МЕДИЦИНСКИЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

Бурное развитие кардиологии за последние 2–3 десятилетия во многом обусловлено разработкой и широким внедрением в клиническую практику новых, в том числе и электрокардиографических (ЭКГ), методов исследования. На основании ЭКГ исследований можно судить об изменении во времени величины и направления электродвижущей силы возбужденных участков сердца, подтверждать или устанавливать медицинские диагнозы.

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) является базовым принципом для разработки функциональной структуры современных многоканальных электрокардиографов [1]. Качество ЦОС в значительной мере определяется качеством аналого–цифрового преобразования (АЦП), которое, в свою очередь, в значительной мере зависит от качества выделения ЭКГ сигнала. Для выделения ЭКГ сигнала обычно используют инструментальные усилители и аналоговую фильтрацию.

С развитием технологии производства сверхбольших интегральных схем (СБИС) появилась коммерчески доступная элементная база, реализующая принцип сигма-дельта (S -D) аналого-цифрового преобразования в одной микросхеме. Сигма-дельта АЦП обладают высоким разрешением (16 и более разрядов), в значительной мере базируются на принципах цифровой фильтрации сигналов [2], что позволяет в электрокардиографах использовать усилители постоянного напряжения и снизить требования к аналоговым фильтрам.

Целью работы являлась разработка современной компьютерной электрокардиографической системы на основе сигма–дельта аналого–цифрового преобразования.

Основные задачи исследования:

1. Разработка электрокардиографа на основе многоразрядных интегральных сигма–дельта АЦП. Обоснование преимуществ электрокардиографов на основе сигма–дельта АЦП.
2. Разработка канала связи электрокардиограф – персональный компьютер (ПК), а также интерфейсов (адаптеров) к компьютерным шинам: ISA для стационарных систем и PCMCIA для мобильных. Разработка драйверов для ОС Windows 95/98. Для PCMCIA интерфейса поддержка технологии автоматического конфигурирования (Plug And Play).
3. Разработка программного обеспечения (ПО) для работы в системе 12-ти стандартных отведений и отведениях по Франку с поддержкой: съема, архивирования ЭКГ сигнала, измерения и анализа 12-ти канальной ЭКГ, анализа вариабельности сердечного ритма, анализа поздних потенциалов желудочков — во временной области по методу Симпсона (Simpson), а в частотно–временной при помощи волнового преобразования (wavelet transformation).
4. Оценка эффективности применения стандарта SCP–ECG для обмена ЭКГ информацией и создание программных компонент для его поддержки в прикладных программах.

Научная новизна:

1. Впервые разработан компьютерный электрокардиограф на основе многоразрядных интегральных сигма–дельта АЦП, в котором применены усилители постоянного напряжения, цифровая фильтрация и программное формирование отведений.
2. Впервые в России разработан PCMCIA адаптер, полностью соответствующий спецификациям стандарта PCMCIA2.1 и PC97 (Microsoft Corp.). Для операционной системы Windows реализован программный VxD драйвер.
3. Проведен анализ поздних потенциалов желудочков на основе волнового преобразования.
4. Проведен анализ и показана эффективность применения стандарта SCP–ECG для обмена данными между цифровыми ЭКГ системами. Для поддержки этого стандарта созданы программные COM компоненты.

Практическая значимость работы:

1. Разработан компьютерный электрокардиограф КАРДи на основе сигма–дельта АЦП, а также адаптеры к шинам ПК ISA и PCMCIA (Рис. 1).

   

   Рис. 1 Компьютерный электрокардиограф КАРДи с PCMCIA адаптером.

2. Созданы программный VxD драйвер и библиотека прикладного программиста для работы с электрокардиографом под ОС Windows 95/98.
3. Для ОС DOS разработан программный комплекс KARD, позволяющий проводить съем ЭКГ, а так же их дальнейший анализ.
4. Изготовлена опытная партия стационарных, на базе офисного ПК, и мобильных, на базе компьютера NoteBook, ЭКГ систем в составе электрокардиографа КАРДи и программного комплекса KARD.
5. Для поддержки стандарта SCP–ECG разработаны программные COM компоненты.
6. Разработано ПО для анализа поздних потенциалов желудочков на основе волнового преобразования.
7. Показано, что использование интегральных многоканальных сигма–дельта АЦП позволяет улучшить технические и потребительские свойства цифровых ЭКГ систем. Отмечено, что применять сигма–дельта АЦП эффективно и в других устройствах сбора медико–биологической информации при работе с сигналами в частотном диапазоне от нуля до единиц килогерц.

Достоверность результатов.

Внедрение результатов работы.

1. На момент написания диссертационной работы компьютерный электрокардиограф (кардиоанализатор) КАРДи направлен на технические и клинические испытания (выписка №5 от 9.06.98 заседания комиссии по клинико-диагностическим приборам и аппаратам Комитета по новой технике МЗ РФ).
2. На программный комплекс KARD получен сертификат МЗМП РФ №185 от 12.01.96.
3. Проведены предварительные клинические испытания ЭКГ систем в составе электрокардиографа КАРДи и программного комплекса KARD, в том числе в клиниках Медицинского Российского государственного университета, Университета дружбы народов, Медицинского стоматологического московского института, НИИ педиатрии и детской хирургии МЗ РФ, Федеральном центре диагностики и лечения нарушений ритма у детей МЗ РФ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Применение многоканальных интегральных сигма–дельта АЦП позволяет строить принципиально новую схемотехнику цифровых электрокардиографов, обладающих целым рядом технических преимуществ перед обычными аппаратами.
2. Для подсоединения современного цифрового электрокардиографа к ПК целесообразно разрабатывать специальный последовательный канал передачи с интерфейсами к внутренним шинам ISA для стационарных систем и PCMCIA для портативных устройств.
3. На базе компьютерных ЭКГ систем эффективно проводить анализ вариабельности сердечного ритма и ЭКГ высокого разрешения.
4. Для обмена ЭКГ данными между программными системами, а так же программными системами и автономными электрокардиографами предпочтительно использовать стандарт SCP–ECG европейского комитета по стандартизации.
5. Сигма–дельта аналого–цифровое преобразование эффективно использовать в устройствах сбора медико–биологической информации при работе с сигналами частотой до единиц килогерц.

Апробации работы.

• 18^th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Amsterdam, 1996;
• 4^th European conference on engineering and medicine, Warsaw, May 25–28, 1997;
• XXV ^th International Conference on Electrocardiology, Budapest, 3-6 June, 1998;
• Международной конференции по биомедицинскому приборостроению “Биомедприбор-96”, Москва, ВНИИМП РАМН, 8-10 октября 1996 года;
• Международной конференции по биомедицинскому приборостроению “Биомедприбор-98”, Москва, ВНИИМП РАМН, 6-8 октября 1998 года;
• На “Съезде Педиатров России”, Москва 24-27 февраля 1998 года;
• Научно–технической конференции “Микроэлектроника и информатика”, Москва, МИЭТ, 12-14 апреля 1995 года;
• Научно–технической конференции “Микроэлектроника и информатика”, Москва, МИЭТ, 18-20 апреля 1997 года;
• Научно–технической конференции “Электроника и информатика–97”, Москва, МИЭТ, 25-26 ноября 1997 года;
• Первом международном симпозиуме “Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия” в рамках международной конференции “Кардиостим–98”, Санкт–Петербург, 5-7февраля 1998 года.

Публикации.

Структура и объем работы.