Основные биотехнические принципы биотелеметрической системы персонального мониторинга электрокардиосигнала

Помехи, действующие на вход, имеют как синфазную, так  и противофазную составляющую. Синфазная помеха имеет одинаковый потенциал на входе усилителя, измеренный относительно общей точки, а противофазная различный. И синфазная и противофазная помеха могут иметь один и тот же источник. Так как невозможно добиться абсолютного равенства электродных сопротивлений, то помеха, действующая синфазно на оба электрода, становится противофазной на входе усилителя, что приведёт к получению неверных данных на выходе усилителя.

Таким образом, основной задачей входных каскадов усилителей биопотенциалов является усиление разности потенциалов между двумя точками биологического объекта на фоне синфазной составляющей напряжений биологической и физической природы и преобразование этой разности потенциалов в электрический сигнал.  Вследствие этого, одной из основных характеристик входных каскадов усилителей биопотенциалов  является коэффициент ослабления синфазного сигнала. Для того чтобы добиться высокого значения коэффициента ослабления синфазного сигнала в качестве входных каскадов усилителей биопотенциалов наиболее часто используют дифференциальные усилители (ДУ).

Если на “+” и ”-” входы ДУ подать один и тот же сигнал Uс (синфазный сигнал), то Uвых не изменится и будет равным 0. Для реальных дифференциальных усилителей это условие не выполняется. Неидеальность  реального ДУ описывается коэффициентом усиления синфазного сигнала, который определяется, Кс=∆Uвых∕∆Uс.

Для борьбы с синфазными помехами используется активный подавитель синфазной помехи, который инвертирует  помеху, действующую на вход усилителя, и подаёт её на пациента. Это приводит к уменьшению уровня помех, действующих на усилитель. Также для подавления синфазной помехи используется дифференциальный усилитель, построенный по схеме инструментального усилителя. Так как разность электродных потенциалов в соответствии с ГОСТом 25995-83, может составлять до 300 мВ, а напряжение питания усилителя 3 В, то  дифференциальный коэффициент усиления инструментального усилителя должен быть меньше 10, выберем равным двум. Далее для устранения постоянной составляющей, и усиления ЭКС будем использовать усилитель переменного напряжения с полосой пропускания 0.05-100 Гц по уровню -6 дБ. Коэффициент усиления усилителя переменного напряжения должен быть равен 300, если опорное напряжение АЦП составляет 3 В. При увеличении уровня входного сигнала, чтобы УПН не входил в насыщение, будем использовать на входе УПН схему на основе пикового детектора.

Для устранения влияния  нестабильности сопротивления электродов входное сопротивление УБП должно стремиться к бесконечности. В реальных условиях задаются некоторой конечной величиной погрешности измерения во входной цепи и на её основе высчитывают входное сопротивление УБП. Для обеспечения высокого входного сопротивления можно использовать либо резисторы на входе ДУ либо буферные усилители. Из-за наличия токов утечки у ОУ на сопротивлениях будет создаваться падение напряжения, которое приведёт к перегрузке усилителя. Следовательно, будем использовать буферные усилители, обеспечивающие высокое входное сопротивление.

Для уменьшения влияния  некоторых других видов помех  на входе усилителя используют дополнительные устройства, обеспечивающие нормальную работу блока усиления. Для защиты входа усилителя от действия высоких потенциалов, которые в домашних условиях могут возникнуть при электростатическом разряде, используется схема ограничения уровня сигнала. Так, как сигнал биполярный, то для преобразования его в монополярный введём постоянную составляющую, равную половине напряжения питания. Питание всей системы осуществляется от аккумулятора, следовательно, при проектировании УБП нет необходимости использовать схему гальванической развязки.

Исходя из всего описанного, можно представить структурную  схему УБП следующим образом, рисунок 12.

 

 

 

Рисунок 12- Структурная схема усилителя биопотенциалов

 

При помощи трёх электродов осуществляется биполярное подключение. Схема защиты от ВЧ-помех ограничивает спектр входных сигналов, пропуская лишь тот частотный диапазон со стороны нижних частот, который соответствует нашему сигналу. Схема ограничения входного сигнала защищает вход усилителя от действия потенциалов высокой величины, которые могут вывести усилитель из строя. Буферные усилители совместно с ДУ образуют инструментальный усилитель, который может быть собран как на отдельных операционных усилителях, так и на одной специализированной микросхеме. Инструментальный усилитель осуществляет усиление ЭКС и подавление синфазной помехи. Усилитель переменного напряжения усиливает ЭКС в заданном диапазоне частот.

