Измерительные преобразователи биоэлектрической активности сердца

Измерительные преобразователи биоэлектрической активности сердца

Алтай Е.А.1, Макешева К.К.2

1 Алтай Ельдос Алтайулы / Altay Yeldos Altayuly - магистрант; Макешева Куляш Кунуспаевна /Makesheva Kuliash Kunuspaevna - кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра робототехники и технических средств автоматики, Казахский национальный технический университет имени К.И.Сатпаева, г. Алматы

Аннотация: в статье рассмотрен метод регистрации биоэлектрической активности сердца. С помощью измерительных преобразователей раскрыты методы подавления шумов электрокардиографических сигналов.

Abstract: this paper presents a method of of registration bioelectric activity of the heart. With the help of measuring transducers disclosed methods of suppressing noises in of electrocardiographic signals.

Ключевые слова: измерительные преобразователи, электрокардиография, электрод, сигналы, фильтрация. Keywords: measuring converters, electrocardiography, electrode, signals, filtering.

Измерительные преобразователи (ИП) биоэлектрической активности сердца предназначены для регистрации разностей потенциалов, обусловленных биоэлектрической активностью сердца, с поверхности биологического объекта, обработки и преобразования полученных напряжений в измерительный сигнал. ИП биоэлектрической активности сердца являются самыми распространенными ИП биомедицинских сигналов в современной клинической практике.

В состав ИП биоэлектрической активности сердца входят электроды, формирователь сигнала, усилитель ЭКГ сигнала и блок обработки сигнала. На рисунке 1 приведена обобщенная функциональная схема ИП биоэлектрической активности сердца.

Рисунок 1. Обобщенная функциональная схема ИП биоэлектрической активности сердца

Первичными элементами ИП биоэлектрической активности сердца являются электроды, служащие для гальванической связи кожных покровов и входных каскадов ИП. Электроды для регистрации биосигналов представляют собой проводники специальной формы, с помощью которых осуществляется соединение элементов с различными типами проводимости - ионной и электронной. Процессы, протекающие в месте контакта электрода с биологическим объектом, оказывают существенное влияние на качество регистрируемых биосигналов [1].

Основные параметры ИП биоэлектрической активности сердца, такие как количество и тип электродов, число каналов, характеристики усилительного тракта определяются функциональным назначением клинической системы мониторинга.

Электроды, использующиеся в ИП биоэлектрической активности сердца, можно разделить на активные и пассивные. Активные электроды отличаются тем, что первичный каскад усиления встроен в конструкцию самого электрода. Применение активных электродов оправдано в том случае, если пассивные электроды не позволяют обеспечить необходимую точность измерения биоэлектрических потенциалов [2,5].

По количеству каналов ИП сигнала биоэлектрической активности сердца можно разделить на одноканальные и многоканальные ИП. В экспресс системах мониторинга параметров сердечного ритма используются одноканальные ИП, в то время как многоканальные ИП используются в задачах контурного анализа электрокардиографического (ЭКГ) сигнала и в задачах ЭКГ-картирования [3].

По типу амплитудно-частотной характеристики ИП биоэлектрической активности сердца классифицируются следующим образом:

1) ИП, используемые для оперативного мониторинга сердечного ритма, полоса частот для таких ИП обычно составляет 0,5 - 50 Гц;

2) ИП, применяемые в клинических системах с полосой частот 0,05 - 100 Гц;

3) ИП систем анализа ЭКГ высокого разрешения, где полоса частот составляет 0,01 - 500 Гц [4,5,6].

Различают два варианта построения источника питания ИП: автономный и сетевой. При питании ИП от

сети переменного напряжения, а также при соединении с внешним приемным устройством применяют гальваническую развязку. Автономное питания более безопасно и позволяет повысить отношение амплитуды сигнала к помехе.

Кроме перечисленных ранее признаков ИП биоэлектрической активности сердца можно классифицировать по схемотехническому построению. При этом можно рассматривать различные структурные элементы, входящие в состав ИП биоэлектрической активности сердца. Можно выделить два варианта построения входных каскадов ИП:

1) ИП, в основу которых положен принцип мультиплексирования аналоговых сигналов в АЦП;

2) ИП, построенные с использование многоразрядных АЦП, устанавливаемых на каждый канал. Сигнал биоэлектрической активности сердца поступает с массива электродов, расположенных на теле

обследуемого человека, на блок формирования сигнала отведений. На выходе блока формирования отведений попарно формируются дифференциальные сигналы, соответствующие тому или иному отведению ЭКГ сигнала. Дифференциальный усилитель обеспечивает частичное подавление синфазной составляющей помехи.

Процессу регистрации биопотенциалов сердца с поверхности тела человека свойственно присутствие помех различной природы возникновения: помехи, происхождение которых обусловлено электродами, помехи физической природы, связанные с воздействием окружающих электромагнитных помех и помехи биологической природы, связанные с движением и дыханием обследуемого, а также с наличием нежелательной биоэлектрической активности периферических мышц.

Существует два основных источника помех, природа которых связана с электродами: кожно-электродный импеданс и электродные разности потенциалов, подразделяющиеся на контактные и поляризационные. Программный способ подавления синфазных помех заключается в использовании различных методов цифровой фильтрации.

По методам исследований Д.В. Дроздова [7] было установлено, что фильтры могут изменять амплитуды, длительность зубцов и смещение интервалов ЭКГ и других биосигналов. Наиболее часто используемые фильтры нижних частот уменьшают амплитуду зубцов Q, R, S и разной степени увеличивают их продолжительность.

В заключение следует отметить, что при регистрации биосигналов необходимо подавление помех с помощью цифровых фильтров нижних частот. Последовательно соединенные фильтры высоких и нижних частот образуют полосовой фильтр, частоты среза которого зависят от частотных характеристик исследуемых биосигналов. Применение методов частотной полосовой на начальном этапе предварительной обработки биосигналов обеспечивает снижение погрешностей регистрации зубцов, устранение артефактов изолиний, что ведет более точному интерпретированию данных.

Литература

1. Рангайян Р.М. Анализ биомедицинских сигналов. М.: Физмат лит, 2007. 440 с.

2. Гусев В.Г. Получение информации о параметрах и характеристиках организма и физические методы воздействия на него. М: Машиностроение, 2004. 597 с.

3. Moore J. Biomedical technology and devises. CRC: Press LLC, 2004. 750 p.

4. Барановского А.Л., Немирко А.П. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ. М.: Радио и связь, 1993. 248 с.

5. Grimness S. Bio impedance and Bioelectricity Basics. San Diego: Academic Press, 2000. 749 p.

6. Crespo C. Automatic detection algorithm for physiologic pressure signal components. // Engineering in Medicine and Biology Society and Biomedical Engineering Society. 2013. Vol. 1. Р. 196-197

7. Дроздов Д.В. Влияние фильтрации на диагностические свойства биосигналов // Методические аспекты: материалы конференции. Москва: издательство Альтомедика, 2011. С. 75-78.