ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ И ПЕРЕДАЧИ КАРДИОСИГНАЛОВ

Полезная модель относится к медицинской технике, в частности, к области кардиографии, и используется для регистрации электрокардиограммы (ЭКГ), отображающей работу сердца человека, выполняющего движения в воде.
Известна телеметрическая система, заявленная в патенте US 4791933, А61В 5/04, от 20.12. 1988 «Radio electrocardiography for a living body moving in the water», содержащая объект информации (человек), размещенный в водной среде, водонепроницаемые электроды для снятия ЭКГ, кодирующее устройство с радиопередатчиком, передающую антенну, канал связи, выполненный в виде воздушной среды, приемную антенну, приемник с демодулятором и регистрирующее устройство.
Данная система применяется для передачи по радиоканалу сигнала ЭКГ пловца, у которого антенна передатчика закреплена вертикально на спине и находится в воздушной среде. Система имеет ограниченные эксплуатационные возможности, так как не может обеспечить надежную связь при наличии у передающей антенны контакта с водной средой.
Известны системы связи пловцов с базой, основанные на передаче сигналов в воде с помощью ультразвука, в частности, речевых сигналов. Серийно производимое снаряжение для подводных пловцов итальянской фирмы Oceanreef [1] позволяет осуществлять речевую связь между пловцом и базой при глубине погружения до 40 м и удалении до 500 м.
в
Исходя из того, что верхняя граница частотного диапазона речевых (телефонных) сигналов в технике связи составляет не менее 3400 Гц [2, с.21-25], а верхняя частота ЭКГ сигналов ограничивается частотой F=100…150 Гц [3], с помощью таких систем возможна передача ЭКГ сигналов от пловца на базу.
В патенте US 5136555, Н04В 11/00, от 04.08.1992 «Integrated diver face mask and ultrasound underwater voice communication apparatus» обмен речевыми сигналами между пловцом и базой производится путем амплитудной модуляции голосом несущей частоты ультразвуковых колебаний.
Недостатком данного решения применительно к передаче сигналов ЭКГ является использование амплитудной модуляции, что приводит к изменениям амплитуды принятых сигналов на приемной стороне в зависимости от условий распространения сигнала, изменений характеристик приемо-передающего тракта и т.д., и, соответственно, к неправильной оценке принятой ЭКГ.
Для передачи ЭКГ без потерь необходимо использовать передачу сигнала ЭКГ в цифровом виде, при этом искажения амплитуды сигнала в тракте передачи не влияют на точность передаваемой информации. Для преобразования ЭКГ в цифровой вид используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с разрядностью N=12…24 бит [3]. Для дискретизации аналоговых сигналов, в соответствии с теоремой Котельникова [2, с.40-41], частота выборок должна быть не менее удвоенной верхней частоты сигнала. Следовательно, для передачи ЭКГ в цифровом виде потребуется скорость битовой передачи не менее
.
В патенте US 6130859, Н04В 11/00, от 10.10.2000 «Method and apparatus for carrying out high data rate and voice underwater communication» между пловцом и базой передаются цифровые данные с модуляцией OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), обычно применяемой в радиосвязи [4]. За счет использования такого типа модуляции достигнута скорость передачи цифровых данных по ультразвуковому каналу 4800…9600 бит/с. Применение данного вида модуляции позволяет также эффективно бороться с замираниями при передаче сигнала в воде, возникающими из-за существования множества слоев воды с разными свойствами (температурой, плотностью и т.д.).
Данное решение удовлетворяет условиям формулы (1), позволяя передавать качественный сигнал ЭКГ, с разрядностью N>12 бит, или с увеличенной частотой выборок, поэтому в телеметрической системе передачи сигнала ЭКГ целесообразно применение узлов «модулятор OFDM» и «демодулятор OFDM», подробно описанных в данной публикации.
Недостатком данного решения является то, что данная система не предназначена для регистрации и передачи сигнала ЭКГ.
Наиболее близка к заявляемой полезной модели система, заявленная в патенте RU 2028077 C1, A61B 5/03, от 09.02.1995 «Радиотелеметрическая система для передачи кардиосигналов».
Данная система содержит объект информации, размещенный в воде, систему водонепроницаемых электродов для снятия ЭКГ, усилитель биопотенциалов, передатчик, приемник и регистрирующее устройство, канал связи, выполненный в виде водной среды, причем передатчик, приемник, передающая и приемная антенны выполнены для работы в сверхдлинноволновом диапазоне радиоволн, обеспечивающим связь в воде.
Достоинством такого решения является возможность передачи сигнала ЭКГ не только с поверхности воды, но и непосредственно из водной среды.
Недостатки такого решения:
1. Сигнал ЭКГ передается в аналоговом виде, что приводит к изменению его величины на приемной стороне в зависимости от расстояния между приемной и передающей антеннами, солености воды и т.д., и, соответственно, к искажению формы сигнала ЭКГ и недостоверности анализа;
2. Передающая антенна, закрепленная на пловце, для эффективной работы радиоканала в данном диапазоне частот должна иметь большие габариты и массу, что приводит к сложности закрепления на пациенте и к утяжелению снаряжения пловца.
