3.1 Разработка и сборка электрокардиографа, исследование его работы

Электрокардиограф (или кардиограф) состоит из двух частей - аналоговой и цифровой (см. рис.6). Аналоговая часть строиться на базе инструментального усилителя, который усиливает изменяющуюся во времени разность потенциалов на теле человека (которая и есть в нашем случае, по сути, электрокардиограмма). Далее усиленный сигнал поступает на цифровую часть, где сигнал оцифровывается и подаётся в цифровом виде на компьютер.

Рисунок 6 - Электрокардиограф

В итоге компьютер при помощи специальной программы расшифровывает полученный цифровой сигнал и отображает на экране монитора график электрокардиограммы (ЭКГ).

Аналоговая часть строится на базе инструментального и операционного усилителя. Усилители, которые используются в биомедицине для работы с сигналами, имеющими очень небольшие колебания напряжения вместе с напряжением смещения, называются инструментальными операционными усилителями. Инструментальные усилители имеют высокую CMRR (высокая степень подавления синфазных помех), что означает способность к дифференциальному усилению сигнала на входах + и - . Самыми известными производителями инструментальных усилителей являются Texas Instruments и Analog Devices. Я использовал усилители производства второй компании, Analog Devices. AD620, инструментальный усилитель, и OP97, высокоточный операционный усилитель. AD620 - инструментальный ОУ. Слово инструментальный говорит о его лучших характеристиках по сравнению с обычным ОУ. Усиливаемый сигнал подаётся на входы +IN и соответственно -IN. Коэффициент усиления данного усилителя задаётся при помощи резистора подключаемого к входам Rg (их соответственно два - № 1 и № 8). Какой резистор, какому коэффициенту усиления соответствует - смотрим в даташите. Питание ОУ AD620 - двуполярное. Это означает, что у него есть выводы для питания, которые обозначаются как +Vs и -Vs. Схема аналоговой части электрокардиографа представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Не полная схема аналоговой части электрокардиографа

Схема на рисунке 7 не полная - нужен опорный уровень. Также необходимо добавить конденсаторы для борьбы с самовозбуждением по питанию операционников. В итоге аналоговая часть схемы имеет вид как на рисунке 8.

Рисунок 8 - Схема аналоговой части электрокардиографа

Последняя схема слишком громоздкая и ее можно упростить, тем более ее можно выполнить на базе одного инструментального усилителя AD620. AD705J нам не нужен так как он предназначен для борьбы с наводкой в 50 Гц, которая обычно возникает если прибор гальванически соединён с сетью в 50 Гц. У нас прибор с сетью, как мы уже знаем, не соединён и питается от батарейки, поэтому усилитель AD705J лишний и более того в нашем случае привносил бы дополнительный шум. Вместо него мы воспользуемся операционным усилителем ОР97, который выполнит роль повторителя генерирования опорного уровня. На рисунке 9 представлена окончательная схема аналоговой части электрокардиографа. На усилитель необходимо подать напряжение, для того чтобы запитать наши усилители будет достаточно 3 В, следовательно к 4 и 7 ножке подключаем батарейки с нужным напряжением. На 7 ножку подаем положительное напряжение, а на ножку 4 отрицательное.

Рисунок 9 - Окончательный вид аналоговой части

Электроды, что крепятся к телу - это, по сути, обычная контактная пластина. В качестве электродов можно пользоваться монетками, которые придётся прикрепить к проводам, ведущим на вход AD620. При проведении процедуры снятия ЭКГ эти электроды необходимо смочить солёной водой. Можно использовать и специальные медицинские электроды. Специальные медицинские электроды, конечно же, удобны, но качество сигнала и у электродов на основе монеток смоченных солёной водой и у официальных медицинских электродов практически одинаково.

После того как аналоговая часть электрокардиографа будет готова, ее нужно будет соединить с АЦП, для того чтобы оцифровать сигнал. Роль аналого-цифрового преобразователя выполнит звуковая карта компьютера. Соединяем провод на выходе прибора со звуковой картой, накладываем электроды на тело так, как показано на рисунке 9 и при помощи программы Adobe Audition 3.0 мы сможем увидеть на мониторе кардио сигнал. Моя электрокардиограмма, представляющая собой график зависимости амплитуды от времени, показана на рисунке 10.

Рисунок 10 - Электрокардиограмма до фильтрации

Рисунок 11 - Фильтр для электрокардиографа

Теперь нам необходим фильтр, который отделить полезный сигнал от шумов. Шум возникает при сжатии мускула, интерференции 50-60 Гц линии питания, от контакта электрода, от других электронных устройств и т.д. Фильтр для приложения ЭКГ должен быть полосовым фильтром (ограничивающим сигнал сверху и снизу). Фильтр должен работать в диапазоне от 0.5 Гц до 50 Гц. На рисунке 11 представлена окончательная схема фильтра, работающего в нужных нам частотах. Вход этого фильтра будет соединен с выходом нашего электрокардиографа, а выход фильтра пойдет на аудиокарту. Накладываем электроды также, как и в прошлый раз и на мониторе наблюдаем отфильтрованную электрокардиограмму. Кардиограмма представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Электрокардиограмма после фильтрации

Сравнив рисунок 10 и рисунок 12, можно прийти к выводу, что фильтр свою роль выполнил, и нам удалось очистить от помех полезный сигнал.

Добившись удовлетворительного результата фильтрации, расшифруем полученную кардиограмму.

