МОЖЛИВЕ СХЕМНЕ РІШЕННЯ
ПІДСИЛЮВАЧІ ЕЛЕКТРОКАРДІОСИГНАЛУ
ОСОБЛИВОСТІ ДЖЕРЕЛА ПОРУШЕННЯ
Джерелом порушення підсилювача електрокардіосигналу (Усекс) є біологічний об'єкт — людин, що може бути представлений еквівалентним рівнянням електричним генератором. А як відомо, властивості будь-якого електричного генератора визначаються характером зміни ЕДС у часі і внутрішньому опорі.
Електрокардіосигнал є частиною ЕДС серця, вимірюваної на поверхні тіла за допомогою електродів, розташованих певним чином. Закон зміни ЕКС у часі може вважатися квазіпериодичним з періодом кардіокомплексів 0,1—3 с. Мінімальне значення відповідає фібрилляції шлуночків, а максимальне — блокадам серця. Форма еквівалентного кардіокомплексу близька до трикутного з амплітудою, що лежить у діапазоні 0—5 мв. Смуга прийнятих кардіокомплексом частот охоплює діапазон від 0,05 до 800 Гц.
Міжелектродний опір, що включає опори переходів шкіра-електрод, відповідає внутрішньому опору джерела порушення Усекс і змінюється в значних межах. Для технічних розрахунків звичайно приймають діапазон 5—100 кому.
Крім перерахованих параметрів при проектуванні ЕКС необхідно враховувати ряд істотних особливостей джерела порушення.
1. Нестабільність внутрішнього опору за рахунок змін опорів переходів шкіра-електрод. При цьому потрібно вважатися з великими значеннями міжелектродного опору і їхнім розбалансом у системі відведень ЕКС.
2. Утворення на переходах шкіра-електрод напруг поляризації, що створюють на вхідних контактах Усекс напруга зсуву, що досягає (300 мв. Така напруга може викликати насичення підсилювача.
3. Повільний дрейф напруги поляризації і різких його змін при зсуві електродів через рухи хворого. Стрибки напруги поляризації створюють важко переборні перешкоди.
4. Наявність напруг перешкод, що попадають на вхідні затиски Усекс синфазно і противофазно. Перешкоди можуть бути біологічного і фізичного походження. До біологічних перешкод відносяться біопотенціали інших органів і м'язів, а до фізичних — наведені на об'єкт напруги від неекранованих ділянок мережної проводки, мережних шнурів інших приладів і провідних поверхонь (вторинна напруга наведення). Особливо великий рівень мають синфазні сигнали перешкод напруги мережі, що попадають на об'єкт через ємнісний зв'язок.
Наявність імпульсних перешкод при впливі на об'єкт терапевтичних апаратів: кардіостимулятора і дефібриллятора. Потрапляючи на вхід Усекс, артефакти імпульсів кардіостимулятора спотворюють ЕКС і викликають у ряді випадків помилкове виявлення кардіокомплексу, а імпульси дефібриллятора можуть зашкодити вхідні ланцюги Усекс.
ВИМОГИ ДО ПАРАМЕТРІВ
Вірогідність передачі ЕКС багато в чому визначається параметрами УсЕКС — першої ланки в ланцюзі обробки сигналу. Приймаючи в увагу характеристики джерела порушення, особливості підключення УсЕКС до об'єкта й умови сполучення підсилювача з пристроєм обробки сигналу, розглянемо вимоги до основних параметрів УсЕКС і їхній вплив на перекручування ЕКС.
Вхідна напруга Uвх повинна лежати в діапазоні не менш чим 0,03—5 мв. Нижнє значення Uвх визначає граничну чутливість підсилювача, нижче якої реєстрація ЕКС утруднена.
На граничну чутливість впливає рівень внутрішніх шумів, приведених до входу підсилювача. Звичайні досяжні значення Uш£10—30 мкв.
Оптимальний вибір смуги пропущення (Df) має важливе значення. Найбільш інформативна частина ЕКС займає смугу частот Df=0,05—120 Гц, але в практичній Екс-діагностиці використовують підсилювачі з Df=0,05—60 Гц. Надмірне звуження частотного діапазону з боку нижніх частот fн приводить до перекручування сегмента ST і зубця T, але зменшує зсув ізолінії, а з боку високих fв — до згладжування зазублин на QRS — комплексі і зменшенню крутості його схилів. З іншого боку, збільшення fв приводить до збільшення перешкод від біопотенціалів м'язів. Якщо при fв=100 Гц погрішність передачі QRS-комплексу складає близько 3%, то при fв=30 Гц погрішність зростає до 15% і можуть згладжуватися розходження між нормальним і патологічним комплексами.
У кардіомоніторах (КМ) у залежності від призначення тракту посилення ЕКС нормуються три значення Df:
· Df — для лінійного виходу УсЕКС, призначеного для підключення реєстратора ЕКС;
· Dfе — для зображення ЕКГ на екрані КМ;
· Dfм — для моніторирування при великому рівні перешкод.
Типові значення параметрів АЧХ: Df=0,05—120 Гц при df=±30% (Dfе<Df звичайно через технічні обмеження); Dfм=0,5—25 Гц при df=±30%; Кf£6 дБ/октаву.
