Основные биотехнические принципы биотелеметрической системы персонального мониторинга электрокардиосигнала

     К недостаткам  относятся малое время непрерывной  записи ЭКГ (130 сек). Необходимость  для анализа зарегистрированной  ЭКГ передавать её на приемную  станцию, которая удалена от  пациента. К недостаткам также  относится аналоговой способ передачи ЭКГ по телефонной линии. Примем к сведению, что телефонная линия имеет ненулевой уровень собственных шумов. Кроме того, в ней присутствуют разнообразные виды эхо-сигналов, фазовое дрожание частоты несущей, помехи, связанные с сетевой наводкой и целая группа других паразитных эффектов. Дополнительно необходимо учитывать изменение коэффициента передачи линии с течением времени, что связано с третьим состоянием механических соединителей - ”дребезг контактов”. Это означает, что помехи являются не только аддитивными, но и мультипликативными. Таким образом передавать данные ЭКГ по телефонной линии рекомендуется только в цифровом виде.

Передачу ЭКГ по телефонным линиям обеспечивает транстелефонный цифровой 12-канальный ЭКГ комплекс «Телекард». Передача по телефонным линиям продиктована такими обстоятельствами как-то, что не у всех пациентов есть персональный компьютер, не везде доступна сеть Интернет. Комплекс использует цифровую передачу сигнала по акустическому каналу, что обеспечивает гарантированно высокое качество ЭКГ и позволяет вести профессиональную диагностику любых кардиологических заболеваний (ИБС, ОИМ, аритмии различной этиологии и др.) [8]. Но и этот комплекс обладает такими  недостатками как кратковременность записи ЭКГ (15 сек), возможность анализа ЭКГ только на приёмной станции, которая удаленна от пациента.                                                            

Рассмотрим следующую  систему персонального мониторинга  ЭКС -регистратор ЭКС "DiaCard" модель 02100. Внешний вид, которого представлен на рисунке 8.

Рисунок 8-Внешний вид регистратора ЭКС "DiaCard" модель 02100

Встроенный микропроцессор, на протяжении всего периода исследования, преобразует аналоговый сигнал в  цифровой, определяет значения ЧСС, смещение сегмента ST (по каждому отведению), регистрирует и классифицирует основные виды морфологий QRS-комплексов с их количественной оценкой за весь период исследования. Определяет, подсчитывает и запоминает до 17 различных видов асистолий и важных диагностических фрагментов ЭКС, а также по нажатию кнопки событий пациентом, осуществляет регистрацию всех R-R интервалов, что позволяет проводить математический анализ вариабельности сердечного ритма. Продолжительность записываемых фрагментов зависит от выбранного режима (6,5 сек., 13,0 сек. или непрерывный). Усредненные значения смещения сегмента ST (уровень ST, дельта ST наклон ST) заносятся в память каждую минуту, количество аритмий по каждому классу один раз в 5 минут, что позволяет производить восстановление "псевдосуточной" ЭКГ. По окончанию исследования информация вводится в персональный компьютер. При помощи программного обеспечения системы "DiaCard" версия 1.0.ХХ или 2.0.ХХ обрабатывается, анализируется, редактируется и подготавливается к печати. В дальнейшем исследование сохраняется в архиве и представляется в удобном для быстрого поиска и просмотра виде. Связь регистратора с компьютером осуществляется при помощи адаптера, по последовательному СОМ порту [9].

 Недостатком является то, что анализ зарегистрированной ЭКГ осуществляется только после подключения регистратора к ПК. Не предусмотрена возможность быстрой передачи участка ЭКГ лечащему врачу.

 Рассмотрим другой тип систем персонального мониторинга  ЭКС- Поли-Спектр-8/Е — это электрокардиограф размером с три спичечных коробка. Он дает возможность производить запись одновременно от одного до двенадцати отведений ЭКГ. Для этого нужно всего лишь подключить прибор к USB-порту компьютера, рисунок 9.

Рисунок 9-Внешний вид “Поли-Спектр-8/Е”

Поли-Спектр-8/Е оцифровывает ЭКГ с частотой квантования 2000 Гц при разрядности АЦП 12 бит. Это, а  также модуль аппаратной компенсации  изменений емкости кабеля пациента, возникающих при его движениях, вместе с набором мощных цифровых фильтров позволяет получать качественные кривые в любых условиях.

