информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Вход в систему

аватар: Антонов Егор Михайлович

 Цель работы: разработка модели помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР. 

Новизна: разработаны модели соответствующие новой методике построения систем регистрации, и первичной обработки низкоамплитудных составляющих сигналов биоэлектрической активности сердечнососудистой системы человека. 

Эффективность: на основе использования разработанной методики могут реализовываться устройства для проведения фундаментальных и прикладных исследований сердечно-сосудистой системы. 

Область применения: методика может быть использована для реализации устройств исследования биоэлектрической активности систем и органов человека и других живых организмов с целью выявления информации об их строении и функционировании, о протекающих в них нормальных физиологических процессах, а также о наличии и развитии патологических явлений. 

СОДЕРЖАНИЕ  

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ШУМОВ НА УЗЛЫ УСТРОЙСТВА ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ МИКРОПОТЕНЦИАЛОВ ЭКГ ВР 
1.1 Актуальность разработки устройства первичной обработки электрокардиосигналов с учетом влияния помех и шумов
1.2 Определения 
1.3 Модельные допущения для оценки влияния помех и шумов на устройство первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР
1.4 Способы проникновения шумов
1.5 Методы устранения помех
 Выводы
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА, ЕГО МИКРОСОСТАВЛЯЮЩИХ И ПОМЕХ
2.1 Моделирование потенциала действия
2.2 Моделирование электрокардиосигнала
2.3 Моделирование идеализированного ЭКС 
Выводы 
3. МОДЕЛЬ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОГО УСТРОЙСТВА ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ МИКРОПОТЕНЦИАЛОВ ЭКГ ВР
3.1 Метод двухканальной первичной обработки экс с одного отведения
3.2 Моделирование каналов помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР
Выводы 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 
АЦП – аналого-цифровое преобразование; 
АЧХ – амплитудночастотная характеристика; 
КОСС – коэффициент ослабления синфазного сигнала; 
ОС – обратная связь; 
ОУ – операционный усилитель; 
ПК – персональный компьютер; 
ПФ – полосовой фильтр; 
РФ – режекторный фильтр; 
САПР – система автоматического проектирования; 
ФВЧ – фильтр верхних частот; 
ФНЧ – фильтр нижних частот; 
ЭДС – электродвижущая сила; 
ЭКГ ВР – электрокардиография высокого разрешения; 
ЭКС – электрокардиосигнал 

 ВВЕДЕНИЕ 
Поскольку в ЭКГ ВР проводится анализ низкоамплитудных (единицы микровольт) и относительно высокочастотных (до 2000 Гц) составляющих ЭКС, то возникает необходимость технического обеспечения ряда условий его регистрации и первичной обработки. Среди них основными являются: высокий коэффициент усиления сигнала (порядка 103-104), широкий частотный диапазон регистрации (0,05-2000 Гц) и как следствие из первых двух условий возникает третье – значительная помехозащищённость каналов первичной обработки. Каждое из трёх условий наталкивается на противоречие, связанное с особенностями реализаций узлов первичной обработки ЭКС: 
1) высокий коэффициент усиления сигнала – ограниченный динамический диапазон (в частности пропускная способность АЦП); 
2) широкий частотный диапазон регистрации – увеличение влияния помех; 
3) значительная помехозащищённость каналов первичной обработки – искажение ЭКС, в результате частотной фильтрации. Для преодоления данных противоречий была предложена и реализована схема двухканальной регистрации ЭКС с одного отведения, включающая в себя синхронизирующий и высокочастотный каналы. С другой стороны, в настоящее время в электронной технике проблема подавления шумов и защиты от них стоит весьма остро, но, к сожалению, литературы по этим вопросам выходит очень мало. Положение усугубляется тем, что книги, посвященные теоретическому анализу шумов, обычно не содержат практических рекомендаций [4]. Круг вопросов, требующих рассмотрения при разработке помехозащищённого устройства первичной обработки ЭКС для ЭКГ ВР, очень широк: от техники заземления до разновидностей шумов, генерируемых элементами, от физики работы контактных соединений до выбора материала экранирующих корпусов. В этой связи необходимо отметить важность решения проблемы подавления шумов на этапе проектирования аппаратуры. Большую значимость при решении обозначенных проблем приобретает моделирование разрабатываемого устройства. Таким образом, целью третьего этапа проекта является разработка модели помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР. В дальнейшем разработанную модель планируется использовать при разработке аппаратно-программного комплекса для компьютеризированной регистрации, обработки и анализа низкоамплитудных составляющих сигналов биоэлектрической активности сердечно-сосудистой системы человека. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 
– определить условия возникнвения шумов и помех при работе устройств ЭКГ ВР; 
– провести моделирование влияния шумов на узлы устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР; 
– определить основные методы устранения помех; 
– провести моделирование ЭКС и его составляющих; 
– разработать модель помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР, включающую в себя модели предварительного усилителя, синхронизирующего и высокочастотного каналов; 
– на основе предложенных моделей исследовать влияние низкоамплитудных, высокочастотных составляющих ЭКС на реакцию помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР 

