МИНИАТЮРНЫЙ ЦИФРОВОЙ СУТОЧНЫЙ МОНИТОР ЭКГ

А.В. Плотников, Д.А. Прилуцкий, С.В. Селищев

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
http://www.miee.ru
103498, Москва, К-498, МИЭТт. 532-89-85,
common@mcs.miee.ru

Введение

В 1957 году Норман Холтер предложил методику регистрации электрокардиограммы (ЭКГ), которая затем стала называться суточным (амбулаторным, холтеровским) мониторированием [1, 2]. За прошедшие годы СМ ЭКГ были значительно усовершенствованы: улучшено качество записи, уменьшены габариты приборов, увеличено время регистрации и число каналов [1, 3]. Переход, в конце 70-х годов, с аналоговой записи на магнитную ленту к цифровой записи обозначил новый этап в развитии СМ ЭКГ. В настоящее время появилась элементная база для построения следующего поколения приборов СМ ЭКГ. Целью работы являлась разработка современного миниатюрного суточного монитора ЭКГ на основе цифровой обработки сигналов (ЦОС) и современной элементной базе микроэлектроники, в котором преодолеваются недостатки существующих приборов.

СМ ЭКГ на основе ЦОС и современной элементной базы микроэлектроники.

В руководстве по амбулаторному мониторированию ACC/AHA (American College of Cardiology and American Heart Association) [1] приводятся следующие требования к СМ ЭКГ: длительность регистрации не менее 24 часов, 2 или 3 канала ЭКГ, частотный диапазон не менее 0,5–40 Гц, частота дискретизации 125 Гц и выше, разрешающая способность не хуже 5-20 мкВ.

Большинство современных СМ ЭКГ применяют типовую схему построения аналого-цифровой части [2, 3], которая имеет ряд ограничений и недостатков: аналоговой сигнал может выходить за диапазон измерения АЦП при артефактах движениях человека или внешней импульсной помехе на время установления аналогового фильтра верхних частот (ФВЧ), для нижней частоты 0.05 Гц составляет более 3 секунд; необходимы прецизионные крупногабаритные конденсаторы с малыми токами утечки в аналоговом ФВЧ; схемы выборки–хранения и мультиплексор перед входом АЦП вносят дополнительные нелинейные искажения; необходим дополнительный каскад усиления (в несколько сот раз) после ФВЧ вследствие малой разрядности АЦП; необходим аналоговый ФНЧ высокого порядка для ограничения частотного диапазона сигнала ЭКГ с целью предотвращения эффекта “наложения спектра” при дискретизации сигнала.

Качество регистрации и ЦОС в значительной мере определяется типом аналого-цифрового преобразования. Применение современной элементной базы микроэлектроники в сочетании с цифровой обработкой сигнала ЭКГ позволяет строить принципиально новую схемотехнику аналого-цифровой части СМ ЭКГ [4, 5], обладающую целым рядом преимуществ перед обычными приборами, а именно: применение сигма-дельта АЦП с высоким разрешением позволяет отказаться от ФВЧ и блока усиления, и проводить дискретизацию сигнала ЭКГ с постоянной составляющей, что снижает уровень искажений сигнала ЭКГ и упрощает схемотехнику аналогово-цифровой части; цифровой ФВЧ реализуется на компьютере с необходимой для задачи частотой среза и порядком; применение АЦП с высокой частотой дискретизации снижает требования к порядку ФНЧ и позволяет использовать простейшие пассивные R-C фильтры для частотного диапазона ЭКГ; используя для каждого канала ЭКГ отдельный АЦП вместо мультиплексирования имеем синхронную дискретизацию каналов без искажений сигнала мультиплексором.

Каждый канал регистрации ЭКГ состоит из инструментального усилителя, фильтра нижних частот и АЦП. Сигма-дельта АЦП сочетают высокое разрешение и частоту квантования сигнала, что делает их наиболее предпочтительными перед другими типами преобразователей аналогового сигнала в цифровой код. Ключевыми моментами сигма-дельта преобразователей являются передискретизация, процесс шумопреобразования в сигма–дельта модуляторе, цифровая фильтрация и децимация [6]. Использование интегральных сигма–дельта АЦП со встроенными усилителями, обеспечивает построение аналоговой части СМ ЭКГ с минимум внешних элементов.