Поміхостійкість КМ стосовно синфазних сигналів визначається коефіцієнтом ослаблення синфазних сигналів КОСС=КД/КС, де КД і КС — коефіцієнти підсилення диференціального і синфазного сигналів.
Таким чином, КОСС показує здатність підсилювача розрізняти малий диференціальний (різницевий, протифазний) сигнал на тлі великого синфазних. Легко досяжне значення КОСС лежить у діапазоні 70—80 дБ. Подальше збільшення КОСС до 90—120 дБ вимагає спеціальних методів і ускладнює конструкцію УсЕКС.
Повний вхідний опір Zвх повинне бути не менш 2,5—10 МОм. При таких значеннях Zвх можна зневажити втратами в передачі напруги ЕКС і допустити розбаланс опорів шкіра-електрод до 5—10 кому. Напруга зсуву на вхідних затисках УсЕКС не повинне зменшувати значення Zвх і КОСС. Щоб не збільшувати напруга зсуву, необхідно обмежити постійний струм у ланцюзі пацієнта, обумовлений по вхідному струмі спокою, значенням 0,1 мка.
ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ЕКС ДЛЯ ЦИФРОВИХ ПРИСТРОЇВ.
Одна з можливих структур оцифровки і передачі ЕКС приведена на мал.1.
Підсилювач
R fкв
L Регулятор АЦП
N
УУіП ТС
ЦАП
Рис. 1.
Аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) переводить отриманий і посилений ЕКС у дискретну форму для введення в пристрій керування і передачі (Ууип). Дискретизований сигнал після обробки його Ууіп, на виході якого може стояти звичайна модемна схема, передається через телефонну мережу (ТС) на спеціальний пристрій прийому сигналу, або на ЕОМ лікаря-діагноста.
Також оброблений Ууіп сигнал подається на цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) для автоматичного керування параметрами сигналу (амплітуди, зсуву ізолінії, центрування в динамічному діапазоні АЦП і т.д.).
Задача перетворення даних характеризується поруч вимог, висунутих умовами застосування схем АЦП і ЦАП:
· вибором виду двоїчної системи кодування;
· вибором частоти квантування (fкв) аналогового сигналу;
· визначенням необхідного числа рівнів квантування;
· припустимими помилками перетворення;
· вибором відповідного виду АЦП і ЦАП;
· фільтрацією сигналу на вході АЦП і виході ЦАП;
· оптимізацією схемних рішень.
Специфічна форма ЕКС вимагає великого числа рівнів квантування. Найбільше часто використовується 256, 512 чи 1024 рівня, що відповідають у звичайному двоїчному коді 8, 9 чи 10 розрядам. Частота квантування визначає рівновіддалені відрізки часу, у яких безупинний сигнал представляється у виді деяких значень, зафіксованих у ці моменти часу
АНАЛОГО-ЦИФРОВІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ.
Пристрій керування і передачі може взаємодіяти з аналоговим сигналом через АЦП, задача якого складається в перетворенні вхідної напруги в пропорційне йому число. Методи аналого-цифрового перетворення більш різноманітні, чим цифро-аналогового. Порозумівається це тим, що АЦП можна здійснити, використовуючи цілий ряд систем (рівнобіжний, із двотактним інтегруванням, послідовного наближення і т.д.).
Розглянемо принцип дії тільки перетворювача послідовного наближення, найбільше часто використовуваний у медичних приладах, що порозумівається простотою пристрою, а також високою швидкістю і постійним часом перетворення, що не залежить від амплітуди аналогового сигналу.
Аналоговий вхідний сигнал, апроксимується двоичним кодом з наступною перевіркою кожного біта в цьому коді доти, поки не буде досягнуте найкраще наближення. Значення аналогового сигналу в двоичном коді зберігається в регістрі послідовного наближення (РгПП). Поразрядно РгПП з'єднаний із вхідним буферним пристроєм, що забезпечує цифровий вихід АЦП із необхідним рівнем вихідного сигналу. Уся робота АЦП тактується тактовим генератором. Після N тактів порівняння Iвх і IЦАП на вході ЦАП виходить N-розрядний двоичний код, що є еквівалентом аналогового сигналу. Перетворення відбувається за N тактів, тому швидкість формування N-розрядного слова завжди однакова. Установка РгПП у вихідний стан і запуск його в режим перетворення виробляється по зовнішньому логічному сигналі. По закінченні перетворення АЦП виробляє сигнал “Готовність даних”.
ЦИФРОВА ФІЛЬТРАЦІЯ ЕЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА
Попередня цифрова фільтрація ЕКС передує алгоритмам, що здійснюють аналіз сигналу і служить для виконання перетворень сигналу, що поліпшують умови роботи і підвищувальних ефективність цих алгоритмів. У найбільш загальному виді можна виділити три етапи фільтрації, що вирішують окремі задачі предобработки ЕКС: фільтрація нижніх частот, верхніх частот і мережного наведення.
Передбачається, що на вхід алгоритму надходить суміш корисного сигналу з аддитивной перешкодою. Основна частка потужності ЕКС, що знімається з використанням стандартної Екг-аппаратури, зосереджена в смузі частот, що не перевищують 50 Гц. Про спектр перешкод, узагалі говорячи, не можна висловити ніяких визначених припущень, за винятком того, що він обмежений характеристиками аналогового тракту знімання і посилення ЕКС, що має звичайно смугу пропущення від 0,1 до 100 Гц.