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ШУМОВ НА УЗЛЫ УСТРОЙСТВА ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ МИКРОПОТЕНЦИАЛОВ ЭКГ ВР. 
1.1 Актуальность разработки устройства первичной обработки электрокардиосигналов с учетом влияния помех и шумов 
 Известно, по мере того как разработка аппаратуры проходит различные стадии: от проектирования до испытаний и производства, – набор доступных разработчику способов борьбы с шумами неуклонно уменьшается, в то время как их стоимость, напротив, возрастает (рис. 1) [4]. Таким, образом, решение проблем, связанных с помехами, на ранних стадиях разработки и изготовления дает обычно лучшие результаты и обходится дешевле.

Рис. 1. Набор возможных методов и относительная стоимость решения проблем шумоподавления на различных стадиях разработки и изготовления 

Так, например, если вопросы подавления шумов рассмотрены для отдельного каскада или подсистемы на стадии проектирования аппаратуры, то методы уменьшения шумов окажутся достаточно простыми. Опыт показал, что, когда вопросы шумоподавления решаются на этой стадии, разработчик в состоянии обеспечить создание аппаратуры, в которой 80—90% потенциально возможных трудностей, связанных с шумами, будет устранено еще до проведения испытаний [4]. Если же система разрабатывалась без учета проблемы подавления шумов, почти наверняка на стадии испытаний эта проблема возникнет. Однако на этапе испытаний проведение анализа для выявления того, какая из множества возможных комбинаций путей проникновения шумов создает трудности, может быть совсем непростым и неочевидным. Решения, принимаемые на столь позднем этапе разработки, обычно влекут за собой применение дополнительных компонентов, не являющихся неотъемлемой частью схемы. Дополнительные издержки при этом включают в себя затраты инженерного труда и стоимость добавляемых компонентов и их установки. При этом могут возрасти также размер, вес аппаратуры и рассеиваемая ею мощность. 

1.2 Определения

 Шум можно определить как любой электрический сигнал в схеме, отличный от полезного. Важным исключением из этого определения являются искажения, возникающие в схеме в результате нелинейностей. Последние определяются схемотехническим решением и не относятся непосредственно к проблеме шумоподавления. Хотя появление таких искажений нежелательно, но до тех пор, пока они, возникнув в одной части схемы, не воздействуют на ее другие части, их не рассматривают как шумы. Источники шумов можно разбить на три основных класса. Первый включает в себя так называемые внутренние источники шумов, возникающих в результате случайных флуктуации внутри физических систем. Примерами внутренних шумов являются тепловой и дробовой шумы. Второй класс составляют источники шумов искусственного происхождения, такие, как двигатели, переключатели, передатчики. К третьему классу относятся источники шумов, представляющие собой возмущения естественного происхождения, например молнии и всплески солнечной активности. Основные пути проникновения шумов в электрические схемы показаны на рис. 2.

Рис. 2.Основные пути проникновения шумов в электрические схемы. 
Помеху можно определить как нежелательный эффект от воздействия шумов. Если напряжение шумов делает работу схемы неудовлетворительной, то это помеха. Обычно шумы невозможно совершенно уничтожить, можно лишь уменьшить их величину настолько, что они не будут вызывать помех. Чувствительность – величина реакции прибора или схемы на нежелательную электрическую энергию (шум). Порог чувствительности схемы или прибора есть максимальная величина шумов, при которой аппаратура еще работает удовлетворительно. 

1.3 Модельные допущения для оценки влияния помех и шумов на устройство первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР

 Для оценки влияния помех и шумов на устройство первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР приняты следующие допущения. Для точного ответа на вопрос о поведении любой электрической цепи необходимо решить уравнения Максвелла. Эти уравнения являются функциями трех пространственных переменных (х, у, z) и времени (t). Решение их для любой, даже простейшей задачи обычно является очень сложным. Чтобы этого избежать для большинства операций проектирования применяется приближенный метод анализа, называемый анализом электрических цепей. При этом анализе пространственные переменные исключаются, и производится приближенное решение в виде функции только времени. Анализ электрических цепей основан на следующих допущениях: 
1) все электрические поля сосредоточены в конденсаторах; 
2) все магнитные поля сосредоточены в индуктивностях; 
3) размеры схем малы по сравнению с длиной принимаемых во внимание волн. При этом фактически подразумевается, что внешними полями (хотя они в действительности и существуют) можно при анализе схемы пренебречь. Тем не менее, при рассмотрении влияния этих внешних полей на другие схемы они должны учитываться. Например, мощный 100-ваттный усилитель излучает в пространство мощность 100 мВт. Этими 100 мВт мы полностью пренебрегаем при анализе мощного усилителя. Однако, даже если малая часть этой излучаемой мощности попадает на вход чувствительного усилителя, она может создать большой шумовой сигнал. Там, где это возможно, каналы проникновения шумов представляют в виде эквивалентных цепей из элементов с сосредоточенными параметрами. Например, переменное электрическое поле между двумя проводниками можно представить в виде включенного между ними конденсатора (рис. 3). Переменное магнитное поле, связывающее два проводника, можно представить в виде взаимной индуктивности между двумя цепями (рис. 4). 

Рис. 3. Представление связи двух цепей через электрическое поле в виде конденсатора 

Рис. 4. Представление связи двух цепей через магнитное поле в виде взаимной индуктивности. 

Для того чтобы такой подход был справедлив, физические размеры схем должны быть малы по сравнению с длинами волн сигналов, действующих в схеме. Это допущение делается на протяжении всей книги, и обычно оно выполняется. Так, например, длина волны сигнала с частотой 1 МГц составляет около 300 м. Для сигнала 300 МГц она равна 1 м. Большинство электронных схем имеет меньшие размеры. Но, даже когда указанное выше допущение не совсем справедливо, представление в виде элементов с сосредоточенными параметрами все же полезно по следующим причинам: 
1) решение уравнений Максвелла для большинства, возникающих на практике проблем подавления шумов нереально из-за сложных граничных условий; 
2) хотя представление в виде элементов с сосредоточенными параметрами не обязательно дает точный количественный ответ, однако оно ясно показывает, как шумы зависят от параметров системы. Решение же уравнений Максвелла, даже если оно и возможно, не дает четкого представления об этой зависимости. Вообще говоря, за исключением некоторых случаев с особой геометрией, определение численных значений величин элементов эквивалентных цепей с сосредоточенными параметрами с любой степенью точности является очень трудным делом. Однако если можно сделать вывод о наличии таких элементов и о том, как их следует включить в схему, то это очень полезно само по себе, даже если такие элементы представлены лишь качественно. Необходимо отметить, что для возникновения помех необходимо наличие трех компонентов: источника шумов, канала связи и чувствительного приемника.

 1.4 Способы проникновения шумов 

 Шумы, наводимые на провода. Одним из наиболее очевидных, но часто упускаемых из виду путей проникновения шумов в схему являются провода. Проходя через «зашумленное» пространство, проводник получает шумовые наводки, а затем передает их другой схеме. Это вызывает помехи. Решение состоит в защите проводника от шумов или в обеспечении развяки, благодаря которой шумы отводятся с проводника прежде, чем попадут в чувствительную схему. Основным примером такого вида связи явлются шумы, проникающие в схему по проводам сети. В случае, если разработчик не имеет возможности контролировать сеть или если к сети подключают и другую аппаратуру, возникает необходимость в развязке проводов сети по шумам до их подсоединения к схеме. Связь через общее сопротивление. Связь через общее сопротивление встречается там, где токи от двух различных схем проходят через одно сопротивление. При этом падение напряжения, создаваемое каждой из схем на этом сопротивлении, является для другой схемы помехой. Классический пример такого рода связи показан на рис. 5. Оба тока (I1 и I2) проходят на землю через общее сопротивление. Что касается схемы 1, то потенциал ее общей точки относительно земли модулируется током I2, протекающим через общее сопротивление шины земли. Поэтому от схемы 2 к схеме 1 через общее сопротивление поступает некоторый шумовой сигнал. 


Другим примером проблемы такого рода является представленная на рис. 6 схема разводки питания. Любое изменение тока, потребляемого схемой 2, будет изменять напряжение на зажимах питания схемы 1 из-за наличия общих сопротивлений шин питания и внутреннего сопротивления источника питания. Положение можно несколько улучшить, подключив 'схему 2 ближе к выходным зажимам источника питания и уменьшив тем самым величину общего сопротивления шин питания. Однако связь через внутреннее сопротивление источника питания остается 