Задачей создания полезной модели является улучшение качества и увеличение дальности передачи сигнала ЭКГ, а также уменьшение массогабаритных показателей телеметрической системы для регистрации и передачи кардиосигналов с целью увеличения достоверности анализа ЭКГ и улучшения эргономических показателей передающей части системы.
Поставленная задача достигается тем, что телеметрическая система для передачи кардиосигналов, включающая водонепроницаемые электроды, автоматический электронный коммутатор, усилитель биопотенциалов, канал связи, выполненный в виде водной среды и регистрирующее устройство, согласно заявляемому техническому решению, система дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь, объектовый микроконтроллер, модулятор OFDM, выходной усилитель, передающий гидрофон, приемный гидрофон, входной усилитель, демодулятор OFDM, базовый микроконтроллер и цифро-аналоговый преобразователь.
Сущность полезной модели поясняется функциональной схемой системы, приведенной на фиг.1.
Система содержит: объект информации 1, водонепроницаемые электроды 2, автоматический электронный коммутатор 3, усилитель биопотенциалов 4, АЦП 5, объектовый микроконтроллер 6, модулятор OFDM 7, выходной усилитель 8, передающий гидрофон 9, канал связи 10, приемный гидрофон 11, входной усилитель 12, демодулятор OFDM 13, базовый микроконтроллер 14, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 15, регистрирующее устройство 16, базу пловцов 17,
Автоматический электронный коммутатор 3 служит для получения в одном канале сигналов с разных потенциальных электродов 2, при этом сигналы разных отведений получаются разделенными по времени.
Усилитель биопотенциалов 4 служит для усиления сигнала ЭКГ до уровня, необходимого для работы АЦП 5.
Автоматический электронный коммутатор 3, усилитель биопотенциалов 4, АЦП 5, объектовый микроконтроллер 6, модулятор OFDM 7, выходной усилитель 8 и передающий гидрофон 9 размещены в герметичном корпусе, который имеет автономный источник питания и закреплен на поясе объекта информации 1.
Входной усилитель 12 служит для усиления принятого сигнала до уровня, необходимого для работы демодулятора OFDM 13.
ЦАП 15 служит для преобразования цифрового сигнала в аналоговый вид, необходимый для отображения на регистрирующем устройстве 16.
Приемный гидрофон 11, входной усилитель 12, демодулятор OFDM 13, базовый микроконтроллер 14 и ЦАП 15 размещены в герметичном корпусе, который имеет автономный источник питания и установлен на подводной части базы пловцов 17, которая выполнена в виде плавательного средства.
Предлагаемая телеметрическая система для передачи кардиосигналов работает следующим образом.
Водонепроницаемые электроды 2 закрепляются на теле пациента 1 и через водонепроницаемые кабели соединяются с входами автоматического электронного коммутатора 3. Автоматический электронный коммутатор 3 непрерывного действия поочередно подключает потенциальные электроды 2, закрепленные на объекте информации 1, к входу усилителя биопотенциалов 4. Усиленный сигнал преобразуется в цифровой вид с помощью АЦП 5 и передается в модулятор OFDM 7 посредством объектового микроконтроллера 6. В модуляторе OFDM 7 происходит модуляция сигнала и перенос спектра сигнала в ультразвуковой диапазон частот. Модулированный сигнал усиливается выходным усилителем 8 и преобразуется передающим гидрофоном 9 в ультразвуковую волну.
Сигнал ЭКГ в виде модулированной ультразвуковой волны распространяется через водный канал связи 10 и принимается приемным гидрофоном 11. Принятый сигнал, усиленный входным усилителем 12, переносится в диапазон сигналов ЭКГ и преобразуется в цифровой вид с помощью демодулятора OFDM 13. Базовый микроконтроллер 14 передает цифровой сигнал ЭКГ на ЦАП 15, в котором происходит преобразование сигнала ЭКГ в аналоговый вид, пригодный для регистрации на любом регистрирующем устройстве 16.
Сигнал ЭКГ с подводной части базы пловцов 17 по водонепроницаемому кабелю передается на надводную часть с регистрирующим устройством 16.
Положительный эффект в предлагаемой полезной модели основан на комбинации схемотехнических и конструктивных решений, направленных на улучшение качества и увеличение дальности передачи сигнала ЭКГ, а также уменьшение массогабаритных показателей телеметрической системы для регистрации и передачи кардиосигналов с целью увеличения достоверности анализа ЭКГ и улучшения эргономических показателей передающей части системы.
Источники информации
1. http://www.oceanreefgroup.com
2. Гитлиц М.В., Лев А.Ю. Теоретические основы многоканальной связи. / Учеб. пособие для вузов связи. - М.: Радио и связь, 1986. - С.248.
3. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ: Учеб. Пособие для вузов / А.Л.Барановский, А.Н.Калиниченко, Л.А.Манило и др.; Под ред. А.Л.Барановского и А.П.Немирко. - М.: Радио и связь, 1993. - С.248.
4. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. - М.: Радио и связь, 2000. - С.520.