Кардиомонитор

Усиленный и преобразованный в цифровую форму ЭКС (если предусматривается цифровая обработка сигнала) поступает в блок обработки, где в соответствии с принятыми алгоритмами аналоговым или цифровым методами производится: обнаружение QRS-комплексов или R-зубцов, классификация QRS-комплексов на нормальные и патологические. Идентифицированные комплексы QRS и значения интервалов RR поступают в блок формирования диагностических заключений. На основании полученных данных по алгоритмам выделения аритмий формируются соответствующие диагнозы.

Диагностические заключения сравниваются в блоке формирования сигналов тревоги с порогами, установленными для сигнализации. Электрокардиосигнал  и диагностические заключения о  характере аритмий индицируются в блоке отображения информации.

В зависимости от технического исполнения КМ могут быть инструментальными и вычислительными.  

Инструментальные  КМ исторически были первыми. Они  характеризуются полностью аппаратными  средствами реализации, использующими  аналоговые методы обработки ЭКС  и отображения информации. В инструментальных КМ могут быть использованы цифровые средства отображения и измерения параметров, основанные на «жесткой» логике, т. е. без возможности изменения программ обработки, свойственной вычислительной технике на основе ЭВМ.  

Упрощенная структурная  схема инструментального КМ приведена  на рис. 2  

В инструментальных КМ применяются аналоговая обработка  ЭКС, основанная на обнаружении R-зубцов методом частотной и амплитудно-временной  селекции. Этот метод обладает высокой  помехоустойчивостью, но вносит в ЭКС значительные искажения, что не позволяет достоверно дифференцировать нормальные и патологические желудочковые комплексы. Поэтому КМ такого типа в основном позволяют вести наблюдение ЭКГ по экрану ЭЛТ, измерять ЧСС и классифицировать фоновые нарушения ритма по установленным порогам для ЧСС. Примером такого КМ может служить ритмокардиометр РКМ-01.

Рассмотренные КМ не позволяют классифицировать аритмии  по типу случайных событий, многие из которых можно обнаружить на основании  автоматического анализа RR-интервалов. Применение цифровых схем на жесткой логике в блоке формирования диагностических заключений (см. рис. 1) позволило создать простой КМ — ритмокардиоанализатор РКА-01, который позволяет обнаруживать экстрасистолы и выпадения QRS-комплексов.

В кардиосигнализаторе  КС-02 экстрасистолы и выпадения.. QRS-комплексов обнаруживаются путем  преобразования интервалов в амплитуду  пилообразного напряжения и сравнения  ее с пороговыми значениями.

Инструментальные  КМ имеют ограниченные функциональные и технические возможности и на настоящем этапе не удовлетворяют, медицинским задачам.

Вычислительные КМ позволяют решать значительный круг медицинских, технических и эксплуатационных задач при помощи, ЭВМ, т. е. программным  способом, что позволяет расширять классы обнаружения аритмий за счет усложнения алгоритмов. Функции вычислительной техники в КЧ сводятся к цифровой обработке ЭКС, анализу данных обработки, отображению результатов анализа и управлению прибором. В качестве ЭВМ используются встроенные аппаратные средства вычислительной техники: однокристальные одноплатные микроЭВМ и микропроцессорные системы.

Наиболее простой  путь реализации вычислительных КМ —  это применение в них одноплатных  функционально законченных микроЭВМ. На рис. 3 приведена структурная схема КМ на основе двух микроЭВМ.

Усиленный ЭКС дискретизируется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и в цифровом виде поступает на вход микроЭВМ1. В этой микроЭВМ осуществляется операция сжатия исходного описания. Оно уменьшает количество отсчетов в 10-15 раз, что снижает требования к быстродействию аппаратных средств и позволяет синтезировать простые структурные алгоритмы обнаружения QRS-комплекса, выделения его характерных точек. Сжатое описание ЭКС поступает в микроЭВМ2. МикроЭВМ2 выполняет все последующие процедуры анализа аритмий: измерение RR-интервалов; изменение параметров QRS-комплексов; классификацию по их форме на нормальные и патологические; обнаружение аритмий и возможных помех. Программы наблюдения вводятся в микроЭВМ2 посредством клавиатуры КМ. Выходы МикроЭВМ2 соединяются с блоком интерфейса, осуществляющего связь с центральным постом (ЦП), и блоком формирования результатов анализа. В удобной для врача форме результаты анализа поступают на устройство отображения данных — электронно-лучевой дисплей телевизионного типа.

