Кардиомонитор

Исследования различных  материалов для электродов показали, что наименьшей поляризацией обладают хлорсеребряные электроды, состоящие из серебра и хлорида серебра. Такое соединение получают электролитическим путем, а в качестве электролита в проводящей пасте используются ионы хлорида. Хлорсеребряные электроды получили наибольшее распространение; их выпускают одноразового и многоразового применения (рис. 5).

Рис. 5 Электрод ЭКТ для кардиомониторов

Одноразовые электроды  предпочтительнее, так как они  всегда готовы к применению и имеют  большую клеящую поверхность, исключающую  смещение электрода. Разность потенциалов  двух электродов системы "электрод - паста - электрод" не превышает 3-5 мВ, межэлектродное сопротивление - 500 Ом, скорость изменения разности потенциалов - 2 мкВ/с. Время готовности 1-2 мин.

Напряжение шума электродов не более 30 мкВ. Чтобы предотвратить  повреждения кожных покровов, желательно каждые сутки переклеивать электроды на соседние участки тела.

Устройства отображения  медицинской информации в кардиомониторах  должны отражать состояние сердечной  деятельности по ЭКС, а также вспомогательные  сведения о больном и технические данные о работе кардиомонитора. Таким образом, отображенные данные включают:

априорные данные о  больном (фамилия, имя и отчество, номер истории болезни, возраст, пол, дата поступления, анамнез, предварительный  диагноз);

электрокардиосигнал (должен сопровождаться индикацией скорости движения изображения и калибровочным импульсом);

значения параметров ритма сердца (частота сердечных  сокращений, частота экстрасистол, параметры распределения RR-интервалов);

результаты автоматического  анализа аритмий (должны отображаться словами диапазона в той или иной формулировке, принятой для конкретного типа кардиомониторов);

сигнализацию тревоги  при появлении опасных аритмий (обычно индуцируется цветом светового  табло с дифференциацией степени  опасности);

текущее время, время появления событий и время начала проводимой терапии и других мероприятий;

сигнализацию обнаружения QRS-комплекса;

состояние прохождения  сигналов управления и контроля работоспособности  прибора;

сведения о нарушении  работы кардиомонитора и локализации неисправности.

Отображаемая информация может носить временный — оперативный  — характер, когда предыдущая информация стирается при появлении новой, и характер накопления данных за определенные интервалы времени. В последнем  случае устройство отображения должно содержать или использовать внешнее устройство памяти для хранения данных.

 

7. Усилители электрокардиосигнала 

Источником сигнала  для усилителя ЭКС является биологический  объект - человек, который может быть представлен эквивалентным электрическим генератором. Свойства любого электрического генератора определяются характером изменения ЭДС во времени и внутренним сопротивлением.

Электрокардиосигнал является частью ЭДС сердца, измеряемой на поверхности тела при помощи электродов, расположенных определенным образом. Закон изменения ЭКС во времени - квазипериодический с периодом кардиокомплексов (RR-интервалов) TRR 0,l-3 с. Форма эквивалентного сигнала кардиокомплекса близка к треугольной с амплитудой, лежащей в диапазоне 0-5 мВ. Полоса, занимаемая сигналом кардиокомплекса частот, лежит в диапазоне: 0,5-800 Гц.

Межэлектродное сопротивление, включающее сопротивления переходов  кожа-электрод, соответствует внутреннему  сопротивлению самого источника  сигнала и изменяется в значительных пределах. Для технических расчетов обычно принимают диапазон 5-100 кОм.

Кроме перечисленных  параметров, при проектировании усилителей необходимо учитывать ряд особенностей источника сигнала:

нестабильность внутреннего  сопротивления за счет изменения  сопротивления перехода кожа-электрод. При этом учитывают большие значения межэлектронных сопротивлений и их разбаланс в системе отведений ЭКС;

образование на переходах  кожа-электрод напряжений поляризации, создающих на входах усилителя напряжение смещения, достигающее 300 мВ, что может вызвать его насыщение;

медленный дрейф  напряжения поляризации и резкие его изменения при смещениях  электродов из-за движений больного, создающие  трудно устранимые электрические помехи;

наличие напряжений помех, попадающих на входные зажимы усилителя синфазно и противофазно. Помехи биологического и физического происхождения. Биологические помехи - биопотенциалы других органов и мышц, а физические - наведенные на объект напряжения от неэкранированных участков сетевой проводки, сетевых шнуров других приборов и проводящих поверхностей (вторичное напряжение наводки). Самый большой уровень имеют синфазные сигналы помех напряжения сети, попадающие на объект через емкостную связь;

наличие импульсных помех при воздействии на объект терапевтических аппаратов: кардиостимуляторов и дефибрилляторов. Попадая на вход усилителя, артефакты импульсов кардиостимулятора искажают ЭКС и вызывают в ряде случаев ложное обнаружение кардиокомплекса, а импульсы дефибриллятора могут повредить входные цепи усилителя.

