Усилитель биопотенциалов для многоканального электрокардиографирования

Полезная модель относится к технике измерений биоэлектрических сигналов организма и его частей и может быть использована в переносных многоканальных цифровых электрокардиографах, применяемых у постели больного и в машинах скорой помощи.
Согласно «Медицинской энциклопедии» (dic.academic.ru) принадлежностью любого электрокардиографа являются узлы аналогового прибора - система электродов и коммутатор (селектор) отведений, обеспечивающие восприятие биопотенциалов с разных точек поверхности тела человека; усилитель биопотенциалов и регистрирующее устройство с лентопротяжным механизмом, обеспечивающим точно установленные скорости движения диаграммной ленты, на которой записывается электрокардиограмма (ЭКГ).
Обязательным элементом цифрового электрокардиографа является, кроме того, микропроцессор с запоминающими устройствами и программным обеспечением, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) усиленных биопотенциалов, монитор и пульт управления.
Одной из основных характеристик, определяющих технические и эксплуатационные возможности любого электрокардиографа является качество (надежность) съема биопотенциалов с тела пациента. Контролю этого параметра всегда уделяется повышенное внимание.
Известен многоканальный усилитель биосигналов, описанный в работе «Sigma-delta techniques reduce hardware count and power consumption in biomedical analog front ends». Analog dialoge 28-2, 1994, hh/6-7, содержащий электроды для съема биопотенциалов с грудной клетки пациента, электроды для съема биопотенциалов с конечностей и двенадцать инструментальных (сигнальных) усилителей. Этот прибор обеспечивает съем биопотенциалов, которые используются для формирования двенадцати общепринятых отведений ЭКГ.
Его недостатком является отсутствие анализа качества установки электродов на тело пациента и оценки работоспособности каналов усиления снимаемых биопотенциалов.
Известен многоканальный усилитель биопотенциалов, который содержит электроды для снятия биопотенциалов, мультиплексор, блок управления мультиплексором, дифференциальный усилитель, модулятор, блок гальванической развязки, усилитель модулированного сигнала, генератор тактовых импульсов, демультиплексор, блок управления демультиплексором, блок анализа, блок индикации, блоки демодуляции, блок весовых цепей, блоки полосовых фильтров и блок логической обработки. Этот усилитель, в отличие от вышеупомянутого аналога, обеспечивает контроль нарушений контакта между кожей пациента и электродами для снятия биопотенциалов, а также локализацию и индикацию места нарушения контакта, часто называемого «обрывом электрода» (свидетельство на изобретение №1821136, A61B 5/05).
Недостатком этого многоканального усилителя является сложность конструкции, большие габариты и энергопотребление, что ограничивает его практическое применение, особенно в компактных электрокардиографах с автономным питанием от аккумуляторных батарей, применяемых в машинах скорой помощи.
Частично эти недостатки устраняются в многоканальном усилителе биопотенциалов по патенту RU №2148377, A61B 5/05, содержащем электроды для съема биопотенциалов, блок анализа и блок индикации, а также девять операционных усилителей, десять резистивных делителей напряжения и формирователь тестовых импульсов частотой (8-12) Гц. При этом резистивные делители с первого по восьмой включены между выходами соответственно с первого по восьмой операционных усилителей и выходом девятого операционного усилителя, выходы резистивных делителей напряжения с первого по восьмой соединены с инвертирующими входами соответственно с первого по восьмой операционных усилителей, девятый резистивный делитель напряжения включен между выходом девятого операционного усилителя и выходом десятого резистивного делителя напряжения, подключенного к выходу формирователя тестовых импульсов частотой (8-12) Гц, выход девятого делителя напряжения соединен с инвертирующим входом девятого операционного усилителя, неинвертирующие входы операционных усилителей с первого по восьмой соединены соответственно с первого по восьмой электродами для снятия биопотенциалов, неинвертирующий вход девятого операционного усилителя соединен с девятым электродом для снятия биопотенциалов с левой ноги пациента, выходы операционных усилителей с первого по восьмой соединены соответственно с первого по восьмой входами блока анализа, выход которого соединен с входом блока индикации.
Однако все указанные устройства относятся к тому поколению электрокардиографических приборов, когда еще отсутствовали достаточно дешевые и высокопроизводительные средства цифровой вычислительной техники, позволяющие осуществлять автоматическое управление основными узлами электрокардиографа: автоматически регулировать усиление (масштаб) записи, определять максимальные и минимальные значения регистрируемых параметров ЭКГ, вычитать измеренную величину напряжения наводки из электрокардиографического сигнала без искажений последнего, сводить к минимуму артефактные смещения изолинии и т.п. Многоканальные электрокардиографы этого поколения использовались, главным образом, в стационарах.
