Обработка сигнала с помощью специально разработанного программного обеспечения

Для осуществления связи электрокардиографа с ПК и реализации операций оцифровки сигнала и его передачи, необходимо было написать программу для работы микропроцессорного стенда SDK-1.1/S в программной среде Keil μVision 3 на языке программирования C++.

Программа должна производить преобразование аналогового ЭКГ-сигнала в цифровой 12-разрядный код, и далее - его передачу в ПК по последовательному интерфейсу (RS-232C). При выборе частоты дискретизации аналогового сигнала, необходимо учитывать тот факт, что величина этой частоты должна быть такой, чтобы по мгновенным выборкам напряжения, можно было бы восстановить первоначальную форму сигнала.

На рисунке 13 приведена блок-схема работы программы написанной на языке программирования C++ в программной среде Keil μVision 3, записываемая в память микроконтроллера стенда SDK-1.1/S.

 

Рис. 13. Блок-схема программы, записываемой в память
микроконтроллера SDK-1.1/S.

 

В первую очередь, осуществляется инициализация стенда SDK-1.1/S с ПК, для чего на ПК передается служебный байт. В программе задается число циклов. Один цикл программы включает в себя регистрацию, преобразование и передачу в ПК квантованной величины напряжения и соответствует одной точке на временной диаграмме напряжений.

Далее происходит преобразование полученного с электрокардиографа аналогового сигнала в 12-ти разрядный цифровой код и последующая его передача в ПК через последовательный интерфейс.

По окончании регистрации 120 квантованных величин напряжения (точек на временной диаграмме напряжений), программа обнуляет счетчик циклов и продолжает свою работу.

В связи с тем, что процесс преобразования аналогового сигнала АЦП и передача цифрового кода на ПК занимает порядка 3 мс, была создана дополнительная задержка в 35 мс.

На заключительном этапе сопряжения электрокардиографа с ПК, необходимо было создать терминал (программа визуализации), принимающий и обрабатывающий цифровой код со стенда SDK-1.1/S. Результатом работы данного терминала является визуализация переданного на ПК ЭКГ-сигнала.

В качестве программной среды для создания данного терминала был выбран Delphi 7.0.

 

 

 

Рис. 14. Блок-схема работы терминала.

 

 

Поскольку АЦП 12-разрядный, то для передачи 12-разрядного кода, необходимо переслать его значения в двух байтах. То есть, терминал принимает 2 байта составными частями одного двухбайтового кода. Первым приходит старший байт, он сдвигается на 8 позиций (разрядов) влево, далее к получившемуся двухбайтовому числу прибавляется младший байт. Таким образом, удается восстановить 12-разрядный код (значение напряжения) на входе АЦП микропроцессорного стенда. У получившегося кода 4 старших разряда всегда равны нулю, поскольку это 13, 14, 15, 16 разряды двухбайтовой переменной, у которой задействованы только младшие 12 бит. Далее двоичный код переводится в десятичный, при этом его необходимо умножить на дробь , с целью восстановления исходного значения напряжения.

Числитель дроби означает, что максимальная величина измеряемого напряжения равна 5 вольтам, а знаменатель – количество возможных состояний 12-разрядного двоичного числа. Например, код 111111111111 означает, что на входе АЦП подано 5 вольт.

Каждая квантованная величина напряжения пересылается тремя байтами. Первый байт – служебный байт, а оставшиеся два байта кодируют квантованную величину напряжения.

4. Описание электрокардиографа Schiller AT-101

4.1. Основные технические характеристики прибора

Schiller AT-101 - 3-канальный портативный электрокардиограф с синхронной регистрацией 12 отведений. Прибор предназначен для эксплуатации в условиях неотложной помощи, а также в стационарных условиях лечебно-профилактических учреждений. Внешний вид прибора изображен на рисунке 15.

Рис. 15.Электрокардиограф Schiller AT-101.

 

Основные технические характеристики электрокардиографа Schiller AT-101 приведены ниже:

· Размеры: 290×198×76 мм, масса – 2.6 кг.

· Отведения, регистрируемые электрокардиографом: I; II; III;αVR; αVL; αVF; V и D, A, I по Нэбу.

· Чувствительность ξ: 5, 10, 20 мм/мВ.

· Скорость подачи бумаги V: 5, 10, 25 и 50 мм/с.

 

Стандартные характеристики:

· буквенно-цифровая клавиатура и выделенные функциональные клавиши для простого удобного управления;

· встроенный высококачественный термопринтер с различными опциями формата печати, определяемые пользователем;

· измерения и усредненные циклы с возможностью автоматической и ручной распечатки регистрации.

 

Дополнительные возможности:

· внешний принтер;

· интерпретация ЭКГ;

· память на 40 регистраций;

· передача данных в ПК.

Кабель отведений предназначен для подключения электродов, наложенных на тело пациента, к электрокардиографу. Кабель отведений состоит из десяти проводов, соответствующих числу электродов и оканчивающихся штырями. Биоэлектрические сигналы через кабель отведений подаются на вход усилительного блока электрокардиографа.

Все электродные провода имеют цветокодировку; нужно следовать руководству для снятия ЭКГ в тех или иных отведениях, чтобы соединить каждый провод с соответствующим электродом.