Рис. 6. Пример связи двух схем через общий источник питания 

Электрические и магнитные поля. Еще один вид связи представляет собой излучение электрического и магнитного полей. Все элементы схем, включая проводники, при движении по ним электрических зарядов излучают электромагнитные поля. Кроме такого не предусмотренного разработкой излучения, существует 'проблема преднамеренного излучения от таких источников, как радиовещательные и радиолокационные станции. Когда приемник расположен вблизи источника (в ближнем поле), электрическое и магнитное поля рассматривают раздельно. Если же приемник находится далеко от источника (в дальнем поле), излучение рассматривается как комбинация электрического и магнитного полей, т. е. как электромагнитное излучение'). Гальванический процесс. При использовании в слаботочной сигнальной цепи разнородных металлов в результате образования из них гальванической пары могут возникать напряжения шумов. При наличии на стыке двух металлов загрязнений или водяных паров создается электрохимический элемент. Развиваемая им ЭДС зависит от используемых металлов, т. е. от их расположения в гальваническом ряду. Чем дальше в этом ряду металлы отстоят друг от друга, тем больше будет развиваемое ими напряжение. Если контакт образован одноименными металлами, разность потенциалов между ними отсутствует. При использовании разнородных металлов, помимо возникновения напряжения шумов, может существовать и проблема коррозии. Гальваническая коррозия приводит к тому, что положительные ионы одного металла переносятся в другой металл.

 1.5 Методы устранения помех 

 Ниже перечислены основные методы, применяемые для борьбы с помехами: 
1) экранирование; 
2) заземление; 
3) балансировка; 
4) фильтрация; 
5) изоляция; 
6) разнесение и ориентация; 
7) регулировка величины полного сопротивления схемы; 
8) выбор кабеля; 
9) подавление (в частотной или временной области). 
 При использовании всех этих методов следует помнить, что шумы обычно невозможно устранить полностью; их можно лишь уменьшить до такой степени, чтобы они не создавали помех. Даже для простейших случаев единого универсального средства решения проблемы шумоподавления не существует. Обычно приходится идти на компромисс, и мнения о том, какое из многих альтернативных решений наилучшее, существенно расходятся. Ниже будут рассмотрены методы, и модели используемые для уменьшения помех в устройствах первичной обработки ЭКС.
 
Выводы 
1. Подавлением шумов и обеспечением помехозащищённости следует заниматься на возможно более ранней стадии проектирования. 
2. Для возникновения помех необходимо наличие трех компонентов: источника шумов, канала связи и чувствительного приемника. 
3. Имеются три основных способа передачи шумов: наводки по проводам, связь через общее сопротивление и связь путем электромагнитного излучения. 
4. При контакте металлов друг с другом в сигнальных цепях эти металлы должны быть гальванически совместимы. 
5. Универсальный метод решения большинства проблем шумов существует далеко не всегда. Обычно имеются несколько способов борьбы с шумами. 

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА, ЕГО МКРОСОСТАВЛЯЮЩИХ И ПОМЕХ 

2.1 Моделирование потенциала действия Моделирование производиться на основе обобщённого вида потенциала действия [3]. Для моделирования используется единичная ступенчатая функция δ1(t) (функция Хэвисайда):

для получения обратного пилообразного импульса:

где t – время, τ1 и τ2 – начало и конец импульса А1 – его амплитуда, и функция гауссова импульса: 

где τ3 – середина импульса А2 – коэффициент, определяющий его амплитуду. Моделируемый потенциал действия S3 является суммой S1 и S2 с соответствующим соотношением коэффициентов τ и А. Схема модели представлена на рис. 7. Пример такого моделирования для импульса пучка Гиса с параметрами 30 мВ; –85мВ; 0,25 с; 0,6 с показан на риc. 8. 

Рис. 7. Модель генератора импульсов потенциала действия.

Риc. 8. Моделирование для импульса пучка Гиса с параметрами 30 мВ; -85мВ; 0,25 с; 0,6 

2.2 Моделирование электрокардиосигнала 

 Для тестирования разрабатываемых схем, алгоритмов и программ, решающих задачи обработки ЭКС, необходимо использовать специальные тестовые сигналы, включающие в себя кроме сигналов специальной формы (синусоидальные, прямоугольные, треугольные и др.) сигналы соответствующие различным вариантам ЭКС. Осуществление тестирования полезно как на этапе компьютерного моделирования, так и на этапе отладки схем, алгоритмов и программ. На этапе компьютерного моделирования разрабатываемой схемы (алгоритма, программы) в зависимости от используемой САПР могут использоваться различные генераторы сигналов специальной формы, генераторы функций, генераторы последовательностей значений и др. На этапе макетирования, кроме стандартных сигналов в качестве модельных (тестовых) могут применяться заранее классифицированные реальные или синтезированные ЭКС. Эти сигналы воспроизводятся генераторами сигналов специальных форм – имитаторами ЭКС, построенными на базе персонального компьютера (ПК), включающими в себя воспроизведение всех типов сигналов, оговоренных в стандартах (ГОСТ 19687-89 "Приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца; Общие технические требования и методы испытаний") и многоканальную генерацию независимых реальных ЭКС. 
 Предложен способ моделирования различных видов тестовых сигналов, включая вариации ЭКС на основе программы схемотехнического моделирования Micro-Cap 8. Очевидно, что предложенную методику моделирования можно применять для моделирования других видов сигналов биоэлектрической активности, в частности миографических. 
 Известны базы данных физиологических сигналов имеющие свободный доступ (через Интернет), например “ФизиоБанк” (PhysioBank) Массачусетского Университета, США (PhysioNet, MIT Room E25-505A, 77 Massachusetts Avenue Cambridge, MA 02139 USA). 
 Однако известные базы данных ЭКС не удовлетворяют всем обозначенным выше требованиям, в частности не имеют сигналов с помехами различных типов, а также сигналов зарегистрированных в широких амплитудном и частотном диапазонах. Кроме того, для решения исследовательских задач полезно иметь возможность записи сигналов при разных внешних условиях (наличие сетевой помехи, ВЧ помех и т.д.), с разными параметрами, например при разной частоте дискретизации. Разработанная методика моделирования призвана удовлетворить данные требования. 
 Для реализации вышеизложенного следует использовать базы данных, содержащие в себе ЭКС различного вида: нормальные ЭКС с их вариациями для людей разного возраста, комплекции и т. п.; патологические ЭКС; ЭКС при использовании кардиостимуляторов; ЭКС с различной степенью зашумлённостью и др. 
  На данном этапе исседований съём ЭКС осуществлялся по первому стандартному отведению, сигнал усиливался узлом предварительного дифференциального усилителя биопотенциалов (на основе AD620). Затем сигнал обрабатывается по методике двухканального частотноизбирательного усиления. Получаемый сигнал подаётся на вход платы АЦП сопряжённой с ПК. Большое значение имеют ёе параметры: полоса пропускания (АЧХ), разрядность, частота дискретизации и др. В ходе экспериментов использовалась оцифровка с разрядностью 16 бит и с частотой дискретизации до 10 кГц. Контроль, запись и цифровая обработка ЭКС осуществлялась с помощью программы Adobe Audition 1.5. Вид диалогового окна программы с участком записанного и отфильтрованного ЭКС представлен на рис 9. 

Рис. 9. Диалоговое окно программы Adobe Audition 1.5 с участком записанного и отфильтрованного ЭКС. 

 Полученный результат с обработкой или без, сохранялся в файлы различных типов, в том числе в текстовые файлы, где сигнал представляется в виде последовательности чисел, означающих величины отсчётов, параметры квантования и дискретизации заносятся в начало файла. В качестве примера показана часть такого файла: 
SAMPLES: 4561 
BITSPERSAMPLE: 16 
CHANNELS: 1 
SAMPLERATE: 44100 
NORMALIZED: FALSE 
-4678 
-4723 
-4710
 … 
3618.
 В дальнейшем файлы, содержащие в себе последовательности отсчётов, служат качестве основы для исследований сигнала или для формирования тесовых сигналов. 
 В частности, полученные данные об ЭКС в виде текстовых файлов использовались при компьютерном моделировании в программе MICRO-CAP 8 для исследования принципиальных и структурных электронных схем. Для этого текстовый файл преобразовывался в специальный файл с расширением usr, содержащий данные об оцифрованном ЭКС, используемый для создания моделей источника ЭКС на основе пользовательского генератора (User Source). Пример
файла *.usr: 
[Main] 
FileType=USR 
Version=2.00 
Program=Micro-Cap [Menu] ;
Simple = T,X,Y ;
SimpleNoX = T,Y ;
Complex = F,Xr,Xi,Yr,Yi ;
ComplexNoX= F,Yr,Yi ;
FormatType = Simple | Complex | SimpleNoX | ComplexNoX ;
Format=FormatType 
WaveformMenu=label vs T [Waveform] 
Label=label vs T MainX=T 
LabelX=T 
LabelY=label vs T 
Format=Simple 
Data Point Count=1802 
0,0,0 
0.000 , 0.000 , 0.146 
0.002 , 0.002 , 0.146
 … , … , … 
0.014 , 0.014 , 0.136 
 На рис. 10 показана реализация в MICRO-CAP 8 оцифрованного ЭКС. Для проведения исследований влияния различных помех на работу электронных узлов, помехи имитируются с помощью функциональных генераторов. 

