Full Text

Введение. Проблема сердечно-сосудистых заболеваний - это одна из наиболее острых медицинских и социальных проблем. Среди современных подходов к ее решению находится мониторинг ЭКГ людей из группы риска, для чего создаются специализированные системы и методы обработки и анализа ЭКГ [1, 2]. Необходимыми элементами такой системы являются портативное устройство, регистрирующие ЭКГ [3] и мобильная вычислительная платформа (часто эту роль играет планшет или смартфон), отвечающий за управление, первичный анализ данных, визуализацию информации, передачу зарегистрированных данных на сервер медицинского учреждения и взаимодействие с пользователем [4, 5]. При разработке медицинских систем измерения и обработки медицинско-биологической информации разработчикам необходимо решать сложные задачи в виде измерения сигналов очень малой амплитуды при наличии существенной постоянной составляющей и шумов [6]. В электрокардиографии и электроэнцефалографии используются многоканальные системы, осуществляющие измерение потенциалов с поверхности тела человека. Электрокардиографические сигналы (ЭКС) имеют диапазон изменения напряжения от 0,5 до 5 мВ и постоянную составляющую величины до ±300 мВ [7], обусловленную контактом электрода с поверхностью тела, кроме того, имеется синфазная составляющая амплитудой до 1,5 В между контактами отведений и общим проводником. С точки зрения частотного спектра обработке и анализу подлежит полоса частот от 0,05 до 100 Гц, иногда и до 1 кГц. Типовая схема предполагает использование на входе инструментального операционного усилителя (ОУ), ряда фильтров и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Обработку данных выполняет микроконтроллер или цифровой сигнальный процессор (ЦСП). Дополнительно используют схему компенсации синфазного сигнала. Реализация всех этих модулей на отдельных микросхемах занимает достаточно много пространства на печатной плате, усложняет ее разводку и увеличивает энергопотребление. Решением данной проблемы является интеграция всех аналоговых микросхем в одну в виде аналоговых интерфейсов - analog front-end interfaces(AFE). 1. Особенности аналоговых интерфейсов. Такие решения начали появляться на рынке в 2012 г. Одной из первых компаний, представивших целую линейку подобных микросхем, была Texas Instruments. Наибольший интерес представляет функциональная микросхема в линейке AFE для ЭКГ - ADS1298 [8]. Данная микросхема реализует специализированные функции, необходимые для измерения и обработки биологических сигналов, а именно электрокардиосигналов и электроэнцефалографических сигналов (ЭЭС). Данная микросхема включает набор аналоговых компонентов (инструментальный усилитель, аналоговый фильтр), необходимых для разработки медицинских приборов, и 24-разрядный АЦП. Схема ADS1298 может обрабатывать одновременно до восьми каналов на входе и предоставлять на выходе соответствующее количество каналов цифрового сигнала с частотой дискретизации 32 000 отсчетов в секунду. Разрешение каждого канала составляет до 24 разрядов, кроме того, для каждого канала предусмотрены собственные настройки усиления (коэффициент усиления может составлять от 1 до 12). Особенностью является возможность установки максимального разрешения сигнала при частоте дискретизации до 8 кГц, при частотах дискретизации 16 и 32 кГц оно может составлять до 19 и 17 бит соответственно. Кроме того, несмотря на возможность данной микросхемы использовать биполярное питание, рекомендуют питание однополярное в диапазоне от 2,8 до 5,25 В. Что касается синфазной помехи, то микросхема обеспечивает ее подавление 115 dB. Связь с внешними устройствами осуществляется с помощью последовательного периферийного интерфейса (SPI), что позволяет настраивать устройство с помощью микроконтроллера. Производитель Analog Devices так же имеет в своей линейке микросхему для построения устройств регистрации ЭКС и ЭЭС - AFEADAS1000. Ее возможности в целом аналогичны той, что рассмотрена выше. Среди основных отличий можно отметить 5 каналов АЦП, а также использование особой схемы, позволяющей формировать на экранах защитное напряжение. Конструктивные особенности AFEADAS1000 (рис. 1): - наличие 5 предварительных усилителей сигналов; - наличие 5 АЦП, функционирующих параллельно; - потребляемая мощность - 21 мВт [9], что превышает в 3 раза потребляемую мощность ADS1298. Рис. 1. Упрощенная схема AFE ADAS1000 Кроме указанных решений существуют микросхемы иных производителей, но в большинстве своем эти решения представляют собой закрытые разработки, информация по которым не доступна широкому кругу пользователей. Примером может служить фирма IMEC, которая, среди прочего, разрабатывает и производит портативные устройства медицинского назначения [10]. Подобные микросхемы главным образом предназначены для использования в портативных устройствах и идеально подходят для нательных ЭКГ-сенсоров. Структура аналоговых интерфейсов способствует созданию на их основе легко программируемых, интеллектуальных средств регистрации и обработки ЭКГ-сигнала. Рассмотрим это подробнее на примере ADS1298. Для управления аналоговыми интерфейсами в устройствах целесообразно использовать микроконтроллеры или цифровые сигнальные процессоры. Связь осуществляется через интерфейс SPI. Изменение настроек AFE осуществляется записью соответствующих регистров, считывание результатов аналого-цифрового преобразования может происходить либо в непрерывном режиме, либо по запросу. Одной из особенностей AFE является наличие операционных усилителей с программируемым коэффициентом усиления. Анализируя поступающие данные, можно легко подобрать требуемый коэффициент усиления в зависимости от уровня помех и уровня полезного сигнала. В ADS1298 можно установить коэффициент усиления, равный 1, 2, 3, 4, 6, 8 или 12, причем отдельно для каждого канала [8]. При максимальном усилении в 12 раз и опорном напряжении АЦП, равном 2,4 В, максимальная амплитуда на входе усилителя составляет 200 мВ. Достоинством аналоговых интерфейсов является наличие входного мультиплексора, с помощью которого можно переключать каналы или замыкать вход, а также встроенного генератора тестового сигнала. Например, можно измерить внутренний шум усилителей и АЦП для того, чтобы учитывать его уровень в дальнейшем. Для исследования характеристик аналогового интерфейса воспользуемся демонстративным набором ADS1298ECG Front End Performance Demonstration Kit от Texas Instruments [11]. Набор представляет собой непосредственно плату с ADS1298 и плату с цифровым сигнальным процессором для управления интерфейсом и связью с ПК. В первую очередь исследуем потребление тока микросхемой ADS1298 в различных режимах работы. Полученные данные указаны в таблице. Энергопотребление микросхемы ADS1298 Частота дискретизации Потребляемый ток, мА, при различном числе задействованных каналов ЭКГ 0 1 2 4 8 4 кГц 1 1,25 1,56 2,15 3,2 18 кГц 1 1,25 1,56 2,16 3,32 216 кГц 1,1 1,25 1,56 2,16 3,5 Как видно из таблицы, микросхема обладает низким энергопотреблением, полученные значения близки к заявленным производителем. Данный аналоговый интерфейс обладает достаточно низким внутренним шумом, на рис. 2 показаны графики зависимости приведенного ко входу шума от коэффициента усиления для различных режимов работы микросхемы. а б Рис. 2. Графики зависимости уровня шума от коэффициента усиления (пунктирной линией показаны значения размаха, сплошной - среднеквадратичные): а - при дискретизации 32 000 отсчетов, с; б - при дискретизации 500 отсчетов, с При расчете значений использовалось не менее 1000 показаний. Измерения происходили при напряжении питания 3 В и работе в режиме высокого разрешения [8]. Из анализа графиков на рис. 2 можно сделать вывод, что при увеличении коэффициента усиления и уменьшении частоты дискретизации приведенный шум снижается. В режиме низкого энергопотребления шум возрастает в среднем на 5 % по сравнению с режимом высокого разрешения [8]. Очень важно найти баланс между точностью измерения и энергопотреблением системы, и в этом плане аналоговые интерфейсы дают широкий набор настроек, что является несомненным преимуществом. Для стандартного режима регистрации 500 отсчетов в секунду, без применения сложных алгоритмов обработки сигнала (для которых требуется высокое разрешение), оптимальным будет режим пониженного энергопотребления и малого коэффициента усиления. Для непродолжительных высокоточных регистраций сигнала можно выбирать режим высокого разрешения с наибольшим коэффициентом усиления. 