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.

Основной целью работы сердца является перекачка крови из вен в артерии. Данный орган состоит из камер — двух предсердий и двух желудочков, разделённых клапанами. Он функционирует по принципу насоса — выбрасывает кровь в артерии (систола) и заполняется кровью из вен (диастола).

Электрокардиограмма (ЭКГ) — это запись электрической активности сердца с поверхности тела. ЭКГ полезна для определения пути прохождения волны возбуждения. Сигнал позволяет выявить и локализовать патологические источники возбуждения и участки блокад проведения, обнаружить гипертрофии камер сердца и т. п. [1, с. 297].

Рисунок 1. ЭКГ. Зубцы, интервалы и сегменты [1, с. 298]

QRS комплекс характеризует электрическую активность внутри сердца во время желудочкового сокращения, сигнализирует о моменте данного явления, а также его форма несёт большой объём информации о текущем состоянии органа. Благодаря своей характерной геометрии QRS комплекс часто служит в качестве основы для определения частоты сердцебиений [2].

Мотивирующим фактором для изучения длительности комплекса QRS является его информативность об опасности серьёзных нарушений биомеханики сердца, определяющих клиническое течение и исходов сердечно-сосудистых заболеваний [3, c.75].

Рисунок 2. Результаты исследования VEST: выживаемость в зависимости от комплекса QRS у пациентов с сердечной недостаточностью [4]

Улучшение массогабаритных характеристик, максимизация отказоустойчивости и улучшение помехозащищённости являются основными задачами для мобильных устройств регистрации ЭКГ. Для холтеровского монитора наилучшим решением может стать использование т.н. интерфейсных микросхем (AFE – Analog Front End), включающих в себя входной аналоговый блок, блок оцифровки и первичной обработки биомедицинских сигналов, а также множество других блоков. В [5] подробно рассмотрено устройство и функционирование AFE ADAS1000 от AnalogDevices.

Структурная схема разработанной на базе ADAS1000 системы представлена на рисунке 3. Полученные сигналы с электродов оцифровываются в аналогово-цифровых преобразователях (АЦПи), фильтруются при помощи встроенных фильтров нижних частот (ФНЧ), передаются в микроконтроллер. Передача результатов анализа осуществляется при помощи модуля беспроводной передачи данных (МБПД).

Рисунок 3. Структурная схема системы дистанционного холтеровского ЭКГ мониторинга

Для разработки алгоритма детекции в данной работе был выбран метод анализа во временной области в виду простоты его применения для распознавания комплекса QRS ЭКГ в режиме реального времени.

В своём большинстве программные детекторы обычно включают в себя три или более видов шагов по обработке: линейную цифровую фильтрацию, нелинейные преобразования, и алгоритмы правил принятия решений [6]. Данный в [7] метод использует все три.

Рисунок 4. Блок-схема системы по детекции QRSкомплексов

Детекция комплекса QRS ЭКГ выполняется следующим образом. Сначала, запись ЭКГ проходит обработку в линейном ФВЧ для того, чтобы выделить комплекс QRS ЭКГ и в то же время подавить нежелательные зубцы ЭКГ, такие, как P и Т зубцы, и дрейф изолинии. После этого, для того, чтобы гарантировать, что высокочастотные, низкоамплитудные артефакты могут быть сглажены до определённого уровня, в то время как QRS комплекс должен быть сохранён, выход линейного ФВЧ обрабатывается при помощи двухполупериодного выпрямления и нелинейного усиления, далее следует скользящее окно суммирования. Все действия, указанные выше, можно назвать процессом нелинейного ФНЧ преобразования. В конце применяется пороговый уровень для принятия решений и завершения детекции QRS комплекса.

Для анализа, разработанного на языке ”C”, ПО микроконтроллера, использовалось 25 одноминутных записей ЭКГ с частотой дискретизации 360 Гц из базы MIT-BIH Arrhythmia Database [8, 9]. Для выхода на режим согласно [7] требуется некоторое время. Анализ сигнала был проведён после одноминутной адаптации ПО.

Рисунок 5. Результат применения алгоритма реального времени для детекции комплекса QRS ЭКГ на сигнале №100 из базы MIT-BIH Arrhythmia Database. 1 – исходный сигнал ЭКГ; 2 – отфильтрованный ФВЧ сигнал; 3 – сигнал на выходе из цифрового ФНЧ (сплошная линия) и пороговый уровень (прерывистая линия); 4 – результат детекции комплексов QRSЭКГ

Таблица 1 – Результаты эффективности ПО детекции QRS комплексов

Точность после адаптации составила 99.73 %.

Для вычисления длительности QRS комплексов ПО было модифицировано. При прохождении сигнала через пороговый уровень начинается отсчёт времени, а после повторного — прекращается.