Рис. 10. Реализация в оцифрованного ЭКС. 
 Аддитивную сетевую помеху (50 Гц) создаёт генератор синусоидального напряжения, результат моделирования представлен на рис. 11

Рис. 11. Сигнал, состоящий из суммы ЭКС и сетевой помехи. 2.3 

Моделирование идеализированного ЭКС 

Показательным примером использования стандартных генераторов и идеальных моделей может служить их использование для имитации идеализированного ЭКС. Структурная схема, отражающая их соединение, показана на рисунке 12. Генерирование зубцов Q, R, S ЭКС осуществляется с помощью генераторов напряжения треугольной формы, генерирование зубцов P, T ЭКС осуществляется с помощью генераторов напряжения синусоидальной формы сдвинутых по амплитуде и фазе соответствующим образом. Результат моделирования представлен на рис. 13

Рис. 12. Схема моделирования идеализированного ЭКС 
Рис. 13. Моделирование идеализированного ЭКС. 

 С помощью полученных сигналов проводилось моделирование работы разных устройств первичной обработки ЭКС. Разработанная методика позволяет записывать результаты работы реальных схем. Представляется перспективным параллельное использование данных средств, с их взаимной корректировкой. Предложенная методика может быть использована для создания базы данных ЭКС, а также для проведения исследовательских работ.
 Выводы 
1. Предложен способ моделирования потенциалов действия, являющихся основой формирования электрофизиологических сигналов. 
2. Отработан способ формирования модельных сигналов ЭКС на основе реально записанных сигналов. 
3. Проведено моделирование ЭКС совместно с помехами (сетевая наводка, поляризация электродов и другие).
4. Предложен способ формирования идеализированного ЭКС с вариацией амплитуд и временных положений зубцов

 3. МОДЕЛЬ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОГО УСТРОЙСТВА ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ МИКРОПОТЕНЦИАЛОВ ЭКГ ВР 

3.1 Метод двухканальной первичной обработки экс с одного отведения 
 Методика двухканальной регистрации ЭКС с одного отведения, включает в себя обеспечение одновременного пропускания сигнала через синхронизирующий и высокочастотный каналы. Затем ЭКС проходит оцифровку и передаётся в ПК. 
 Узел аналоговой обработки ЭКС предназначен для работы в составе устройства ЭКГ-ВР, включающего в себя узел АЦП, узел управления и цифровой обработки сигнала, узел обеспечения связи с ПК. 
 Блок электродов представляет из себя набор из двух сигнальных электродов, включенных по биполярной схеме (адаптированных под дифференциальный канал) и один компенсационный электрод, включенный в цепь обратной связи усилителя, предназначенный для уменьшения влияния комплексных помех на работу схемы. Узел аналоговой обработки обеспечивает предварительное усиление ЭКС, высокий входной импеданс, значительное подавление синфазных помех, формирование сигнала обратной связи для индифферентного электрода, до разделения на каналы, а затем необходимое частотно–избирательное усиление для максимально возможного использования разрешающей способности АЦП (для высокочастотных составляющих ЭКС величина усиления теоретически может достигать 10000 раз). 
 Поскольку узел аналоговой обработки ЭКС с одной стороны должен максимально усиливать высокочастотные составляющие ЭКС, а с другой стороны усиливать низкочастотные составляющие ЭКС, имеющие амплитуду на порядок выше высокочастотных, при этом, обеспечивая прохождение R–зубца, как источника информации для синхронизации, используется двухканальная схема усиления, представленная на рис. 14. Для стабильной работы двухканальной схемы регистрации требуется обеспечить предварительное усиление со значительным подавлением синфазных помех, согласование входного сигнала по сопротивлению. Требуемые параметры ПУ: 
- Входное сопротивление: R = 10 ГОм; 
- Коэффициент усиления: Ку = 5 – 10; 
- Уровень собственных шумов: N < 0.4 мкВ (пиковый шум); 
- КОСС > 80 дБ (при Ку = 10).

Рис. 14. Структурная схема помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР. 

 Фильтр постоянной составляющей в канале синхронизации (на рис. 14, сверху) предназначен для предотвращения дрейфа изолинии и имеет частоту среза f среза = 0,05 Гц. 
 После предварительного усилителя сигнал разделяется на два канала - канал обработки низкочастотных составляющих, служащий также для формирования сигналов синхронизации, и канал для обработки высокочастотных составляющих. 
 В синхронизирующем канале входное напряжение поступает на полосовой усилитель, у которого обеспечен завал сигнала на верхних частотах. Выходной сигнал усилителя поступает на вход режекторного фильтра с частотой режекции 50 Гц и с регулируемой добротностью, выполненного на двух дополнительных усилителях. Глубина подавления помехи сетевой частоты 50 Гц и добротность могут регулироваться. Выходной усилитель с частотной коррекцией, предназначенный для формирования конечной полосы пропускания в соответствии с задачами исследования и окончательного усиления. Высокочастотный канал обеспечивает необходимое усиление для высокочастотных и низкоамплитудных составляющих ЭКС. 

