Прибор для регистрации ЭКГ
Индуктивный измеритель перемещения схема которого приведена на рисунке, может быть использован в качестве высокоточного датчика механических перемещений. Он состоит из автогенератора колебаний, индуктивного преобразователя и низковольтного стабилизатора постоянного напряжения.
Методы регистрации электрической активности органов человека были предложены еще в начале двадцатого века, однако широкое распространение они получили лишь недавно, в связи с интенсивным развитием техники и микроэлектроники. Несмотря на это, промышленные биомедицинские приборы все еще имеют достаточно высокую стоимость, что делает их у нас практически недоступными для личного использования. В то же время, сейчас, на современной элементной базе, прибор для регистрации электрической активности сердца, возможно повторить даже радиолюбителю средней квалификации. А использование для анализа кардиосигнала, персонального компьютера (ПК) позволяет обойтись без практически недоступного для самостоятельного изготовления, термомеханического самопишущего устройства, обычно применяемого в промышленных кардиографах. Кроме того это в значительной мере расширяет диагностическую ценность метода т. к. при использовании соответствующего программного обеспечения, появляется возможность математической обработки кардиосигнала и его анализа. В [1] описан вариант подобного устройства, однако он построен на базе промышленного прибора, в частности используется его ручной коммутатор отведений, что в значительной мере затрудняет самостоятельное повторение устройства. Кроме того там не уделено достаточно внимания требованиям по электробезопасности, в частности не стоит даже обычного сетевого предохранителя, не говоря уже о гальваническом разделении устройства с ПК. Учитывая, что большинство компьютеров у нас эксплуатируются с питанием от сети, это создает большую вероятность поражения электрическим током.
В предлагаемой статье описывается прибор имеющий собственный коммутатор ЭКГ отведений. К нему может быть подключено до пяти электродов (трех для отведений от конечностей, одного для грудных отведений и одного заземляющего). Прибор позволяет поочередно регистрировать шесть общепринятых электрокардиографических отведений от конечностей, а также грудные отведения. Переключение между ЭКГ отведениями может производиться либо вручную, при нажатии на кнопку SB1, либо автоматически с интервалом несколько секунд, при замыкании переключателя SA1. Уменьшить число перебираемых отведений, можно установив переключатель SA2, в нижнее по схеме положение. В этом случае возможна регистрация только трех основных ЭКГ отведений от конечностей.
Для оцифровки электрокардиограммы и передачи ее на ПК, прибор дополнен схемой двенадцатиразрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) который подключается к порту персонального компьютера через схему гальванической развязки. Кроме того прибор содержит узел выделения пикового сигнала (R – импульса), к выходу которого может подключаться измеритель пульса.
Принципиальная схема устройства показана на рисунке. Биопотенциалы сердца снимаемые посредством электродов, поступают на вход коммутатора, который обеспечивает прохождение кардиосигнала на входы 2 и 3 ОУ DA2, в соответствии с номером выбранного ЭКГ отведения. Коммутатор выполнен на герконовых реле К1-К9, сигналы управляющие их работой формируются микросхемой ПЗУ DD6, в соответствии с кодом, поступающим с вы-водов 11-14 счетчика DD4.2. Управление коммутатором осуществляется посредством транзисторных ключей VT1-VT8. Микросхема DD5, служит для согласования КМОП уровней счетчика DD4, с ТТЛ уровнями микросхемы ПЗУ DD6 и дешифратора DD7. Последний преобразует выходной код счетчика DD4.2 в сигналы управления светодиодными индикаторами HL1-HL8, служащими для отображения номера выбранного ЭКГ отведения. Микросхема ОУ DA1, служит для создания «плавающей земли» электрода заземления, это позволяет значительно уменьшить дрейф нулевой (изолинии), при недостаточно хорошем контакте электродов с кожей. Подача импульсов контрольного милливольта, на усилитель обеспечивается во время индикации нулевого номера кардиографического отведения. Импульсы снимаются с генератора на логических элементах DD3.1-DD3.4 и через резистивный делитель R12, R13 поступают на соответствующие контакты реле. При выходном коде счетчика DD4.2 соответствующему восьмому отведению, входы усилителя DA1 заземляются. В таблице приведена прошивка ПЗУ К155РЕ3 соответствующая описанной логике работы.
Технические характеристики входного усилителя следующие: IВХ = 8 pА; UШ = 1 мкВ; RВХ = 10 ГОм; КУС = 103; КОС.СФ. =110Дб.
