Аппаратура для анализа электрокардиосигнала
Электрокардиодиагностика - ведущее звено среди других разнообразных инструментальных методов исследования сердечнососудистой системы. Этому методу не существует альтернативы при диагностике нарушения ритма и проводимости сердца.
Сердце с управляющей системой представляет собой сложную динамическую систему. Сердечная деятельность регулируется вегетативной нервной системой, гуморально (изменение pH крови и др.), барорецепторными рефлексами и др. Изучая изменение электрокардиограммы (ЭКГ) под действием этих факторов можно судить о функциональных способностях организма в целом (тренированность и т д.). Только наблюдение за ЭКГ позволяет выявлять и предотвращать опасные для жизни человека нарушения деятельности сердца. Методы электрокардиодиагностики можно разделить на две группы:
• классической диагностики;
• динамической диагностики.
Методы динамической диагностики используются в тех случаях, когда необходима регистрация электрокардиосигнала в течении длительного времени и не в состоянии покоя. На основании анализа длительных записей определяются предельные нагрузки, эффективность работы сердца. Для функциональной диагностики сердечнососудистой системы используются тестирующие кардиомониторы. Обобщенная структурная схема кардиомонитора приведена на рисунке 45.
Рис. 70 - Структурная схема кардиоманитора
1- блок усиления и преобразования;
2- блок обработки;
3- блок формирования диагностических заключений;
4- блок отображения информации;
5- блок формирования сигналов тревоги;
6- передатчик;
7- приемник.
Электрокардиосигнал поступает с электродов в блок усиления и преобразования. Здесь размещаются: усилитель электрокардиосигнала, система автоматического регулирования. Задача данного блока заключается в усилении электрокардиосигнала до необходимого уровня. Также в этом блоке ограничивается спектр частот сигнала для повышения помехоустойчивости обработки. Если в дальнейшем предполагается цифровая обработка сигнала, то в блок усиления и преобразования включают АЦП. Усиленный и преобразованный электрокардиосигнал поступает на блок обработки, где в соответствии с выбранным алгоритмом производится обнаружение QRS-комплексов, измерение длительности R-R интервалов, а также сжатие электрокардиосигнала. Структурная схема цифрового кардиомонитора приведена ниже.
Анализ электрокардиосигнала проводится исходя из формы QRS - комплексов и их расположения на оси времени. QRS- комплекс самый высокочастотный элемент электрокардиосигнала. Основная доля энергии QRS-комплекса сосредоточена в области до 50 Гц. Стандартная частота дискретизации равна 500 Гц. Для использования в кардиомониторах это может быть избыточно. Для конкретной задачи оценивают потери точности измеряя амплитуду QRS- комплексов. Практически вполне приемлемой является частота дискретизации равная 200 Гц.
Выбор разрядности АЦП определяется необходимостью относительно точного измерения некоторых амплитудных параметров электрокардиосигнала, а также необходимостью обеспечения запаса по динамическому диапазону Обычно используются АЦП с разрядностью 8 бит.
Рис 71 - Структурная схема усилителя для реализации предварительного усилителя выберем микросхему AD620 фирмы ANALOG DEVICES, обладающей низким напряжением смещения, высокой точностью, стабильностью и компактностью.
Рис. 72 - Включение драйвера нейтрального электрода
Принципиальная схема каскада усиления переменного напряжения представлена на рисунке 48. Здесь С4, R7 это ФВЧ, задающий нижний порог частотной характеристики, а элементы R9, С5 представляют собой ФНЧ, который задаёт верхний порог частотной характеристики УПН.
Рис. 73 - Схема усилителя переменного напряжения
Для реализации гальванической развязки выберем микросхему AD203SN фирмы ANALOG DEVICES, которая представляет собой линейный изолирующий развязывающий усилитель на трансформаторе и обладает высокой точностью передачи, линейностью, температурной стабильностью и широкой полосой пропускания.
Сигнал с электродов поступает в блок усиления и преобразования где усиливается до уровня необходимого для дальнейшей обработки и ограничивается по частоте.
Преобразование заключается в том, что с помощью обнаружителя с фильтром NASA определяется присутствие ЭКС, и сигнал, свидетельствующий об этом, отправляется в следующий блок для дальнейшей обработки.
Далее сигнал поступает в блок обработки, где по заложенному алгоритму происходит измерение RR интервалов и классификация сигнала по принципу - «Норма», «Патология».
Полученные данные отправляются в блок формирования диагностического заключения в этом блоке, на основании полученных данных, и по заданным правилам происходит идентификация нарушений сердечной деятельности. Затем при необходимости вырабатывается сигнал тревоги.
Функцию БО, БФДЗ и БФСТ выполняет микроконтроллер Atmega8, в его память программ загружаются алгоритмы выполнения поставленных задач.
Блок питания обеспечивает энергией отдельные блоки монитора. Кроме того что без энергии блоки не способны функционировать требуется высокая стабильность питающего напряжения. А так как устройство должно работать от двух батареек, необходимо предусмотреть сигнализацию разряда батарей.
Рис. 74 — Функциональная схема монитора ЖЭ
ПУЛЬСОКСИМЕТРИЯ
Наиболее просто измерять сатурацию с помощью пульсоксиметра. Работа пульсоксиметра основана на фотоплетизмографии. Классическая фотоплетизмограмма: участок ткани, в котором изучают кровоток, располагают на пути распространения света. Так как поглощение ткани пропорционально объёму крови проходящему через ткань, то обрабатывая сигнал можно обнаружить изменение его амплитуды из-за пульсации артерий. Полученная фотоплетизмограмма может быть использована для контроля гемодинамики под датчиком. При увеличении давления или вазоделитации амплитуда фотоплетизмограммы растет, при снижении давления и вазоконстрикциии - снижается.