При возникновении  нарушений ритма, опасных для  больного, включается сигнализация тревоги.

Применение двух микроЭВМ в вычислительной части  КМ продиктовано жестким режимом  реального времени при достаточной  сложности реализуемых программ л ограниченности объема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), программируемого изготовителем микроЭВМ по заказу пользователя. Более гибким решением является применение вычислителей на основе типовых комплексов интегральных микросхем. Такое выполнение вычислительной части КМ хотя и требует затрат на разработку, но не накладывает каких-либо серьезных ограничений на характеристики КМ и АСОВК. 

Электронные устройства (ЭУ) кардиомониторов в самом общем  случае представляют собой совокупность аппаратных средств, предназначенных для преобразования, обработки и отображения информации. В нашем случае под информацией понимается электрокардиосигнал (ЭКС) и данные его обработки в кардиомониторах на всех этапах, а также управляющие и тестирующие сигналы. Основной состав ЭУ охватывает широкий арсенал аналоговых и цифровых полупроводниковых схем, обеспечивающих выполнение функций:  

усиления ЭКС при  значимых синфазных электрических  помехах;

преобразования ЭКС  в удобную для обработки форму;

анализа ЭКС во временной  или частотной областях в реальном масштабе времени;

накопления и обработки  данных анализа;

оперативного отображения  и документирования ЭКС и результатов  его обработки;

дистанционной передачи ЭКС и результатов обработки  по каналам связи;

сопряжения кардиомониторов  с автоматизированными системами;

автоматизации процесса управления прибором;

самодиагностирования  неисправностей.  

6. Устройства съема  ЭКС в кардиомониторах. 

Все устройства съема  медицинской информации подразделяются на две группы: электроды и датчики (преобразователи).

Электроды используются для съема электрического сигнала, реально существующего в организме, а датчик - устройство съема, реагирующее  своим чувствительным элементом  на воздействие измеряемой величины, а также осуществляющее преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующей обработки. Электроды для съема биопотенциалов сердца принято называть электрокардиографическими (электроды ЭКГ). Они выполняют роль контакта с поверхностью тела и таким образом замыкают электрическую цепь между генератором биопотенциалов и устройством измерения.

При автоматическом анализе ЭКС в КМ предъявляются  жесткие требования к устройствам  съема информации - электродам ЭКГ. От их качества зависит достоверность результатов анализа и, следовательно, степень сложности средств, применяемых для обнаружения сигнала на фоне помех. Низкое качество съема ЭКС практически не может быть скомпенсировано никакими техническими решениями. Как показало применение первых КМ, обычные пластинчатые электроды ЭКГ, широко используемые в электрокардиографии, не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям при длительном непрерывном контроле ЭКС из-за большого уровня помех при съеме.

В общем случае структуру  участка контакта электрода с кожей, представим в виде, изображенном на рис.4 Металлический электрод и электролит образуют электрохимический полуэлемент. Химические реакции, протекающие между металлом и электролитом, влияют на функционирование электродов ЭКГ.

Рис. 4. Структура контакта электрода с кожей

К преобразователям биоэлектрических сигналов, в данном случае к электродам ЭКГ, предъявляются  следующие требования:  

высокая точность воспроизведения  формы сигнала (минимальные потери полезного сигнала на переходе "электрод-кожа" и сохранение частотной характеристики сигнала);  

идентичность электрических  и конструктивных параметров (взаимозаменяемость, возможность компенсации электрических  параметров);  

постоянство во времени  функций преобразования (стабильность электрических параметров;  

низкий уровень  шумов (обеспечение необходимого соотношения "сигнал-шум");  

малое влияние характеристик  электродов на измерительное устройство.  

