Основные биотехнические принципы биотелеметрической системы персонального мониторинга электрокардиосигнала

РЕФЕРАТ

 

 

 

 

 

Дипломный проект.

Пояснительная записка:    с.,    рис.,     табл.,    источников

Графическая документация:

 

 

 

 

 

электрокардиосигнал, усилитель, передатчик, приемник, частотная манипуляция, микроконтроллер

 

 

 

 

 

Разработана биотелеметрическая система персонального мониторинга электрокардиосигнала. Биотелеметрическая система состоит из носимого блока, с помощью которого обеспечивается регистрация и передача по радиоканалу электрокардиосигнала, и стационарного блока,  который обеспечивает прием и детектирование, переданного сигнала, и последующую передачу электрокардиосигнала в персональный компьютер по шине USB.

 

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………………6

1. Основные биотехнические принципы  биотелеметрической системы персонального  мониторинга электрокардиосигнала………………………….8

1.1 Физиологическая природа   электрокардиосигнала…………………...8

1.2 Методы регистрации электрокардиосигнала…………………………..13

1.3 Особенности систем персонального  мониторинга ЭКС………………22

1.4. Технические средства персонального мониторинга ЭКС…………….24

2. Разработка биотелеметрической  системы персонального мониторинга  электрокардиосигнала…………………………………………………………...32

1. Разработка структурной схемы.............................................................32

2.2 Принципиальная схема биотелеметрической системы персонального мониторинга электрокардиосигнал…………………………………………….43

2.2.1 Расчет аналоговой  части…………………………………………...43

2.2.2 Расчет цифровой  части носимого блока…………………………..51

2.2.3 Расчет цифровой  части стационарного блока…………………….63

2.3 Алгоритм работы  биотелеметрической системы персонального  мониторинга  электрокардиосигнала…………………………………………...72

3.  Разработка конструкции  биотелеметрической системы персонального  мониторинга электрокардиосигнала……………………………………………82

3.1 Конструкторско-технологический расчет. Расчет надежности……….82

3.2 Расчет вариантов  компоновки носимого блока………………………..90

3.3 Разработка конструкции  носимого блока………………………………94

4. Технико-экономическое  обоснование проектирования биотелеметрической  системы персонального мониторинга электрокардиосигнала………………..96

4.1 Анализ недостатков  существующих аналогов…………………………97

4.2 Анализ частных технических  решений…………………………………98

4.3 Определение себестоимости нового  изделия…………………………..99

4.4 Определение цены  нового изделия…………………………………….102

4.5 Оценка потребительских  качеств……………………………………..104

4.6 Оценка экономической  эффективности изделия у потребителя…….107

4.7 Оценка экономического  эффекта от производства новой  продукции, у изготовителя…………………………………………………………………....111

4.8 Оценка трудоемкости разработки нового изделия…………………...112

4.9 Определение сметной  стоимости ОКР………………………………...118

4.10 Маркетинговое исследование………………………………………...119

5. Экология и безопасность  жизнедеятельности……………………………..120

5.1       Безопасность эксплуатации прибора “Кардио”………….………..120

5.2 Классификация медицинской  аппаратуры с позиции электробезопасности…………………………………………………………...121

5.3 Оценка разрабатываемого  устройства с позиции электробезопасности…………………………………………………………...126

5.4 Оценка экологической эффективности системы……………………...127

Заключение……………………………………………………………………...129

Список использованных источников………………………………………….130

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Заболевания сердца являются одними из распространенных смертельных заболеваний. Для своевременной постановки диагноза и выявлений нарушений деятельности миокарда, применяют различные методы исследования деятельности сердца. Самым распространенным и доступным методом исследования является электрокардиография.

Сигналы электрической  активности миокарда, регистрируемые с помощью электродов, передаются в электрокардиограф. Для диагностики  многих сердечных заболеваний требуется регистрация ЭКС в условиях отличных от стационарных: спортивная медицина, профессиональная сфера деятельности пациента (лётчки, операторы АЭС), проведение суточного мониторирования. Проводная передача ЭКС с электродов в регистрируемую аппаратуру представляется сложной, а в ряде случаев невозможной, т.к. провода ограничивают передвижение пациента, а перемещать за собой кардиограф нецелесообразно. Беспроводной способ передачи позволяет решить возникающие трудности.

В данном дипломном проекте  представлена разработка биотелеметрической системы персонального мониторинга  ЭКС. Персональный мониторинг ЭКС является важнейшей задачей, как для диагностики заболеваний сердца, так и для наблюдения за деятельностью миокарда, при наличии заболеваний. Актуальность разрабатываемой биотелеметрической системы персонального мониторинга ЭКС, состоит в ее относительной ценовой доступности, по сравнению с аналогами, существующими на рынке медицинской техники. Что расширяет число потребителей, имеющих возможность приобретения данной системы.