Масса и габариты является важными техническими параметрами СМ ЭКГ [1, 2, 3]. Снижение габаритов прибора обеспечивается за счет применения современной элементной базы в миниатюрных корпусах. Большой вклад в массу и габариты прибора вносят элементы питания, поэтому переход на питание от одного гальванического элемента позволяет значительно снизить массу и габариты СМ ЭКГ. Такое уменьшение общей электрической емкости элементов питания требует снижения общего потребления прибора. Переход от напряжения питания 5 В к однополярному питанию 3 В позволяет снизить потребление СМ ЭКГ более чем в 2 раза. КПД источника питания определяется его типом и напряжением. Линейные стабилизаторы в системах батарейного питания вследствие характера кривой разряда гальванического элемента имеют КПД менее 60 %, а также требуют повышенного напряжения. Наиболее эффективно в системе энергопитания СМ ЭКГ применять импульсные повышающие преобразователи DC-DC (постоянный ток в постоянный). Для питания прибора от одного гальванического элемента 1,5 В применен преобразователь MAX1678 фирмы MAXIM (США), обеспечивающий работу в диапазоне напряжений от 0,7 В с КПД более 80 %.

Хранение информации в энергонезависимой твердотельной памяти является предпочтительным вследствие малого энергопотребления. Для применения в СМ ЭКГ исследованы базовые типы твердотельной энергонезависимой памяти (технологии NOR, NAND, EEPROM), выявлены преимущества NAND типа для СМ ЭКГ. Основными качествами NAND являются более высокая плотность информации и малое потребление во всех режимах. Рассмотрены методы защиты от сбоев в твердотельной энергонезависимой памяти при хранении ЭКГ и предложен вариант, не требующий предварительного стирания флэш-памяти, что ускоряет подготовку прибора к работе и увеличивает срок службы.

При регистрации суточной ЭКГ важным является объем хранимой в памяти прибора информации. С ее уменьшением (сжатием) [7] повышается эффективность использования подсистемы памяти СМ ЭКГ: снижаются габариты и стоимость, уменьшается время передачи суточной ЭКГ на ПК. Типичный объем необходимой памяти для 2-х канального прибора без сжатия составляет 25-30 Мбайт (10-12 битное АЦП). Алгоритмы, достигающие наибольшей степени сжатия ЭКГ, используют сжатие с потерями информации, после восстановления ЭКГ сигнал лишь с определенной погрешностью повторяет свой оригинал до сжатия. Методы компьютерной обработки ЭКГ сигнала, применяющие статистическую обработку и фильтрацию с целью повышения отношения сигнал/шум, являются чувствительными даже к минимальным искажениям сигнала в амплитудной, фазовой или частотной областях. Поэтому современные СМ ЭКГ не применяют сжатие с потерей информации [1, 7].

Для применения в СМ ЭКГ модифицирован алгоритм разностного сжатия (дельта кодирование) без потерь ЭКГ информации. Он разработан с учетом необходимости сжатия ЭКГ с постоянной составляющей и использует априорные знания о структуре электрокардиографического сигнала. Алгоритм обладает следующими преимуществами: обеспечивает сжатие без потерь и искажений ЭКГ информации, использует только целочисленные вычисления, обладает высокой скоростью, имеет минимальные требования к вычислительным ресурсам. Степень сжатия ЭКГ зависит от разрешения прибора и уровня внешних помех. Уменьшение разрешения прибора (округление младших разрядов) увеличивает сжатие и длительность записи СМ ЭКГ. Однако при этом должно сохраняться необходимое разрешения для поставленной диагностической задачи. В данном алгоритме уменьшение разрешения с 5 мкВ до 10 мкВ увеличивает средний коэффициент сжатия на 10 %. В результате тестирования алгоритма на нормальных суточных ЭКГ, а так же записях с различными видами артефактов, средний коэффициент сжатия составил 3.15, при входном диапазоне +150 мВ и минимальном разрешении ЭКГ 10 мкВ.

Из стандартных портов ввода–вывода для подключения цифровых портативных устройств можно использовать параллельный, последовательный порт или универсальную последовательную шину (USB). У последовательных портов достаточно низкая скорость передачи, а двунаправленный параллельный порт фактически невозможно применять для ввода информации, т.к. к нему практически всегда подключено печатающее устройство. Всех этих недостатков лишена USB, которая поддерживается современными операционными системами Windows 98 и Windows 2000. Таким образом, для подключения цифрового СМ ЭКГ к ПК оптимальным решением является разработка высокоскоростного адаптера для USB [8]. Для СМ ЭКГ разработаны гальванически изолированные адаптеры связи с ПК для интерфейсов USB и RS-232C. Все адаптеры обеспечиваю передачу суточной ЭКГ и мониторинг ЭКГ на ПК. Применение USB значительно ускоряет передачу суточной ЭКГ на ПК. Адаптер USB обеспечивает передачу 16 Мбайт данных за 2,5 минуты, в то время как адаптер RS-232C – за 25 минут.

