ВОЗМОЖНОЕ СХЕМНОЕ РЕШЕНИЕ

УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА

ОСОБЕННОСТИ ИСТОЧНИКА ВОЗБУЖДЕНИЯ

Источником возбуждения усилителя электрокардиосигнала (УсЭКС) является биологический объект — человек, который может быть представлен эквивалентным уравнением электрическим генератором. А как известно, свойства любого электрического генератора определяются характером изменения ЭДС во времени и внутренним сопротивлением.

Электрокардиосигнал является частью ЭДС сердца, измеряемой на поверхности тела при помощи электродов, расположенных определенным образом. Закон изменения ЭКС во времени может считаться квазипериодическим с периодом кардиокомплексов 0,1—3 с. Минимальное значение соответствует фибрилляции желудочков, а максимальное — блокадам сердца. Форма эквивалентного кардиокомплекса близка к треугольной с амплитудой, лежащей в диапазоне 0—5 мВ. Полоса принимаемых кардиокомплексом частот охватывает диапазон от 0,05 до 800 Гц.

Междуэлектродное сопротивление, включающее сопротивления переходов кожа—электрод, соответствует внутреннему сопротивлению источника возбуждения УсЭКС и изменяется в значительных пределах. Для технических расчетов обычно принимают диапазон 5—100 кОм.

Помимо перечисленных параметров при проектировании ЭКС необходимо учитывать ряд существенных особенностей источника возбуждения.

1. Нестабильность внутреннего сопротивления за счет изменений сопротивлений переходов кожа—электрод. При этом нужно считаться с большими значениями междуэлектродных сопротивления и их разбалансом в системе отведений ЭКС.

2. Образование на переходах кожа—электрод напряжений поляризации, создающих на входных контактах УсЭКС напряжение смещения, достигающее ±300 мВ. Такое напряжение может вызвать насыщение усилителя.

3. Медленный дрейф напряжения поляризации и резкие его изменения при смещении электродов из-за движений больного. Скачки напряжения поляризации создают трудно устранимые помехи.

4. Наличие напряжений помех, попадающих на входные зажимы УсЭКС синфазно и противофазно. Помехи могут быть биологического и физического происхождения. К биологическим помехам относятся биопотенциалы других органов и мышц, а к физическим — наведенные на объект напряжения от неэкранированных участков сетевой проводки, сетевых шнуров других приборов и проводящих поверхностей (вторичное напряжение наводки). Особенно большой уровень имеют синфазные сигналы помех напряжения сети, попадающие на объект через емкостную связь.

Наличие импульсных помех при воздействии на объект терапевтических аппаратов: кардиостимулятора и дефибриллятора. Попадая на вход УсЭКС, артефакты импульсов кардиостимулятора искажают ЭКС и вызывают в ряде случаев ложно обнаружение кардиокомплекса, а импульсы дефибриллятора могут повредить входные цепи УсЭКС.

ТРЕБОВАНИЯ К ПАРАМЕТРАМ

Достоверность передачи ЭКС во многом определяется параметрами УсЭКС — первого звена в цепи обработки сигнала. Принимая во внимание характеристики источника возбуждения, особенности подключения УсЭКС к объекту и условия сопряжения усилителя с устройством обработки сигнала, рассмотрим требования к основным параметрам УсЭКС и их влияние на искажения ЭКС.

Входное напряжение U_вх должно лежать в диапазоне не менее чем 0,03—5 мВ. Нижнее значение U_вх определяет пороговую чувствительность усилителя, ниже которой регистрация ЭКС затруднена.

На пороговую чувствительность влияет уровень внутренних шумов, приведенных ко входу усилителя. Обычные достижимые значения U_ш£10—30 мкВ.

Оптимальный выбор полосы пропускания (Df) имеет важное значение. Наиболее информативная часть ЭКС занимает полосу частот Df=0,05—120 Гц, но в практической ЭКС-диагностике используют усилители с Df=0,05—60 Гц. Чрезмерное сужение частотного диапазона со стороны нижних частот f_н приводит к искажению сегмента ST и зубца T, но уменьшает смещение изолинии, а со стороны высоких f_в — к сглаживанию зазубрин на QRS — комплексе и уменьшению крутизны его склонов. С другой стороны, увеличение f_в приводит к увеличению помех от биопотенциалов мышц. Если при f_в=100 Гц погрешность передачи QRS-комплекса составляет около 3%, то при f_в=30 Гц погрешность возрастает до 15% и могут сглаживаться различия между нормальным и патологическим комплексами.

В кардиомониторах (КМ) в зависимости от назначения тракта усиления ЭКС нормируются три значения Df:

· Df — для линейного выхода УсЭКС, предназначенного для подключения регистратора ЭКС;

· Df_э — для изображения ЭКГ на экране КМ;

· Df_м — для мониторирования при большом уровне помех.

Типичные значения параметров АЧХ: Df=0,05—120 Гц при d_f=±30% (Df_э<Df обычно из-за технических ограничений); Df_м=0,5—25 Гц при d_f=±30%; К_f£6 дБ/октаву.

Помехоустойчивость КМ по отношению к синфазным сигналам определяется коэффициентом ослабления синфазных сигналов К_ОСС=К_Д/К_С, где К_Д и К_С — коэффициенты усиления дифференциального и синфазного сигналов.

Таким образом, К_ОСС показывает способность усилителя различать малый дифференциальный (разностный, противофазный) сигнал на фоне большого синфазного. Легко достижимое значение К_ОСС лежит в диапазоне 70—80 дБ. Дальнейшее увеличение К_ОСС до 90—120 дБ требует специальных методов и усложняет конструкцию УсЭКС.

Полное входное сопротивление Z_вх должно быть не менее 2,5—10 МОм. При таких значениях Z_вх можно пренебречь потерями в передаче напряжения ЭКС и допустить разбаланс сопротивлений кожа—электрод до 5—10 кОм. Напряжение смещения на входных зажимах УсЭКС не должно уменьшать значения Z_вх и К_ОСС. Чтобы не увеличивать напряжение смещения, необходимо ограничить постоянный ток в цепи пациента, определяемый по входному току покоя, значением 0,1 мкА.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭКС ДЛЯ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ.

Одна из возможных структур оцифровки и передачи ЭКС приведена на рис.1.

Усилитель

Rf_кв

L Регулятор АЦП

УУиП ТС

ЦАП

Рис. 1.

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) переводит полученный и усиленный ЭКС в дискретную форму для ввода в устройство управления и передачи (УУиП). Дискретизированный сигнал после обработки его УУиП, на выходе которого может стоять обычная модемная схема, передается через телефонную сеть (ТС) на специальное устройство приема сигнала, либо на ЭВМ врача-диагноста.

Также обработанный УУиП сигнал подается на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для автоматического управления параметрами сигнала (амплитуды, смещения изолинии, центровки в динамическом диапазоне АЦП и т.д.).

Задача преобразования данных характеризуется рядом требований, выдвигаемых условиями применения схем АЦП и ЦАП:

· выбором вида двоичной системы кодирования;

· выбором частоты квантования (f_кв) аналогового сигнала;

· определением необходимого числа уровней квантования;

· допустимыми ошибками преобразования;

· выбором соответствующего вида АЦП и ЦАП;

· фильтрацией сигнала на входе АЦП и выходе ЦАП;

· оптимизацией схемных решений.

Специфическая форма ЭКС требует большого числа уровней квантования. Наиболее часто используется 256, 512 или 1024 уровня, соответствующие в обычном двоичном коде 8, 9 или 10 разрядам. Частота квантования определяет равноотстоящие отрезки времени, в которых непрерывный сигнал представляется в виде некоторых значений, зафиксированных в эти моменты времени

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

Устройство управления и передачи может взаимодействовать с аналоговым сигналом через АЦП, задача которого состоит в преобразовании входного напряжения в пропорциональное ему число. Методы аналого-цифрового преобразования более разнообразны, чем цифро-аналогового. Объясняется это тем, что АЦП можно осуществить, используя целый ряд систем (параллельный, с двухтактным интегрированием, последовательного приближения и т.д.).

Рассмотрим принцип действия только преобразователя последовательного приближения, наиболее часто используемый в медицинских приборах, что объясняется простотой устройства, а также высокой скоростью и постоянным временем преобразования, не зависящим от амплитуды аналогового сигнала.