УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОЙ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММЫ ЧЕЛОВЕКА

Техническое решение относится к области медицинской техники и предназначено для бесконтактного контроля функционального состояния человека, в частности для бесконтактного снятия электрокардиограммы.
Широко известны устройства регистрации электрокардиограммы (ЭКГ) с помощью электродов, контактирующих с кожей обследуемого. Контроль ЭКГ в определенных точках пациента (отведениях) позволяет очень подробно оценить состояние сердечно-сосудистой системы человека. Однако, для его осуществления необходим контакт с кожей пациента, улучшенный специальными гелями. В ряде случаев такой контакт практически невозможен. Примером могут служить водители автотранспорта на длительные расстояние, пилоты самолетов и т.д. Их ЭКГ контролируются в лучшем случае перед выходом на маршрут.
В настоящее время известно устройство для бесконтактной регистрации ЭКГ, выполненное на базе технологии EPIC [1, 2] компании Plessey (Англия) (фиг. 1). В данном устройстве электроды расположены вблизи тела обследуемого человека и отделены от него одеждой и специальной изоляцией. Сигнал с каждого электрода поступает на усилитель, фильтрующие устройства и по каналу связи передается в компьютер для последующего анализа. Выделение сигнала ЭКГ из регистрируемого сигнала с одежды каждым электродом обеспечивается указанными фильтрами, характеристики которых определяются, в том числе и параметрами конденсаторов, образовавшихся кожей человека, одеждой, изолятором и электродом. В связи с этим изменение одежды влечет за собой изменения качества выделяемого сигнала.
Из уровня техники известно устройство для бесконтактной регистрации ЭКГ (патент EP 2853195 «Sensor for a contactless electrocardiographic measurement, sensor array and seat or couch», опубл. 01.04.2015, МПК A61B 5/0408). Устройство содержит электроды, расположенные вблизи тела человека, сигнал с каждого электрода поступает на усилитель, фильтрующие устройства и по каналу связи передается в компьютер для последующего анализа.
Недостатком этого устройства является нестабильность его работы.
В качестве прототипа выбрано устройство бесконтактной регистрации ЭКГ (патент US 7684854 «Apparatus and method for measuring electric non-contact electrocardiogram in everyday life», опубл. 23.03.2010, МПК A61B 5/0444), содержащее электроды, расположенные вблизи тела человека, причем каждый электрод подключен к усилителю, фильтру, преобразователю (фиг. 3).
Недостатком этого устройства является нестабильность его работы, связанная с изменением емкости между телом человека и электродами. Нестабильность работы возникает по следующим причинам.
На поверхности тела человека обнаруживается целый комплекс биопотенциалов - ЭКГ с амплитудой до 2 мВ и спектром 1-100 Гц, электромиаграммы величиной до 5-10 мВ и спектром 1-5 Гц, и различные помехи.
При контактном способе регистрации ЭКГ большинство «ненужных» сигналов подавляются, т.к. электрические схемы, образованные электродами и источниками этих сигналов, обладают существенно большим внутренним сопротивлением, чем электрокардиограмма человека. Аналоговые или цифровые фильтры электрокардиографа убирают остальные помехи.
При бесконтактном «съеме» сигналов у ЭКГ и электромиаграмм (ЭМГ) одинаково высокие внутренние сопротивления, и фильтрация ненужных сигналов возложена исключительно на фильтр устройства. Поскольку параметры ЭКГ и ЭМГ близки, их разделение по схеме, предложенной [3], нестабильно и зависит от емкости входных датчиков, которые определяются составом и толщиной одежды. Нестабильность сигналов не позволяет компьютеру устройства провести достоверно и точно анализ вариаций ритма сердечных сокращений и функционального состояния обследуемого.
В предложенном устройстве технический результат направлен на повышение стабильности сигналов ЭКГ, регистрируемых бесконтактным способом.
Устройство бесконтактной регистрации ЭКГ содержит электроды, выполненные из сплава с высокой электропроводностью, располагаемые вблизи тела обследуемого человека (на расстоянии 1-2 см). Первый электрод подключен к трем входам высокоточного АЦП, в котором выполнены аналоговые фильтры, канал связи с компьютерным устройством, содержащим программу цифровой фильтрации, расчетов и вывода сигналов ЭКГ на экран монитора, компенсирующий вход высокоточного АЦП соединен со вторым электродом. Оцифрованные сигналы передаются по USB-каналу связи в компьютер, где вычисляются разности сигналов, в которых компенсируются помехи и миаграммы, усиливая тем самым ЭКГ.
