Методы измерения и регистрации электрокардиограмм и электроэнцефалограмм

Содержание

Введение

1 Методы измерения и регистрации электрокардиограмм и электроэнцефалограмм

1.1 Метод измерения и регистрации электроэнцефалограмм

1.2 Метод измерения и регистрации электрокардиограмм

2. Структурная схема и алгоритм функционирования системы периодической передачи биотелеметрической информации

3. Эскизный расчет

4 Функциональная схема биотелеметрической системы

5. Рекомендации на изготовление БТМС

Заключение

Список литературы

Введение

Биотелеметрия - измерение на расстоянии показателей, характеризующих состояние организма либо протекающих в нем физиологических процессов с последующей передачей результатов измерений по каналам связи. Для получения нужной физиологической информации на исследуемом человеке устанавливают соответствующие датчики, преобразующие измеряемые величины в электрические сигналы, которые посредством передатчика в закодированном виде передаются на пункт наблюдения. Принятые с помощью приемника сигналы усиливаются, декодируются и преобразуются (при необходимости) в сигналы другого вида, удобные для регистрации и (или) обработки на ЭВМ. Применение телеметрии дает возможность проводить исследование на очень больших расстояниях (например, при космических полетах) или во время движения изучаемого объекта (например, во время спортивных соревнований или трудовой деятельности). При биотелеметрии возможна передача сигналов и о процессах, происходящих во внутренних органах, для чего один или несколько сверхминиатюрных радиопередатчиков (радиокапсул) вводят в полости тела (например, в желудок или кишки) или вживляют в ткани организма.

Современную медицину невозможно представить без применения различного рода биотелеметрических систем. Биотелеметрическая система - комплекс средств для дистанционного измерения различных показателей исследуемого организма. Представленная работа посвящена проектированию биотелеметрической системы для дистанционного контроля физиологических параметров организма, таких как электрокардиограмма и электроэнцефалограмма.

1 Методы измерения и регистрации электрокардиограмм и электроэнцефалограмм

1.1 Метод измерения и регистрации электроэнцефалограмм

Электроэнцефалография (ЭЭГ) - метод исследования деятельности головного мозга животных и человека; основан на суммарной регистрации биоэлектрической активности отдельных зон, областей, долей мозга. Запись электрической активности мозга, называют электроэнцефалограммой (рис.1).

Рисунок 1 - Электроэнцефалограмма

ЭЭГ - сложная кривая, состоящая из волн различных частот и амплитуд. В зависимости от частоты на ЭЭГ различают волны, обозначаемые греческими буквами:

.        Альфа-активность выявляется при проведении электроэнцефалограммы в состоянии пассивного бодрствования и представляет собой синусоидальные колебания частотой 8-13 Гц и амплитудой 40-100 мкВ (рис.2, а). Альфа-активность зрелого мозга обычно модулирована в веретена и преобладает преимущественно в затылочных областях (связана с функционированием зрительного анализатора).

2.       Бета активность представляет собой колебания частотой 14-40 Гц и амплитудой до 15-20 мкВ (рис.2, б). Выявляется преимущественно в передних отделах головного мозга во время активного бодрствования. В структуре бета-активности выделяют низкочастотную (с частотой до 22-24 Гц) и высокочастотную (с частотой более 22-24 Гц) активность. Некоторые авторы в структуре бета-активности выделяют гамма-активность, или высокочастотные бета-активность с частотой 40-70 Гц и амплитудой до 5-7 мкв.

.        Дельта-активность - медленно-волновая активность частотой 1-3 Гц различной амплитуды, наиболее выраженная во время сна (рис.2, в). Появление активности на ЭЭГ в другие промежутки времени свидетельствует о снижении уровня функциональной активности коры и всего мозга в целом.

.        Мю-активность выявляется в центральных областях головного мозга с преобладанием в области роландической борозды (связана с проприоцептивной чувствительностью). По частоте и амплитуде соответствует альфа-активности, но имеет характерную аркоподобную форму.

.        Тета-активность - медленно-волновая активность частотой 4-7 Гц различной амплитуды, усиливающаяся при эмоциональном возбуждении и во в время сна. Появление активности на ЭЭГ в другие промежутки времени свидетельствует о снижении уровня функциональной активности коры и всего мозга в целом.

                   а                                   б                                   в

Рисунок 2 - а - альфа-активность; б - бета активность; в - дельта активность.

У здорового человека могут различаться ЭЭГ в зависимости от физиологического состояния (сон и бодрствование, восприятие зрительных или слуховых сигналов, разнообразные эмоции и т.п.). ЭЭГ здорового взрослого человека, находящегося в состоянии относительного покоя, обнаруживает два основных типа ритмов: α-ритм, характеризующийся частотой колебаний в 8-13 Гц, и β-ритм, проявляющийся частотой в 14-30 Гц. [10]

В зависимости от того, в каком виде регистрируется и представляется для анализа электроэнцефалографисту ЭЭГ, электроэнцефалографы подразделяются на традиционные "бумажные" (перьевые) и современные - "безбумажные".

