Электрокардиограф

      СОДЕРЖАНИЕ

         

Введение

1. Требования к электрокардиографу …………………………….4

2. Структурная схема прибора……………………………………5

3. Принципиальная схема прибора……………………………….6

4. Расчет погрешностей…………………………………………….20

Список  литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

       Заболевания сердечно-сосудистой системы до сегодняшнего дня сохраняют лидирующее положение в структуре смертности и заболеваемости среди взрослого населения экономически развитых стран. И причинами этого часто является образ жизни, вредные привычки, стрессы, использование некоторых лекарственных средств, генетическая предрасположенность, неблагоприятный экологический фон и т.д.

       Электрокардиография (ЭКГ) является незаменимым мероприятием в качестве мониторинга (наблюдения, контроля) за работой сердечно-сосудистой системы.

       Электрокардиография (ЭКГ) — метод исследования сердечной  мышцы путем регистрации биоэлектрических потенциалов работающего сердца. ЭКГ является основным методом в  диагностике заболеваний сердечно-сосудистой системы.

       Целью курсового пректирования является создание устройства, обеспецивающего  съём ЭКС с пациента, его усиление, фильтрация, оцифровка и передача в ЭВМ. Съём ЭКС необходимо производить по первому отведению Эйнтховена. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ТРЕБОВАНИЯ  К ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФУ

       Электрокардиография – это запись электрических сигналов, генерируемых при работе сердца. Сигнал ЭКГ снимается с кожных покровов при помощи электродов, размещаемых  в определённых точках.

       Метод ЭКГ-диагностики основан на регистрации  биоэлектрических потенциалов, возникающих в сердечной мышце во время сокращения. Отделы сердца охватываются возбуждением последовательно, поэтому на поверхности сердца регистрируется меняющаяся разность потенциалов между возбужденными и невозбужденными участками. Благодаря электропроводимости тканей организма эти электрические процессы можно уловить при размещении электродов на поверхности тела и по результатам ЭКГ судить о состоянии сердечно-сосудистой системы. По данным электрокардиограммы оценивают частоту и ритм сердечных сокращений, проводимость сердечной мышцы, общее состояние сердца.

       Проведя анализ ЭКГ, можно выявить признаки перенесенного инфаркта миокарда, хронической ишемии миокарда, гипертрофии левого или правого желудочка, аритмий, выявить нарушения обмена калия, кальция и магния.

       Расшифровка электрокардиограммы производится специалистом-кардиологом.

       Входные цепи аппарата ЭКГ должны усиливать  довольно слабый сигнал – в диапазоне  напряжений 0,5-5 мВ в сочетании с  постоянной составляющей величиной  до ±300 мВ, которая возникает при  контакте электрода с кожей, плюс симфазная составляющая величиной  до 1,5 В между элетродами и общим  проводом. Полоса частот, подлежащая обработке  и анализу, составляет от 0,05 Гц до 100 Гц.

       На  сигналы ЭКГ могут накладываться  различного рода шумы и помехи. Основные источники шумов и помех это:

       - влияние сетевых помех с частотой 50 Гц и гармоник сетевого напряжения;

       - влияние изменений параметров  контакта электрода с кожей,  приводящее к дрейфу постоянной  составляющей;

       - мышечные сокращения;

       - дыхательные движения вызывают  смещение постоянной составляющей;

       - электромагнитные наводки от  других электронных устройств,  когда провода электродов ЭКГ  играют роль антенн.

       Для точной и достоверной регистрации  ЭКГ необходимо принять все меры для отфильтрования или устранения перечисленных шумов.

2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРИБОРА

Рисунок1.Структурная  схема прибора

     Блок  электродов используется для снятия электрических сигналов, генерируемых при работе сердца, с кожных покровов. Электроды размещаются в определённых точках.

     Входы цепи усилителя ЭКС не рассчитаны на высокие напряжения и могут быть повреждены, поэтому на входе схемы стоит блок защиты входной цепи.

     Электрический сигнал, снимаемый электродами, очень  мал и содержит шум. Прежде чем  подвергать этот сигнал оцифровке, его необходимо усилить. Блок усиления и формирования сигнала может быть сконструирован на операционных усилителях.

     Далее сигнал поступает в блок преобразования сигнала в цифровую форму, где также осуществляется его фильтрация. Работа системы организуется микроконтроллером, который обрабатывает полученные результаты и передает их через преобразователь интерфейса RS232 на ЭВМ с помощью оптронной развязки.

3. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА

3.1. БЛОК ЭЛЕКТРОДОВ

     Достаточная точность медицинских измерительных  приборов невозможна без электродов с хорошими эксплатационными показателями и низким уровнем шумов.

     В общем случае погрешности, вызванные  «подэлектродными явлениями» могут  быть разделены на 2 основные группы:

     - погрешности биопотенциалов, вызванные  изменением кожно-электродного импеданса;

     - погрешности вследствие наличия  контактных и поляризованных  потенциалов электродов.

     Для уменьшения влияния этих явлений  на точность измерения биопотенциалов применяются малополяризующиеся электроды  или так называемые обратимые, в  которых металл контактирует со своими труднорастворимыми соединениями.

     В данном приборе используется электрографический хлорсеребряный электрод (такие электроды  получили наибольшее распространение). Хлорсеребряный электрод состоит из серебра и хлорида серебра  Ag-AgCl, помещённых в раствор, сожержащий ионы хлорида, чаще хлорида натрия или калия.

     Используются  одноразовые электроды, они предпочтительнее, так как всегда готовы к употреблению, имеют большую клеящую поверхность, исключающую смещение электродов.

Рисунок 2. Конструкция электрода

1. Пористая диафрагма со слоем серебра;
2. Поры, одна часть из которых заполнена солью AgCl, а другая электролитом;
3. Спай, обеспечивающий электрический контакт токоотвода 4 со слоем серебра;
4. Токоотвод;
5. Корпус.

     На  амлитуду снимаемого сигнала и уровень  перекрестных помех влияют форма  электродов (дисковая или прямоугольная), а также межэлектродное расстояние и площадь их поверхности. Амплитуда  снимаемого сигнала пропорциональна  межэлектродному расстоянию, в то время как полоса пропускания  с увеличением этого расстояния уменьшается. Увеличение площади поверхности  электродов также ведет к увеличению амплитуды получаемого сигнала  и способствует большей стабильности изолинии, однако при этом резко  возрастает влияние перекрестных помех. Принимая во внимание эти факторы, были выбраны электроды торговой марки Skintact (Австрия) – ЭКГ-Электрод одноразовый FS-50 (FS50) самоклеящийся, диаметр 50 мм для взрослых.

Рисунок 3. Электрод одноразовый FS-50

     Пенопласт, применяемый в ЭКГ-Электроде одноразовом FS-50 (FS50), изготовлен на основе полиэтилена, поэтому он не пропускает жидкость. Также данный электрод имеет сверхпрочный клей для надежной адгезии с кожей  пациента. Присоединительные клеммы электродов выполнены из прочной нержавеющей стали, что обеспечивает стандартные допуски и минимальный износ присоединительных проводов.

     Контактная  часть датчика имеет слой из серебряного (Ag) или хлорсеребряного покрытия (AgCl). Причем, благодаря технологии “C-LINE”  слой хлорсеребряного покрытия наносится  только на стыке с гелем, что предотвращает  губительный эффект коррозии и обеспечивает неизменное качество в течение всего  срока годности одноразовых ЭКГ-Электродов.

3.2. БЛОК ЗАЩИТЫ ВХОДНОЙ ЦЕПИ

     Блок  защиты входной цепи представляет собой ограничительные резисторы и двухстороннее диодное ограничение.

     Сопротивление кремниевых диодов велико и практически  не влияет на Z_вх. Ограничительные резисторы монтируются на входе кабеля отведений.

     В этой схеме появление повышенного  напряжения любой полярности на любом  из проводов вызовет открывание соответствующей  пары диодов, которые «гасят» входной  сигнал, не давая ему пройти на вход усилительной части.

Рисунок 4. Схема блока защиты входной  цепи

3.3. БЛОК УСИЛЕНИЯ

     Блок  усиления и формирования сигнала  может быть сконструирован на операционных усилителях. Применение специализированных инструментальных усилителей способствует снижению затрат, уменьшению размеров устройства и экономии времени разработчика. Идеальный усилитель биопотенциалов должен иметь бесконечно большое входное сопротивление, полностью подавлять помехи от силовой сети, быть нечувствительным к потенциалам поляризации и помехам, лежащим за пределами полосы частот полезного сигнала. Он не должен вносить собственные шумы, частотные и нелинейные искажения в рабочей полосе частот и в динамическом диапазоне полезного сигнала.

     Учитывая  эти параметры, был выбран инструментальный усилитель  фирмы Analog Devices AD620.

ХАРАКТЕРИСТИКИ  УСИЛИТЕЛЯ

 

Расчет  коэффициента усиления DA1 – AD620 

                              

            Чтобы снизить напряжение помех и обеспечить линейный режим работы усилителя, используют индифферентный электрод (Right Leg Driver –RLD), с помощью которого на биообъект подается инвертированное напряжение синфазных помех, усиленное в 91 раз.

            Применен операционный усилитель  типа OP97 – малопотребляющий, прецизионный ОУ.

Расчет  коэффициента усиления DA2 – OP97 

3.4. БЛОК ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ЦИФРОВОЙ КОД

         АЦП управляется при помощи  нескольких внутренних регистров.  Это: регистр обмена, регистр режима, два регистра фильтра, три регистра  калибровки нуля шкалы, три регистра калибровки полной шкалы и регистр данных. Данные в эти регистры записываются через последовательный интерфейс; этот же интерфейс позволяет также считывать данные из указанных регистров. Любое обращение к любому регистру должно начинаться с операции записи в регистр обмена. После включения питания или сброса АЦП ожидает записи в регистр обмена. Данные, записываемые в этот регистр, определяют тип следующей операции (чтение или запись), а также к какому регистру будет идти обращение.