Сущность заявляемого технического решения поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 представлено устройство, разработанное компанией «Ford» на базе технологии EPIC (Англия), на фиг. 2 - результаты экспериментов (запись ЭКГ) устройства компании «Ford» с разной одеждой испытуемого и разными фильтрами а) хлопок, фильтр до 30 Гц; б) хлопок, фильтр 8-25 Гц; в) шерсть и хлопок, фильтр 8-25 Гц; г) полиэстер с хлопком, фильтр 16-40 Гц, на фиг. 3 - структурная схема устройства-прототипа, фиг. 4 - внешний вид заявляемого устройства, фиг. 5 - зарегистрированные сигналы ЭКГ и миаграммы по устройству-прототипу, фиг. 6 - сигнал ЭКГ, полученный на заявляемом устройстве, фиг. 7 - сигнал ЭКГ, полученный на заявляемом устройстве, фиг. 8 - сигнал ЭКГ, полученный на заявляемом устройстве, а) - через тонкую хлопчатобумажную одежду, б) - через многослойную зимнюю одежду с использованием синтетических материалов, фиг. 9 - структурная схема заявляемого устройства.
Заявляемое устройство бесконтактной регистрации ЭКГ (фиг. 4, фиг. 9) содержит два электрода 1 и 7, выполненные из сплава с высокой электропроводностью, например, медь марки М-01. Электроды 1 и 7 размещают вблизи тела обследуемого человека 9 (на расстоянии 1-2 см). Первый электрод 1 подключен к первому 2, второму 3 и третьему 4 входам высокоточного 24-разрядного АЦП 5, в котором выполнены аналоговые фильтры. Второй электрод 7 устанавливается рядом с телом обследуемого человека 9 и соединяется с компенсирующим входом 8 24-разрядного АЦП 5. Размещение первого электрода 1 и второго электрода 7 вблизи тела человека 9 необходимо для образования с кожей человека электрического конденсатора. Оцифрованные сигналы из 24-разрядного АЦП 5 передаются по USB-каналу связи в компьютер 6, где вычисляются разности сигналов, в которых компенсируются помехи и миаграммы, усиливая ЭКГ.
При реализации устройства-прототипа необходимой стабильности сигнала ЭКГ получить не удалось. Особенно «нечитаемым» оказался сигнал, содержащий миаграммы (фиг. 5).
Исключить эти помехи удалось, установив один электрод вблизи обследуемого человека, и этот электрод образовывал с кожей обследуемого человека электрический конденсатор, к этому электроду подключаются три входа 24-разрядного АЦП, а к компенсирующему входу АЦП подключается второй электрод, располагающийся вблизи тела обследуемого.
Параметры этого конденсатора и входных цепей оказались такими, что «вредные» низкочастотные составляющие регистрируемых сигналов сдвигаются и компенсируются, а сигнал ЭКГ (фиг. 6, 7) увеличивается или, по крайней мере, не уменьшается.
Проводились эксперименты (фиг. 8), в ходе которых изменялась одежда испытуемого, но сигнал регистрируемый устройством остался стабилен.
Качество сигналов таково (фиг. 7), что позволяет очень точно оценить вариабильность сердечного ритма обследуемого, а значит и оценить его функциональное состояние, не формируя прямой контакт электродов устройства с телом обследуемого.
Устройство работает следующим образом.
Электроды, образующие электрические конденсаторы подводятся к телу человека на 1-2 см. На электродах формируются электрические сигналы, пропорциональные ЭКГ, ЭМГ и другим помехам. Эти сигналы оцифровываются АЦП, фильтруются и передаются в компьютерное устройство, при этом конденсаторы, образовавшиеся электродами и кожей, и фильтры сдвигают ЭКГ и ЭМГ таким образом, что ЭМГ и помехи компенсируются, а сигнал сформированный устройством, в основном, содержит ЭКГ, качеством достаточным для анализа функционального состояния человека. Причем сигнал стабилен при некоторых изменениях входных емкостных датчиков (одежда обследуемого) и положение тела обследуемого, что очень важно для достижения технического результата устройства.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2193/doc/57874/
2. www.plesseysemi.com http://www.saelig.com/supplier/plessey/Non-contact%20ECG%20measurement%20using%20EPIC-article0911312P.pdf