В первых ЭЭГ после усиления подается на катушки электромагнитных или термопишущих гальванометров и пишется непосредственно на бумажную ленту. Электроэнцефалографы второго типа преобразуют ЭЭГ в цифровую форму и вводят ее в компьютер, на экране которого и отображается непрерывный процесс регистрации ЭЭГ, одновременно записываемой в память компьютера. Бумажнопишущие электроэнцефалографы обладают преимуществом простоты эксплуатации. Безбумажные обладают преимуществом цифровой регистрации со всеми вытекающими отсюда удобствами записи, архивирования, вторичной компьютерной обработки и др.

ЭЭГ регистрирует разность потенциалов между двумя точками поверхности головы обследуемого. Соответственно этому на каждый канал регистрации подаются напряжения, отведенные двумя электродами: одно - на положительный, другое - на отрицательный вход канала усиления. Электроды для электроэнцефалографии представляют собой металлические пластины или стержни различной формы. [4, с. 19]

Электроды бываю нескольких разновидностей:

) мостовые;

) чашечковые;

) игольчатые.

Наибольшее распространение получили два типа электродов - мостовые и чашечковые. Мостовой электрод представляет собой металлический стержень, закрепленный в держателе. Нижний конец стержня, контактирующий с кожей головы, покрыт гигроскопическим материалом, который перед установкой смачивают изотоническим раствором хлорида натрия. Электрод крепят с помощью резинового жгута таким образом, что контактный нижний конец металлического стержня прижимается к коже головы. К противоположному концу стержня подсоединяют отводящий провод с помощью стандартного зажима или разъема. Преимуществом таких электродов являются быстрота и простота их подсоединения, отсутствие необходимости использовать специальную электродную пасту, поскольку гигроскопический контактный материал долго удерживает и постепенно выделяет на поверхность кожи изотонический раствор хлорида натрия. Использование электродов этого типа предпочтительно при обследовании контактных больных, способных находиться сидя или полулежа.

При обследовании маленьких детей и больных с нарушением сознания и контакта с окружающими при долговременных записях и исследовании сна предпочтительны чашечковые электроды, имеющие форму диска с приподнятыми краями, к которому припаян провод. Чашечка заполняется контактной электродной пастой, содержащей помимо раствора хлорида натрия желеобразные связующие и некоторые вещества, размягчающие верхний слой эпидермиса. Электрод крепят на голове с помощью специальной резиновой шапочки, липкой ленты или приклеивают коллодием.

Игольчатые электроды применяются во время хирургических операций для оценки состояния нервной системы и глубины наркоза. Вкалываются непосредственно в покровы головы пациента. При нейрохирургических операциях на головном мозге электроды устанавливаются непосредственно в мозговую ткань. На выходе получается графическое изображение колебаний разности биоэлектрических потенциалов живого мозга.

Рисунок 3 - Типы электродов и способы их крепления на голове: а - мостиковый электрод, б - игольчатый, в - чашечковые электроды: 1 - металл; 2-липкая лента; 3 - электродная паста; 4 - кожа; г - закрепление электродов на голове с помощью шапочки из резиновых жгутов [4, с. 20].

После отведения электрические потенциалы подаются на входы усилительно-регистрирующих устройств. Входная коробка электроэнцефалографа содержит гнезда, с помощью которых к электроэнцефалографу может быть подсоединено соответствующее количество электродов.

Рисунок 4 - Блок-схема электроэнцефалографа: 1 - голова исследуемого с отводящими электродами (вид сверху); 2-входная коробка; 3-соединительные кабели; 4-селекторный блок с переключателями для каждого канала; 5-блок усиления с регуляторами фильтров высокой и низкой частоты (Ф) и грубой или плавной регулировкой усиления (У); 6-блок регистрации. [4, с.22]

В современных электроэнцефалографах электродная коробка обычно представляет единый блок с усилителями, а в безбумажных (компьютерных) системах содержит и блок аналого-цифрового преобразования ЭЭГ. Усилительно-регистрирующие устройства, как правило, монтируются из двух отдельных блоков, связанных в свою очередь соединительным кабелем, - блока предварительного усиления и блока собственно регистрации (рисунок 4). Блок предварительного усиления состоит из набора идентичных предварительных усилителей соответственно числу каналов регистрации. Каждый из каналов усиления имеет ручки управления, выведенные на переднюю панель блока предварительного усиления. Прежде всего для каждого усилительного блока имеется многоконтактный коммутатор отведений ЭЭГ, позволяющий по каждому каналу коммутировать электроды, находящиеся на голове испытуемого в нужной комбинации. В коммутаторе входным клеммам усилителя, положительной и отрицательной, соответствуют ступенчатые переключатели, которые могут занимать одно из положений согласно нумерации контактных гнезд на входной коробке электроэнцефалографа.

