же может  мешать анализу ЭКС в нижнем диапазоне  частот.

Для устранения помех и выделения полезного  сигнала требуется блок усиления и фильтрации. В блок входит инструментальный усилитель (ИУ), фильтр верхних частот и схема компенсации синфазного сигнала.

В настоящее  время существует огромный выбор  инструментальных усилителей, специально спроектированных для использования  в устройствах съема сигналов ЭКГ. Например, усилитель AD8295 фирмы Analog Devices.

Данное устройство представляет собой прецизионный инструментальный усилитель, включающий в себя входной  усилитель и два операционных усилителя с подобранными резисторами, заключенные в один корпус, размером 4×4 мм. Строение усилителя представлено на рисунке 2.4.1.

Рисунок 2.4.1 Строение усилителя AD8295

 

Основные  преимущества, которые имеет данный усилитель по сравнению с традиционными  инструментальными усилителями  :

1. Включает в себя прецизионный входной усилитель, 2 ОУ и 2 подобранных
2. 4 × 4 мм LFCSP корпус
3. Не требует теплоотвода

Характеристики  входного усилителя:

1. Коэффициент усиления устанавливается одним внешним резистором (Ку [1..1000])
2. Максимальный шум на входе:8 нВ/√Гц, максимальный при 1 kHz
3. КОСС 90dB мин.
4. Постоянный входной ток 0,8 нА макс.
5. Скорость нарастания: 2 В/мкс.
6. ТКР 0,0001% /°C, 0,03% погрешность  резисторов.

 

Наличие встроенных операционных усилителей и  резисторов позволяет существенно  экономить пространство печатной платы, что играет главную роль в разработке миниатюрных устройств. Операционный усилитель с подобранными резисторами  удобно использовать для построения фильтров,  другой операционный усилитель  можно использовать в любых целях.

Высокочастотные наводки на входе инструментального  усилителя могут негативно влиять на качество сигнала. Поступая на вход, они выпрямляются, и на выходе усилителя  образуется постоянная составляющая, которая может препятствовать правильной обработке сигнала. Для уменьшения влияния высокочастотных наводок  на входе ИУ применяют фильтры  нижних частот. Пример фильтра показан  на рисунке 2.4.2. 

Рисунок 2.4.2 – Фильтр нижних частот на входе ИУ

 

  Частота  среза фильтра определяется формулой 

 

Где 

Очень важно  подобрать конденсаторы Сс  с  одинаковыми параметрами, т.к. малейшее рассогласование между RC  цепочками обеих входов приведет к значительному уменьшению КОСС усилителя. Зададимся частотой среза 500 Гц и рассчитаем параметры фильтра.

Сс = 310 (пФ),

тогда

(пФ),

.

Для построения фильтра верхних частот задействуем  один из  встроенных усилитель. Используем схему интегратора, включенного  в цепь обратной связи ИУ, см рисунок  2.4.3.

Рисунок 2.4.3 – Использование встроенного ОУ в качестве фильтра верхних частот

 

 На  низких частотах сопротивление  конденсатора велико, и постоянное  напряжение на интеграторе инвертируется,  усиливается и подается на  вход REF ИУ, обнуляя выход. На высоких частотах сопротивление конденсатора С мало, коэфицент усиления интегратора мал и недостаточен для обнуления выхода. На очень высоких частотах коэффициент усиления приближается к еденице и высокачастотные сигналы проходят без изменения. АЧХ фильтра изображена на рисунке 2.4.4.

 

 

 

Рисунок 2.4.4

 

Частота среза фильтра определяется значениями R и С по следующей формуле:

Зададимся частотой среза 0,05 Гц и рассчитаем параметры  фильтра. Зададимся значением резистора 100 кОм. Определим значение С.

C = 79 нФ.

Выбираем  из ряда E24 ближайшее значение С = 82 нФ.