Регистрация ЭКС с помощью биотелеметрической системы персонального мониторинга ЭКС, позволяет проводить длительную амбулаторную регистрацию ЭКС во время обычной деятельности больного: физической нагрузки, профессиональной деятельности, отдыха, сна, во время занятий спортом и т.д. Регистрация ЭКС с помощью биотелеметрической системы персонального мониторинга ЭКС, можно рекомендовать для регистрации приходящих нарушений ритма и проводимости, для оценки применяемой противоаритмической терапии, для диагностики и оценки нарушений ритма и проводимости у больных острым инфарктом миокарда и влияния на них антиаритмических средств. Кроме того, ее можно использовать при постоянных формах нарушения ритма для оценки влияния на них различных бытовых и профессиональных факторов, имеющихся в повседневной жизни больного. Длительная регистрация ЭКГ помогает также в выявлении скрытой коронарной недостаточности, а также факторов, вызывающих ухудшение ЭКГ во время обычной повседневной жизни больного, у больных с заведомо имеющейся ишемической болезнью сердца. Для регистрации ЭКГ используют одно отведение по Холтеру, что облегчает самостоятельное установление электродов, самим пациентом. Длительное электрокардиографическое наблюдение (в течение нескольких часов или дней) в основном используется для диагностики различных нарушений ритма и проводимости. Запись и анализ ЭКГ производится в режиме реального времени, что крайне важно для оказания своевременной помощи пациенту, в случае нарушения деятельности миокарда.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основные биотехнические  принципы построения телеметрической системы персонального мониторинга электрокардиосигнала.

1.1 Физиологическая природа   электрокардиосигнала.

Сердце является важнейшей  мышцей в организме человека, задача сердца - обеспечивать циркуляцию крови  по сосудам. Осуществляется это благодаря последовательному расслаблению предсердий и желудочков (фаза диастолы), а потом их сокращению (фаза систолы). Заканчивается цикл общим расслаблением всех четырех камер. В основе возникновения электрических явлений в сердце лежит, как известно, проникновение ионов калия (К⁺), натрия (Na⁺), кальция (Са²⁺), хлора (С1-) и др. через мембрану мышечной клетки. Трансмембранный потенциал покоя (ТМПП), имеющий отрицательную величину, в норме составляющую около —90 mV. При возбуждении клетки резко изменяется проницаемость ее стенки по отношению к ионам различных типов. Это приводит к изменению ионных потоков через клеточную мембрану и, следовательно, к изменению величины самого ТМПП. Кривая изменения трансмембранного потенциала во время возбуждения получила название трансмембранного потенциала действия (ТМПД). Различают несколько фаз ТМПД миокардиальной клетки, рисунок 1 [1].

 

АРП и ОРП  — абсолютный и относительный  рефрактерный периоды

Рисунок 1- Трансмембранный потенциал действия (ТМПД)

 

Фаза 0. Во время этой начальной  фазы возбуждения — фазы деполяризации  — резко увеличивается проницаемость мембраны клетки для ионов Na⁺, которые быстро устремляются внутрь клетки (быстрый натриевый ток). При этом, естественно, меняется заряд мембраны: внутренняя поверхность мембраны становится положительной, а наружная — отрицательной. Величина ТМПД изменяется от —90 mV до +20 mV, т.е. происходит реверсия заряда — перезарядка мембраны. Продолжительность этой фазы не превышает 10 мс.

Фаза 1. Как только величина ТМПД достигнет примерно +20 mV, проницаемость мембраны для Na+ уменьшается, а для С1- увеличивается. Это приводит к возникновению небольшого тока отрицательных ионов С1- внутрь клетки, которые частично нейтрализуют избыток положительных ионов Na внутри клетки, что ведет к некоторому падению ТМПД примерно до 0 или ниже. Эта фаза носит название фазы начальной быстрой реполяризации.

Фаза 2. В течение этой фазы величина ТМПД поддерживается примерно на одном уровне, что приводит к  формированию на кривой ТМПД своеобразного плато. Постоянный уровень величины ТМПД поддерживается при этом за счет медленного входящего тока Са²⁺ и Na⁺, направленного внутрь клетки, и тока К⁺ из клетки. Продолжительность этой фазы велика и составляет около 200 мс. В течение фазы 2 мышечная клетка остается в возбужденном состоянии, начало ее характеризуется деполяризацией, окончание — реполяризацией мембраны.

