информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Вход в систему

аватар: Исаков Р.В.
Исаков Р.В., Сушкова Л.Т.
Владимирский государственный университет
 
Известно утверждение, что «сердечно-сосудистая система может реагировать как индикатор адаптационных реакций всего организма» [1, 2], поэтому в качестве основы для радиоэлектронного устройства оценки состояния организма была взята методика, разработанная на базе анализа динамики сердечных сокращений геометрическими методами [3,4].
В частности, для её разработки производились электрокардиографические (ЭКГ) исследования у различных групп людей: спортсмены, студенты, руководители, пациенты больницы с различными патологиями и т.п. В том числе проводились выборочные тесты на нагрузку.
По данным ЭКГ вычислялись RR-интервалограммы, и производился анализ их фазовых портретов (ФП), используя количественный геометрический метод [1]. При этом оценивалась форма ФП по двум критериям: коэффициент эксцентриситета k (характеризует вытянутость) и площадь фигуры S (характеризует масштаб). Проведённые исследования показали, что ухудшение качества авторегуляции организма характеризуется стремлением коэффициента эксцентриситета к нулю, а нормальное состояние регуляторных систем – стремление к 1. Причём в некоторый переходной момент может произойти перегрузка организма и регуляция организма в этот момент временно нарушается, что можно зафиксировать повышенным значением площади S (более 600000 отн.ед.) [1,2].
При общем рассмотрении, устройство для снятия и обработки ЭКГ-информации должно состоит из блока усиления сигнала, исходящего от электродов, блока определения R-зубцов, блока выделения RR-интервалов, обработчика информации и вывода информации пользователю. Соединение блоков показано на рис. 1.
 
Рисунок 1 – Состав устройства снятия и обработки ЭКГ
 
За основу устройства был выбран микроконтроллер MSP430F149 фирмы Texas Instruments по следующим параметрам:
- низкий ток потребления;
- 16-ти битная обработка данных;
- встроенный компаратор;
- достаточное количество портов ввода-вывода (6 портов по 8 бит каждый);
- два независимых таймера;
- возможность организации обработки прерываний.
Используя возможности выбранного микроконтроллера, создана блок-схема устройства регистрации, и обработки ЭКГ в режиме реального времени (рис. 2).
 
Рисунок 2 - Структура микропроцессорного устройства регистрации и обработки ЭКГ
 
Устройство состоит из двух частей: аналоговой и цифровой. В аналоговой части происходит снятие потенциала с кожи человека, его усиление, фильтрация, выделение и пометка R – зубцов импульсами логической «1». Эта часть конструктивно основана на четырёх усилителях, находящихся в одном корпусе. Дифференциальный усилитель ослабляет синфазные наводки и выделяет полезный сигнал. Он построен по стандартной схеме включения на операционном усилителе с коэффициентом усиления 18. Блок усиления совмещён с активным фильтром низких частот, построенным на операционном усилителе, и имеет коэффициент усиления 160. Детектор R-зубцов и выделитель RR-интервалов действуют по следующему принципу: активный полосовой фильтр усиливает в 9 раз сигнал в полосе частот 0.5… 12 Гц, выделяя тем самым R-зубец из остального электрокардиогафического сигнала, далее сигнал детектируется с помощью высокочастотных диодов и направляется на специальный блок сравнения, построенный на операционном усилителе. Причём сравнение происходит с пороговым значением равным среднему значению поступающего сигнала, хранящимся в аналоговом виде на конденсаторе. Это значение может подстраиваться при изменении сигнала. При обнаружении R-зубца на выходе операционного усилителя уровень напряжения резко возрастает и держится около 10 мс. Таким образом, поддерживается стабильность определения RR-интервалов. Импульсы ограничиваются по напряжению до 3 В.
Данные импульсы поступают на входной порт микропроцессора MSP430F140, где обрабатываются оригинальной программой. Здесь происходит накопление информации, расчёт параметров и вывод информации пользователю. Причём обработка информации здесь происходит в режиме реального времени, что исключает необходимость применения дополнительных схем памяти и сокращает время исследования.
В функции микропроцессора входят измерение длительностей R-R интервалов, вычисление числовых показателей работы сердца и управление выводом результата расчёта.
Результат выполнения программы выдаётся в 8-битовый порт и направляется на светодиодный индикатор уровня, который показывает состояние организма или качество процессов регулирования (коэффициент k) с другого порта направляется сигнал на светодиоды, показывающие присутствие перегрузки организма (результат сравнения величины S с пороговым значением).
Устройство работает от элемента питания 1.5 В размера AA. Для обеспечения необходимого напряжения питания активных элементов устройства используется повышающий преобразователь DC-DC (direct current – direct current) преобразующий постоянный ток в постоянный ток большего напряжения.
Также в устройстве предусмотрены входы для внешних электродов, а также выходы ЭКГ-сигнала и пульса для передачи, при необходимости, на персональный компьютер через последовательный аналого-цифровой интерфейс.
Выделение RR-интервалов происходит аналоговым путём для того, чтобы сократить на порядок необходимую тактовую частоту микроконтроллера и тем самым уменьшить энергопотребление.
 Программирование микропроцессора производится через последовательный интерфейс при помощи стандартного программатора на основе сектора начальной загрузки (bootstrap loader). С его помощью можно производить отладку и обновлять программное обеспечение микропроцессора.
На рис. 3 показан укрупнённый алгоритм программы микроконтроллера, необходимый для выполнения всех перечисленных функций.
В микроконтроллере MSP430F140 присутствует два независимых таймера (таймер А и таймер В).
 
Рисунок 3 – Алгоритм микропроцессорной обработки информации
 
Измерение длительности интервала производится путём дискретизации временного промежутка с использованием таймера В микроконтроллера. Таймер А применяется для осуществления антидребезговой задержки на 250 мс. На это время прерывания программы с порта не осуществляется.Это сделано из-за того, что при регистрации R-сигнала может проходить несколько импульсов, в том числе от непроизвольного дрожания рук при ударе сердца. Если после выполнения задержки на входной порт приходит сигнал логической «1» (метка R-зубца), то происходит прерывание и значение текущего RR-интервала считывается с таймера B.
Разработанное устройство тестировалось на виртуальной модели в среде Matlab и на опытном образце изделия, представляющим собой программно-аппаратный комплекс на основе персонального компьютера. Для работы в операционной среде Windows было разработано соответствующее программное обеспечение.
Результаты тестирования показали, что при достаточно небольшой себестоимости данного устройства достигается стабильное получение полезного сигнала, и адекватная оценка состояния организма испытуемого в данный момент времени.
 
Литература
1. Парин В.В., Баев­ский Р.М. Кибернетика в медицине и физиологии. Медгиз. М.1963, с.50
2. Баевский Р.М., Берсенева А.П. Оценка адаптационных возможно­стей организма и риск раз­вития заболеваний М.: Медицина, 1997.- 235 с.
3. Исаков Р.В., Кузнецов А.А., Сушкова Л.Т. Оценка близости летальных аритмий методами нелинейной динамики.// Журнал «Биомедицинские технологии и радиоэлектроника» №3, 2004, С.46-50
4. Исаков Р.В., Кузнецов А.А., Сушкова Л.Т. Методика исследования общего состояния организма. // «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» Доклады 6-й межд. науч.-техн. конф. Книга 1, Владимир, 2004, С.79-81

Комментарии

Отправить комментарий

Содержание этого поля является приватным и не предназначено к показу.
  • Доступны HTML теги: <a> <em> <strong> <cite> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <img> <table> <td> <tr> <hr> <div> <span> <h1> <h2> <h3> <h4> <h5> <h6> <p> <pre> <adress> <center>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Подробнее о форматировании

5 + 1 =
Решите эту простую математическую задачу и введите результат. Например, для 1+3, введите 4.

Комментарии