Исследования электрических  и физических процессов, происходящих в полуэлементе съема, позволили  выделить следующие факторы, влияющие на искажения ЭКС:

кожно-электродный  импеданс;

электродные потенциалы (контактные и поляризованные).

Частотная характеристика ЭКС лежит в области низких частот 0,05÷800 Гц. На низких частотах переходное сопротивление кожа-электрод можно считать активным, а его значение лежит в пределах от нескольких десятков кОм до единиц МОм. Хотя современные усилители на полевых транзисторах имеют входное сопротивление более 10 МОм, потери будут большими, поэтому нужно принимать меры для уменьшения межэлектродного сопротивления.

При увеличении площади  электрода переходное сопротивление  кожа-электрод уменьшается, но при этом увеличиваются помехи от биопотенциалов работающих мышц.

Кроме того, появляется погрешность ЭКС (его формы) от неточности наложения электродов на выбранную точку тела. Для уменьшения сопротивления кожа-электрод места установки электродов должны быть обезжирены смесью спирта и эфира. После этого между электродом и кожей помещают слой специальной проводящей пасты, которая представляет собой электролит, диффундирующий в поры кожи и заполняющий свободные места под электродом при его неполном прилегании к коже. Паста сохраняет хорошую проводимость длительное время. Конструкция электрода должна препятствовать растеканию пасты за площадь электрода. Растекание пасты увеличивает площадь электродов, что приводит к возрастанию помех.

Разброс и нестабильность переходного сопротивления кожа-электрод вызывает разбаланс входных цепей  усилителя ЭКС и появление  помех, источник которых сопротивление - электрическое поле сети, наведенное на объект ее проводкой.

При контакте металла  с электролитом образуется электрохимический  полуэлемент, который вырабатывает разность потенциалов между электродом и тканью тела - потенциал покоя, составляющий обычно 0,3÷1 В.

Так как съем ЭКС  осуществляется двумя электродами, то при идентичных электродах разность потенциалов между ними могла  бы быть скомпенсирована, но практически  достигнуть полной компенсации не удается. Оставшаяся разность потенциалов между ними может достигать 0,1÷0,4 В и изменяет свое значение во времени. Потенциал покоя превышает полезный сигнал в сотни раз. При движениях пациента происходит смещение электродов, двойной электрический слой у поверхности раздела фаз с электронной и ионной проводимостью мгновенно разрушается, создавая скачки электродного потенциала, лежащие в полосе ЭКС. Скачки потенциала являются причиной помех (артефактов), часто вызывающих ошибки в диагностике аритмий кардиомониторами. Другим источником помех являются потенциалы поляризации, возникающие при протекании даже незначительного (10 А) тока через границу раздела двух фаз.

При обычном электрокардиографическом исследовании, которое ведется в  покое и длится несколько минут, а расшифровка ЭКГ производится кардиологом, помех при съеме  ЭКГ можно избежать.

При длительном автоматическом анализе ЭКГ невозможно исключить  двигательную активность больного и КМ из-за помех будет давать большое число ошибок, уменьшить которое можно с помощью специальных электродов.

Задача качественного  съема ЭКС при длительном контроле решается по нескольким направлениям:  

поиск материалов для  электродов с малой разностью потенциалов системы электрод - проводящая паста-электрод;

разработка составов проводящих паст, уменьшающих электродные  потенциалы и сохраняющих свои свойства длительное время;

совершенствование конструкций электродов и методов  их крепления на теле больного.

 

Было предложено много различных типов электродов ЭКГ, различающихся принципом передачи сигнала (металлические, емкостные, резистивно-емкостные, резистивные); уровнем напряжения поляризации (неполяризующиеся, слабо-поляризующиеся); конструкцией (плавающие, гибкие, чашечные, игольчатые) и возможностью повторного использования (одноразовые и многоразовые).