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.