Для ослабления синфазных помех в устройство вводится так называемый Right Leg Drive (RLD) – дополнительный электрод, через который на тело в противофазе подается сингнал, снятый с двух основных электродов. Для этой цели задействован оставшийся ОУ, входящий в состав AD8295. Схема устройства приведена на рисунке 2.4.5

Рисунок 2.4.5 Схема RLD

 

В этой схеме  в качестве резистора Rg, задающего коэффициент усиления для ИУ используется встроенные резисторы 20 кОм, образующие делитель, с которого и снимается напряжение, которое поступает на инвертирующий вход ОУ. Таким образом, коэффициент усиления ИУ составляет :

 

G = 2.235

Для нормальной работы AD8295 требуется применять шунтирующие конденсаторы емкостью 0.1 мкФ. Конденсаторы следует располагать как можно ближе к выводам питания, в противном случае, шум, возникающий в цепях питания, снизит производительность усилителя.

Представим  электрическую схему цепи предварительного усиления и фильтрации на рисунке  2.4.6

 

 

Рисунок 2.4.6

 

В схеме использованы следующие компоненты:

С1,С3 – Кер.ЧИП конд. 310 пФ NP0 1%, 0402, 50В, GRM1535C1H471J

С4 – Кер.ЧИП конд. 3,1 пФ NP0 1%, 0402, 50В, GRM1535C1H471J

С6,С11 - Кер.ЧИП конд. 0,1 мкФ NP0 5%, 0402, 50В

С12 - Кер.ЧИП  конд. 82 нФ NP0 5%, 0402, 50В

R4 – SMD ЧИП резист. 100 кОм 5%, 0402 

DA1 – AD8295

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4.2 Выбор и  расчет цепей защиты от электростатического  разряда дефибриллирующих импульсов

 

Так как люди, использующие кардиоанализаторы и кардиомониторы, обычно состоят в группе риска по сердечно сосудистым заболеваниям, то они с большой вероятностью могут иметь имплантируемые кардиовертеры-дефибрилляторы. Кроме функции стимуляции при брадисистолических нарушениях ритма эти устройства имеет функцию прерывания фибрилляции желудочков (а также трепетания желудочков, желудочковой тахикардии). С этой целью, после распознавания опасного состояния, кардиовертер-дефибриллятор наносит разряд от 12 до 35 Дж, что в большинстве случаев восстанавливает нормальный ритм, либо, по крайней мере, купирует жизнеугрожающие нарушения ритма. Если первый разряд был неэффективен, аппарат может повторить его до 6 раз. Кроме того современные ИКД помимо собственно разряда могут использовать различные схемы нанесения частой и залповой стимуляции, а также программированной стимуляции с различными параметрами .

При нанесении  разряда, на электродах датчика кардиоанализатора может появиться высокое напряжение, которое способно вывести его из строя. С этой целью во всех современных устройствах мониторинга сердечного состояния используется защита от разряда дефибрилляции.

Защита  от импульсов дефибриллятора является стандартной функцией электрокардиографов (ЭК) и медицинских мониторов. Достаточно большие амплитуды импульсов дефибриллятора (до 5 кВ) способны вывести от строя микросхемы усилительных каскадов. Поэтому к ЭК введены требования в части совместной работы с дефибриллятором. Стандартной схемой защиты является включение разрядников в каждый провод отведения относительно электрода N. Некоторые фирмы используют диодную схему защиты ЭК без разрядников. При этом ограничивающие резисторы должны выдерживать импульс дефибриллятора (5 кВ), а диоды — пропускать ток порядка 2—3 А. В этой схеме провода электродного кабеля также должны выдерживать импульс 5 кВ. При первом рассмотрении вторая схема имеет одни недостатки: требуются специальные высоковольтные резисторы и высоковольтные провода. Однако достоинством второй схемы является уменьшение импульса тока во входной цепи в 50—100 раз. Уменьшение тока пропорционально снижает напряжение поляризации электродов .

В разрабатываемом  устройстве применяется второй тип  схемы, т.к. данная реализация намного  проще и дешевле. Для этого  используются ограничительные цепи в виде диодов или стабилитронов, которые при превышении входного напряжения открываются, и заряд  импульса проходит через них, минуя  чувствительные входы элементов.

