VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

На протяжении всего времени с момента изобретения электрокардиограммы (ЭКГ) Эйнтховеном в 1903 г., и использования стандартных отведений, не прекращаются попытки найти другую систему отведений, диагностирующую состояние сердца человека с большей точностью или с меньшими аппаратными затратами. В настоящее время для получения ЭКГ сигналов в системах диагностики и мониторирования используется множество различных систем отведений. В табл.1 представлено сравнение систем ЭКГ отведений [1].

Таблица 1 – Сравнение систем ЭКГ отведений

	Обычная 12-канальная ЭКГ	Модифиц. 12-каналь-ная ЭКГ	Стандартная 5-канальная ЭКГ	Система Франка	EASI
Число электродов	10	10	5	8	5
Удобство пациента	нет	нет	да	нет	да
Число независимых отведений	8	8	3	3	3
Число отображаемых отведений	12	12	7	12	12
Помехи клиническим процедурам	есть	есть	нет	нет	нет
Артефакты	высокие	средние	низкие	средние	низкие

Из табл.1 видно, что система EASI обеспечивает следующие преимущества перед обычной и модифицированной 12-ти канальной системой отведений [2]:

- простое и точное определение положения электродов обеспечивает воспроизводимость результатов;

- экономия времени и средств;

- повышение удобств и мобильности пациента;

- снижение объемов сохраняемых и обрабатываемых данных – всего 3 канала регистрации, обработки, хранения и передачи информации.

Поэтому структурная схема кардиомонитора, соответствующая системе измерений EASI, является оптимальной для варианта кардиомонитора с наибольшей функциональностью. Данная схема приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема EASI кардиомонитора

Обработку данных ЭКГ и диагностику можно проводить как через компьютер, так и без него – экспресс-анализ.

На рис. 2 приведено устройство ЭКГ, которое для диагностики сердечнососудистой системы использует компьютер.

Рисунок 2 – Блок схема носимого устройства мониторинга ЭКГ

Носимое устройство мониторинга ЭКГ, приведенное на рис.2, работает следующим образом [3]. Сигналы ЭКГ с выхода многоканального блока снятия ЭКГ, располагаемого на теле человека, поступают на мультиплексор и после оцифровки в АЦП на общую шину. В процессе выполнения блоком микропроцессора системных, стандартных и управляющих программ и установок, заданных посредством клавиатуры, в каждом такте сердечной деятельности по каждому каналу выделяется значимая область ЭКГ. Вычисляется ее характеристическое значение, перебором по всем каналам определяется наиболее опасное характеристическое значение (что повышает надежность, например, при случайном сдвиге электродов или нарушении их контакта с телом человека) и индицируется как текущее значение соответствующим индикатором блока индикации и сигнализации. За один или несколько промежутков времени вычисляется среднее по наиболее опасным характеристическим значениям и выводится на соответствующие индикаторы блока индикации и сигнализации. При выходе наиболее опасных характеристических значений за установленные границы формируется тревожный сигнал, поступающий на соответствующий индикатор-сигнализатор блока индикации и сигнализации. Текущие и задержанные характеристические значения в соответствии с программными установками записываются на сменную карту памяти выборочно, что увеличивает продолжительность записи.

Также в рамках Государственной научно-технической программы, Международным Научно-Учебным Центром Информационных Технологий и Систем НАН Украины и МОН Украины было разработано устройство фазаграф, основанное на методе фазового портрета [4].

Метод фазового портрета позволяет одновременно оценивать, как амплитудные, так и скоростные параметры любых элементов электрокардиосигнала, что дает возможность с высокой точностью оценить форму ЭКГ и обнаружить в ней такие отклонения, которые обычно скрыты от врача при традиционном анализе ЭКГ во временной области.

Основная идея метода состоит в том, что в каждой точке исходного временного сигнала у(t) численными методами оценивается первая производная dy/dt и вся последующая обработка сигнала выполняется на фазовой плоскости в координатах y(t) - dy/dt (рис. 3).