Выводы

Типовая схема построения СМ ЭКГ имеет ряд технических ограничений, отражающихся на потребительских свойствах. Применение усилителей постоянного тока, сигма–дельта АЦП, высокопроизводительных микроконтроллеров, твердотельной энергонезависимой памяти большой емкости и сжатия ЭКГ с постоянной составляющей без потерь диагностической информации улучшает технические и потребительские свойства систем СМ ЭКГ. Для подключения современного цифрового СМ ЭКГ к персональному компьютеру целесообразно разрабатывать специальный адаптер с интерфейсом к шине USB, что позволяет обеспечить передачу суточной записи на ПК за 3-5 минут.

Основные характеристики разработанного прибора: 2 канала ЭКГ, длительность регистрации 24 часа, частотный диапазон 0–40 Гц, частота дискретизации 150 Гц, входной диапазон + 150 мВ, разрешающая способность 5 мкВ, входное сопротивление 90 МОм, подавление синфазной наводки 100 дБ, флэш-память объемом 16 Мбайт, сжатие без потерь ЭКГ информации, энергонезависимые часы реального времени, энергопотребление 20 мВт, габариты 70х55х19 мм, вес 75 г (с элементом питания).

Особенностью прибора является полоса пропускания сигнала от нуля Гц, т.е. полное отсутствие искажений низкочастотной составляющей ЭКГ, которая является важной диагностической информацией. Каждый из полностью идентичных и синхронных каналов регистрации ЭКГ состоит только из пассивного ФНЧ на R-C цепи и интегрального сигма-дельта АЦП AD7714, которое включает в себя: дифференциальных усилитель с программируемым коэффициентом усиления, сигма–дельта модулятор с уравновешиваем заряда и цифровой фильтр нижних частот. Большой входной диапазон и малый уровень собственных шумов прибора обеспечивает динамический диапазон в 89,5 дБ. Высокое входное сопротивление и подавление синфазной наводки обеспечиваю регистрацию сигнала с минимальным уровнем внешней помехи. Данный прибор обеспечивает высокую разрешающую способность, малое энергопотребление и компактность. Малый вес и габариты позволяют использовать прибор для исследования детей.

Литература:

American College of Cardiology / American Heart Association Guidelines for Ambulatory Electrocardiography. // JACC VOL. 34, No. 3, September, 1999. – рp.912-948
Дабровски А., Дабровски Б., Пиотрович Р. Суточное мониторирование ЭКГ. – М.: Медпрактика, 1998.– 208 с.
Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ: Учеб. пособие для вузов. Под ред. А. Л. Барановского и А. П. Немирко. // М.: Радио и связь, 1993––248с.
Куриков С. Ф., Прилуцкий Д. А., Селищев С. В. Применение технологии многоразрядного сигма–дельта преобразования в цифровых многоканальных электрокардиографах. // М.: Медицинская техника.–1997.–№4. – С. 7-10.
Kurekov S. F., Prilutski D. A., Selishchev S. V. Sigma–Delta Analoque-to-Digital converters in multichannel ECG and EEG acquisition systems. // Medical & Biological Engineering & Computing – vol. 37, sup. 1, 1999. – pp.286-287.
Park Sangil. Principles of Sigma–Delta Modulation for Analog–to–Digital Converters. Communications Applications Manual. – Motorola Inc., Phoenix, Arizona, 1993.–V. DL411D/REV1.–P. 293–350.
Lialeddine S. M. S., Hutchens C. G.,. Strattan R. D, and Coberly W. A. ECG data compression techniques - a unified approach. // IEEETransactions on Biomedical Engineering. - April 1990.-V. 37.-P. 329-343.
Ветвицкий Е.В., Плотников А.В., Прилуцкий Д.А., Селищев С.В. Применение универсального последовательного интерфейса USB в компьютерных медицинских комплексах. // М: Медицинская техника. – 2000. – №4. – С.3-7.

Содержание конференции | Секция1