ЦИФРОВОЙ ПОРТАТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФ

Е.В.Аксенов, Ю.М.Ляшенко, Д.А.Прилуцкий, С.В.Селищев

Московский государственный институт электронной техники
Зеленоград,
тел.532-8985,
common@mcs.miee.ru

В медицинской практике все более широкое применение находят интеллектуальные портативные диагностические приборы, обеспечивающие сбор данных и их первоначальный анализ. Наличие стандартного компьютерного беспроводного интерфейса, а так же возможность длительной работы без подзарядки автономных источников питания является непременным требованием. В качестве вычислительной основы таких приборов часто используется персональный органайзер (PDA), к которому через цифровые интерфейсы (PCMCIA, COM) подключается система сбора данных. Медицинское программное обеспечение выполняется под управлением встроенной операционной системы (Palm OS, Windows CE) и использует ее функции для ввода, отображения, хранения данных, а так же их передачи через порты ввода–вывода органайзера.

Однако, серийный органайзер, как основы медицинского прибора обладает рядом недостатков. В первую очередь конструкция органайзера не предназначена, вообще говоря, для применения в условиях медицинских учреждений и в полевых условиях (военная медицина, медицина катастроф), где простые в эксплуатации и надежные портативные приборы особенно актуальны. С одной стороны, органайзер имеет универсальную операционную систему, не предназначенную для работы в режиме реального времени, клавиатуру с большим числом клавиш, нестандартный разъем расширения, “откидывающийся” экран и другие особенности, позволяющие ему успешно осуществлять свои основные функции. С другой стороны, эти же свойства не позволяют ему гарантировать надежность регистрации данных, простоту управления, конструктивную прочность и электробезопасность медицинского изделия. Немаловажно и то, что по коммерческим причинам период выпуска модели органайзера ограничен 6-12 месяцами, после чего приходится адаптировать систему под другую модель PDA.

Альтернативным решением является разработка специального медицинского прибора с применением элементной базы и технологий, используемых при разработке PDA, но с учетом требований, предъявляемых к конкретному классу медицинской техники. Безусловно, такой подход более сложный, однако результатом работы будет являться конкурентоспособное изделие, пригодное к серийному производству.

В данной работе представлен цифровой портативный 12-ти канальный электрокардиограф. Его габаритные размеры 130x105x27 примерно соответствуют половине видеокассеты формата VHS. Масса с установленными элементами питания не более 250 грамм. Используются два аккумулятора (NiCd или NiMg) типоразмера AA или щелочные гальванические элементы. Длительность непрерывной работы от полностью заряженных аккумуляторов — порядка 7.5 часов при выключенной подсветке индикатора и 5 часов при включенной. Предусмотрена возможность питания прибора от внешнего источника постоянного напряжения 7–15В, выполненного в соответствии с требованием безопасности медицинских изделий IEC601 (класс II, CF). При работе от внешнего источника питания осуществляется форсированный заряд аккумуляторов (полный заряд за 3–5 часов) с процессорным контролем заряда и температуры.

Основную площадь лицевой поверхности занимает графический жидкокристаллический дисплей. Его разрешение 320x240 точек, шаг точки 0.24x0.24 мм, включен в режиме передачи 4 градаций серого. Используется графический индикатор G325E01R300 производства Seiko Instruments Inc. — один из первых серийно выпускаемых индикаторов, изготовленных с использованием технологии “кристалл на стекле”. Это обуславливает малую толщину индикатора (2 мм) и его низкое энергопотребление. Толщина индикатора с пластиной светодиодной подсветки белого цвета не более 5 мм. Предусмотрено наличие термокомпенсации: при изменении внешней температуры осуществляется адекватное изменение напряжения питания драйверов индикатора. Программно регулируется контрастность индикатора и яркость подсветки. Подсветка включается автоматически при недостатке внешнего освещения.

Единственным элементом управления электрокардиографа является энкодер — вращающийся барабан на торцевой стороне прибора. Кнопка, совмещенная с осью энкодера, позволяет включить аппарат и активизировать различные пункты меню, выбираемые при вращении барабана.

Внешний ЭКГ кабель со встроенными нагрузочными резисторами системы защиты от кардиодефибрилятора подключается через пластиковый самофиксирующийся (“врубной”) разъем производства Lemo. Для регистрации ЭКГ применены однокаскадные усилители постоянного напряжения, после которых сигнал оцифровывается при помощи четырехканальных 22-х разрядных сигма–дельта АЦП AD7716. Такая технология многократно подтверждала свое преимущество перед классически выполненными каналами усиления и преобразования ЭКГ [2, 3]. Благодаря строго одновременному преобразованию сигнала в многоразрядный цифровой код, различные схемы отведений и всех фильтры реализуются программно на центральном процессоре. Это значительно упростило аналоговую часть схемы, повысило качество регистрации ЭКГ и обеспечило возможность модернизации прибора посредством замены программного обеспечения.