Рисунок 3 – основная идея метода

Математическая модель данного метода представляется в виде уравнения:

Само устройство фазаграф выполнено в виде приставки к персональному компьютеру (ноутбуку) и выполняет функцию микропроцессорного сенсора, который обеспечивает регистрации ЭКГ первого стандартного отведения и ввод оцифрованного сигнала в персональный компьютер. Для регистрации ЭКГ достаточно прикоснуться пальцами правой и левой рук к миниатюрным электродам, расположенным на передней панели (рис.4).

Рисунок 4 – Фазаграф

Технические характеристики прибора:

- Метод регистрации электрокардиосигнала (ЭКГ) - биполярный с пальцевыми электродами;

- Диапазон напряжений ЭКГ: 0,03 до 5 мВ;

- Относительная ошибка при измерении ЭКГ в интервале 0,5 до 4 мВ: ± 7%;

- Относительная ошибка при измерении ЧСС (в интервале от 30 до 180 уд/мин): ±5%;

- Средняя наработка на отказ: 2000 часов;

- Габаритные размеры: 100x70x25 мм;

- Масса: 0,2 кг.

Эти устройства используют различные типы подключения к компьютеру. В табл. 2 представлены функциональные особенности кардиомониторов для подключения к компьютеру.

Таблица 2 – Функциональные особенности кардиомониторов для подключения к компьютеру

Тип интерфейса	Проводной USB		Беспроводной Bluetooth
Параметр	Достоинства	Недостатки	Достоинства	Недостатки
Сложность схемы	Микросхема драйвера USB без гальванической изоляции	-	-	Модуль Bluetooth со встроенной антенной
Сложность программного обеспечения	-	Необходимо создание специальной программы на языке УМС	Существует стандартная функция приема файлов	-
Сложность конструкции	-	Необходимо проводное разъемное соединение	Независимый конструктив	-
Электропитание	От аккумулятора УМС	Необходима хорошая фильтрация питания от УМС	Встроенный аккумулятор, отсутствие помех по питанию	Необходимо зарядное устройство
Электроизоляция	Не требуется в рабочем режиме	Необходимо соблюдение правил эксплуатации при зарядке аккумулятора УМС	Идеальная в рабочем режиме	Должна быть обеспечена гальваническая развязка устройства зарядки встроенного аккумулятора
Энергопотреблен ие	До 10 мА	-	-	До 100 мА при передаче
Масса	уменьшение массы кардиомонитора	-	-	Входит масса аккумулятора и узла зарядки
Стоимость	ниже	-	-	выше

Другой тип обработки и диагностики данных ЭКГ экспресс-анализ наиболее оперативен и практичен. На рис.5 и рис.6 приведены устройства с функцией экспресс-анализа.

Рис. 5 – Функциональная схема устройства мобильной связи с возможностью кардиомониторинга: Эл.1-Эл.5- электроды ЭКГ; генератор 1, блок ввода-вывода 2, контроллер 3, энергонезависимую память 4, клавиатуру 5, дисплей 6, динамик 7, модем 8, корпус 9.

Устройство мобильной связи с возможностью кардиомониторинга [5], приведенная на рис.5, содержит три основных и два дополнительных электрода, генератор, контроллер, выполненный с возможностью одновременной регистрации реограммы и ЭКГ, что значительно увеличивает информативность о функционировании сердца и повышает достоверность диагностики сердечных заболеваний.

Перед началом измерения путем выбора из меню с помощью клавиатуры запускается программа функционирования. Процесс регистрации и анализа ЭКГ и реограммы индицируется на дисплее.

Для измерения I стандартного отведения ЭКГ (L-R) и реограммы груди человек берет устройство в правую руку, чтобы ладонь и пальцы плотно охватывали электроды Эл.1, Эл.2, Эл.4 (боковые стенки корпуса), и прикасается электродами Эл.3, Эл.5 (нижней стенкой корпуса) к точке стандартного отведения L (8, С.16) – например, к ладони левой руки.

