УДК 616-71

РАЗРАБОТКА ПОРТАТИВНОГО ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФА

Бычков Евгений Александрович1, Щербачев Андрей Вячеславович1, Галямов Айрат Зинурович1
1Московский Государственный Технический Университет Им. Н.Э Баумана, студент 4го курса кафедры биомедицинской техники

Аннотация
Данная статья посвящена разработке портативного электрокардиографа. Рассмотрены различные алгоритмы фильтрации ЭКГ. В результате проведенных исследований обосновывается необходимость температурного датчика и акселерометра. Приводятся результаты фильтрации снятого сигнала. Описываются предполагаемые эффекты от использования разработанного устройства.

Ключевые слова: акселерометр, портативный электрокардиограф, термодатчик, фильтрация, ЭКГ, электроды


DEVELOPMENT OF A PORTABLE ELECTROCARDIOGRAPH

Bychkov Evgeniy Aleksandrovich1, Shcherbachev Andrey Vyacheslavovich1, Galiamov Airat Zinurovich1
1Bauman Moscow State Technical University, student of the 4th course of the Department of Biomedical Engineering

Abstract
This article is devoted to the development of the portable electrocardiograph. Various ECG filtering algorithms. As a result of the research proves the necessity of the temperature sensor and accelerometer. You can read about filters applied to signal. It is also described about supposed effects from using designed device.

Keywords: accelerometer, ECG, filtration, portable electrocardiograph, thermo sensor


Рубрика: 14.00.00 МЕДИЦИНСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Бычков Е.А., Щербачев А.В., Галямов А.З. Разработка портативного электрокардиографа // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/04/67353 (дата обращения: 20.11.2016).

Всемирная организация здравоохранения констатирует [1], что каждый год по всему миру заболевания сердечно-сосудистой системы являются причиной смерти более 17 миллионов человек (рис.1). Поэтому обеспечение объективной, качественной и своевременной диагностики патологии сердца — одна из наиболее актуальных задач всемирного здравоохранении.

Рис.1

Самым распространенным, малозатратным и эффективным методом инструментальных исследований в кардиологии на сегодняшний день является электрокардиография, представляющая собой метод регистрации биопотенциалов сердца на поверхности тела человека, оперативно, а также объективно отражающая характер сердечной деятельности.

Электрокардиография основана на регистрации электрической активности сердечной мышцы, которая состоит из нескольких тысяч мышечных элементов и около 10^10 клеток. Каждый этап деполяризации или реполяризации представляет собой различные этапы деятельности большого числа клеток. Электрическая активность каждого элемента может быть представлена в виде векторной величины.

Вектор определяется как сила, которая может быть представлена по направлению и величине. Общая сумма всех сердечных векторов и является электрической активностью всего сердца (рис. 2). На электрокардиограмме (ЭКГ) записывается последовательность таких мгновенных векторов[2].

Рис.2 – Электрическая активация сердца: результирующий вектор сил. Вектор III может производить r′ в V1.

Целью данной работы является создание компактного устройства для повседневного мониторинга сердечной деятельности, поскольку большинство заболеваний сердечно-сосудистой системы можно с успехом лечить на ранних стадиях. Таким образом, мы приходим к пониманию необходимости постоянного мониторинга работы сердца даже у людей, никогда не жаловавшихся на наличие подобных заболеваний. Разрабатываемое устройство не будет стеснять движения пациента, при этом обеспечивая требуемый уровень снимаемого сигнала. Акцент сделан на портативности устройства и высоком уровне фильтрации сигнала, и выделении ключевых точек, для существенного облегчения последующей расшифровки лечащим врачом.

Одним из важных этапов разработки является схемотехническая часть. Основное предназначение аналоговой части схемы заключается не только в получении, но и в первичной фильтрации и усилении снятого сигнала. Для этого в схему добавлены фильтры верхних, нижних частот, полосовые и заграждающие[4].

Результатом выполненной аналоговой фильтрации (рис.3) является устранение постоянной составляющей, обусловленной поляризацией электродов, борьба с самовозбуждением по питанию операционных усилителей, а также уменьшение общего числа шумов.