Для передачи сигнала  с УБП в блок анализатора ЭКС  мы будем использовать устройство передачи ЭКС, которое представляет собой  устройство преобразования и предварительной обработки. Передачу данных с носимого блока в ПК, с точки зрения энергопотребления лучше осуществлять цифровым способом. Поскольку при аналоговом способе передача данных осуществляется постоянно, а при цифровом можно осуществлять передачу данных пакетами, тем самым, уменьшая время работы передатчика и, экономя емкость батареи питания.

 Выбор АЦП, с помощью которого аналоговый ЭКС будет преобразован в двоичный код, следует производить в соответствии с такими техническими параметрами, как частота дискретизации, разрядность, отношение сигнал/шум на выходе АЦП.     

 Частота дискретизации  определяется высокочастотной компонентой  ЭКС, такой компонентой является QRS комплекс и его основная энергия сосредоточена в области частот меньше 50 Гц исходя, из этого считается, что для адекватного представления ЭКС достаточно использовать частоту дискретизации 500 Гц. Однако для непрерывного контроля это бывает часто избыточным, к тому же увеличивает энергопотребление. Потери точности амплитуды QRS комплекса при снижении частоты дискретизации более чем на 5% существуют на частотах 125 Гц. Также необходимо учитывать явление элайзинга, которое заключается в возникновении искажений сигнала за счет наложения спектра при неудачном выборе частоты дискретизации. Дискретизация во времени приводит к появлению периодических копий спектра сигнала. При слишком малой частоте дискретизации эти копии перекрываются, что приводит к искажениям сигнала при его восстановлении. Предельная частота дискретизации fв, при которой перекрытия еще не происходит, равна удвоенной верхней частоте спектра сигнала, 2Fв. Эта частота называется частотой Найквиста. Таким образом, частота дискретизации должна быть равной 200-250 Гц.

 Диапазон регистрации входного сигнала 0.03-5мВ, поскольку сигнал усиливается в 600 раз, следовательно,  нижняя граница сигнала составит 18 мВ. Чтобы регистрируемый сигнал не искажался шумами квантования АЦП, нижняя граница регистрируемого диапазона должна при переводе в цифровой код превышать уровень шумов квантования АЦП, как минимум на один разряд. При выборе 10 разрядного АЦП для описания 18 мВ понадобится 2 младших разряда, согласно источнику [12], соотношение сигнал/шум на выходе квантователя будет равным 12 дБ. Дальнейшее увеличение разрядов АЦП, нецелесообразно из-за увеличения энергопотребления, увеличения объема цифрового кода, увеличения стоимости, увеличения времени преобразования.

Помимо АЦП понадобится  микроконтроллер, который будет выполнять функцию передачи преобразованного сигнала в передатчик. Для решения этих задач возможно использование нескольких схем. Использование отдельного АЦП и МК, МК со встроенным АЦП. В первом случае увеличиваются габариты, энергопотребление, стоимость аппарата, а также возрастает сложность монтажа. Применение для оцифровки ЭКС аналого-цифрового преобразователя, встроенного в МК, позволяет сократить число элементов в схеме, уменьшить габариты печатной платы, повысить надежность, увеличить скорость обмена данными с АЦП (за счет использования внутренних шин процессора), уменьшить потребляемую прибором мощность, сделать его более дешевым и доступным.

Таким образом, сигнал, поступающий  с УБП преобразуется в двоичный код при помощи микроконтроллера со встроенным АЦП, затем МК осуществляется отправка кода в передатчик. Выбор передатчика следует производить по таким параметрам, как величина несущей частоты, скорость передачи данных, радиус действия, энергопотребление. Поскольку система персонального мониторинга ЭКС, разрабатываемая в данном дипломном проекте будет использоваться преимущественно в домашних условиях, для уменьшения энергопотребления выберем радиус действия передающего устройства равным 20 м.

 Выбор несущей частоты  связан с размерами передающей антенны, чем выше частота, тем меньше размер антенны, с другой стороны увеличивая несущую частоту, увеличивается энергопотребление передатчика. Также выбор диапазона частот следует производить исходя их необходимости лицензирования приемопередатчика. В отличие от радиосвязи в традиционных связных диапазонах частот, где требуется получение разрешений в органах Госсвязьнадзора, радиосвязь в ISM диапазонах не лицензируется. Таким нелицензируемым диапазоном частот в России является ISM-1 диапазон 433,92 МГц +-0,2%, и диапазон 2.4 ГГц. Перечислим основные достоинства диапазона 433 МГц: увеличенный, по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц, радиус действия, благодаря меньшему поглощению средой и дифракционному рассеянию, пониженные требования к точности выполнения согласования с антенной и изготовления самой антенны, низкая цена. Исходя из системного параметра: минимизация энергопотребления носимого блока. Выбираем диапазон частот работы приемопередатчика равным 433 МГц.

