В [1, 2] нами описан электрокардиограф и наноэлектроды для исследования сердца по Холтеру. Для регистрации электрокардиограммы по методу Холтера в I, II и III отведениях разработаны два одноканальных и один трехканальный электрокардиографы на наноэлектродах.
Блок-схемы электрокардиографов представлены на рис. 1 а, б.
Рис. 1. Структурные схемы одноканальных электрокардиографов:
УБП - усилитель биопотенциалов; АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
МК - микроконтроллер; ПК - персональный компьютер; а - без УБП; б - с УБП
В электрокардиографах используется сигма-дельта АЦП AD7731, входные токи которого равны (30-40) нА.
Диапазон входного сигнала АЦП задается центральным процессором и может составлять ±20 мВ, ±40 мВ, ±80 мВ, ±160 мВ, ±320 мВ, ±640 мВ и ±1,28 В. В спроектированных электрокардиографах используется диапазон ±20 мВ. АЦП производит выборку сигнала с частотой F = 200/500/1000/2000 Гц, который выводится на экран монитора через USB-порт или записывается на встроенную флеш-память MMC mobile объемом 2 Гб. Электрокардиограф имеет часы реального времени DS1302, позволяющие задать начальное и конечное время регистрации сигнала.
При 16-битном кодировании шаг квантования равен
Для управления используется маломощный 8-разрядный AVR-микроконтроллер Atmega128. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл Atmega128 достигает производительности 1 млн. операций в секунду/МГц, что позволяет проектировщикам систем оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия.
Разработанные электрокардиографы позволяют также снимать электрокардиограмму с грудной клетки по Небу и по системе «руки-ноги» (I, II, III отведения).
На рис 2 а, б представлены записи электрокардиограммы с грудной клетки по Небу в покое при токе ≤1 нА. Измерительный канал имеет полосу пропускания от 0 до 100 Гц и не имеет фильтра высоких частот, ограничивающего ЭКГ-сигнал со стороны низких частот и заграждающего сетевого фильтра 50 Гц.
На рис. 2 а представлена запись электрокардиограммы с грудной клетки по Небу с помощью наноэлектродов ЭСМГ-1/н2 (электроды слабополяризующиеся с кнопочным отведением). Наноэлектроды ЭСМГ-1/н2 имеют рабочую поверхность, контактирующую с телом человека, диаметром 10 мм.
На рис. 2 б представлена запись электрокардиограммы с грудной клетки по Небу с помощью наноэлектродов ЭСМГ-1/н1 с диаметром рабочей поверхности 5 мм.
а
б
Рис. 2. Записи электрокардиограммы с грудной клетки по Небу:
а ‒ с помощью наноэлектродов ЭСМГ-1/н2, диаметром 10 мм;
б ‒ с помощью наноэлектродов ЭСМГ-1/н1, диаметром 5 мм
Рис. 3. Фрагмент электрокардиограммы с грудной клетки при максимальной чувствительности 1:1, снятой с помощью наноэлектродов ЭСМГ-1/н1
На рис. 3 представлена запись фрагмента электрокардиограммы, рис. 2б, при максимальной чувствительности 1:1.
Параметры электрокардиографов настроены таким образом, чтобы сохранить одинаковую разрешающую способность без усилителя биопотенциалов и при наличии усилителя биопотенциалов, а именно шаг квантования с усилителем и без усилителя биопотенциалов равен:
На рис. 4 а,б представлены записи электрокардиограмм при входных токах (30-40) нА без УБП.
а
б
Рис. 4. Записи электрокардиограмм
при входных токах (30-40) нА без усилителя биопотенциалов
а
б
Рис. 5. Записи электрокардиограмм, полученных на 3-хканальном электрокардиографе
Сравнение качества зарегистрированных электрокардиограмм при входных токах электрокардиографов (30-40) нА и ≤1нА подтверждает высокую стабильность электродного потенциала наноэлектродов при длительном воздействии постоянным током и отсутствие ЭДС поляризации.
Каждый канал трехканального электрокардиографа выполнен по схеме одноканального электрокардиографа с биоусилителем.
Технические параметры каждого канала также соответствуют техническим параметрам одноканальных электрокардиографов.