Для задания полосы пропускания усилителя на каждом из каналов имеются регуляторы фильтров высокой и низкой частоты. Фильтр низкой частоты определяет верхний предел частот, которые будут без искажения пропускаться усилителем. Современные электроэнцефалографы позволяют регулировать этот предел в границах от 1500 до 15 Гц. Фильтры низкой частоты используют обычно в тех случаях, когда в записи присутствуют высокочастотные помехи, которые не могут быть исключены иным способом. В частности, при обследовании некоторых больных невозможно добиться достаточного расслабления; в таких случаях для исключения из ЭЭГ артефакта мышечной активности (ЭМГ) приходится пользоваться фильтрами высоких частот. Регулировку нижней полосы пропускания электроэнцефалографа производят фильтрами высоких частот путем изменения постоянной времени усилителя. Ограничение нижней полосы пропускания прибора необходимо для исключения из записи артефактов медленных изменений потенциала кожи, изменений потенциала, связанных с незначительными смещениями электродов и изменениями в области контакта между кожей и электродом. После усиления сигнал подается в блок регистрации электроэнцефалографа. Кроме того, с блоков предварительного усиления электрическая активность может быть выведена с помощью дополнительных выходов на внешние системы регистрации или обработки: магнитописец, катодный осциллограф, анализатор-интегратор или специализированную ЭВМ. [4, с.23]

Рисунок 5 - Структурная схема цифрового электроэнцефалографа [4, с.24]

В цифровых электроэнцефалографах ЭЭГ записывается на диск компьютера с одновременным выводом изображения на экран. По окончании регистрации нужные страницы записи могут быть выведены в виде бумажной копии с помощью принтера или самописца.

На рисунке 5 представлена типовая структурная схема цифрового электроэнцефалографа. Чаще всего такие системы строятся на основе персонального компьютера, реже - на основе встроенного процессорного блока.

Цифровые электроэнцефалографы, как и аналоговые, имеют входные коммутаторы, предварительные усилители и фильтры. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) обеспечивает возможность использования компьютера для дальнейшей обработки и хранения сигналов. При достаточном быстродействии компьютера и канала ввода данных фильтрация сигналов может производиться программно, что упрощает построение аналоговых фильтров, обеспечивает стабильность характеристик тракта обработки сигналов, дает возможность оперативной регулировки частотной характеристики. [4, с.25]

Крепление электродов

При регистрации электроэнцефалограммы используются несколько систем отведений: одноканальные системы обычно используют для оценки общего функционального состояния мозга; многоканальную регистрацию энцефалограмм, поступающих с разных отделов мозга, применяют для выявления локализированного очага. Обычно число каналов регистрации равно 8 или 16, но известны схемы регистрации биопотенциалов мозга, включающие 4 и даже 2 электрода. Схема расположения электродов должна обеспечить их равномерное распределение по разделам - лобные, затылочные, центральные, теменные и т.д.

Точки расположения электродов в системе "10-20" определяют следующим образом. Измеряют расстояние по сагиттальной линии от inion до nasion и принимают его за 100%. В 10% этого расстояния от inion и nasion устанавливают соответственно нижний лобный (Fp) и затылочный (О) сагиттальные электроды. Остальные сагиттальные электроды (F, Cz и Р) располагают между этими двумя на равных расстояниях, составляющих 20% от расстояния inion-nasion. Вторая основная линия проходит между двумя слуховыми проходами через vertex (макушку). Нижние височные электроды (ТЗ, Т4) располагают соответственно в 10% этого расстояния над слуховыми проходами, а остальные электроды этой линии (СЗ, Cz, C4) - на равных расстояниях, составляющих 20% длины биаурикулярной линии. Через точки ТЗ, СЗ, С4, Т4 от inion к nasion проводят линии и по ним располагают остальные электроды (РЗ, Р4, Т5, Т6, F3, F4, F7, F8, Fpl, Fp2). На мочки ушей помещают электроды, обозначаемые соответственно А1 и А2. Буквенные символы обозначают основные области мозга и ориентиры на голове: О - occipitalis, Р - parietalis, С - centralis, F - frontalis, A - auricularis. Нечетные цифровые индексы соответствуют электродам над левым, а четные - над правым полушарием мозга (рис.6). [4, с.27]

Рисунок 6 - Международная схема расположения электродов "10-20" [4, с.28]

Как и в других электрофизиологических методах, при регистрации электроэнцефалограммы различают монополярные, биполярные отведения и их модификации. При монополярном отведении по системе "10-20" одни из двух электродов (индифферентный) каждого канала должен располагаться на электрически нейтральной точки головы. В качестве такой точки чаще всего выбирают точку уха или переносицу (причем для отведения с левого полушария используется точка левого уха и наоборот). Другой электрод (дифферентный) устанавливают над исследуемым активным участком мозга.

Однако расположение индифферентного электрода не всегда удовлетворяет исследователя, так как точка установки этого электрода не является электрически идеально-нейтральной. В этих случаях по аналогии с ЭКГ создают искусственную систему "нейтральной" точки (нулевой электрод), используя схему суммирования (рис.7).

Рисунок 7 - Схема ЭЭГ с нулевым электродом [6, с.74]

Главным недостатком такого "индифферентного" электрода можно считать взаимное влияние регистрируемых сигналов через суммирующую цепь. Поэтому для данной системы отведений необходимы контрольные отведения иного типа, установленные одновременно.

При биполярном отведении все каналы независимы, и разность потенциалов регистрируется между двумя электродами, расположенными над активными участками мозга. При этом зарегистрированная активность действительно наблюдается вблизи электродов или на участке между ними. Вместе с тем при биполярном отведении трудно оценить вклад в суммарную разность потенциалов каждого участка, над которым расположены электроды.

