Создание и исследование компьютерного электрокардиографа

Рейтинг:  4 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда не активна
 

Выпускная квалификационная работа

 

Создание и исследование компьютерного электрокардиографа

 

Выполнил: Ирниденко А. И.

 

 

Содержание
Введение
Глава 1. Основы электрокардиографии
Глава 2. Конструкционные особенности самодельного электрокардиографа
Глава 3. Сравнительное снятие ЭКГ самодельным прибором и аппаратом АКСИОН
Заключение
Список литературы
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4

Введение

 

Электрокардиография (ЭКГ) является одним из ведущих методов инструментального исследования сердечно-сосудистой системы, который остается наиболее распространенным и доступным для широкого круга людей. В основе этой методики лежит регистрация биопотенциалов, возникающих в сердце. Несмотря на достаточную сложность интерпретации информации, получаемой с помощью ЭКГ, есть достаточно простые методики, позволяющие по биоэлектрической активности сердца оценить состояние не только сердечно-сосудистой системы (ССС), но и организма в целом. Последние достижения в области регистрации и обработки данных позволяют выводить результаты исследования в очень удобной форме, вплоть до готового диагноза. Но готовые заводские приборы очень дороги, и стоимость самой простой приставки для ПК редко бывает ниже 10000 рублей.
Цель данной работы - создание аппарата ЭКГ, который бы отличался простотой электрической схемы и относительно низкой себестоимостью. Данные должны поступать на ПК для визуализации и последующей обработки.

 

Глава 1.

 

Основы электрокардиографии

 

Регистрация электрической активности органов стала возможной лишь после создания соответствующих усилительных устройств. Наиболее просто, оказалось, регистрировать электрические потенциалы сердца, возникающие при сокращении сердечной мышцы (миокарда). Установление зависимости между электрической активностью сердца и его функциональным состоянием открыло новые возможности для диагностики заболеваний ССС. Анализируя направление и скорость распространения волн поляризации в сердце, оказалось возможным определять не только его функциональное состояние, но выявлять очаги повреждений миокарда.

SozdanieElektrokardiografa1

рисунок № 1

 