Электроды, накладываемые на конечности, представляют собой клипсы, для монтажа которых не требуется больших усилий. Грудные электроды выполнены в грушевидном исполнении. Всего в комплекте кардиографа 4 электрода на конечности и 6 грудных.

Для уменьшения сопротивления кожи человека следует использовать контактный высокопроводящий гель. Слой геля наносится на кожу в месте наложения электрода.

Электрокардиограф может работать как от сети, так и от встроенного аккумулятора. Встроенный аккумулятор гарантирует до 3 часов работы.

 

 

4.2. Структурная схема и основные элементы

Рис.16. Блок-схема типичного клинического электрокардиографа.

Схема защиты. Эта схема обеспечивает защиту входных цепей электрокардиографа от высоких напряжений.

Коммутатор отведений. Все электроды подключаются к усилителю через коммутатор отведений, который выбирает два электрода либо электрод и псевдоэлектрод, подключаемые к входам каждого канала усиления. Псевдоэлектроды, такие как объединенный электрод Вильсона, также формируются в этом блоке. Коммутатором отведений управляет оператор либо микроконтроллер. В автоматическом режиме каждое из 12 отведений записывается в течение небольшого времени, например 10 секунд.

Калибратор. Калибровочный сигнал с амплитудой 1 мВ может быть временно подключен к входу электрокардиографа для его проверки.

Предусилитель. Осуществляет начальное усиление сигнала ЭКГ. Должен иметь очень большое входное сопротивление и КОСС. Обычно используется инструментальный усилитель. Часто имеет переключаемый коэффициент усиления.

Блок изоляции. Формирует гальванический барьер между цепями, присоединенными к пациенту, и остальной частью схемы. Даже если на пациента случайно будет подано сетевое напряжение, гальванический барьер предотвращает протекание опасного тока на землю самописца или компьютера.

Схема компенсации синфазной помехи. Электрод RL подключается либо к земле усилителя, либо к схеме компенсации помехи.

Выходной усилитель мощности. Усиливает ЭКГ до входного уровня самописца. Часто позволяет добавлять постоянное смещение на выходе, чтобы управлять положением записи на бумаге.

Блок памяти. Многие современные электрокардиографы не только записывают ЭКГ на бумаге, но и сохраняют в памяти. Для этого сигнал подается на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), и цифровые отсчеты заносятся в память. Вместе с ними сохраняется информация о пациенте, введенная с клавиатуры. Все это происходит под управлением микроконтроллера.

Микроконтроллер. Управляет работой электрокардиографа в целом. Когда оператор выбирает тот или иной режим работы, вызывается соответствующая программа. Например, можно заставить прибор записать три 10-секундных фрагмента шести фронтальных отведений, а затем три 10-секундных фрагмента шести грудных отведений. В некоторых электрокардиографах микроконтроллер осуществляет также анализ ЭКГ: определение частоты сердечных сокращений, распознавание определенных аритмий, определение электрических осей зубцов ЭКГ и временных интервалов между зубцами.

Самописец или принтер. Осуществляет запись или распечатку ЭКГ на бумаге. Также распечатывает имя пациента, другую информацию, введенную оператором, и результаты автоматического анализа ЭКГ. В прошлом использовались аналоговые самописцы, современные приборы используют термопечать или электростатические принтеры, в которых единственным механическим узлом является подача бумаги, а печатающая головка неподвижна.

Электроды для снятия биопотенциалов с поверхности тела представляют собой токопроводящие (обычно металлические) круглые или прямоугольные пластинки небольшой площади. Электроды укрепляются на теле с помощью клипс или резиновыми присосками. Для уменьшения сопротивления кожи человека используют электродный контактный гель с высокой электропроводностью.

Все электроды подключаются к усилителю через коммутатор отведений, который выбирает два электрода либо электрод и псевдоэлектрод, подключаемые к входам каждого канала усиления. Псевдоэлектроды, такие как объединенный электрод Вильсона, также формируются в этом блоке.

Система усиления биопотенциалов (включающая предусилитель и усилитель мощности) должна обеспечивать без существенных искажений усиление снимаемых с электродов биопотенциалов для их последующей регистрации.

С выхода усилителя усиленные биопотенциалы поступают на регистрирующее устройство. С помощью регистратора биопотенциалы представляются в виде записанной тем или иным образом кривой, которая может быть подвергнута последующему анализу. Наибольшее распространение получили чернильная и тепловая запись.

Для получения графической зависимости изменений биопотенциалов во времени бумажная лента должна протягиваться с постоянной скоростью. Такое протягивание обеспечивается лентопротяжным механизмом с электроприводом. Скорость протягивания определяется частотным спектром биопотенциалов и обычно составляет 25 и 50 мм/с.

Все большее значение сейчас начинают играть цифровые способы записи информации. При этом роль регистратора выполняет электронная память компьютера или самого электрокардиографа. Для этого сигнал усилителя преобразуется в цифровой код. Частота дискретизации берется такой, чтобы по мгновенным выборкам напряжения можно было бы восстановить форму интересующих кривых изменения потенциала. При таком подходе к выходу усилителя биопотенциалов подключается аналого-цифровой преобразователь. Его сигналы записываются в память кардиографа и через соответствующий интерфейс могут быть переданы в память компьютера. Из нее информация может быть выведена на экран монитора или подвергнута соответствующей обработке.