Рис.3 – Сигнал ЭКГ в реальном времени выведенный на осциллограф

Для достижения требуемого качества получаемого сигнала кроме аналоговых фильтров в схеме используются и цифровые – фильтрация снятого сигнала с использованием частотных фильтров сглаженной производной, обеспечивающая требуемое соотношение сигнал-шум.

Рис.4 – Оцифрованный сигнал ЭКГ.

Цифровую фильтрацию можно условно разделить на две группы:

  • первичную- проводимую непосредственно в самом приборе
  • Основную – проводимою на персональном компьютере (ПК).

Первичная фильтрация представлена полосовым фильтром, способствующим уменьшению общего числа шумов в снятом сигнале (рис.4).

При помощи ПК реализовано распознавание на ЭКГ ключевых точек- r-r- интервала и QRS комплекса (рис.5), для облегчения проведения диагностики

Интервал R-R характеризующий продолжительность полного сердечного цикла – систолы и диастолы, определяет сердечный ритм, указывает на наличие аритмии.

Интервал QRS характеризующий распространение возбуждения по миокарду желудочков, соответственно определяет состояние сердечной мышцы. Измеряется от начала зубца Q до конца зубца S.

Рис.5 –Снятый сигнал после прохождения всех фильтров

Данные параметры позволят выявить следующие заболевания:

  • Аритмия
  • Инфаркт миокарда.
  • Стенокардия
  • Тахикардия
  • Перикардит
  • Миокардит

Кроме того, для большей информативности получаемых данных и точного анализа сигнала, в разрабатываемом портативном электрокардиографе было принято решение использовать два дополнительных датчика, а именно: датчик температуры и датчик ускорения (акселерометр). Использование датчика температуры обусловлено тем, что при повышении температуры тела действует закон Либермейстера: при увеличении температуры на 1°С частота сердечных сокращений увеличивается (ЧСС) на 6-8 ударов в минуту[5]. Данный закон, будет полезен при анализе ЭКГ, так как будет проще определить причины увеличения ЧСС или появление синусово аритмии. Так же датчик температуры позволит определить – используется ли прибор в данный момент.

Акселерометр необходим для автоматического определения времени активности пациента, что немало важно при анализе полученной ЭКГ(рис.5). Так же использование акселерометра обусловлено его использованием в адаптивном фильтре[3] для лучшего устранения помех, вызванных движением пациента, а также улучшения соотношения сигнал – шум.

Рис.5– Система координат, используемая для оптимального совмещения электрокардиографа и 3х осевого акселерометра.

В связи с тем, что сердечно-сосудистые заболевания не имеют специфических проявлений, болезнь может оставаться не диагностированной долгое время. Сложности и проблемы диагностики связаны также с тем, что подавляющее большинство людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями на ранних стадиях, не считают себя больными из-за отсутствия специфических признаков на данном этапе заболевания и не попадают в поле зрения врача. Таким образом, можно сделать вывод, что особое внимание следует уделить именно выявлению заболевания на ранних стадиях, когда возможно безоперационное лечение и сохранение дееспособности.

Предложенный в работе прибор будет иметь следующие эффекты:

  1. технический – разработанный прибор является достаточно простым для массового производства, причем его можно изготавливать полностью из отечественных компонентов;
  2. медицинский – повышение эффективности диагностирования заболевания большего количества людей, выявление патологии на более ранних стадиях- гарантия успешного проведения лечения;
  3. социальный – доступность диагностики для всех категорий граждан, улучшение качества жизни за счет периодических динамических исследований;
  4. экономический – сокращение пребывания пациентов в стационарах, уменьшающее материальные затраты на диагностику и лечение, но с поддержание высокого уровня диагностики заболеваний.

Библиографический список
  1. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs310/ru/index2.html
  2. Gabriel Khan Rapid ECG Interpretation //Elsevier Science 3rd ed 2003, p 6-9
  3. https://www.researchgate.net/publication/5389466_Adaptive_Motion_Artifacts_Reduction_Using_3-axis_Accelerometer_in_E-textile_ECG_Measurement_System
  4. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров: Перевод с английского. – Москва: Издательство ‘Мир’, 1984, C. 119-125
  5. http://enc-dic.com/enc_medicine/Tahikardija-22501/


Все статьи автора «sa0211825»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация