Идентификация биполярной активности живого организма с помощью измерительных преобразователей

Идентификация биполярной активности живого организма с помощью измерительных преобразователей Кунесбеков А.1, Усенбай Т. А.2

Кунесбеков Абылай / Kunesbekov Abilai - магистрант;

2Усенбай Талгат Абдижалелулы / Ysenbai Talgat Abdizhalelyli - магистрант, кафедра робототехники и технических средств автоматики,

Казахский национальный технический университет им. К. И. Сатпаева, г. Алматы

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

Abstract: this paper presents a method of registration bioelectric activity of the heart. Using a measuring transducers disclosed methods for the suppression of noise in 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.

Рис. 1. Обобщенная функциональная схема ИП биоэлектрической активности сердца

Первичным элементом 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].

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 [3-5].

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 [5-8].

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 питание более безопасно и позволяет повысить отношение амплитуды сигнала к помехе.

Можно выделить два варианта построения входных каскадов ИП:

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

2) ИП, построенные с использованием 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: кожноэлектродный импеданс и электродные разности потенциалов, подразделяющиеся на контактные и поляризационные. Программный способ подавления синфазных помех заключается в использовании различных методов цифровой фильтрации.

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 в разной степени увеличивают их продолжительность [9-11].

В заключение следует отметить, что при регистрации биосигналов необходимо подавление помех с помощью цифровых фильтров нижних частот. Последовательно соединенные фильтров 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 к более точной интерпретации данных.

Литература

1. Рангайян Р. М. Анализ биомедицинских сигналов. М.: Физматлит, 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.

8. Макешева К. К., Алтайулы А. Е. Измерительные преобразователи биоэлектрической активности сердца. // Проблемы современной науки и образования. - 2014. - №. 10 (28).

9. Алтайулы А. Е. Методы детектирования биосигналов. // Проблемы современной науки и образования. -

2014. - №. 9 (27).

10. Алтайулы А. Е. Алгоритмические, программные и технические средства идентификации паттернов биоданных. // Проблемы современной науки и образования. - 2014. - №. 10 (28).

11. Kuliash M., Yeldos A. Computer modeling electrocardiogram signals using notch filters. // European research. -

2015. - №. 3 (4).