Основой прибора является 32-х разрядный процессор со сверхнизким потреблением CL-EP7211 производства Cirrus Logic. Благодаря 32-х разрядному RISC ядру ARM (Advantage RISC Machine), встроенной кэш–памяти объемом 8 килобайт, архитектуре с разделением внутренней и внешней шин, системе управления тактовой частотой и интегрированному контроллеру прямого доступа к памяти (DMA) в максимальном режиме производительность CL-EP7211 примерно соответствует производительности Intel Pentium 100 MHz. Ядро ARM фактически является промышленным стандартом для современных 32-х разрядных встраиваемых контроллеров. Запас мощности и высокая разрядность обеспечивает малые накладные расходы при работе с 22-х разрядными отсчетами АЦП, позволяет эффективно эмулировать операции с плавающей точкой для фильтрации сигнала, добиваться высокого коэффициента сжатия ЭКГ, одновременно с регистрацией выводить ЭКГ на дисплей и формировать образ печатной страницы. Дополнительно CL-EP7211 содержит:
  1. Встроенный контроллер динамической памяти (DRAM) допускает использование относительно дешевой оперативной памяти общим объемом до 130 Мбайт. В электрокардиографе установлена микросхема EDO DRAM объемом 8 Мбайт, что позволяет при написании программ использовать алгоритмы критичные к объему памяти, в частности, для сжатии сигнала и формирования страницы печати.
  2. Встроенный контроллер графического жидкокристаллического индикатора, способен автономно, без потери производительности процессора, регенерировать высококачественное изображение, а так же обеспечить возможность представления до 16-ти градаций яркости отдельных элементов изображения. Эффективность механизма регенерации обусловлена использованием механизма DMA для доступа к внешней динамической RAM (DRAM) или 32 килобайтам внутренней статической памяти системы.
  3. Встроенный контроллер стандарта инфракрасной связи IrDA 1.0 позволяет отказаться от внешней микросхемы поддержки IrDA, а в качестве оптического приемопередатчика использовать дешевые модули или простые дискретные свето и фотодиоды. В электрокардиографе подключение через интерфейс IrDA обеспечивает связь с персональным компьютером, вывод печатного документа на принтер, а так же модификацию встроенного программного обеспечения. Для этого реализован стек IrDA протоколов, включая IrSAP, IrLAP, IrLMP, IrCOMM, а так же технология автоопределения и конфигурирования Plug & Play.
  4. Встроенная автономная система реального времени позволяет отсчитывать время независимо от того, находится процессор в активном режиме или он отключен. На время смены элементов питания электрокардиографа система питается от энергии, накопленной в установленном в приборе ионисторе. В программе электрокардиографа поддерживается календарь.

В электрокардиографе отсутствует печатающее устройство. Прибор может только сохранять ЭКГ в энергонезависимой памяти (8 мегабайт памяти типа flash), что обеспечивает, например, хранение около 100 тридцатисекундных фрагментов 12-ти канальной ЭКГ. Все запомненные фрагменты возможно просмотреть на индикаторе, а так же получить результаты измерения амплитудно-временных параметров и текстовую интерпретацию измерений. ЭКГ через порт IrDA могут быть переданы на персональный компьютер для сохранения в базе данных, обработки или печати. Для этого разработана специальная программа. Так же ЭКГ может быть распечатана на лазерном, струйном или термопринтере, оснащенном интерфейсом IrDA. Поддерживаются языки печати PCL3, ESC/P и IBM-ProPrinter. IrDA стандарт 1.0 обеспечивает приемлемую для электрокардиографа скорость передачи данных (115 Кбод). Самый сложный случай — передать на принтер растровое несжатое изображение страницы размером A4 с разрешением 300 dpi (для печати ЭКГ более высокое разрешение неэффективно, оптимально 150–300 dpi). Время печати на лазерном принтере составляет около двух с половиной минут (теоретически – 70 секунд).

При написании программы электрокардиографа использовались средства разработки, поддерживающие язык ANSI С и С++, что обеспечило масштабируемость кода и возможность миграции на другой процессор с ядром ARM. Программа выполняется без операционной системы, самостоятельно обеспечивая функции управления памятью, работу с экраном и портами ввода-вывода. В этом случае улучшаются параметры надежности и стоимости при серийном тиражировании устройства.

Таким образом, разработанный портативный электрокардиограф является удачной платформой решения большого класса электрокардиографических задач для различных условий применения. Максимальное использование цифровой обработки сигнала, большая вычислительная мощность и объем памяти, возможность модификации встроенного программного обеспечения через инфракрасный порт позволяют создавать программное обеспечение для сбора и анализа ЭКГ, ранее доступное только для персональных компьютеров. На очереди — реализация программ анализа вариабельности сердечного ритма и анализа поздних потенциалов желудочков.
  1. Куриков С. Ф., Прилуцкий Д. А., Селищев С. В. Применение технологии многоразрядного сигма–дельта преобразования в цифровых многоканальных электрокардиографах. // “Медицинская техника”.–1997.–№4.–С. 7-10.
  2. Kurekov S. F., Prilutski D. A., Selishchev S. V. Sigma–Delta Analoque-to-Digital converters for Biomedical Data Acquisition Systems // Proceeding of 4th European conference on engineering and medicine.– Warsaw, May 25–28, 1997.–P.163-164.

Содержание конференции | Секция1