2. Портативный ЭКГ-сенсор. Рассмотрим особенности современного интеллектуального ЭКГ-сенсора. Он должен обладать малыми размерами и не причинять дискомфорт пользователю, должен иметь возможность самодиагностики и самокалибровки, определять качество поступающего сигнала и сообщать о возникающих ошибках и неисправностях. К таким случаям можно отнести обрыв электрода, наличие сильной помехи, внутренние неисправности отдельных блоков устройства. Рассматриваемый ЭКГ-сенсор в общем случае состоит из блока оцифровки сигнала, в роли которого выступает аналоговый интерфейс, и блока контроля и обработки сигнала, который может строиться на базе микроконтроллера или цифрового сигнального процессора. На рис. 3 приведен обобщенный алгоритм работы ЭКГ-сенсора. Инициализация Тест системы. Измерение внутреннего шума Генерация тестового сигнала Регистрация, обработка и передача данных Корректировка коэффициента усиления Считывание данных Определение наличия обрыва или сильной помехи Рис. 3. Обобщённый алгоритм работы ЭКГ-сенсора Работа сенсора происходит следующим образом. При подаче питания происходит инициализация устройства - выставляются начальные значения регистров, налаживается связь между отдельными частями устройства. Далее для проверки работоспособности устройства и всех блоков необходимо запустить генерацию тестового сигнала, эта возможность предусмотрена в аналоговом интерфейсе. С помощью этого действия можно убедиться, что сигнал при передаче между блоками не искажается и не теряется, в последнем случае выводится сообщение о неисправности устройства или его части. Следующий шаг - это измерение уровня внутреннего шума для каждого канала, происходит путем «закорачивания» входов. Если уровень шума не позволяет производить регистрацию данных с заданной точностью, то об этом сообщается пользователю, в противном случае уровень шума запоминается и учитывается в дальнейшем при обработке сигнала. После этого начинается основной цикл программы - проверка наличия контакта кожи с электродом. Это также является встроенной функцией аналогового интерфейса и может выполняться амплитудным или частотным методом. Данная функция имеет немаловажное значение, так как обрыв электрода является частым явлением при свободной двигательной активности пользователя. При отсутствии такового происходит считывание данных в течение определенного количества времени, далее массив данных проверяется по формальным признакам на наличие сильной помехи. Если таковой не обнаружено, то проверяется уровень сигнала, при необходимости производится регулировка усиления. Затем в зависимости от реализации устройства и программы данные могут обрабатываться, записываться на запоминающее устройство либо передаваться на другое устройство. Основной цикл повторяется до тех пор, пока не поступил сигнал к выключению устройства. На основе выбранного аналогового интерфейса спроектирован и собран экспериментальный образец интеллектуального ЭКГ-сенсора на базе AFE ADS1292 фирмы Texas Instruments и беспроводного модуля Bluetooth Low Energy BLE112 фирмы Bluegiga [12]. Фото сенсора представлено на рис. 4. Спроектированный сенсор позволяет регистрировать одно отведение ЭКГ, измерять частоты дыхания пользователя и передавать данные по беспроводному каналу на мобильное вычислительное устройство. Устройство имеет размер 45×35 мм и вес около 45 г. Время автономной работы от аккумулятора до 72 ч. Рис. 4. Экспериментальный образец ЭКГ-сенсора Выводы. В настоящее время на экспериментальном образце производится отработка способов и алгоритмов регистрации и обработка электрокардиосигнала. В дальнейшем подобные устройства планируется использовать в качестве источника первичной информации для диагностики различных заболеваний сердца [13] и анализа его электрической активности по данным электрокардиографии, а также в рамках единой беспроводной интеллектуальной сети медицинского учреждения [14], «умного пространства» [15-20] или в режиме автономной работы. Предварительные результаты показывают существенные преимущества предложенной схемы, определяемые использованием аналогового интерфейса и предложенным алгоритма работы устройства.

About the authors

M. A Petrovskiy

Sura-Cardio Ltd.

A. V Kuzmin

Penza State University

P. P Churakov

Penza State University

References

Statistics

Views

Abstract - 23

PDF (Russian) - 32

Refbacks

• There are currently no refbacks.