Для измерения II стандартного отведения ЭКГ (F-R) и соответствующей реограммы человек также берет устройство в правую руку аналогично отведению I и прикасается электродами Эл.3, Эл.5 к точке стандартного отведения F (8, С.16) – например, к лодыжке левой ноги.

Для измерения III стандартного отведения ЭКГ (F-L) и соответствующей реограммы человек берет устройство в левую руку так, чтобы ладонь и пальцы плотно охватывали электроды Эл.1, Эл.2, Эл.4 и прикасается электродами Эл.3, Эл.5 к точке стандартного отведения F (8, С.16) – например, к лодыжке левой ноги.

Электрод 2 во всех рассмотренных случаях служит нулевым (N) электродом.

На рис.6 приведена функциональная схема наручного кардиомонитора-часов [6]. Особенностями наручных кардиомонитор-часов является использование для съема электрокардиосигнала одного из стандартных отведений, что требует применения трех электродов и усиления электрокардиосигнала с помощью дифференциального усилителя, при этом один ближний электрод (индифферентный) установлен на корпусе кардиомонитора, а два других удаленных электрода (дифференциальные) предназначены для установления на поверхности грудной клетки и соединены со входами усилителя двумя экранированными проводами.

Отличается тем, что устройство визуализации выполнено в виде матричного жидкокристаллического индикатора, позволяющего выводить на экран не только цифровые данные, но и тестовые сообщения, в частности: текущее время, частоту сердечных сокращений, наличие аритмий, простейшие рекомендации пациенту для коррекции состояния (например, прием лекарства).

Рис.6 – Функциональная схема наручного кардиомонитора-часов:1-2 - электроды, 3-кабель, А-первый провод, В-второй провод, 4-5 – усилители, ПУ-предварительный усилитель, 1К-первый каскад, ФВЧ-фильтр высоких частот, 2К-второй каскад, УЭ- удаленный электрод, РЖ-режекторный фильтр, БУ-буферный усилитель, ВУ-выходной усилитель, МК-микроконтроллер, КЛ-клавиатура, ПЗУ-постоянное запоминающее устройство, ЖКИ- жидкокристаллический индикатор, ЗУМ-устройство сигнализации, ИКП-инфракрасный порт

Таким образом, с каждым годом технические характеристики устройств кардиомониторинга совершенствуются. Увеличивается время работы без замены элемента питания за счет уменьшения энергопотребления, уменьшаются габариты прибора, сокращаются количества электродов, используемых для съема электрокардиосигнала. Для оперативной диагностики начинает использоваться метод фазового портрета сердца на основе математической модели. Повышается надежность как текущего мониторинга сердечной деятельности человека и самодиагностики обострения болезни сердца, так и отсроченного исследования развития обострения в стационарных условиях путем анализа данных, накопленных на сменной карте памяти. Упрощается доступ к базам данных исследований пациента и возможность информирования врачей об изменении данных в базе данных пациентов.

Литература

1. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ: Учеб. Пособие для вузов / А.Л. Барановский, А. Н. Калиниченко, Л. А. Манило и др.; Под ред. А. Л. Барановского и А. П. Немирко. — М.: Радио и связь, 1993. — 248 с.

2. Шульгин В.И. 12-ти канальное холтеровское мониторирование с использованием системы 12-lead EASI. – Харьков: Изд-во ХАИ МЕДИКА, 2002. - 11 с.: ил.

3. Волобуев П.Ю. Носимое устройство мониторинга ЭКГ//Патент №2266041, 20.06.2005

4. Фазаграф www.fazagraf.com (дата обращения 17.01.2014)

5. Клыпин Д.Н., Чернышев А.К. Устройство мобильной связи с возможностью кардиомониторинга//Патент №2463952, 30.09.2010

6. Ахлаков М.К., Бут В.И., Гордейчук А.П., Попечителев Е.П. Наручный кардиомонитор-часы//Патент №230883, 27.10.2007

Код для цитирования: Скопировать