3.2 Моделирование каналов помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР 

Математическими моделями узлов помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР послужили их передаточные функции, составленные на основе теории графов [2], при необходимости с учётом паразитных составляющих, в виде:

В качестве примера приведёна разработка математической модели РФ. Передаточная функция фильтра являются основной характеристикой, отражающей способность фильтра к частотной селекции. Для исходного РФ (симметричного фильтра второго порядка) передаточная функция имеет вид: 

где р – оператор Лапласа, p = jω , ω0 – частота режекции, ω0 = 2πf0, QРФ – добротность исходног Ф, DФ(р) – числитель передаточной функции, NРФ(р) – её знаменатель. При этом не учитывается, с помощью каких звеньев RC или LC обеспечивается частотная селективность фильтра. Рассчитанная и промоделированная схема (предложенная в патенте США № 4 242 642), представлена на рис. 15. 


Рис. 15. Схема моделируемого РФ. 

 Схема содержит: блок фильтрации 4, зажим 1 являющийся его входом, который соединён с резистором 2 (R1), другой конец резистора 2 соединён с инвертирующим входом 5 дифференциального операционного усилителя 8, а также с резисторами 3 (R2) и 7 (R3). Выход 9 дифференциального операционного усилителя (ДОУ) 8 соединён со входом 10 исходного РФ 11 и с резистором 7. Выход 13 исходного РФ 11 соединяется с резистором 3 и зажимом 14, являющимся выходом блока фильтрации 4. Неинвертирующий вход 6 ДОУ 8 и РФ 8 подсоединены к общему проводу заземления 12 (описание приводиться по патенту). 
 Данной электрической схеме соответствует блок схема представленная на рис. 16, где вход 1 соединён с блоком 2 входного резистора R1, выход этого блока через узел 3 соединяется со входом блока 5, являющимся блоком ДОУ. Выход блока 5 через узел 6 подсоединён к входу блока РФ 8, чей выход через узел 9 соединяется с выходом схемы 10. Кроме того, узел 7 соединён с входом блока резистора R3, чей выход подсоединяется к узлу 3. К узлу 3, также подсоединён выход блока резистора R2 6, другой вход которого соединяется с узлом 9.

Рис. 16. Блок схема моделируемого РФ. 

Представленной на рисунке 16 блок схеме соответствует граф изображённый на рисунке 17

Рис. 17. Граф, соответствующий блок схеме моделируемого РФ 

 Т12 – передача ветви 1 – 2 соответствует передаче резистора R1, Т23 – передача ветви 2 – 3 соответствует передаче идеального операционного усилителя, Т34 – передача ветви 3 – 4 соответствует передаче РФ, Т32 – передача ветви 3 – 2 соответствует передаче резистора R3, Т42 – передача ветви 4 – 2 соответствует передаче резистора R2. Передача графа представленного на фигуре 13 равна:


 и соответствует передаточной функции всей схемы K3(p). Пусть: (-m) – коэффициент передачи ОУ по инвертирующему входу (для идеального ОУ m = ∞); g1 – проводимость резистора R1; g2 – проводимость резистора R2; g3 – проводимость резистора R3. При этом принято, что R1 = k•R, R2 = R/β, R3=R, то есть g3 = g, g2 = β•g, g1 = g/k, g = 1/R. Тогда передачи ветвей графа принимают, следующие значения: 

Т23 = - m; 
     Т34 = KРФ(p);



Подставляя в формулу (2) значения из формул (1) и (3) – (6) получаем выражение для передаточной функции всей схемы: 

при m = ∞ для идеального ОУ, и осуществлении предельного перехода формула (7) преобразовывается к следующему виду: 

при раскрытии значений DРФ(p) и NРФ(p) получается:
 
Произведя с выражением (9) следующие преобразования: 

получаем: 

Это влияние может быть скомпенсировано с помощью соответствующих изменений параметра k, его величина определяется величиной сопротивления резистора R1. То есть при росте величины добротности, для того чтобы не происходило ослабления во всём частотном диапазоне пропорциональное этому росту, необходимо соответственно уменьшать величину k. Данная операция требует наличия точно подобранных элементов, а также итерационных процедур настройки, что не позволяет оперативно регулировать величину добротности.b). При увеличении значения добротности падает общий коэффициент передачи фильтра. Это видно из формулы (11), где общий множитель обратно пропорционален b – величина коэффициента передачи звена ОС, определяемая величиной сопротивления резистора R2. Новое значение добротности – QРФАП, задаётся с помощью ОС и равно QРФ •(1 + b) раз, где bВведением ОС в исходный режекторный фильтр достигнуто изменение величины добротности в (1 +
 Результаты построения полученной передаточной функции показаны на рисунках 20 и21. 