В качестве тестового сигнала ЭКГ на рисунке 6 использовалась база данных ЭКГ сигналов, полученная с модуля ADAS1000 в [10]. ЭКГ сигналы были сгенерированы симулятором аритмий HKP (Heidelberger Praxisklinik). Использовался следующий режим Program1 – P01: sinus rhythm (SR). Полученный в данной работе сигнал p01_16_PacePulse_01_Kp=0.03125.dat был прорежен с 32 кГц до частоты дискретизации 200 Гц для ускорения тестирования алгоритма и избавления от артефактов кардиостимулятора.

Рисунок 6. Результат вычисления длительности QRSЭКГ. 1 – исходный сигнал ЭКГ; 2 – сигнал на выходе из цифрового ФНЧ (сплошная линия) и пороговый уровень (прерывистая линия); 3 – результат детекции длительности комплексов QRSЭКГ

С использованием разработанного ПО на базе системы дистанционного холтеровского ЭКГ мониторинга, включающей интерфейсные микросхемы специального назначения, можно выполнить исследование комплекса QRS ЭКГ и других параметров в дистанционном режиме.

Электрокардиограф – это медицинский прибор, который регистрирует электромагнитные импульсы сердца. Результатом его работы является электрокардиограмма (ЭКГ). Она представляет собой простой неинвазивный тест, который регистрирует электрическую активность сердца. Аппарат ЭКГ предназначен для распознавания и записи любой электрической активности в сердце. Он предоставляет информацию о функции внутрисердечной проводящей ткани сердца и отражает наличие сердечного заболевания через его электрические свойства. Расшифровка ЭКГ помогает понять, как работает сердце [1, с. 83].

Отведения ЭКГ обычно делятся на лобные отведения, которые используют электроды на конечностях и измеряют электрическую активность в вертикальной плоскости, и прекардиальные отведения, которые используют шесть грудных электродов и измеряют электрическую активность примерно в горизонтальной плоскости. I отв. – измеряет разность потенциалов между электродами левой и правой руки (где правая рука является «отрицательным»), II отв. – измеряет разницу между электродами правой руки и левой ноги (правая рука также «отрицательна»), а III отв. – измеряет разницу между левой ногой и левой рукой (левая рука «отрицательна»). Электрод на правой ноге используется в качестве заземления. Заземление важно для определения нулевого напряжения, поскольку отведения ЭКГ измеряют разность напряжений, а не абсолютные значения [2, с. 147-149].

Рис.1. Расположение электродов

Для получения ЭКГ в 12 отведениях на конечности и грудную клетку накладывают 10 электродов (рис.1). По одному электроду помещают на каждую из четырех конечностей: левую и правую руку, а также левую и правую ногу. Конечности можно сравнить с «удлинителями», и сигнал ЭКГ не будет зависеть от точного положения электрода на конечности. Напротив, размещение конечностного электрода на туловище приведет к некоторым изменениям сигналов, регистрируемых ЭКГ. Остальные шесть электродов размещаются на передней поверхности грудной клетки в определенных положениях.

Но сделать ЭКГ можно лишь в медицинских учреждениях и по предварительной записи. И часто у людей с проблемами с сердцем возникает необходимость контролировать его работу постоянно или находясь в значительном отдалении от больниц. Для это разработано портативное устройство, которое хоть и не обладает высокой точностью как профессиональные аналоги, но для контроля вполне подходит.

Аппаратная часть простая и состоит из трех модулей: AD8232 (датчик регистрирует электромагнитные импульсы сердца), Arduino Nano и HC-06 (для передачи данных по Bluetooth на смартфон) [3, с. 92-96].

На рис.2 представлена собранная из описанных выше компонентов предварительная схема устройства.

Рис.2. Собранная схема соединения устройства

На рис.3 представлен внешний вид рабочего окна мобильного приложения. Оно создано для операционной системы Android. Основное место в рабочем окне занимает полученная через Bluetooth электрокардиограмма и последующий её анализ. Из управляющих блоков расположены кнопки, позволяющие подключиться к кардиографу и начать работу, воспользоваться цифровым фильтром, остановить процесс, сохранить результат, очистить поле для нового измерения, а также ознакомится с предыдущими результатами.

Рис.3. Рабочее окно приложения

В результате проделанной работы был разработан и собран прототип портативного электрокардиографа со связью со смартфоном, где есть возможность в специально разработанном приложении получить результаты ЭКГ. В качестве основы использовался микроконтроллер Arduino Nano, а также специальный модуль AD8232 для снятия сердечного ритма и Bluetooth-модуль HC-06, для связи со смартфоном. Данное устройство может быть использовано людьми с проблемами с сердцем, для контроля за его работой. И также в медицинских учреждениях, где попросту нет возможности сделать профессиональный ЭКГ.