Достоверность автоматического  анализа ЭКС во многом зависит  от параметров усилителя - первого звена  в цепи предварительной обработки  сигнала в КМ. Принимая во внимание характеристики источника возбуждения, особенности подключения усилителя  к объекту и условия его сопряжения с электронными устройствами обработки, отображения и документирования ЭКС, рассмотрим требования к его основным параметрам.

Входное напряжение Uвх должно лежать в диапазоне 0,03-5 мВ. Нижнее значение Uвх определяет пороговую  чувствительность усилителя, ниже которой наблюдение ЭКС на экране КМ затруднено.

На пороговую чувствительность влияет уровень внутренних шумов, приведенных  к входу усилителя (Uш ≤ 10-30 мкВ).

Наиболее информативная  часть ЭКС занимает полосу частот ∆f= 0,05 + 120Гц, но в практической ЭКГ-диагностике применяют усилители с ∆f= 0,05 ÷ 60 Гц. Чрезмерное сужение частотного диапазона со стороны нижних частот fн приводит к искажению сегмента ST и зубца Т, но уменьшает смещение изолинии, а со стороны высоких fв - к сглаживанию зазубрин на QRS-комплексе и уменьшению крутизны его склонов. Но увеличение fв приводит к увеличению помех от биопотенциалов мышц.

В КМ в зависимости  от назначения тракта усиления ЭКС  нормируются три значения ∆f:

∆f- для линейного  выхода усилителя, предназначенного для подключения регистратора ЭКС;

∆f3 - для изображения  ЭКГ на экране ЭЛТ КМ;

∆fм - для мониторинга  при большом уровне помех.

Также нормируется  полоса пропускания и неравномерность  амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) δf

Крутизна спада АЧХ вне полосы пропускания K f характеризуется следующими цифрами: ∆f = 0,05÷120 Гц при δf = ±10%; ∆f = 0,1 ÷50 Гц при δf = ±30%; Kf < 6 дБ/октаву.

Помехоустойчивость  КМ по отношению к синфазным сигналам определяется коэффициентом ослабления синфазных сигналов, при этом чаще используется логарифмическая форма для значения Kос.сф. = 20 lq (Kд/ Kс)

где Kд и Kс- коэффициенты усиления дифференциального и синфазного сигналов.

Таким образом, и ZВх2 показывает способность усилителя  различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного; Kос.сф.находится в диапазоне 70÷80 дБ. Для дальнейшего увеличения Kос.сф. требуется применение специальных методов, что усложняет конструкцию усилителя.

Полное входное  сопротивление ZВх2 должно быть не менее 2,6÷10МОм. Тогда можно пренебречь потерями в передаче ЭКС и допустить разбаланс сопротивлений кожа - электрод до 5÷10 кОм. Напряжение смещения на входных зажимах усилителя не должно уменьшать значения ZВх2 и Kос.сф.. Чтобы не увеличивать напряжение смещения, нужно ограничивать постоянный ток в цепи пациента, определяемый по входному току покоя, значением 0,1 мкА.

Особо следует отметить требование к обеспечению электробезопасности  пациента, так как через электроды  может протекать ток утечки от сети. Допустимый ток утечки для КМ, выполненных по классу II, не должен превышать 10 мкА.

Усилитель строится по симметричной схеме с гальванической связью между входом и выходом (рис. 6,а) или по схеме с гальваническим разделением входа и выхода (рис. 6,6).

В усилителях с гальванической связью сигнал передается с выхода на вход электрическим путем. При гальваническом разделении - между входом и выходом устанавливается трансформатор или оптоэлектронная развязка. Усилители с гальваническим разделением цепей входа и выхода принято называть развязывающими усилителями (РУ).

Рис. 6. Эквивалентная схема подключений усилителя к объекту: a- гальваническая связь между входом и выходом; б - гальваническое разделение входа и выхода 

Эквивалентная схема  объекта состоит из генератора полезного  сигнала E=E1 + E2, генератора синфазного сигнала (внешних и внутренних помех) E3 и полных внутренних сопротивлений Z1, Z2, Z3.

