Первая глава содержит сведения о типовых решениях, применяемых при построении цифровых электрокардиографов. В качестве примера рассмотрена схема цифрового электрокардиографа, обеспечивающего синхронный съем 12-ти стандартных отведений (Рис. 2).
Рис. 2 Типовая структурная схема цифрового 12-ти канального электрокардиографа
Типовому подходу при цифровых ЭКГ аппаратов присущи следующие ограничения и недостатки:
Рис. 3 Передискретизация при аналоговой и цифровой фильтрациях
Шум квантования в полосе частот от Fs до K.Fs/2 подавляется цифровым фильтром, что приводит к улучшению отношения сигнал/шум на величину равную 10. lg(К). Кроме того, можно добиться малой неравномерности АЧХ и ФЧХ цифрового фильтра и высокой линейности. Сам же аналоговый фильтр вырождается в простое R-С звено.
Рис. 4 Сигма–дельта АЦП первого порядка.
В модуляторе сигма-дельта АЦП аналоговый сигнал квантуется с очень низким разрешением (как правило, 1 бит) на частоте, во много раз превышающей максимальную частоту спектра сигнала (Рис. 4). Используя такую методику передискретизации в сочетании с цифровой фильтрацией, можно значительно повысить разрядность. Для снижения эффективной скорости поступления отсчетов на выходе АЦП применяется децимация. Однобитовые модуляторы сигма-дельта АЦП обладают превосходной дифференциальной и интегральной линейностью благодаря линейности 1-бит квантователя. Здесь не требуется высокоточная лазерная подгонка, как в других архитектурах АЦП.
Рис. 5 Структурная схема сигма–дельта АЦП AD7716
Для реализации электрокардиографа использованы 22-х разрядные четырехканальные сигма-дельта АЦП AD7716 (Рис. 5) фирмы Analog Devices (США). На Рис. 6 представлена структурная схема электрокардиограф на базе AD7716. Девять полностью идентичных аналоговых канала представляют из себя усилители постоянного напряжения с входным сопротивлением порядка 100 МОм, коэффициентом усиления 4 и последовательно с ними R-C ФНЧ. Максимальный динамический диапазон входного сигнала составляет ± 600мВ при разрешении порядка 1.5 мкВ. Имитация дифференциальных отведений производится программным способом. Т.о. возможно сформировать практически любую схему отведений — для этого не требуется прецизионных делителей и малошумящих коммутирующих элементов.
Рис. 6 Структурная схема цифрового 12-ти канального электрокардиографа на основе сигма–дельта АЦП AD7716.
В электрокардиографе используется защита от разряда кардиодефибрилятора на полупроводниковых диодах. Один из результатов моделирования реакции входного каскада электрокардиографа на воздействие высоковольтного импульса представлен на Рис. 7.
Рис. 7 Изменение напряжения на входе операционного усилителя входного каскада электрокардиографа при разряде дефибрилятора (tимпульса=10мс,Vимпульса=5кВ) на временном отрезке до 1 мсек. Для моделирования использована программа PSpice (DC6.3) фирмы MicroSim (США).
В электрокардиографе с усилителями постоянного напряжения и многоразрядными АЦП обязан присутствовать цифровой ФВЧ для среза постоянной составляющей (задания постоянной времени). При мониторинге ЭКГ фильтрация должна производится в режиме реального времени. Предлагается цифровой нерекурсивный ФВЧ с переключаемой частотой среза 0.02, 0.05, 0.12, 0.25, 0.5, 1, 2 и 4 Гц. Количество диапазонов достаточно для большинства применений в ЭКГ практике — от точного измерения смещения сегмента ST до быстрой установки изолинии. Значения фильтра вычисляются согласно формуле
,
где xi и yi входные и выходные отсчеты, а N – порядок фильтра и равен 4096, 2048, 1024, 512, 256, 128, 64 или 32 соответственно для частот среза от 0.02 до 4 Гц при периоде выборки отсчетов сигнала в 2 мс. Преимущество фильтра заключается в возможности программирования быстрого целочисленного алгоритма вычисления, т.к. все коэффициенты фильтра равны 1/N, где N кратно 2k. Это позволяет для каждого отсчета использовать только одну операцию деления, реализованную через серию процессорных инструкций двоичного сдвига. Дополнительно возможна оптимизация, если сумму
вычислять как
,
где
.