В основе возникновения электрических явлений в сердце лежит движение ионов калия, натрия, кальция, хлора и других через мембрану мышечной клетки. Электродвижущую силу (ЭДС) любого источника тока (одиночного мышечного волокна или целого сердца) можно зарегистрировать, устанавливая электроды не только на поверхности возбудимой ткани, но и в проводящей среде, окружающей источник. Это возможно благодаря существованию вокруг каждого источника тока электрического поля (рис. 1). Диполь создает в окружающей его среде электрическое поле, силовые линии которого идут от положительного к отрицательному заряду диполя. По нормали к ним располагаются изопотенциальные линии с одинаковым положительным или отрицательным потенциалом. На границе между положительной и отрицательной половинами электрического поля располагается линия нулевого потенциала.
Помещая электроды в любые точки электрического поля, можно зарегистрировать разность потенциалов, несущую определенную информацию об ЭДС источника тока. Следует подчеркнуть, что основные закономерности формирования электрограммы, присущие одиночному мышечному волокну, остаются справедливыми и для электрического поля источника тока в целом и для формирования ЭКГ. Это означает, что конфигурация ЭКГ, прежде всего, будет зависеть от направления вектора диполя по отношению к электродам отведения, точнее по отношению к направлению оси электрокардиографического отведения.
Оси электрокардиографических отведений могут располагаться в электрическом поле не только параллельно и перпендикулярно направлению диполя (см. позиции электродов 1, 3, 5 и 7 на рис. 1, но и под некоторым углом к нему (см. позиции электродов 2, 4, 6 и 8). Чтобы в этих случаях определить величину и конфигурацию электрокардиографических комплексов, необходимо воспользоваться хорошо известным из курса физики правилом разложения векторов.
Например, нас интересует, как будет выглядеть ЭКГ, зарегистрированная с помощью отведения с положительным электродом, установленным в позиции 8 на рис. 1. Для этого достаточно из конца реального вектора источника тока провести перпендикуляр к оси электрокардиографического отведения 8 и получить проекцию источника тока на ось данного отведения. Поэтому суммарная электрическая активность, зарегистрированная в этом отведении, окажется положительной, и основным отклонением на ЭКГ будет положительный зубец R несколько меньшей амплитуды, чем при расположении электрода в позиции 1, совпадающий с направлением реального вектора .
Наоборот, в отведении, записанном с помощью положительного электрода, установленного в позиции 4, вектор проецируется на отрицательную половину оси отведения. Поэтому основным отклонением на ЭКГ является отрицательный зубец S. Аналогичным способом можно определить конфигурацию электрокардиографических комплексов при любом другом расположении электродов (рис. 1).
Во время сокращения сердечной мышцы происходит одновременно возбуждение многих участков миокарда, причем направление векторов деполяризации и реполяризации в каждом из этих участков может быть различным и даже прямо противоположным. При этом электрокардиограф записывает некоторую суммарную, или результирующую, ЭДС сердца для данного момента возбуждения. Вектор сердца движется в грудной клетке в трехмерном пространстве во фронтальной, горизонтальной и сагиттальной плоскостях. Изменения вектора в указанных плоскостях находят наибольшее отражение при записи ЭКГ в ортогональных отведениях, о которых сказано ниже. По общепринятым отведениям от конечностей можно проанализировать проекцию вектора сердца на фронтальную плоскость, а по грудным отведениям - на горизонтальную плоскость. Наибольшее практическое значение имеет оценка направления вектора во фронтальной плоскости.
Следует также отметить, что существенное влияние на амплитуду электрокардиографических зубцов оказывает также расстояние от исследующего электрода до источника тока. Величина зубцов ЭКГ обратно пропорциональна квадрату расстояния от электрода до источника тока. Это означает, что чем дальше расположен электрод от источника электрического поля, тем меньше амплитуда зубцов комплексов электрокардиограммы. Однако при удалении электродов более чем на 12 см от сердца дальнейшее изменение амплитуды зубцов оказывается ничтожным. Сейчас наиболее распространены отведения от различных участков поверхности тела. Эти отведения называются поверхностными. При регистрации ЭКГ обычно используют 12 общепринятых отведений 6 от конечностей и 6 грудных. Стандартные двухполюсные отведения, предложенные в 1913 г. Эйнтховеном, фиксируют разность потенциалов между двумя точками электрического поля, удаленными от сердца и расположенными во фронтальной плоскости - на конечностях. Для записи этих отведений электроды накладывают на правой руке (красная маркировка), левой руке (желтая маркировка) и на левой ноге (зеленая маркировка) (рис. 2). Эти электроды попарно подключаются к электрокардиографу для регистрации каждого из трех стандартных отведений. Четвертый электрод устанавливается на правую ногу для подключения заземляющего провода (черная маркировка).
Гипотетическая линия, соединяющая два электрода, участвующие в образовании электрокардиографического отведения, называется осью отведения. Осями стандартных отведений являются стороны треугольника Эйнтховена (рис. 2). Перпендикуляры, проведенные из центра сердца, т. е. из места расположения единого сердечного диполя, к оси каждого стандартного отведения, делят каждую ось на две равные части: положительную, обращенную в сторону положительного (активного) электрода (+) отведения, и отрицательную, обращенную к отрицательному электроду (-). Если сердца в какой-либо момент сердечного цикла проецируется на положительную часть оси отведения, на ЭКГ записывается положительное отклонение (положительные зубцы R, Т, Р) Если сердца проецируется на отрицательную часть оси отведения, на ЭКГ регистрируются отрицательные отклонения (зубцы Q, S, иногда отрицательные зубцы Т или даже Р).

SozdanieElektrokardiografa2

рисунок № 2

 

Для облегчения анализа ЭКГ, зарегистрированных в стандартных отведениях, и ускорения операции разложения вектора сердца в электрокардиографии принято несколько смещать оси этих отведении, как это показано на рис. 4, и проводить их через электрический центр сердца. Получается удобная для дальнейшего анализа трехосевая система координат, в которой угол между осью каждого отведения составляет, как и в традиционном треугольнике Эйнтховена, 60°. Такое небольшое смещение осей стандартных отведений вполне правомочно, так как при перемещении осей параллельно их первоначальному расположению проекция на них сердечного вектора не изменяется.
Усиленные отведения от конечностей были предложены Гольдбергером в 1942 году. Они регистрируют разность потенциалов между одной из конечностей, на которой установлен активный положительный электрод данного отведения (правая рука, левая рука или левая нога), и средним потенциалом двух других конечностей. Таким образом, в качестве отрицательного электрода в этих отведениях используют так называемый объединенный электрод Гольдбергера, который образуется при соединении через дополнительное сопротивление двух конечностей.
Обозначение усиленных отведений от конечностей происходит от первых букв английских слов а - augmented (усиленный), V-voltage (потенциал), R-right (правый), L-left (левый), F-foot (нога).
Как видно на рис. 3, оси усиленных однополюсных отведений от конечностей получают, соединяя электрический центр сердца с местом наложения активного электрода данного отведения, т. е. фактически с одной из вершин треугольника Эйнтховена.
Электрический центр сердца как бы делит оси этих отведений на две равные части положительную, обращенную к активному электроду, и отрицательную, обращенную к объединенному электроду Гольдбергера.
Усиленные отведения от конечностей находятся в определенном соотношении со стандартными. Так отведение aVL в норме имеет сходство с I отведением, а aVR с перевернутым II отведением, aVF сходство с II и III отведениями.
Для более точного и наглядного определения различных отклонений сердца в этой фронтальной плоскости, в частности для определения положения электрической оси сердца, в 1943 году была предложена шестиосевая система координат Бейли. Она получается при совмещении осей трех стандартных и трех усиленных отведений от конечностей, проведенных через электрический центр сердца. Последний делит ось каждого отведения на положительную и отрицательную части, обращенные соответственно к активному (положительному) или к отрицательному электроду (рис. 5).
Электрокардиографические отклонения в разных отведениях от конечностей можно рассматривать как различные проекции одной и той же сердца на оси данных отведении. Поэтому, сопоставляя амплитуду и полярность электрокардиографических комплексов в различных отведениях, входящих в состав шестиосевой системы координат, можно достаточно точно определять величину и направление вектора сердца во фронтальной плоскости.
Направление осей отведении принято определять в градусах. За начало отсчета (0°) условно принимается радиус, проведенный строго горизонтально из электрического центра сердца влево по направлению к активному положительному полюсу I стандартного отведения. Положительный полюс II стандартного отведения расположен под углом +60°, отведения aVF-под углом +90°, III стандартного отведения-под углом +120°, aVL-под углом ≈30°, a aVR-под углом ≈150°. Ось отведения aVL перпендикулярна оси II стандартного отведения, ось I стандартного отведения перпендикулярна оси aVF, а ось aVR перпендикулярна оси III стандартного отведения.
Грудные однополюсные отведения, предложенные Вильсоном в 1934 г, регистрируют разность потенциалов между активным положительным электродом, установленным в определенных точках на поверхности грудной клетки, и отрицательным объединенным электродом Вильсона.
Последний образуется при соединении через дополнительные сопротивления трех конечностей (правой руки, левой руки и левой ноги), объединенный потенциал которых близок к нулю (около 0,2 мВ).

SozdanieElektrokardiografa3

рисунок № 3

SozdanieElektrokardiografa4

рисунок № 4

 

Обычно для записи ЭКГ используют 6 общепринятых позиций грудного электрода на передней и боковой поверхности грудной клетки, которые в сочетании с объединенным электродом Вильсона образуют 6 грудных отведений (рис. 6). Грудные отведения обозначаются заглавной латинской буквой V (потенциал, напряжение) с добавлением номера позиции активного положительного электрода, обозначенного арабскими цифрами.
Отведение V1 - активный электрод установлен в четвертом межреберье по правому краю грудины.
Отведение V2 - активный электрод расположен в четвертом межреберье по левому краю грудины.
Отведение V3 - активный электрод находится между второй и четвертой позицией, примерно на уровне четвертого ребра по левой парастернальной линии.
Отведение V4 - активный электрод установлен в пятом межреберье по левой срединно-ключичной линии.
Отведение V5 - активный электрод расположен на том же горизонтальном уровне, что и V4 по левой передней подмышечной линии.
Отведение V6 - активный электрод находится по левой средней подмышечной линии на том же горизонтальном уровне, что и электроды отведении V4 и V6.

SozdanieElektrokardiografa5

рисунок № 5

 

В отличие от стандартных и усиленных отведении от конечностей грудные отведения регистрируют изменения ЭДС сердца преимущественно в горизонтальной плоскости. Как показано на рис. 5, ось каждого грудного отведения образована линией, соединяющей электрический центр сердца с местом расположения активного электрода на грудной клетке. На рисунке видно, что оси отведении V1 и V5, а также V2 и V6 оказываются приблизительно перпендикулярными друг другу.
Иногда используют и другие отведения, что расширяет диагностическую ценность электрокардиографического метода.
Компоненты ЭКГ и их нормальные величины приведены на рис. 6.

SozdanieElektrokardiografa6

рисунок № 6

 

Расшифровку ЭКГ обычно производят в следующей последовательности:
I. Анализ сердечного ритма и проводимости:
1)оценка регулярности сердечных сокращений,
2) подсчет числа сердечных сокращении,
3) определение источника возбуждения,
4) оценка функции проводимости.
II. Определение поворотов сердца вокруг переднезадней продольной и поперечной осей:
1) определение положения электрической оси сердца во фронтальной плоскости,
2) определение поворотов сердца вокруг продольной оси,
3) определение поворотов сердца вокруг поперечной оси.
III Анализ предсердного зубца Р.
IV Анализ желудочкового комплекса QRST:
1) анализ комплекса QRS,
2) анализ сегмента RS-Т,
3) анализ зубца Т,
4) анализ интервала Q-Т.
V. Электрокардиографическое заключение.
В заключении указывается:
1) Источник ритма сердца,
2) регулярность ритма,
3) ЧСС,
4) положение электрической оси сердца,
5) наличие ЭКГ синдромов.