Для ослабления синфазных  сигналов во входных каскадах усилителя  применяют дифференциальный усилитель (ДУ). Подключение ДУ к объекту  производят с помощью активных электродов Э1и Э2 и одного пассивного Э3, соединенного с общим проводом ДУ- "землей" (корпусом КМ) или с плавающей землей ↓

На входе ДУ образуется мостовая схема из Z1, Z2, ZВХ1, ZВХ2

Добиться полного  баланса моста практически невозможно, так как Z1 и Z2 зависят от сопротивлений переходов кожа-электрод, a ZВХ1 и ZВХ2отличаются друг от друга на 0÷10% из-за возможностей реализации. В результате разбаланса моста токи I1 и I2, вызванные E3 текут через ZВХ1 и ZВХ2, образуя противофазное напряжение помех. Противофазный сигнал помехи усиливается ДУ совместно с ЭДС, поэтому он должен быть ослаблен до значения пороговой чувствительности усилителя.

В РУ реально создать  достаточно большое полное сопротивление  между входными и выходными зажимами.

Уменьшение влияния  противофазных помех физического происхождения достигается методами экранирования, компенсации и др. Влияние противофазных помех биологического происхождения можно уменьшить фильтрацией, уменьшением площади электродов и их оптимальным расположением.  

8. Предусилители электрокардиосигнала 

Основные параметры  усилителя в значительной степени  определяются свойствами входных каскадов - предусилителей. К ним предъявляются  жесткие требования: высокое входное  сопротивление, большой коэффициент  ослабления синфазных сигналов, малый уровень шумов, высокая стабильность коэффициента усиления, большой динамический диапазон. Предусилители строятся на операционных усилителях ОУ или в комбинации ОУ с входными дифференциальными каскадами на полевых транзисторах.

Специально для  работы в качестве усилителя биопотенциалов был разработан гибридный ОУ типа К284УД1А с дифференциальным входным каскадом на подобранной паре полевых транзисторов.

Особенностью ОУ является наличие выводов истоков  полевых транзисторов и генератора стабильного тока I о , с помощью которого задаются все усилительные параметры ОУ (рис. 7). Выводы истоков могут быть использованы для подключения цепи отрицательной ОС, что позволит добиться лучшего симметрирования ДУ и повысить электробезопасность.

При динамическом диапазоне ±400 мВ коэффициент усиления предусилителя не должен быть более 10. Максимальное соотношение сигнал-шум в данной микросхеме достигается при низкоомных сопротивлениях в цепи ОС, а это ведет к снижению Kос.сф.усилителя.

Рис. 7. Предусилитель на гибридной микросхеме К284 УД1 А: VT1, VT2 – подобранная пара полевых транзисторов; УН – усилитель напряжения; УА - усилитель амплитуды и сдвига уровня; ЭП - эмиттерный повторитель 

С улучшением технологии изготовления ОУ стало возможным; создание микросхем на биполярных и полевых транзисторах. Последние используются во входных дифференциальных каскадах ОУ (например, К544УД1). На основе их выполняют высокоэффективные предусилители (рис. 8).

Дифференциальный  усилитель образован парой ОУ1 и ОУ2 в неинвертирующем включении, связанных между собой резисторов 2R1. Сигналы с выходов ОУ1 и ОУ2 подаются на ОУЗ, где они вычитаются. На выходе ОУЗ имеется только разностный сигнал.

Коэффициент усиления предусилителя:

Рис. 8. Предусилитель с дифференциальным входом 

Усиление регулируется резистором R1, а симметрирование (получение максимального значения K ос.сф.осуществляется резистором R 4

Необходимость в  выделении сигналов малого уровня на фоне синфазных помех в условиях возможного попадания опасных токов  на объект привела к широкому применению развязывающих усилителей (РУ) биопотенциалов.

Развязка может  быть выполнена на выходе, но ее предпочтительно  осуществлять в предусилителе, так  как в этом случае изоляцию выполнить  конструктивно проще и уменьшается  потребляемая мощность изолированного источника питания.

По своим характеристикам  развязывающие усилители близки к ОУ, но обладают дополнительными, присущими только им свойствами:

защитой от высоких  разностей потенциалов между  входной и выходной цепями (высокое  напряжение развязки) и между входами;