Для установления вклада отдельного участка мозга в общую активность применяют отведение цепочкой; в этом случае для двух соседних каналов съема один электрод является общим (рис.8). Такая комбинация биполярного отведения с элементами монополярного позволяет довольно точно локализировать очаг возбуждения.

Рисунок 8 - ЭЭГ с применением отведения "цепочка" с общим электродом [6, c.75]

Частным случаем отведения цепочкой является триангуляция - тип отведения, при которой используются три электрода, расположенные вокруг очага возбуждения треугольником (рис.9). С целью увеличения надежности регистрации электроэнцефалограммы рекомендуется пользоваться разными типами отведений. [6, c.74]

Рисунок 9 - ЭЭГ с применением отведения "цепочка" с общим электродом: тип отведения-триангуляция [6, c.75]

алгоритм электрокардиограмма электроэнцефалограмма биотелеметрическая

1.2 Метод измерения и регистрации электрокардиограмм

Электрокардиография - методика регистрации и исследования электрических полей, образующихся при работе сердца. Электрокардиограмма (рис.10) записывается с помощью электрокардиографов.

Нормальная ЭКГ в стандартных отведениях представлена рядом зубцов и интервалов, обозначенных латинскими буквами (рис.10). Если амплитуда зубца более 5 мм, он обозначается прописной буквой если менее 5 мм, то малой буквой.

Зубец Р - этот предсердный комплекс состоит из полого восходящего колена и симметрично расположенного нисходящего колена, которые соединяются между собой закругленной верхушкой. Продолжительность (ширина) зубца не превышает 0,08-0,1 секунды (1 мм - 0,02’’), высота Р составляет 0,5-2,5 мм. Наибольшая амплитуда Р во втором стандартном отведении. В норме P_II>P_I>P_III. P_I>0,l’’ свидетельствует о гипертрофии левого предсердия, при Р_III>2,5 мм можно говорить о гипертрофии правого предсердия. Продолжительность зубца Р измеряется от начала восходящего до конца нисходящего колена, амплитуда Р - от основания зубца до его вершины.

Интервал PQ (R) - от начала Р до начала g или R. Он соответствует времени прохождения импульса по предсердиям, через атриовентрикулярный узел, по пучку Гиса, ножкам пучка Гиса, волокнам Пуркинье.

Продолжительность интервала PQ в норме колеблется 0,12’’ - 0, 20’’ и зависит от частоты пульса. Удлинение интервала PQ наблюдается при нарушении атриовентрикулярной проводимости, укорочение PQ связано с симпатикоадреналовой реакцией, синдромом преждевременного возбуждения желудочков, предсердным или узловым водителем ритма и др.

Сегмент PQ - располагается от конца Р до начала Q (R). Отношение Р к сегменту PQ называется индексом Макруза, его норма 1,1-1,6. Увеличение индекса Макруза свидетельствует о гипертрофии левого предсердия.

Комплекс QRS - отражает процесс деполяризации желудочков измеряется во втором стандартном отведении от начала Q до конца S, продолжительность в норме составляет 0,05 - 0,1’’. Удлинение QRS связано с гипертрофией миокарда или нарушением внутрижелудочковой проводимости.

Зубец Q - связан с возбуждением мсжжелудочконой перегородки (необязательный, с отрицательной амплитудой). Продолжительность Q в первом и втором стандартных отведениях до 0,03’’, в третьем стандартном отведении - до 0,04’’. Амплитуда Q в норме не более 2 мм или не более 25 % R. Уширение Q и увеличение его указывает на наличие очаговых изменений в миокарде.

Зубец R - обусловлен деполяризацией желудочков, имеет восходящее колено, вершину, нисходящее колено. Время от Q (R) до перпендикуляра из вершины R указывает на нарастание скорости деполяризации желудочков и называется временем внутреннего отклонения, для левого желудочка не более 0,04’’, правого - 0,035’’. Зазубренность R высокой амплитуды указывает на мышечные изменения, раздвоение и расщепление R свидетельствует о нарушении внутрижелудочковой проводимости. В норме по втором стандартном отведении амплитуда R_II больше R_I и R_III, R_II до 20 мм, R_I до 10-15 мм, R_I отражает потенциалы левого желудочка, R_I>15 мм свидетельствует о гипертрофии левого желудочка. Если из стандартных отведении амплитуда R_I наибольшая, имеется отклонение электрической оси сердца влево, при наибольшей амплитуде R_III - вправо.

Зубец S - необязательный отрицательный зубец. S_I отражает потенциалы правого желудочка в норме, продолжительность S_I<0,04’’, амплитуда 0.4 мм. S_I>0,04’’ указывает на блокаду правой ножки п. Гиса. SIII отражает потенциалы левого желудочка, его величина 0-5 мм.

Сегмент ST - соответствует периоду, когда оба желудочка полностью охвачены возбуждением, измеряется от конца S до начала Т. Начало Сегмента ST называется ST соединение I. Продолжительность ST зависит от частоты пульса. В норме сегмент ST расположен на изолинии, депрессия ST допускается до 0,5 мм, его подъем в стандартных отведениях не должен превышать 1 мм. Депрессия ST указывает на наличие ишемии миокарда или на зону субэндокардиального повреждения. Подъем сегмента ST свидетельствует о субэпикардиальном повреждении.