Изменения фотоплетизмограммы могут указывать на нарушения гемодинамики.
В пульсоксиметре из фотоплетизмограммы выделяют момент систолической пульсации, в это время, на вершине систолы, наиболее точно можно измерить сатурацию. Принцип измерения сатурации основан на том, что для света двух длин волн, проходящих через ткань с артериальной кровью, поглощение для оксигемоглобина и редуцированного гемоглобина различно.
Рис. 75 - Спектр поглощения оксигемоглобина и редуцированного гемоглобина
В области 660 нм поглощение редуцированного гемоглобина выше, чем оксигемоглобина, в области 940 нм - наоборот. Сравнивая отношение поглощения на двух длинах волн получают соотношение оксигемоглобина и редуцированного гемоглобина.
Поглощение имеет две составляющие — пульсирующую (из-за изменения объема артериальной крови) и постоянную (из-за поглощения венозной и капиллярной крови и других тканей).
Рис. 76 - Пульсовая волна
Для измерения сатурации необходимо исключить влияние изменений постоянной составляющей поглощения и выделить систолическую составляющую, обусловленную притоком артериальной крови. Чтобы исключить постоянную составляющую в пульсоксиметре вычисляют отношение нормированных амплитуд фотоплетизмограммы для красного и инфракрасного излучения.
где А * - систолическая составляющая поглощения,
А = - диастолическая.
Таким образом, исключаются ошибки измерения из-за различия характеристик не пульсирующей крови и тканей у разных людей, в разных местах наложения.
Величина сатурации определяется по калибровочной зависимости от значения R. Эта зависимость заносится в память прибора и получается путем сравнения показаний прибора с эталонным пульсоксиметром с известными характеристиками.
Рис. 77 - Структурная схема пульсокиметра
1 - схема синхронизации;
2 -преобразователь ток-напряжение;
3,5,6 - регулируемые усилители;
4 - синхронный детектор;
7 - коммутатор;
8 - микроконтроллер;
9 - АЦП.
Со схемы синхронизации управляющий сигнал поступает на светодиоды включаемые поочередно. Оптический поток, прошедший через биологические ткани, поступает на фотоприемник. Фототек преобразуется в напряжение и поступает на регулируемые усилитель. Регулируемый усилитель предназначен для согласования уровней сигналов с коэффициентом поглощения биологической ткани. После регулируемого усилителя сигнал поступает на синхронный детектор, на нем разделяются каналы ИК и красного излучения, а также увеличивается отношение сигнал/шум. На выходе синхронного детектора присутствуют постоянная составляющая и небольшие пульсации. Т.к. пульсации имеют порядок 1% от постоянной составляющей, то для усиления пульсаций используются два регулируемых усилителя. Затем сигнал поступает на коммутатор, АЦП и код соответствующий каждой составляющей поступает на микроконтроллер, где и вычисляется сатурация. Так как используется один фотоприемник, то существует возможность ослабления фоновых засветок.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современная космонавтика — одно из главных направлений ускорения научно-технического прогресса. Она решает важнейшие задачи в области глобальной связи, навигации, метеорологии, исследования природных ресурсов, экологического контроля и одновременно оказывает влияние на развитие таких передовых отраслей техники, как машиностроение, электроника, автоматика, вычислительная техника, материаловедение и др. Участие в космических исследованиях способствует приобщению к передовой технологии и международному сотрудничеству.
Масштабы работ в космосе растут. По мере того, как развиваются крупномасштабные проекты изучения Марса, постепенно нарастает горячка по поводу перспектив освоения планет Солнечной системы, и выдвигается один за другим, все новые и новые проекты. Раздаются решительные призывы к тому, чтобы разработать и начать реализацию программ масштабного освоения, по крайней мере, Луны, а там и Марса. Писатели- фантасты представили проекты освоения дальнего космоса, которые можно классифицировать на два основных типа.
Первый тип. Планеты Солнечной системы используются для заселения. Причины заселения могут быть различными, от глобальной экологической катастрофы на Земле, сделавшей ее непригодной для жизни, до предположений, что человечество разовьется до такой степени, что места на Земле будет слишком мало.
Второй тип. На других планетах находятся некие уникальные ресурсы, которые там добываются. Туда отправляются некие «рабочие», которые добывают ресурсы на инопланетных база и перевозят их на Землю на грузовых космических кораблях.
Космические аппараты типа «Фотон» предназначены для проведения технологических и научных экспериментов, производства материалов и биологических препаратов в интересах различных отраслей промышленности и науки, а также осуществления международного сотрудничества на коммерческой основе. Их вклад в развитие науки сложно переценить. Несмотря на то, что «Фотон» изначально предназначался, в основном, для технологических экспериментов, сейчас на нем располагается большое количество различной аппаратуры для биологических исследований. За почти десятилетний период с момента утверждения «Долгосрочной программы научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на Российском сегменте МКС (версия 1999 г.)» накоплен большой опыт реализации исследований и экспериментов в области космической биологии и медицины.
Качественный и количественный анализ ионизирующих излучений необходим в различных областях науки и техники: ядерной физике, физике элементарных частиц, радиохимии, технике радиоактивных индикаторов, радиационной химии, радиационном материаловедении, дефектоскопии в сельском хозяйстве, медицине, экологии, геологии, атомной энергетике, в технологиях ядерно-топливного цикла, дозиметрии и радиационной безопасности, в практике обитаемых космических полётов и т. д. и т.п. Поэтому методы измерения ядерных излучений постоянно и весьма активно развиваются.