Прибор позволяет подключить дополнительные модули: программу контурного анализа ЭКГ Поли-Спектр-Анализ; программу анализа вариабельности ритма сердца и ритма дыхания  Поли-Спектр-Ритм, предназначенную для исследования влияния на сердце вегетативной нервной системы, а также для углубленного анализа аритмий методом корреляционной ритмографии; программу анализа дисперсии интервала Q-T Поли-Спектр-QT; программу регистрации и анализа поздних потенциалов желудочков Поли-Спектр-ВР; программу нагрузочного тестирования Поли-Спектр-Эрго [10].   

Недостатком является ограниченность движения пациента связанное с длинной  кабеля отведений; снятие ЭКГ осуществляется в неподвижном положении, для исключения артефактов движения; отсутствие возможности быстрой передачи участка ЭКГ лечащему врачу.

Проанализируем ещё  одну систему персонального мониторинга  ЭКС. Комплекс радиомониторного ЭКГ контроля «Радиохолтер». Оборудование представляет собой аппаратно-программный комплекс, состоящий из нескольких независимых радиопередатчиков, носимых на теле пациента. ЭКГ радиосигнал передается на центральную станцию, где ведется непрерывное слежение за текущей электрокардиограммой обследуемых пациентов[8]. Возможность наблюдения и регистрации ЭКГ пациентов в реальном времени придает новое качество суточному мониторированию ЭКГ, позволяя оперативно принимать решения в ургентных клинических ситуациях, рисунок 10.

 

 

Усилитель-передатчик ЭКГ

Приемная станция

Рисунок 10- Схема работы радиомониторного ЭКГ комплекса «РадиоХолтер»

 

Особенности работы радиомониторного ЭКГ комплекса «РадиоХолтер» :

- контроль ЭКГ пациента по радиоканалу в «реальном времени»;

- одновременная регистрация одноканальной ЭКГ до шести пациентов;

- регистрация двенадцатиканальной ЭКГ (опция);

- формирование сигнала тревоги по индивидуально задаваемым границам  ЧСС;

- продолжительность непрерывной регистрации (без подзарядки)  - до 26 часов;

- дальность действия системы: от 100 до 4700 м;

-автоматическая индикация разряда батарей и выхода из зоны радиовидимости.

К недостаткам следует  отнести цену комплекса, которая составляет 391 000 руб., ограниченность, хотя и относительно долгой, непрерывной регистрации.

Подводя итог, вышесказанному системы персонального мониторинга  делятся по способу регистрации  и анализа ЭКС на те, которые осуществляют регистрацию и анализ ЭКС практически одновременно, и которые после конечного цикла записи ЭКС и передачи её на ПК осуществляют её анализ.

Для сведения к минимуму случаев внезапной смерти вследствие нарушения деятельности миокарда диагностический  интерес представляют системы персонального  мониторинга ЭКС, относящиеся к  первой группе. В свою очередь эти системы можно подразделить по способу передачи ЭКС от больного к регистратору ЭКС при помощи кабеля отведения и по телеметрическому каналу. Выбор передачи от больного к регистратору ЭКС по средством телеметрии обусловлен, тем, что кабель отведений сковывает движения пациента вызывая чувство дискомфорта. При движении больного из-за тянущих усилий, приложенных к электродам, возможны их смещения, что является причиной ложных тревог и нарушений работы кардиографа. Несмотря на соблюдение всех требований по электробезопасности, всегда остается вероятность поражения током при неисправности изоляций цепей кардиографа.

Таким образом, необходимо в ходе выполнения дипломного проектирования разработать телеметрическую систему  персонального мониторинга ЭКС c диапазоном регистрируемого сигнала 0.03-5мВ, полосой пропускания 0.05-100 Гц. Носимый персональный блок должен обеспечивать регистрацию ЭКС, в одном биполярном отведении и передачу зарегистрированного ЭКС на стационарный блок в нелицензируемом диапазоне ISM. Питание носимого блока от батареи напряжением 1.2 В. Стационарный блок построен на базе ПК и включает в себя приемник ЭКС. Связь приемника с ПК осуществляется по шине USB. В ходе  выполнения дипломного проектирования должно быть обеспечено выполнение следующего системного требования - минимизировать энергопотребление носимого блока при заданных параметрах передачи.

Разработка биотелеметрической системы персонального мониторинга  электрокардиосигнала

 

2. Разработка структурной схемы.