Ниже приведены некоторые сведения по расчету частоты сердечных сокращений (ЧСС) и ее регулярности, а также методики определения положения электрической оси сердца.
Ритм считается регулярным или правильным в том случае, если разброс величин измеренных интервалов R-R не превышает 10% от средней продолжительности интервалов R-R. В противном случае считается, что ритм нарушен, иными словами наблюдается аритмия.
Подсчет ЧСС производится с помощью различных методик, выбор которых зависит от регулярности ритма сердца. При правильном ритме ЧСС определяют по формуле: ЧСС=60/R-R, где 60-число секунд в минуте, R-R - длительность интервала, выраженная в секундах. Гораздо удобнее определять ЧСС с помощью специальных таблиц, в которых каждому значению интервала R-R соответствует заранее вычисленное ЧСС, как показано в Таблице 1. При неправильном ритме ЭКГ в одном из отведений (наиболее часто во II стандартном отведении) записывается дольше, чем обычно, например в течение 3-4 с. Затем подсчитывают число комплексов QRS, зарегистрированных за 3 с, и полученный результат умножают на 20. При неправильном ритме можно ограничиться также определением минимальной и максимальной ЧСС. Минимальная ЧСС определяется по продолжительности наибольшего интервала R-R, а максимальная ЧСС - по наименьшему интервалу R-R. Расчет ЧСС производится по формуле: ЧСС=60/R-R, или по Таблица 1. У здорового человека в покое ЧСС составляет от 60 до 90 в минуту. Повышение ЧСС (более 90 в минуту) называют тахикардией, а урежение (менее 60 в минуту) - брадикардией. У детей ЧСС выше, например у новорожденного она составляет 120-140 уд./м., в возрасте 3-х лет около 105 уд. м., а в возрасте 12-ти лет 80 уд./м.
Нормальные значения длительности интервалов сердечного цикла в зависимости от ЧСС приведены в таблицах 1-4.

 

Таблица 1. Зависимость ЧСС от длительности интервала R-R

Длительность интервала R-R ЧСС в минуту Длительность интервала R-R ЧСС в минуту
1,5 40 0,85 70
1,4 43 0,8 75
1,3 46 0,75 80
1,25 48 0,7 86
1,2 50 0,65 92
1,15 52 0,6 100
1,1 54 0,55 109
1,05 57 0,5 120
1 60 0,45 133
0,95 63 0,4 150
0,9 66 0,35 172

 

  • Таблица 2. Минимальная и максимальная длительность интервала Q-T при различной ЧСС
ЧСС, уд./мин. Длительность интервалаQ-T, с ЧСС, уд./мин. Длительность интервалаQ-T, с ЧСС, уд./мин. Длительность интервалаQ-T, с
40-41 0,42-0,51 66-67 0,33-0,40 101-104 0,27-0,32
42-44 0,41-0,50 68-69 0,33-0,39 105-106 0,26-0,32
45-46 0,40-0,48 70-71 0,32-0,39 107-113 0,26-0,31
47-48 0,39-0,47 72-75 0,32-0,38 114-121 0,25-0,30
49-51 0,38-0,46 76-79 0,31-0,37 122-130 0,24-0,29
52-53 0,37-0,45 80-83 0,30-0,36 131-133 0,24-0,28
54-55 0,37-0,44 84-88 0,30-0,35 134-139 0,23-0,28
56-58 0,36-0,43 89-90 0,29-0,34 140-145 0,23-0,27
59-61 0,35-0,42 91-94 0,28-0,34 146-150 0,22-0,27
62-63 0,34-0,41 95-97 0,28-0,33 151-160 0,22-0,26
64-65 0,34-0,40 98-100 0,27-0,33    

 

Таблица 3. Максимальная нормальная продолжительность интервала P-Q в зависимости от ЧСС

ЧСС, уд./мин. Продолжительность интервала, с ЧСС, уд./мин. Продолжительность интервала, с
40 0,2 90 0,145
50 0,19 100 0,135
60 0,175 110 0,13
70 0,16 120 0,125
80 0,15 130-160 0,12

 

Таблица 4. Максимальная длительность интервала Q-U в норме при различной ЧСС.

ЧСС, уд/мин Длительность интервала Q-U, с ЧСС, уд/мин Длительность интервала Q-U, с
апр.35 0,75 98-100 0,51
36-37 0,74 101-102 0,5
38-40 0,73 103-105 0,49
41-43 0,72 106-108 0,48
44-45 0,71 109-110 0,47
46-48 0,7 111-113 0,46
49-51 0,69 114-116 0,45
52-54 0,68 117-118 0,44
55-56 0,67 119-121 0,43
57-59 0,66 122-124 0,42
60 62 0,65 125-127 0,41
63-64 0,64 128-129 0,4
65-67 0,63 130-132 0,39
68-70 0,62 133-135 0,38
71-72 0,61 136-137 0,37
73-75 0,6 138-140 0,36
76-78 0,59 141-143 0,35
79-81 0,58 144-145 0,34
82-83 0,57 146-148 0,33
84-86 0,56 149-151 0,32
87-89 0,55 152-154 0,31
90-91 0,54 155-156 0,3
92-94 0,53 157-159 0,29
95-97 0,52 160-162 0,28