Анализ зубца Р:

В норме длительность зубца Р не превышает 0,1 секунды, а его амплитуда 1-2 мм. Из кардиограммы видно, что амплитуда примерно равна 1 мм, а длительность зубца достигает 0,1 секунды. Зубец Р выявляет такие заболевания как гипертрофия правого предсердия ( в случае, когда превышена амплитуда ), гипертрофия левого предсердия ( в случае, когда превышена его длительность) и предсердная экстрасистолия ( в случае, когда зубец Р отсутствует) . Исходя из данных электрокардиограммы, никаких отклонений в этой области нет.

Анализ желудочкового комплекса QRS:

В норме длительность этого комплекса не превышает 0,2 секунды, она увеличивается при любых блокадах пучка Гиса. Амплитуда зубца Q не должна превышать 0,25 высоты зубца R, а длительность составляет 0,05 - 0,1 секунды. Зубец S может быть самой разной амплитуды, но обычно не больше 20 мм, иногда он может быть равен зубцу R, в таком случае регистрируется переходная зона. Из кардиограммы видно, что длительность всего комплекса QRS превышена, что говорит о блокаде пучков Гиса или желудочков. В действительности, электрокардиограмма, сделанная на современном многоканальном электрокардиографе, подтвердила неполную блокаду левой ножки пучка Гиса и фибрилляцию предсердий. Фибрилляция предсердий имеет место тогда, когда длительность комплекса QRS не постоянна, это мы и видим на нашей электрокардиограмме.

Анализ интервала P - Q:

Интервал P - Q в норме не превышает 0,2 секунды, увеличение данного интервала бывает при нарушенном проведении импульсов через предсердно-желудочковый узел (антриовентрикулярная блокада). На кардиограмме этот интервал не превышает допустимого значения.

Анализ интервала Q - T:

Интервал Q - T называют электрической систолой желудочков, потому что в это время возбуждаются все отделы желудочков сердца. Иногда после зубца T регистрируется небольшой зубец U, который образуется из-за кратковременной повышенной возбудимости миокарда желудочков после их реполяризации. Если зубец T превышает 3 мм, а сегмент S - T грубо поднят над изолинией, то у пациента одна из стадий инфаркта миокарда.

Расшифровка электрокардиограммы доказывает, что на собранном электрокардиографе можно выявлять отклонения от нормы и любые болезни сердца, так как были выявлены те же отклонения, что и при расшифровки электрокардиограммы, зарегистрированной на профессиональном оборудовании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выпускной квалификационной работы состоят в следующем:

1 Изучены радиофизические основы регистрации сигналов на примере электрокардиографии. Изучены принципы работы современного оборудования электрокардиографии, различные виды помех и способы борьбы с ними.

2 Предложена новая конструкция фильтра, на основе которой был разработан электрокардиограф. Собранным прибором был проведен эксперимент, в ходе которого была получена электрокардиограмма с использованием фильтра и без его использования. Исходя из полученных электрокардиограмм, можно сделать вывод об удовлетворительном результате фильтрации.

Список использованных источников

1 Хартманн Э. А. ECG Front-End Design is Simplifed with MicroConverter/ Э. А. Хартманн. - Association for the Advancement of Medical Instrumentation, 2007. - 560 с.

2 Мурашко В. В. Электрокардиография / В. В. Мурашко, А. В. Струтынский. - М.: МЕДпресс-информ, 2007. - 320 с.

3 Хэмптон Дж. Р. Основы ЭКГ / Дж. Р. Хэмптон. - М.: Медицинская литература, 2006. - 224 с.

4 Аракчеева А. Г. Техника ЭКГ / А. Г. Аракчеев, А. В.Сивачева. - М.: Медицина, 2010.

5 Рангайян Р. М. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход / Р. М. Рангайян. - М.: Физматлит, 2007. - 516 с.

6 Дехтярь Г. Я. Электрокардиографическая диагностика / Г. Я. Дехтярь - М.: Медицина, 1972. - 543 c.

7 Дощицин В. Л. Практическая электрокардиография / В. Л. Дощицин - М.: Медицина, 1997. - 336 с.

8 Зудбинов Ю. И. Азбука ЭКГ. Боли в сердце / Ю. И. Зубдинов - Ростов-на-Дону: Феникс, 2011. - 235 с.

9 Харкевич А. А. Борьба с помехами / А. А Харкевич - М.: Наука, 1965. - 276 с.

10 Истомина Е. В. Перспективные направления ЭКГ-анализа / Е. В. Истомина, Б. А. Истомин, А. А. Лавреев - М.: Медицина, 2010.

11 Ревин В. В. Биофизика / В. В. Ревин, О. Р. Кольс. - Саранск: Издательство мордовского университета, 2002. - 156 с.

12 Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика / А. Н. Ремизов. - М.: Дрофа, 2004. - 560 с.

13 Дроздов Д. В. Обозрение. Медтехника / Д. В. Дроздов. - М.: Медицина, 2009.

14 Горошко Б. И. Радиоэлектронные устройства / Б. И. Горошко. - М.: Радио и связь, 1989

15 Гусев В. Г. Электроника / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. - М.: Высшая школа, 1991.

16 Суворов А. В. Неотложные состояния при нарушении ритма сердца /

А. В. Суворов, О. А Суслова, Г. Н. Зубеева. - Нижний Новгород: НижГМА,

2012. - 95 с.

17 Каркищенко Н. Н. Биомедицина / Н. Н. Каркищенко, В. Н. Каркищенко, И. В. Сарвилина, Г. Д. Капанадзе. - М.: Лин - Интер, 2012. - 126 с.

18 Беленков Ю. Н. Кардиология / Ю. Н. Беленков, Р. Г. Органов. - М.: Медицина, 2012. - 122 с.

19 Розендорфф К. Р. Основы кардиологии. Принципы и практика / К. Р. Розендорфф. - Львов: Медицина, 2007.

Размещено на Allbest.ru