Зубец Т - отражает процессы реполяризации желудочков. В норме Т в первом и втором стандартных отведениях положительный 3-5 мм или 1/3-1/4 R. TIII может быть сниженным, изоэлектричным, слабоотрицательным (при отклонении электрической оси сердца влево). Продолжительность Т составляет 0,1-0,25’’. Положительный TI>TIII. Зубец Т очень изменчив, более 40 болезней и синдромов могут изменять его амплитуду и направленность. Наиболее важное значение зубец Т имеет в диагностике ишемии миокарда. Высокий, остроконечный, симметричный Т может указывать на наличие субэндокардиалной ишемии, отрицательный, остроконечный, симметричный, динамичный свидетельствует о субэпикардиальной ишемии.

Интервал QT - электрическая систола сердца. Измеряется от начала Q (R) до конца Т. Продолжительность зависит от пола, возраста и частоты пульса. Норма QT определяется по формуле Базетта

нормальные величины QT колеблются в пределах 0,35-0,44’’. В норме увеличение QT (по сравнению с нормой) не должно превышать 0,05’’. Удлинение QT связано с кардиосклерозом, гипокальциемией, блокадой ножек п. Гиса, инфарктом миокарда. Описаны случаи врожденного удлинения QТ (синдром Романо-Уорда). Удлинение QT предрасполагает к внезапной смерти от фибрилляции желудочков.

Зубец U - непостоянный, небольшой амплитуды (1-2 мм), конкордантный зубцу Т и следует за ним через 0,02-0,04’’. Отражает процессы, восстановления в крупных сосудах. О клиническом значении U известно мало. При ишемии, миокарда может наблюдаться инверсия U.

Сегмент ТР - диастола сердца. Измеряется от конца Т (U) до начала Р. Расположен на изолинии, зависит от частоты ритма. При тахикардии ТР уменьшается, при брадикардии - увеличивается.

Интервал R - R характеризует продолжительность полного сердечного цикла. систолы и диастолы. Для определения частоты сердечных сокращений 60/RR, интервалы PR=PR, их различие не должно быть более 0,1’’, в противном случае говорят об аритмии. Ритм может быть неправильным периодически и неправильным постоянно. [7, c.12]

Электрокардиографы - приборы, регистрирующие изменение разности потенциалов между двумя точками в электрическом поле сердца (например, на поверхности тела) во время его возбуждения. Современные электрокардиографы отличаются высоким техническим совершенством и позволяют осуществить как одноканальную, так и многоканальную запись ЭКГ. В последнем случае синхронно регистрируются несколько различных электрокардиографических отведений (от 2 до 6-8), что значительно сокращает время исследования и дает возможность получить более точную информацию об электрическом поле сердца.

Рисунок 11 - Устройство электрокардиографа [5, c.38]

Электрокардиографы состоят из входного устройства, усилителя биопотенциалов и регистрирующего устройства (рис.11). Разность потенциалов, возникающая на поверхности тела при возбуждении сердца, регистрируется с помощью системы металлических электродов, укрепленных на различных участках тела резиновыми ремнями или грушами. Через входные провода, маркированные различным цветом, электрический сигнал подается на коммутатор, а затем на вход усилителя. Малое напряжение, воспринимаемое электродами и не превышающее 1-3 mV, усиливается во много раз и подается в регистрирующее устройство прибора. Здесь электрические колебания преобразуются в механические смещения якоря электромагнита и тем или иным способом записываются на специальной движущейся бумажной ленте.

Структура современных электрокардиографов изображена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Структура современного электрокардиографа

В начале работы переключатель отведений переключается в режим калибровки. С помощью эталонного напряжения величины 1 мВ осуществляется калибровка электрокардиографа.

От переключателя отведений сигнал ЭКГ подается на входной усилитель дифференциального типа с высокой степенью подавления синфазного сигнала. Входной усилитель как правило, имеет масштабный переключатель регулировки чувствительности или усиления.

За предусилителем следует усилитель постоянного напряжения, называемый усилителем самописца, обеспечивающий необходимую мощность для работы печатающего устройства. На вход этого усилителя можно подать сигнал от внешнего источника и, таким образом, самописец электрокардиографа используется для записи сигналов других приборов.

Также электроэнцефалографы имеют разъем для подключения к ЭВМ, что ускоряет процесс обработки результатов обследований. Для этого сигнал с выхода усилителя оцифровывается с помощью АЦП. Далее после аналогово-цифровой обработки информация записывается в буферное запоминающее устройство (БЗУ) и через устройство интерфейса направляется к ЭВМ.

Отведения

В настоящее время в клинической практике наиболее широко используют 12 отведений ЭКГ, запись которых является обязательной при каждом электрокардиографическом обследовании больного: 3 стандартных отведения, 3 усиленных однополюсных отведения от конечностей и 6 грудных отведений.

Стандартные отведения

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, левой руке и на левой ноге (рисунок 13). Эти электроды попарно подключаются к электрокардиографу для регистрации каждого из трех стандартных отведений. Четвертый электрод устанавливается на правую ногу для подключения заземляющего провода.