 

Определение положения электрической оси сердца может производиться графическим методом или с помощью специальных таблиц и диаграмм.
Как уже указывалось выше, электрической осью сердца (A QRS) называют среднее направление суммарного вектора возбуждения желудочков. Положение электрической оси дает представление о положении сердца в грудной клетке. Кроме того, изменение положения электрической оси сердца является диагностическим признаком ряда патологических состояний. Поэтому регулярная оценка этого показателя имеет важное практическое значение. Положение электрической оси сердца может также меняться с возрастом и при определенных механических воздействиях (например, после обильного приема пищи),
Наиболее важна оценка положения оси сердца во фронтальной плоскости, которое определяют по соотношению величин положительных и отрицательных зубцов комплекса QRS в отведениях от конечностей.

 

Электрическую ось сердца выражают в градусах угла а, образованного в шестиосевой системе координат этой осью и осью I отведения, которая соответствует 0° (рис. 7).

SozdanieElektrokardiografa7

рисунок № 7

 

Для практической работы более удобно визуальное определение угла а, которое позволяет быстро и достаточно точно определить положение электрической оси сердца. Для визуального определения величины угла а. оценивают соотношение амплитуд положительных и отрицательных зубцов комплекса QRS во всех отведениях от конечностей. При расширении комплекса QRS учитывают не только амплитуду, но и площадь зубцов, которую можно измерять в мм2 (количество маленьких клеточек сетки, содержащихся в пределах зубца). Учитывают алгебраическую сумму величин положительных и отрицательных зубцов. В том отведении, ось которого соответствует (параллельна) электрической оси сердца, эта сумма будет наибольшей.

 

Ось отведения, в котором алгебраическая сумма положительных и отрицательных зубцов равна нулю (R = S или R = Q + S), перпендикулярна электрической оси сердца. Это отведение называется нулевым.

Для визуального определения угла а, необходимо представлять себе, какую форму имеет комплекс QRS в отведениях от конечностей при различных положениях электрической оси сердца (таблица 5).

 

Таблица № 5

SozdanieElektrokardiografa8

 

У здоровых людей электрическая ось сердца располагается обычно в пределах от 0° до +90°, хотя в отдельных случаях может выходить за эти пределы. Положение электрической оси в пределах от +30° до +69° называется нормальным.
Если A QRS=60°, то зубец R имеет наибольшую амплитуду во II отведении, ось которого соответствует оси сердца. В отведении aVL, ось которого перпендикулярна этому направлению, зубец R будет наименьшим и равным по амплитуде или по площади зубцу S. Следовательно, при QRS =60° нулевым отведением будет aVL (см. таблица 5).
Если электрическая ось сердца смещена влево от нормальной и расположена в сегменте от 0° до +29°, зубец R имеет наибольшую величину в I отведении; в III отведении при этом выявляется глубокий зубец S. Нулевым отведением при данном положении оси будет aVL, ось которого перпендикулярна I отведению.
При вертикальном положении электрической оси сердца (A QRS = + 70° - +90°) отмечается высокий зубец R в от ведениях aVF, II и III и глубокий зубец S в aVL. При A QRS, равном +90°, нулевым будет I отведение.
Еще более выраженное отклонение электрической оси сердца вправо обычно указывает на патологические изменения миокарда. При A QRS, равном +120°, зубец R имеет наибольшую величину в III отведении, а в I отведении имеет место комплекс типа RS. Нулевым отведением будет aVR.
При отклонении электрической оси сердца влево имеет место высокий зубец R в отведениях aVL и I и глубокий зубец S в отведениях III, II и aVF. При A QRS> -30° зубец SII>RII.
Таким образом, для визуального определения положения электрической оси сердца следует выяснить, в каком из отведении от конечностей алгебраическая сумма положительных и отрицательных зубцов комплекса QRS является наибольшей. Положение оси этого отведения в шестиосевой системе примерно соответствует положению электрической оси сердца. Еще проще выявить нулевое отведение, ось которого перпендикулярна оси сердца.
С помощью описанного метода можно с точностью до 5° определить положение оси сердца во фронтальной плоскости.
Оценка положения электрической оси сердца затруднена при повороте сердца в сагиттальной плоскости верхушкой назад, когда в отведениях I, II и III имеется выраженный зубец S.
Для определения положения вектора QRS в горизонтальной плоскости нужно оценить соотношение зубцов R и S в грудных отведениях. В норме в отведении V1 зубец r имеет наименьшую амплитуду, и главным зубцом является S. В отведениях V2 - V4 амплитуда зубца R постепенно возрастает, а зубца S - уменьшается. В отведении V4 (значительно реже - в V5) зубец R имеет максимальную высоту. В отведениях V5-V6 зубец S обычно исчезает, и регистрируется комплекс типа R или QR, причем амплитуда зубца R несколько уменьшается по сравнению с его амплитудой в отведении V4. В одном из грудных отведений зубцы R и S имеют одинаковую амплитуду. Эта точка соответствует так называемой переходной зоне. В районе переходной зоны потенциалы миокарда правого и левого желудочков равны. Обычно эта зона соответствует проекции межжелудочковой перегородки на переднюю грудную стенку. В норме переходная зона, как правило, расположена в районе между V2 и V4, чаще в V5. Если переходная зона находится правее точки V2, говорят о сдвиге ее вправо, а если она находится левее позиции V4- о сдвиге влево. Смещение переходной зоны влево (в область V5) может иметь место при вертикальном положении сердца, повороте последнего вокруг продольной оси по часовой стрелке (правым желудочком вперед) и при гипертрофии правого желудочка; сдвиг переходной зоны вправо (по направлению к V1) может указывать на горизонтальное положение сердца, поворот вокруг продольной оси левым желудочком вперед или гипертрофию левого желудочка.