Фаза 3. К началу фазы 3 резко уменьшается проницаемость  клеточной мембраны для Na⁺ и Са²⁺ и значительно возрастает проницаемость ее для К⁺. Поэтому вновь начинает преобладать перемещение ионов К⁺ наружу из клетки, что приводит к восстановлению прежней поляризации клеточной мембраны, имевшей место в состоянии покоя: наружная ее поверхность вновь оказывается заряженной положительно, а внутренняя поверхность — отрицательно. ТМПД достигает величины ТМПП. Эта фаза носит название фазы конечной быстрой реполяризации.

Фаза 4. Во время этой фазы ТМПД, называемой фазой диастолы, происходит восстановление исходной концентрации К⁺, Na⁺, Са²⁺, С1- соответственно внутри и вне клетки благодаря действию «Na⁺—К⁺—насоса». При этом уровень ТМПД мышечных клеток остается на уровне примерно —90 mV.

Клетки проводящей системы  сердца и клетки синусового узла обладают способностью к спонтанному медленному увеличению ТМПП — уменьшению отрицательного заряда внутренней поверхности мембраны во время фазы 4. Этот процесс получил название спонтанной диастолической деполяризации и лежит в основе автоматической активности клеток синоатриального (синусового) узла и проводящей системы сердца, т.е. способности к «самопроизвольному» зарождению в них электрического импульса [2].

Сокращение сердечной  мышцы (миокарда) вызывается электрическим  импульсом, который возникает в  клетках синоатриального узла (автоматический центр первого порядка), называемого водителем сердечного ритма. Далее возбуждение передается по предсердиям и достигает атриовентрикулярного узла, через пучок Гиса (автоматический центр второго порядка) доходит до его конечных разветвлений - волокон Пуркинье (автоматический центр третьего порядка),  - и передается желудочкам. Процесс возбуждения желудочков начинается с деполяризации левой части межжелудочковой перегородки в средней ее трети. Фронт возбуждения при этом движется слева направо и быстро охватывает среднюю и нижнюю части межжелудочковой перегородки. Почти одновременно происходит возбуждение апикальной (верхушечной) области, передней, задней и боковой стенок правого, а затем и левого желудочка. Здесь возбуждение распространяется от эндокарда к эпикарду, и волна деполяризации преимущественно ориентирована сверху вниз и вначале направо, а затем начинает отклоняться влево.

Через 0,04—0,05 с. волна возбуждения уже охватывает большую часть миокарда левого желудочка, а именно его апикальную область, переднюю, заднюю и боковые стенки. Волна деполяризации при этом ориентирована сверху вниз и справа налево. Последними в период 0,06—0,08 с. возбуждаются базальные отделы левого и правого желудочков, а также межжелудочковой перегородки. При этом фронт волны возбуждения направлен вверх и слегка направо. При поражении синусно-предсердного узла функцию водителя ритма могут взять на себя нижележащие отделы проводящей системы сердца – центры автоматизма второго и даже третьего порядка [3].

    Подводя итог  вышесказанному, регистрируя деятельность таких функций сердца как:

1. автоматизм – способность специализированных клеток вырабатывать импульсы, вызывающие возбуждение.
2. возбудимость – способность сердца возбуждаться под влиянием импульсов.
3. проводимость – способность к проведению возбуждения, возникшего в каком-либо участке сердца, к другим отделам сердечной мышцы.

Можно условно отнести состояние сердечной мышцы по уровню функционирования к одной из трех групп: норма, патология, синдром.

Таким образом, первоначальная задача дипломного проектирования ставится следующим образом: регистрация  электрокардиосигнала для последующего анализа и отнесению к перечисленным группам.

 

 

 

 

 

1.2 Методы регистрации электрокардиосигнала

 

 Электрокардиография — метод графической регистрации электрических  явлений, возникающих в сердце при его функционировании [4]. Запись электрокардиограммы (ЭКГ) осуществляется с помощью специального аппарата — электрокардиографа. При этом электрические потенциалы, возникающие в сердце, воспринимаются электродами, усиливаются в несколько сотен раз и приводят в действие гальванометр или его цифровой аналог (компьютерный кардиограф), колебания которого регистрируются в виде кривой на движущейся ленте, отображаются на экране монитора. Независимо от технической конструкции каждый электрокардиограф имеет устройство для регулировки и контроля усиления. Для этого на усилитель подается стандартное калибровочное напряжение, равное 1 mV. Усиление электрокардиографа обычно устанавливается таким образом, чтобы это напряжение вызывало отклонение регистрирующей системы на 10 мм. Такая калибровка усиления позволяет сравнивать между собой ЭКГ, зарегистрированные у пациента в разное время и (или) разными приборами.