Выбор скорости передачи данных осуществляют исходя из излучаемой мощности передатчика на заданном расстоянии. Также выбор скорости передачи определяют исходя из оптимума времени работы передатчика и времени накопления регистрируемого сигнала, пропускной способности приемопередатчика. Исходя из этого, при разрядности АЦП 10 бит и частоте квантования 200 Гц скорость передатчика должна быть не менее 2000 бит/сек. Для уменьшения энергопотребления носимого блока передавать сигнал будем не постоянно, а пакетами. С точки зрения быстродействия МК должен обеспечить выполнение всех вычислительных операций до появления результатов о следующем отсчёте.

Сигнал, прошедший через  канал связи, поступает на приёмное устройство, которое должно детектировать сигнал и сформировать последовательный двоичный код. Далее двоичная последовательность с помощью устройства коммутации, которое можно реализовать с помощью МК, поступает по шине USB в ПК.

 При поступлении  ЭКС на компьютер после предварительной  обработки принимается решение  о дальнейшем анализе полученного  сигнала по уровню зашумленности. Если уровень помех допускает дальнейший анализ, производится дальнейший анализ регистрируемого сигнала, в случае выявления нарушения сердечного ритма или нарушения ишемических эпизодов, происходит звуковая сигнализация, подозрительный участок по протоколу ТСР/IР передается лечащему врачу для дальнейшей консультации. В случае, когда уровень помех не допускает дальнейший анализ ЭКС, анализ не производится и выдается сообщение о неправильном креплении электродов. Питание приёмного устройства осуществляется от USB-порта, компьютера к которому будет присоединено, с помощью схемы коммутации.

Важно наличие индикатора разряда батареи в носимом  блоке для своевременного замены элемента питания.

Питание блоков регистрации, обработки и передачи осуществляется от аккумулятора. Необходимо выбрать источник питания из стандартного ряда, по возможности максимальной ёмкости. 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. КПД источника питания определяется его типом и напряжением. Таким образом, для питания схемы будем использовать повышающий преобразователь напряжения с высоким КПД, и с выходным током не менее требуемого для питания блоков носимой части регистратора ЭКС. Питание носимого блока должно быть стабилизировано, так как при отклонении напряжения питания отклоняются рабочие характеристики элементов регистрации и передачи данных.

Общая схема системы  дистанционного контроля ЭКС представлена на структурной схеме СГАУ.944832.001 Э1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Принципиальная схема биотелеметрической системы персонального мониторинга электрокардиосигнала.

 

2.2.1 Расчет аналоговой части.

 

Как уже указывалось  выше, УБП должен не только регистрировать ЭКС, но  и подавлять помехи,  поступающие на его вход. Для подавления синфазной помехи будем использовать ИУ. Инструментальный усилитель может быть сконструирован на операционных усилителях и дискретных элементах, применение специализированных инструментальных усилителей способствует снижению затрат, уменьшению размеров устройства и экономии времени разработчика. В данном дипломном проекте будем использовать специализированный ИУ. Рассмотрим основные характеристики ИУ. Коэффициент ослабления синфазного сигнала определяет способность ИУ ослаблять синфазную помеху, действующую на его входе.

K_OCC =   _,           (1)

где K_Д и K_C - коэффициенты усиления дифференциального и синфазного сигналов. Часто используется логарифмическая форма для значения K_OCC

K_OCC = 20lg( )   (2)

Таким образом, K_OCC показывает способность усилителя различать малый дифференциальный (разностный, противофазный) сигнал на фоне большого синфазного.

На  пороговую  чувствительность ИУ влияет   уровень   внутренних   шумов, приведенных ко входу усилителя. Значение уровня внутренних шумов усилителя должно быть меньше значения регистрируемого сигнала (30 мкВ). Также в инструментальном усилителе должна быть предусмотрена схема защиты от высокого напряжения.

Исходя из перечисленных  выше характеристик, выберем инструментальный усилитель INA 118 PB производства Texas Instruments. Напряжение внутренних шумов составляет 0,28 мкВ. Ток потребления 350 мкА. Этот усилитель на входе имеет защиту от высокого напряжения.

Зададим монополярное напряжение питания ИУ DA1 равное 3 В.

Регистрируемый сигнал, снимаемый с электродов XS1, XS2, поступает на вход ИУ. Вместе с ЭКС на вход ИУ поступает напряжение смещения, вызванной сопротивлением перехода электрод-кожа, также называемой напряжением поляризации, которое по ГОСТу 25995-83, может составлять до 300 мВ, следовательно, дифференциальный коэффициент усиления должен быть меньше 10. Согласно формуле (3) коэффициент дифференциального усиления задается внешним резистором Rу, который подключается между первым и восьмым выводом микросхемы.