Главное требование, предъявляемое к диодам это сверхмалое значение тока утечки. В качестве диодов можно применять  специальные диоды для защиты от электростатического разряда  в отдельном корпусе, например TPD1E10B09 – устройство защиты от электростатического  разряда для одного канала, производитель  Texas Instruments [?]. Схема подключения представлена на рисунке 2.4.7

 

Рисунок 2.4.7 – Схема подключения TPD1E10B09

 

Максимальные  значения основных характеристик представлены в таблице 2.4.1

 

 

Таблица 2.4.1

	Мин.	Макс.	Ед. изм.
Диапазон рабочей температуры	- 40	125	°С
Температура хранения	- 65	155	°С
ИЭК 61000-4-2 контактный электрод		±20	кВ
ИЭК 61000-4-2 электрод с воздушным зазором		±20	кВ
Пик импульса тока (tп=8/20 мс)		4,5	А
Пик импульса мощности (tп=8/20 мс)		90	Вт

 

Так как  в техническом задании предъявлены  серьезные требования по массогабаритным  показателям, использование отдельных  диодов или диодных сборок усложняет  реализацию устройства. Поэтому целесообразно  использовать  одну диодную сборку, в данном случае для трех каналов.

Для этих целей подходит MAX14541E –  диодная сборка, разработанная для  защиты элементов от электростатического  разряда. Отличительной особенностью MAX14541E является низкая емкость диодов и сверхмалый ток утечки. Ниже приведены её основные характеристики.

Высокоскоростная  линия передачи данных с защитой  от электростатических разрядов

2) ±15 кВ Модель человеческого тела

3) ±15 кВ ИЭК 61000-4-2 разряд с воздушным зазором

4) ±8 кВ ИЭК 61000-4-2 контактный разряд

5) Низкая входная емкость - 6 пФ

6) Низкий ток утечки 1 нА (макс.)

7) Диапазон напряжения питания от  +0,9 В до  +16В

8) 5-контактный SMD корпус (2.0 мм x 2.2 мм) Внешний вид представлен на рисунке 2.4.8

 

 

Рисунок 2.4.8

Типичная схема подключения  представлена на рисунке 2.4.9

Рисунок 2.4.9

Электрические параметры MAX14541E полностью  удовлетворяют заданным требованиям: сборка способна пропустить импульс  напряжением 5 кВ, ток утечки составляет всего 1 нА.

Для ограничения входного тока необходимо использовать ограничивающие резисторы. Эти же резисторы защищают пациента от возможных больших токов утечки, которые согласно стандарту AAMI (Association for the Advancement of Medical Instrumentation) не должны превышать 10 мкА. Выбираем типовое значение резисторов, использующихся в аналогичных приборах - 100 кОм.

Таким образом, применяемая нами схема  защиты от электростатических разрядов дефибриллятора выглядит следующим образом (рисунок 2.4.10):

 

Рисунок 2.4.10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4.3 Детектор обрыва электродов

 

Детектор  обрыва электродов служит для сигнализации нарушений в системе отведений  электродов. При обрыве связи с  одним или несколькими электродами  детектор обрыва должен подавать сигнал на микропроцессор или иное устройство для того что бы человек принял меры к устранению неисправности. Для  детекции обрывов электрода в данном устройстве использован метод постоянного тока. Суть метода заключается в том, что на вход устройства подается заранее известный сигнал с постоянным напряжением, которое меняется в зависимости от входной нагрузки. По изменению сигнала можно судить о состоянии электродов. Преимущества метода заключается в том что тестовый сигнал практически не влияет на форму ЭКС и не требуется специальных устройств для его выделения из спектра ЭКС. Однако при использовании данного метода  возрастает ошибка определения постоянной составляющей сигнала т.к. сигнал проходит через тело пациента, создавая дополнительное падение напряжения.

Для создания источника постоянного  сигнала используются так называемые «подтягивающие» резисторы. С помощью  них входные линии подключаются к источнику питания, тем самым  образуя цепь, по которой протекает  ток. В случае обрыва соединения с  электродами, или отсоединения электродов от тела, цепь размыкается. Для сравнения  сигнала на выходе усилителя с  эталонным необходимо применить компаратор. Как и все остальные части устройства, компаратор должен быть небольших размеров и малого энергопотребления.  Под эти требования подходит линейка компараторов MAX9060-MAX9064 фирмы MAXIM. Эти компараторы обладают малыми размерами (до 1×1 мм), независимое питание и малый ток потребления (макс 100 нА).