Основное усиление кардиосигнала, а также дополнительное подавление сетевых помех осуществляется узлом на ОУ DA3.1. Далее через резистор R10 кардиосигнал поступает на вход АЦП DD2, который через схему оптической развязки на оптронах U1-U3, подключается непосредственно к последовательному порту ПК. Микросхема DD1, служит для повышения крутизны фронтов импульсов снимаемых с оптронов U1, U2. Диоды VD1, VD2, защищают вход АЦП от случайного превышения входного напряжения выше предельно допустимого. Простейшую программу для построения кардиокривой на экране монитора можно скачать на сайте. Примененный в схеме АЦП рассчитан на работу только с положительным входным напряжением (0-5 вольт), поэтому для нормальной его работы с двуполярным сигналом необходимо дополнительное смещение нулевой линии от 0 до 2,5 вольт, которое также осуществляется узлом на ОУ DA3.1.
На ОУ DA3.2-DA3.4 выполнен детектор пикового сигнала, служащий для выделения максимумов в импульсах кардиосигнала (R импульсов) , к его выходу может подключаться измеритель частоты сердечных сокращений, либо обычный светодиод для индикации пульса.
Следует обратить внимание что при подключении прибора к ПК, ни в коем случае нельзя соединять общий провод прибора с земляным – компьютра (последний на схеме изображен тремя линиями).
Конструктивно усилитель биопотенциалов и коммутатор выполнены на двух печатных платах. Для усилителя использован односторонний фольгинированный стеклотекстолит толщиной 2 мм, а для коммутатора двусторонний, размеры плат 60х50 и 130х50 мм соответственно. Источник питания выполнен отдельным блоком. Чтобы уменьшить входные токи утечки, разводка проводников на выводы контактов реле выполнена навесным монтажом. Отверстия под них рассверлены так, чтобы обеспечивался некоторый зазор между платой. Для уменьшения внешних наводок, длинна проводников соединяющих вход усилителя с коммутатором, должна быть минимальной. Необходимо также обеспечить надежное экранирование входного блока. Электроды соединяются с входом прибора с помощью экранированного провода длинной около двух метров. Во избежание поражения электрическим током в приборе необходимо предусмотреть надежную защиту, исключающую попадание напряжения на входные электроды. При изготовлении трансформатора особое внимание следует уделить качеству изоляции, можно рекомендовать использовать готовые трансформаторы повышенной электробезопастности серии ТП, описание которых есть в [2]. Категорически запрещается подключение прибора к устройствам с сетевым питанием, без надежного гальванического разделения.
Электроды для отведений от конечностей могут быть выполнены в виде металлических пластин размерами 50х35 мм. Для грудных отведений используются электроды круглой формы диаметром до 30 мм.
Наладка прибора заключается в установке резистором R13 напряжения на выходе резистивного делителя R12, R13 равного 1 милливольт. Перед началом регистрации ЭКГ, прибор калибруют подачей контрольного милливольта. Для этого установив нулевой номер отведения резистором R30 добиваются нужного усиления сигнала, а резистором R28 - напряжения 2,5 вольта на выходе ОУ DA3.2, при заземленных выводах входного усилителя (восьмой номер отведения)
При использовании самопишущих регистраторов стандартным считается отклонение пера на 10 мм на 1 мв входного напряжения, скорость движения ленты обычно выбирают 50 мм в секунду. Более точную калибровку прибора, можно произвести подачей сигнала контрольного милливольта, с выхода прецезионного генератора.
Регистрация кардиограммы должна производиться в помещении удаленном от источников электрических помех. Расстояние между электродами и проводами электросети должно составлять не менее 1.5-2 м. Запись ЭКГ желательно производить в положении лежа на спине, это позволяет добиться максимального расслабления мышц и улучшить условия регистрации.
Пластинчатые электроды накладывают на внутреннюю поверхность голеней и предплечий, в нижней их трети, и фиксируют с помощью резиновых лент. Грудной электрод устанавливают, используя резиновую грушу – присоску. Для улучшения качества ЭКГ и уменьшения наводных токов следует обеспечить хороший контакт электродов с кожей. Для этого в местах наложения электродов необходимо предварительно обезжирить кожу спиртом, и обильно смочить ее 5-10% раствором натрия хлорида, или, в крайнем случае, обычным мыльным раствором. Наилучшим вариантом будет использование специальной электродной пасты. Более подробно ознакомиться с принципами снятия электрокардиограмм, а так же их анализа можно посетив страничку: http://lainslav.narod.ru/medcine/kardiogr.htm
[1] Б. Котляков. Компьютерный кардиограф. – Схемотехника, 2002, №9, с. 36, 37
[2] И. Кольцов.
Маломощные сетевые трансформаторы повышенной электробезопастности. – Радио,
2001, №7, с.47,48