Из стандартных портов ввода–вывода для подключения цифровых электрокардиографов возможно применять параллельный или один из последовательных портов RS232. У последовательных портов достаточно низкая скорость передачи, а двунаправленный параллельный порт IEEE 1284 фактически невозможно применять для ввода информации со скоростью 30–60 килобайт в секунду, если через него осуществляется вывод на печатающее устройство. У стандартных портов отсутствуют линии питания. Так же не обеспечена буферизация данных на аппаратном уровне с емкостью буфера FIFO (First Input First Output) порядка одного килобайта, что необходимо для надежной работы под управлением ОС Windows95/98/NT. Всех этих недостатков лишены порты USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина). Однако, практически исключена работа с ними в среде DOS из-за отсутствия соответствующих программных драйверов. USB в полной мере поддерживается только Windows 98. Таким образом, на сегодняшний день для подключения цифрового электрокардиографа к ПК оптимальным решением является разработка специализированного канала передачи и соответствующих адаптеров — ISA для стационарного компьютера и PCMCIA для портативного. Разработанный асинхронный последовательный канал электрокардиограф–ПК обеспечивает скорость передачи в 447 кБод. Используется 4-х проводный кабель (2 линии питания и 2 данных) длиной до 50 метров. Каждый переданный байт данных дополняется битом четности. Как передатчик, так и приемник канала реализован на программируемой логической матрице EPM7032 производства фирмы Altera, США. Адаптеры для шин ISA и PCMCIA по своим функциональным возможностям идентичны. Байтный обмен с компьютером осуществляется через 2 адреса ввода–вывода. Не используются механизмы прерываний и прямого доступа к памяти (ПДП). Все это предъявляет минимально возможные требования к аппаратным ресурсам ПК. Структурная схема адаптера PCMCIA представлена на Рис. 8. От ISA адаптера он отличается наличием атрибутивной памяти с записанной информацией о типе устройства и требуемых ему ресурсах (адресах ввода-вывода и напряжениях питания), что обеспечивает поддержку технологии автоконфигурирования (Plug And Play) при работе под ОС Windows. Для ОС DOS настройка PCMCIA контроллера ПК осуществляется принудительно через стандартные функции драйверов спецификации Socket Services 2.1.
Рис. 8 Структурная схема адаптера электрокардиографа КАРДи к шине PCMCIA
Обладая рядом бесспорных достоинств, Windows не является ОС реального времени. Т.е. невозможно прогнозировать максимальное время отклика системы на какое-либо событие для передачи управления соответствующему участку кода. Эта проблема решается применением буферизации в аппаратуре ввода-вывода, разработке т.н. VxD драйвера, функционирующего на уровне ядра операционной системы (в нулевом кольце защиты), а так же “легальная” регистрация оборудования средствами ОС. При работе с электрокардиографом КАРДи под Windows применяется 2-х уровневая схема ввода данных. На нижнем уровне расположен динамически загружаемый драйвер формата VxD, предназначенный для съема данных и управления аппаратурой. На верхнем — 32-х разрядная библиотека времени исполнения (DLL), которая транслирует аппаратно-зависимый формат данных в унифицированный для различных типов электрофизиологических устройств и реализует ряд высокоуровневых функций съема, калибровки и фильтрации. Все это обеспечивает независимый доступ прикладных программ к ЭКГ аппаратуре. Возможна одновременная работа нескольких программ с одним устройством или параллельный съем с нескольких электрокардиографов одной программой.