SozdanieElektrokardiografa9

рисунок № 8

 

Более точно определить положение электрической оси сердца можно графическим методом. Для этого достаточно вычислить алгебраическую сумму амплитуд зубцов комплекса QRS в любых двух отведениях от конечностей, оси которых расположены во фронтальной плоскости. Обычно для этой цели используют I и III стандартные отведения (рис. 8). Положительная или отрицательная величина алгебраической суммы зубцов QRS в произвольно выбранном масштабе откладывается на положительную или отрицательную часть оси соответствующего отведения в шестиосевой системе координат Бейли.

 

Глава 2

 

Конструкционные особенности самодельного электрокардиографа.

Схема прибора для измерения биопотенциалов сердца приведена в Приложении 1. Он позволяет поочередно регистрировать до семи ЭКГ отведений (шесть отведений от конечностей и одно грудное).
Прибор содержит усилитель биопотенциалов и коммутатор ЭКГ отведений с электронным управлением. Усилитель (рис.9) выполнен на двух ОУ AD705J и AD620, включенных по схеме предложенной производителем (Прил. 2) с небольшими изменениями.

SozdanieElektrokardiografa10

рисунок № 9

 

Входной коммутатор обеспечивает прохождение биопотенциалов сердца на вход усилителя в соответствии с выбранным ЭКГ отведением.
Микросхема AD705J служит для создания «плавающей земли» электрода заземления, что позволяет уменьшить дрейф нуля при плохом контакте электродов с кожей.
При нулевом отведении на вход усилителя биопотенциалов поступает контрольный калибровочный сигнал (1мВ) с генератора на DD3 через резистивный делитель R12R13.
Переключение между ЭКГ отведениями производится либо вручную, при нажатии на кнопку SB1, либо автоматически с интервалом несколько секунд, при замыкании переключателя SA1, который запускает 2-х каскадный счетчик DD4. 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.
Коммутатор (рис.10) выполнен на герконовых реле К1-К9, сигналы управляющие их работой формируются микросхемой ППЗУ DD4, в соответствии с кодом, поступающим с выводов 11-14 счетчика DD2.2. Дешифратор DD2 преобразует выходной код счетчика в сигналы управления семисегментным индикатором, служащим для отображения номера выбранного ЭКГ отведения. При выходном коде счетчика DD2.2 , соответствующему восьмому отведению, входы усилителя DA1 заземляются. В таблице (Прил. 3) приведена прошивка ППЗУ К155РЕ3, соответствующая описанной логике работы.

SozdanieElektrokardiografa11

рисунок № 10

 

К прибору может быть подключено до пяти электродов (трех для отведений от конечностей, одного для грудных отведений и одного заземляющего).
Блок питания (рис.11) состоит из двух понижающих трансформаторов, и двух преобразователей напряжения: однополярного (+5В и +12В) и двух полярного (±5В и ±15В).

SozdanieElektrokardiografa12

рисунок № 11

 

Конструктивно усилитель биопотенциалов и коммутатор выполнены на двух печатных платах. Электроды соединяются с входом прибора с помощью экранированного провода длиной около двух метров. Во избежание поражения электрическим током в приборе необходимо предусмотреть надежную защиту, исключающую попадание напряжения на входные электроды. Категорически запрещается подключение прибора к устройствам с сетевым питанием без гальванического разделения.