Записи электрокардиограмм, полученных на трехканальном электрокардиографе, представлены на рис. 5 а, б, I, II, III отведения от конечностей.
Проведены исследования амплитудно-частотных характеристик электрокардиографов. При частоте дискретизации 2000 Гц полоса пропускания электрокардиографа равна 0-100 Гц, т.е. сетевая помеха присутствует в полосе пропускания.
Исходя из результатов регистрации электрокардиограммы (рис. 3-5), можно сделать вывод, что сетевая помеха в полосе 0-100 Гц при частоте квантования 2000 Гц не регистрируется, несмотря на то, что в схеме прибора отсутствует заграждающий фильтр.
Спроектированная электрокардиографическая аппаратура позволяет без искажений снять истинную биоэлектрическую активность сердца человека на поверхности тела человека в полосе от 0 до 100Гц при частоте дискретизации 2000 Гц (по Котельникову В.А. ‒ до 1000 Гц).
В результате предварительных технических исследований разработанных электрокардиографов получены следующие технические характеристики:
диапазон входных напряжений ‒ от ± 0,002 мВ до ±20 мВ (по ГОСТ 19687-89 от 0,03 мВ до 5 мВ);
уровень внутренних шумов от пика до пика ‒ от ‒1мкВ до +1мкВ;
диапазон частот ‒ (0-20)/(0-40)/(0-75)/(0-100) Гц;
частота квантования ‒ 200/500/1000/2000 Гц;
число каналов ‒ 1 и 3;
число электродов ‒3 и 7;
запись на флэш с объемом памяти 2 Гб;
часы реального времени;
питание от аккумуляторных батарей.
Предварительные медицинские исследования были проведены в Томском НИИ кардиологии. Всего было исследовано 19 пациентов с различными патологиями сердечно-сосудистой системы и 10 человек ‒ норма.
На основании проведенных медицинских исследований показано, что разработаные на базе наноэлектродов структуры электрокардиографов для исследования сердца по Холтеру имеют:
1) повышенную разрешающую способность;
2) не содержат фильтрующих элементов в измерительной цепи;
3) позволяют регистрировать без искажений фильтрами истинную биоэлектрическую активность сердца на поверхности тела человека в области частот от 0 Гц до 100 Гц:
4) диапазон измерения ‒ от ±2 мкВ до ±20 мВ:
5) уровень шума от ‒1 мкВ до +1 мкВ, значение которого определяется шумами измерительной аппаратуры, наноэлектроды практически не вносят шумовой составляющей в результирующий уровень шума [3].
Данная разработка выполнена по проекту Рособразования № 2.2.3.3/3111 «Разработка средств диагностики и экспресс-методов, основанных на применении медицинских наноэлектродов, для оценки физического и психоэмоционального состояния здоровья обучающихся» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)».
Список литературы
- Авдеева Д.К., Клубович И.А. Электрокардиограф на наноэлектродах // Успехи современного естествознания. ‒ 2009. ‒ №11. ‒ С. 96-98.
- Avdeeva D.K., Klubovich I.A. Results of Experimental Researches of Nanoelectrodes metrological Characteristics for Measurement of Electric Fields of the ground and biopotentials of the person // 10-th European Conference on Non-Destructive Testing: Abstracts ‒ Moscow, 7-11 June 2010. ‒ Moskow: SPEKTR, 2010. ‒ Т. 2. ‒ С. 306-308 (84140893).
- Avdeeva D.K., Vylegzhanin O.N., Grekhov I.S., Kazakov V.Y., Kim V.L., Klubovich I.A., Rybalka S.A., Sadovnikov Y.G., YukhinY.M. Experimental results of electric activity of «electronic-ionic conduction» junction // European journal of natural history. ‒ 2009. ‒ №2, ISSN 2073-4972. ‒ Р. 98.
Рецензенты:
Агафонников Виктор Филиппович, д.т.н., профессор кафедры конструирования узлов и деталей РЭС (КУДР) Томского университета систем управления и радиоэлектроники
(ТУСУР);
Светлаков Анатолий Антонович, д.т.н., профессор кафедры электронных средств автоматизации и управления Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.