 

Работу биотелеметрической системы персонального мониторинга электрокардиосигнала можно описать следующим образом. Носимый блок, находящийся на теле пациента, регистрирует электрокардиосигнал в электрокардиографическом отведении  при помощи электродов. Далее сигнал в режиме реального времени передается по радиоканалу на анализирующий блок, включающий в себя приемник  ЭКС, затем лечащему врачу. В соответствии с предназначением система должна решать следующие основные задачи:

1) регистрацию ЭКС;

2) передачу полученных данных по радиоканалу;

3) приём переданного  ЭКС;

4) анализ полученных  данных.

В соответствии с этими  задачами можно составить укрупнённую  структурную схему системы. Рисунок 11

 

 

 

Рисунок 11- Укрупнённая структурная схема биотелеметрической системы персонального мониторинга ЭКС

 

В рамках данного дипломного проекта необходимо разработать систему, обеспечивающую регистрацию, передачу и приём ЭКС.

Блок регистрации ЭКС необходим для усиления ЭКС и преобразования его в форму удобную для дальнейшей обработки. Фактически, блок регистрации ЭКС будет представлять усилитель биопотенциалов (УБП), обеспечивающий усиление регистрируемого сигнала до необходимого уровня на фоне действующих помех.

Блок обработки и  передачи ЭКС необходим для выполнения двух функций:

1. преобразования и предварительной обработки данных;
2. передачи данных в канал связи.

Задачей устройства преобразования и предварительной обработки  данных будет формирование сигнала, который можно будет оптимальным образом передать в канал связи. В зависимости от метода передачи данных необходимо разработать соответствующее устройство передачи сигнала. Данный блок должен обеспечить наиболее простой метод передачи данных, обеспечивающий требуемую скорость и помехозащищённость с учётом свойств используемого канала связи.

Блок приёмника осуществляет приём переданного сигнала и преобразование его форму необходимую для дальнейшей обработки и анализа на приёмной станции (ПК). Питание и связь приемника с ПК осуществляется по шине USB.

Питание носимого блока осуществляется от одного аккумулятора типа АА, поэтому требуется обеспечить его низкое энергопотребление.

В соответствии с общими требованиями, предъявляемыми к блокам системы, разработаем функциональную схему каждого из блоков в отдельности и определим их основные характеристики, обеспечивающие работоспособность всей системы в целом.  

УБП должен регистрировать по одному каналу сигнал со следующими характеристиками:

- напряжения в диапазоне  от 0,03 до 5 мВ;

- частотный диапазон  от 0,05 до 100 Гц.

Для регистрации по одному каналу возможно использование двух способов подключения УБП к объекту: монополярное и биполярное. В первом случае используется два электрода, один из которых активный помещается на исследуемый участок объекта, а другой пассивный, который помещается на участок с малой биоэлектрической активностью. При биполярном отведении применяют три электрода, два из которых активные и один пассивный. У монополярного подключение основным достоинством можно считать то, что используется меньшее число электродов – это облегчает подключение прибора к пациенту. Но, при монополярном подключении, уровень помех, действующих на вход усилителя, выше, чем при биполярном. Так же при монополярном подключении снятая ЭКГ по форме отличается от ЭКГ снятой при использовании стандартных отведений. Исходя из всего этого, можно сделать вывод, что с точки зрения помехоустойчивости и удобства представления ЭКГ лучше использовать биполярные отведения, хотя при этом пациенту придётся накладывать на один электрод больше.

С электродов сигнал поступает непосредственно на вход усилителя биопотенциалов. При этом надо учитывать, что помимо полезного сигнала на вход усилителя также поступают и помехи, уровень которых сравним или превышает уровень самого сигнала. Можно  выделить  следующие основные виды помех физического происхождения:

-помеха  от  силовой   сети,  возникающая в результате  емкостной связи между телом и сетевой линией;

-артефакты движения, причиной которых является изменение   переходных  сопротивлений  электродов  и электродных потенциалов в результате движения пациента;

-поляризационная   помеха,  возникающая  вcледствии  изменения э.д.с.   поляризации   во  времени  из-за  изменения   температуры, химического состава электролита и т.п.;

-помехи, вызванные работой  различного силового оборудования (трансформаторов, ламп дневного света, электрохирургического инструмента и т.п.).

Кроме помех физической природы на входах усилителя будут  действовать помехи биологической природы, причиной возникновения которых является электрическая активность различных органов и тканей. Например, при регистрации ЭКС в качестве помехи выступает миосигнал, порождаемый деятельностью мышц.