Рисунок 13 - Формирование трех стандартных электрокардиографических отведений от конечностей. Внизу - треугольник Эйнтховена, каждая сторона которого является осью того или иного стандартного отведения. [5, c.40]

Знаками (+) и (-) здесь обозначено соответствующее подключение электродов к положительному или отрицательному полюсам гальванометра, т.е. указаны положительный и отрицательный полюс каждого отведения.отведение - левая рука (+) и правая рука (-).отведение - левая нога (+) и правая рука (-).

Ш отведение - левая нога (+) и левая рука (-).

Усиленные отведения от конечностей

Усиленные отведения от конечностей были предложены Гольдбергером в 1942 г. 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 (рис.14). Таким образом, в качестве отрицательного электрода в этих отведениях используют так называемый объединенный электрод Гольдбергера, который образуется при соединении через дополнительное сопротивление двух конечностей. [5, c.42]- усиленное отведение от правой руки.- усиленное отведение от левой руки.- усиленное отведение от левой ноги.

Рисунок 14 - Формирование трех усиленных однополюсных отведений от конечностей. Внизу - треугольник Эйнтховена и расположение осей трех усиленных однополюсных отведений от конечностей. [5, c.43]

Грудные отведения

Грудные однополюсные отведения, предложенные Wilson 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 mV).

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.15). Грудные отведения обозначаются заглавной латинской буквой V (потенциал, напряжение) с добавлением номера позиции активного положительного электрода, обозначенного арабскими цифрами.

Рисунок 15 - Расположение 6 электродов грудных отведений на поверхности грудной клетки [5, c.46]

Отведение V₁ - активный электрод установлен в четвертом межреберье по правому краю грудины.

Отведение V₂ - активный электрод расположен и четвертом межреберье по левому краю грудины.

Отведение V₃ - активный электрод находится между второй и четвертой позицией, примерно на уровне четвертого ребра по левой парастеренальной 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 отведений V₄ и V₅. [5, c.46]

2. Структурная схема и алгоритм функционирования системы периодической передачи биотелеметрической информации

В представленной работе мы синтезируем биотелеметрическую систему периодической передачи информации. Нам необходимо передавать физиологические параметры, снимаемые с четырех пациентов на пост управления, расположенный на расстоянии 40 метров от наблюдаемых объектов.

Рисунок 16 - Структурная схема системы: БД - блок датчиков; БПО - блок предварительной обработки; БВМ - блок аналого-цифрового преобразования и временного мультиплексирования; УМ - угловой модулятор; ДМ - делитель мощности; ЛС - линия связи; БПР - блок принятия решений; УДМ - угловой демодулятор; УРК - устройство разделения каналов; БВО - блок вторичной обработки.

Структурная схема системы приведена на рисунке 16. Информация об исследуемом биологическом объекте снимается с помощью блока датчиков, включающего в себя датчик электрокардиограммы и электроэнцефалограммы. ЭЭГ снимается методом с применением отведения "цепочка" с общим электродом. Где разность потенциалов снимается между двумя соседними точками, в данном случае будет три отведения. ЭКГ регистрируется с помощью метода треугольника Эйнтховена. Количество датчиков для регистрации ЭКГ тоже будет три.

С датчиков сигнал поступает на блок предварительной обработки. Он служит для выравнивания динамического диапазона сигнала с датчиков, что позволит использовать один аналого-цифровой преобразователь для всех поступающих сигналов.

Блок временного мультиплексирования включает в себя аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор, тактовый генератор, счетчик, формирователь служебных сигналов, регистры.

После БВМ сформированный цифровой код поступает в блок УМ. При угловой модуляции изменяется фаза сигнала при каждом изменении уровня сигнала. Для резервирования передачи используются две линии связи, разделение которых осуществляется при помощи делителя мощности. БПР осуществляет выбор линии связи, сигнал которого имеет "лучшие" характеристики.

Модулированный сигнал затем поступает в угловой демодулятор, который предназначен для преобразования исходного модулированного радиосигнала в последовательность прямоугольных импульсов. Далее эти импульсы поступают в устройство разделения каналов, которое состоит из одного демультиплексора, набора регистров, цифро-аналоговых преобразователей, фильтров нижних частот и одного общего коммутатора.

Окончательным блоком данного устройства будет служить блок вторичной обработки, который позволит осуществлять дальнейшее преобразование сигнала.

Рисунок 17 - Временная диаграмма системы передачи данных

На рисунке 17 изображена структура передаваемого пакета данных. Здесь показана, что информация поступает от 4 постов наблюдения, причем на каждом посту по шесть датчика. Три из которых датчики ЭКГ, остальные три - датчики ЭЭГ. Информация между постами разделена служебными сигналами, а между сигналами ЭКГ и ЭЭГ проходят разделительные сигналы.

3. Эскизный расчет

Для определения динамического диапазона используются следующая формула:

 [дБ].

Т.к. для ЭКГ A_max и A_min равны:_max=5000 мкВ;_min=100 мкВ.

То поставляя в формулу значения получим:

 дБ.

А для ЭЭГ A_max и A_min равны:

_max=200 мкВ; A_max=10 мкВ.

Тогда динамический диапазон составит:

 дБ.

Из данных вычислений выбираем больший динамический диапазон, т.е.   D=34 дБ.

Количество разрядов цифрового представления в абсолютном коде определяется выражением:

.

Тогда подставляя, найденный выше динамический диапазон, в формулу:

.

Количество разрядов составит: М³6,5.

Частота дискретизации определяется условием теоремы Котельникова:

Максимальная частота для ЭКГ и ЭЭГ равна F_max=100 Гц.

Следовательно, получается f»200 Гц. Но для лучшего качества передачи информации берем частоту около 1 кГц.

Для нахождения времени одного цикла используем следующую формулу:

.

Поставляя в формулу F_max, получим время цикла .

Тогда время для передачи одного канального интервала и одного разряда, с учетом того, что у нас количество канальных интервалов равно .

Получим:

;

Для расчета скорости канала и групповой скорости используем следующие формулы:

;

.

Подставляя значения, рассчитанные выше, получим:

;

.

Что бы найти затухание энергии сигнала воспользуемся следующей формулой:

 [дБ],

 - удельное затухание в линии связи в рабочем диапазоне частот;

 - длина линии связи.

Следовательно, затухание энергии составит: .

С учетом коэффициента запаса  требуемый энергетический потенциал, учитывая формулу представленную ниже, составит:

;

.

Для того, чтобы найти чувствительность приемника воспользуемся следующей формулой:

.

Учитывая чувствительность приемника и сопротивление кабеля:

; .

Получим чувствительность приемника:

.

Теперь рассчитаем логарифмическую оценку чувствительность приемника:

 .

Исходя из этого, получаем логарифмическую оценку необходимой мощности передатчика, используя следующую формулу:

; .

Тогда для уверенной передачи данных абсолютная мощность приемника рассчитывается по следующей формуле:

 .

Подставляя представленное выше значение, получим

.

4 Функциональная схема биотелеметрической системы

Рисунок 18 - Функциональная схема блока аналого-цифрового преобразования и временного мультиплексирования: Д₁-Д_{24 -} датчики; МР - мультиплексор; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ГСС - генератор служебных сигналов; РЕГ₁ - буферный регистр; ФСС - формирователь служебных сигналов; ТГ - тактовый генератор; РЕГ₂ - параллельно-последовательный регистр.

В первой части функциональной схемы блока аналого-цифрового преобразования и временного мультиплексирования (рис.18) расположен блок датчиков (Д₁-Д₂₄), каждый из которых регистрирует сигналы, поступающие от пациентов. Эти сигналы поступают в фильтры нижних частот, которые служат для подавления помех высокой частоты, наводимые датчиком. Для выравнивания уровня входных сигналов по амплитуде каждый канал имеет свой усилитель с индивидуальным коэффициентом усиления. В дальнейшем сигналы объединяются в один канал с помощью мультиплексора (МР). Мультиплексор состоит из 24 сигнальных и 8 счетно-адресных входов (А₀). В зависимости от кода, поступающего из генератора служебных сигналов (ГСС) на выход мультиплексора поступает один из 24 входных сигналов. После аналого-цифрового преобразователя (АЦП) сигнал преобразуется в последовательный цифровой код, состоящих из восьми разрядов. С помощью буферного регистра (РЕГ₁) осуществляется синхронизация сигналов, выводящихся из АЦП. А с помощью второго регистра (РЕГ₂) осуществляется переход последовательного кода в параллельный. Для включения служебных сигналов и сигналов разделения устройство содержит блок формирования служебных сигналов (ФСС). Что бы включить сигналы в поток данных используются логические элементы 2И-ИЛИ и ИЛИ-НЕ. ФСС имеет два выходных канала, один из которых служит для передачи кодовой последовательности служебного сигнала и сигнала разделения, а второй - единичных импульсов. Если ФСС выдает единичный импульс, то на выходе логического элемента 2И-ИЛИ установится цифровой код, поступающий из датчиков, а если ноль - служебный сигнал.

Рисунок 19 - Функциональная схема модулятора

Представленная на рисунке 19 схема осуществляет угловую модуляцию входного сигнала. Перед выполнением модуляции две первые блоки осуществляют преобразование сигнала из абсолютного кода в относительный код. Здесь входной сигнал поступает в один из входов логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ, а во второй вход поступает тот же сигнал но с задержкой в D-триггере на один импульс. Если переменные на входе логического элемента неодинаковые, то функция равна "1", если же они одинаковы - "0". Далее этот сигнал подается на управляющий вход электронных ключей, с помощью которых осуществляется изменение фазы сигнала, поступающего из генератора гармонических колебаний. Если на управляющий вход приходит "1", то фаза гармонического сигнала равна 0, а если "0" - π. С помощью сумматора все это затем складывается, а с использованием полосового фильтра убираются все не интересующие нас частоты.

Рисунок 20 - Функциональная схема углового демодулятора: ДСС - датчик служебных сигналов; ГСС - генератор служебных сигналов; ТГ - тактовый генератор.

Основным элементом углового демодулятора (рис. 20) является блок выполняющий вычисление arctg (), т.е. происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой код. Но перед этим входной сигнал делится на две части, которые перемножаются аналоговыми сигналами синусоидальной формы с фазами + π/4 и - π/4. Затем они проходят через фильтр нижних частот. Далее этот цифровой код с помощью двух D-триггеров и логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ из относительного кода преобразуется в абсолютный код. Тактовый генератор (ТГ) в этой схеме служит для синхронизации входных сигналов, а датчик служебных сигналов (ДСС) - для фиксации служебных сигналов.

Рисунок 21 - Функциональная схема устройства разделения каналов: ДМП - демультиплексор; РЕГ - последовательно-параллельный регистр; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; КОММ - коммутатор; БУК - блок управления коммутацией.

Функциональная схема устройства разделения каналов, представленная на рисунке 21, состоит из демультиплексора (ДМП), коммутатора (КОММ), блока управления коммутацией (БУК) и из 24 наборов последовательно-параллельного регистра (РЕГ), цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и фильтра нижних частот. Входной сигнал вначале поступает в ДМП, в котором происходит разделение на 24 отдельных канала. Затем каждый отдельный сигнал поступает в ЦАП для преобразования в аналоговый сигнал и с помощью ФНЧ происходит фильтрация помех. БУК является устройством управления блоком коммутации. Коммутатор предназначен для последующего выделения сигналов, объединения их в группы или последующей ее обработки.

5. Рекомендации на изготовление БТМС

При проектировке данной биотелеметрической системы необходимо учитывать следующие положения:

) данная система должна состоять из двух блоков - источник и приемник биотелеметрической информации, т.к. они находятся на расстоянии 40 м друг от друга;

) передача информации осуществляется с помощью кабельной линии;

) питание источника и приемника информации раздельное;

) корпуса данной системы должны быть спроектированы таким образом, чтобы они были защищены от влаги, пыли, температуры, вибрации (т.е. должна иметь специальную систему амортизации);

) для удобства подвода датчиков к пациентам, следует объединять в одну шину все датчики, идущие к одному пациенту;

) все датчики должны быть разъемными;

) передатчик БТМС следует размещать около пациентов, что позволит обрабатывать информацию и определять наличие ошибок непосредственно рядом с пациентом (наличие контакта между датчиком и пациентом).

Заключение

Одной из тенденций развития современной медико-биологической практики является применение различных биотелеметрических систем. В представленной работе была спроектирована биотелеметрическая система контроля состояния пациентов на четырех постах наблюдения. Снимаемыми параметрами являлись электроэнцефалограмма и электрокардиограмма. Особое внимание было уделено средствам и методам регистрации электрических потенциалов. Из рассмотренных методов выбраны наиболее оптимальные с нашей точки зрения и рассмотрена их практическая реализация. А также более подробно исследована методика разделения каналов и вид модуляции биотелеметрической информации. Структурная схема данной системы представлена в документе КНФУ.940000.451 Э1, а система, спроектированная до уровня функциональной схемы, на документе КНФУ.940000.451 Э2.

Следует отметить, что за последнее время, достигнут большой прогресс в проектировании подобного рода систем. Применение современных микроконтроллеров и компьютеров позволяет полностью автоматизировать полученную систему. Контроль над состоянием пациента при этом будет вести не лечебный персонал, а "машина". В современных биотелеметрических системах обычно применяется сигнал тревоги при резком отклонении физиологических показаний пациента от нормы, возможно также дистанционное воздействие на пациента, например, можно запустить работу капельницы и ввести ему требуемые лекарственные вещества.

Таким образом, применение биотелеметрических систем позволяет существенно уменьшить медицинский персонал в больницах, этим обуславливается их экономическая эффективность, а применение современных методов цифровой обработки получаемых биотелеметрических сигналов и компьютерных диагностических систем позволяет исключить субъективизм постановки диагноза, исключается возможность ошибки, вызванной человеческим фактором.

Список литературы

1.       Бакалов, В.П. Основы биотелеметрии / В.П. Бакалов. - М.: Радио и связь, 2001. - 352 с.

2.       Бакалов, В.П. Методы биотелеметрии /В.П. Бакалов. - Л.: Наука, 1983. - 176 с.

.        Бакалов, В.П. Электросвязь в биологии и медицине / В.П. Бакалов. - М.: Радио и связь, 1998. - 176 с.

4.       Зенков, Л.Р. Клиническая электроэнцефалография (с элементами эпилептологии): руководство для врачей / Л.Р. Зенков.3-е изд. - М.: МЕДпресс-информ, 2004. - 368 с.

5.       Электрокардиография. Издание пятое / В.В. Мурашко, А.В. Струтынский. - М.: МЕДпресс-информ, 2001. - 312 с.

.        Проектирование электронной медицинской аппаратуры для диагностики и лечебных воздействий / Н.А. Кореневский, Е.П. Попечителев, С.А. Филист. - Курск, 1999. - 537 с.

.        Суворов, А.В. Клиническая электрокардиография / А.В. Суворов. - Нижний Новгород: Изд-во НМИ, 1993. - 124 с.

9.       Чернышев, А.Ю. Основы биотелеметрии: методические указания к курсовому проектированию для студентов специальности 200402.65 [Текст] / А.Ю. Чернышев. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2008. - 48 с.

10.     Егорова, И.С., Электроэнцефалография [Электронный ресурс], И.С. Егорова.Л. - 1997. Режим доступа: http://www.volgograd.ru/theme/ medic/diagnostika/eeg/23675. pub <http://www.volgograd.ru/theme/%20medic/diagnostika/eeg/23675.pub> - 17.11.2012 (дата просмотра).