 

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.
Обычно для вывода кривой кардиосигнала используются самописцы. В нашем случае сигнал будет поступать на АЦП, собранный на микроконтроллере PIC16F876A. Прошивка и схема программатора приведены в Приложении 4.
Микроконтроллер содержит 5 каналов 10 разрядного АЦП. В этом приборе задействован только один. Остальные при желании можно использовать для оцифровки практически любой информации, преобразованной в электрические сигналы (температура, давление, напряжение и т.д.).
Так же в схеме предусмотрены цифровые выходы, управляемые через ПК, к которым можно подключить реле или индикатор.
Ширина диапазона АЦП равна 10 В, при желании её можно поменять, изменив номиналы делителя на входе согласно формуле:

SozdanieElektrokardiografa13

 

SozdanieElektrokardiografa14

рисунок № 12

 

АЦП гальванически развязан от компьютера при помощи оптопары TLP521-2. Это сделано для того, чтобы не допустить сетевое напряжение 110 В, которое может быть на корпусе компьютера при отсутствии заземления блока питания. Несмотря на то ,что такой способ соединения не очень удачен (лучше использовать специальную микросхему MAX232 для согласования уровней сигналов АЦП и порта RS-232), опытное сравнение схем не выявило каких либо негативных последствий такой замены.
В качестве ПО для обработки сигналов устройства была использована программа УМ-АЦП2, свободно распространяемая на сайте http://www.labkit.ru. Там же размещены и схемы АЦП.
Внешний вид программы УМ-АЦП2 представлен на рис.12

 

SozdanieElektrokardiografa15

рисунок № 13

 

В программе предусмотрены настройки отображения и сигнализации:

SozdanieElektrokardiografa16

рисунок № 14

 

Глава 3

 

Сравнительное снятие ЭКГ самодельным прибором и аппаратом АКСИОН

 

Изготовленный прибор будет сравниваться с аппаратом ЭК1Т-1/3-07 АКСИОН.
Технические характеристики электрокардиографов в таблицах 5 и 6.

 

Таблица 5. Технические характеристики электрокардиографа портативногоЭК1Т-1/3-07

SozdanieElektrokardiografa17

Таблица 6. Технические характеристики электрокардиографа ЭК-К - 1

SozdanieElektrokardiografa18

 

Были произведены измерения ЭКГ пациента в шести основных отведениях и одном грудном (V4) на данных приборах. Результаты измерений на рисунках 15 - 28.

SozdanieElektrokardiografa19

рисунок № 15

SozdanieElektrokardiografa20
рисунок № 16

SozdanieElektrokardiografa21
рисунок № 17

SozdanieElektrokardiografa22
рисунок № 18

SozdanieElektrokardiografa23
рисунок № 19

SozdanieElektrokardiografa24
рисунок № 20

SozdanieElektrokardiografa25
рисунок № 21

SozdanieElektrokardiografa26
рисунок № 22

SozdanieElektrokardiografa27
рисунок № 23

SozdanieElektrokardiografa28
рисунок № 24

SozdanieElektrokardiografa29
рисунок № 25

SozdanieElektrokardiografa30
рисунок № 26

SozdanieElektrokardiografa31
рисунок № 27

SozdanieElektrokardiografa32
рисунок № 28

 

Как видно из кардиограмм, у заводского прибора пики одинаковой величины, а у собранного – нет. Это связано с тем, что максимальная скорость передачи данных блоком АЦП составляет 4Мгц, а максимальная скорость СОМ порта для данной программы – 9600 бит/с. Так как программа с закрытым исходным кодом, этот параметр изменить не удастся.
Чтобы решить данную проблему, был организован аналоговый выход сразу после усилителя биопотенциалов, и сигнал подан на цифровой осциллограф ОМЦ-22 (рис.29)

SozdanieElektrokardiografa33

рисунок № 29

 

Прибор оснащен собственным цветным дисплеем (600*400 точек) и USB портом для подключения к ПК. Внешний вид программы обработки данных на рис. 30.

SozdanieElektrokardiografa34
рисунок № 30

 

После настройки режима работы снова были проведены измерения ЭКГ по всем отведениям (рис. 31-38)

 

SozdanieElektrokardiografa35
рисунок № 31

SozdanieElektrokardiografa36
рисунок № 32

SozdanieElektrokardiografa37
рисунок № 33

SozdanieElektrokardiografa38
рисунок № 34

SozdanieElektrokardiografa39
рисунок № 35

SozdanieElektrokardiografa40
рисунок № 36

SozdanieElektrokardiografa41
рисунок № 37

SozdanieElektrokardiografa42
рисунок № 38

 

Шум между основными пиками вызван тремором мышц (при движении мышц возникают дополнительные потенциалы), так как в данном приборе отсутствует фильтр, приглушающий эти сигналы.
Следует заметить, что в собранном приборе присутствуют только 2 фильтра : сетевой (50 Гц) и фильтр подавления синфазности. Тогда как в Аксионе вместе с сетевым пришлось включить антитреморный фильтр, чтобы улучшить изображение.