Рис. 18. График модуля передаточной функции в линейном масштабе. Кривые 1 и 2 соответствуют различным значениям коэффициента Q, кривая 3 соответствует передаточной функции корректирующего фильтра.

Рис. 19. График модуля передаточной функции в логарифмическом масштабе. Кривые 1 и 2 соответствуют различным значениям коэффициента Q, кривая 3 соответствует передаточной функции корректирующего фильтра 

Таким образом, были проведены расчёт и моделирование узлов помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР показанных на рис. 14. На рис. 20 показана схема предварительной защиты биоусилителя в которой также предусмотрена частотная коррекция (ФНЧ). Это подтверждается результатами моделирования (рис. 21). Сигнал с частотой выше 2 кГц подвергается ослаблению (сигнал с частотой 20 кГц ослаблен на 6 дБ). Подобные исследования проводились и для остальных узлов.

Рис. 20. Схема предварительной защиты биоусилителя 

Рис. 21. Результат моделирования схемы предварительной защиты биоусилителя.
 
 Результат моделирования синхронизирующего канала помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР совместно с сигналом моделирующем ЭКС на основе оцифрованных записей показан на рис. 22, на рис. 23 показан результат моделирования высокочастотного канала 

Рис. 22. Результат моделирования работы синхронизирующего канала с оцифрованным ЭКС. 


Рис. 23. Результат моделирования работы высокочастотного канала с оцифрованным ЭКС. 

 На рис. 24, показан результат моделирования синхронизирующего канала помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР совместно с идеализированным ЭКС заведомо не содержащим высокочастотных низкоамплитудных составляющих, на рис. 25 показан результат моделирования высокочастотного канала. Выходной сигнал высокочастотного канала не имеет участков характерных для высокочастотных низкоамплитудных составляющих.


Рис. 24. Результат моделирования работы высокочастотного канала с идеализированным ЭКС. 

 На рис. 25 показан результат моделирования высокочастотного канала помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР совместно с идеализированным ЭКС с наложенным высокочастотным низкоамплитудным импульсом. Выходной сигнал высокочастотного канала имеет характерные участки, соответствующие по времени высокочастотным низкоамплитудным импульсом, наложенным на идеализированный ЭКС.

Рис. 25. Результат моделирования работы высокочастотного канала с идеализированным ЭКС с наложенным высокочастотным низкоамплитудным импульсом. 

Выводы 
1. Описан способ расчёта и моделирования узлов помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР. 
2. Проведено моделирование узлов помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР в частотной области. 
3. Проведено моделирование синхронизирующего и высокочастотного каналов помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР совместно с оцифрованным ЭКС, а также с идеализированным ЭКС. 
4. Показана реакция высокочастотного канала на наличие в сигнале высокочастотных низкоамплитудных составляющих на модели идеализированного ЭКС. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

 Основная задача проекта - разработка принципов построения систем регистрации, обработки и анализа низкоамплитудных составляющих сигналов биоэлектрической активности сердечно-сосудистой системы человка для комплексного исследования разносторонних свойств этих сигналов. 
 В настоящее время эту информацию трудно, а чаще всего невозможно получить с использованием существующей диагностической аппаратуры. Надежных методов регистрации таких сигналов не существует. 
 Особое внимание при выполнении третьего этапа работ было уделено теоретической проверке решений направленных на снижение искажений при съеме, передаче и обработке этих сигналов, в том числе и высокой помехозащищенности по отношению к мешающим воздействиям, как физической, так и биологической природы. В связи с этим в рамках данного этапа предложены модели и способы для исследования предложенного помехозащищенного устройства первичной обработки микропотенциалов ЭКГ ВР.
 При выполнении этапа изучено состояние вопроса в техническом аспекте; уточнены требования к условиям и способам шумоподавления и помехозащищённости для прецизионной системы регистрации, обработки и анализа низкоамплитудных составляющих сигналов биоэлектрической активности сердечно-сосудистой системы человека, не имеющей аналогов. Разработаны и исследованы модели прецизионных систем регистрации, обработки и анализа низкоамплитудных составляющих ЭКС на основе двухканальной первичной обработки.
 В качестве основного подхода к созданию моделей принят расчёт передаточных функций цепей на основе теории графов. Исследование моделей проводилось с помощью САПР.
 На следующем этапе на основе предлагаемых моделей планируется произвести подробное исследование методики совместно с моделями влияния шумов и помех, что позволит её уточнить, а также оценить эффективность. 

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

19 + 0 =
Решите эту простую математическую задачу и введите результат. Например, для 1+3, введите 4.

Комментарии