 

Заключение

 

В результате работы, в домашних условиях, был собран аппарат ЭКГ, который, при использовании осциллографа, показал неплохие результаты при измерении трех основных отведений (I, II, III), трёх усиленных (aVR, aVL, aVF) и грудных (V).
Блок АЦП в данной конструкции может использоваться для оцифровки ЭКГ, но результаты будут приближенные, по причине несовпадения скоростей приёма-передачи данных между прибором и СОМ портом ПК. АЦП можно использовать для сигнализации пороговых значений ,например пульса и т.д. В дальнейшей разработке, лучше использовать USB порт ПК, так как у него выше скорость обмена данными.
Общая стоимость прибора (без учета сборки) составила ≈3000 рублей, тогда как стоимость ЭК1Т-1/3-07 на данный момент приближается к 17000 рублей. Удешевить прибор можно используя в блоке усилителя биопотенциалов отечественные микросхемы (К284УД1А, К140УД13).
При наличии осциллографа, изготовленный аппарат может использоваться для начальной диагностики заболеваний сердца и ССС, а так же может быть включён в лабораторный практикум в университете.

 

Литература:

 

1. В. Тушнов. Компьютерный кардиограф. // Схемотехника.- 2002- №11.- С. 42, 43.
2. В Тушнов. Электрокардиография . //http://lainslav.chat.ru/kardiogr.htm
3. Бирюков С.А. - Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах. - М.: Радио и связь, 1990. – 128 с.
4. Иноземцев В.А. Изучение элементной базы цифровой техники. - Брянск: Издательство БГУ, 2002. - 110 с.
5. Носов Т. Универсальный многоканальный АЦП - УМ-АУП1 (+ УМ-АЦП2).// http://www.labkit.ru/html/ADC?id=87

 

Приложение 1

 

Схема ЭК-К – 1

SozdanieElektrokardiografa43


Приложение 2

 

Схема включения ОУ AD620 – AD705

SozdanieElektrokardiografa44


Приложение 3

 

Программатор для ППЗУ

SozdanieElektrokardiografa45

 

Прошивка К155РЕ3:

SozdanieElektrokardiografa46


Приложение 4

 

Программатор Extra PIC

SozdanieElektrokardiografa47

 

 

Файл прошивки микроконтроллера:

:10000000830100308A001028F30003088301A70051
:100010008301A10A0B1127088300F30E730E090058
:100020002030840027301B2083010A128A110E2FF2
:0E00300004068001840A0406031D182800340B
:100DC0008301A500C23083169F00413083129F002B
:100DD0002508F1000310F10D0310F10D0310710D42
:100DE0009F04A601000000000000A60AFA302602B7
:100DF000031CF22E1F151F19FB2E1E08F200F10115
:100E000083161E08F104831208008301A5008312D3
:100E100003130C1E072F2508990008008B1364008C
:100E2000831603138D018C018B010B172830810071
:100E30002F3085008601C03087008312850186012E
:100E400087019201940197019D01073083169C0050
:100E50009D018312900119308316990090308312FE
:100E6000980026308316980083128C018D01F8308B
:100E70008B0581018B168B17A82F41300527443035
:100E800005274330052720300527563005276530D4
:100E90000527723005272E300527313005272E30E3
:100EA000052735300527A62F20080739F1007103E3
:100EB000E0267108A3007208A4002408052723086F
:100EC000A72F210805270108A72FA1010B118101D8
:100ED000A82F0608A72F07083F39A72F0714A82F08
:100EE0000710A82F8714A82F8710A82F0715A82F41
:100EF0000711A82F8715A82F8711A82F0716A82F2D
:100F00000712A82F8716A82F8712A82F0614A82F1C
:100F10000610A82F8614A82F8610A82F0615A82F14
:100F20000611A82F8615A82F8611A82F0616A82F00
:100F30000612A82F8616A82F8612A82F0617A82FEC
:100F40000613A82F8617A82F8613A82F2E30052743
:100F500064008C1EA82F1A08A000981CB12F18122C
:100F600018162008F100913E0318A62F3E3E031CE0
:100F7000A62F3130F10207308A00C2307107031802
:100F80008A0A8200542F542F542F542F542FA62FE7
:100F9000A62FA62FA62FA62FA62FA62FA62FA62FA9
:100FA000A62FA62F6E2F722F762F7A2F7E2F822FAD
:100FB000862F8A2F8E2F922F962F9A2F9E2FA22F19
:100FC000A62F692F612F6B2F652F3D2FA62FA62FE0
:100FD000A62FA62FA62FA62FA62FA62FA62FA62F69
:100FE000A62FA62F702F742F782F7C2F802F842F61
:100FF000882F8C2F902F942F982F9C2FA02FA42FC9
:02400E00723FFF
:00000001FF

Недавно добавили

09 мая 2011

Сейчас читают