Бурное развитие цифровой вычислительной техники, в частности, появление на рынке микроэлектроники высокопроизводительных многоканальных многоразрядных АЦП, сенсорных жидкокристаллических экранов и универсальных интегральных микросхем со встроенными усилителями с программируемым коэффициентом усиления, цифровыми программируемыми блоками управления и стандартными интерфейсами позволило перейти к созданию нового поколения цифровых многоканальных переносных электрокардиографов с автономным питанием, характеризующихся большими функциональными возможностями, высокими эргономическими характеристиками и очень низким потреблением.
К этому классу приборов относится, в частности, линейка портативных многоканальных электрокардиографов «АЛЬТОН», серийно выпускаемых компанией-заявителем. Эти цифровые электрокардиографы широко используются в настоящее время в поликлиниках и стационарах, а также в службе скорой помощи (www.altomedika.ru). Их недостатки начали проявляться по мере ужесточения нормативных требований к медицинским приборам, при использовании которых необходимо осуществлять непосредственный контакт с телом пациента - к так называемым ME изделиям и ME системам (ГОСТ Р МЭК 60601-1-2-2014, ГОСТ Р МЭК 601-2-25-2016).
Указанные требования были учтены при создании переносного многоканального электрокардиографа Е-104 (www.altomedika.ru), позволяющего автоматически измерять основные амплитудно-временные параметры ЭКГ (более 100) у пациентов всех возрастов. Усилитель биопотенциалов в этом устройстве, выбранном в качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения, выполнен на универсальной интегральной схеме для электрокардиографов с 8-канальным 24-разрядным АЦП Front-End компании Texas Instruments, США (www.ti.com). Структурная схема ближайшего аналога приведена в комплекте документации на демонстрационный образец применения этого изделия в многоканальном электрографировании («Руководство пользователя ADS1298ECG-FE Demonstration Kit»-sbaul71d.pdf). Как и в большинстве современных многоканальных усилителей биопотенциалов для многоканальных цифровых электрокардиографов в нем предусмотрена возможность контроля параметров недопустимого ухода параметров инструментальных (сигнальных) каналов электрографирования и канала нейтрального электрода - выявления аварийной ситуации «обрыв N-электрода» (SBAS459K -JANUARY 2010-REVISED AUGUST 2015, 9.3.1.7.5 «RLD Lead-off», p. 41).
Ближайший аналог содержит восемь входов для подключения восьми сигнальных электродов электрографических отведений и два входа для подключения соответственно опорного R-электрода и Right Left Driven (RLD)-электрода (N-электрода), а также десять фильтров нижних частот (ФНЧ), входы которых являются указанными входами усилителя биопотенциалов, каждый из которых выполнен с возможностью подключения соответствующего сигнального электрода, R- или N-электрода. Усилитель содержит также управляющий микропроцессор, масштабирующие резисторы, параллельно одному из которых подключен конденсатор, а также основной элемент - универсальную интегральную схему АЦП для многоканальных электрокардиографов - ECG AF-E. Вышеупомянутая универсальная интегральная схема включает в себя 8 опорных источников тока, подключенных к соответствующим входам мультиплексора, 8 из которых служат для подсоединения сигнальных электродов, а другие 8 соединены общей шиной друг с другом и подключены к R-электроду. Ближайший аналог включает в себя, кроме того, встроенный операционный усилитель биопотенциала N-электрода и 8 сигнальных каналов, каждый из которых подключен к соответствующему выходу мультиплексора и содержит последовательно соединенные сигнальный усилитель и встроенный АЦП, выход которого подключен к соответствующему сигнальному входу блока управления, связанного с помощью последовательного интерфейса с управляющим микропроцессором. Вышеупомянутые масштабирующий резистор и конденсатор включены параллельно минусовому входу и выходу операционного усилителя биопотенциалов N-электрода, один из входов которого подключен к земляной шине, а один из выводов масштабирующего резистора подключен к другому входу указанного операционного усилителя. Вход каждого ФНЧ подключен к соответствующему сигнальному электроду, а выход этого ФНЧ соединен с соответствующим сигнальным входом мультиплексора. Выход же ФНЧ, подключенного к N-электроду, соединен с выходом операционного усилителя биопотенциала N-электрода.
Недостатком ближайшего аналога является то, что правильность функционирования канала N-электрода может быть проверена только при отключении этого канала - «Determine if the RLD electrode is connected in the ADS129x by powered down the RLD amplifier». Такое техническое решение не позволяет зафиксировать аварийную ситуацию «обрыв N-электрода» в процессе съема биопотенциалов, что существенно снижает надежность работы прибора в реальных условиях, поскольку может привести к ошибкам при регистрации ЭКГ.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанного недостатка путем обеспечения возможности обнаружения тревожной ситуации «обрыв N-электрода» в процессе электрокардиографирования пациента. Ожидаемый технический результат заключается, таким образом, в повышении надежности работы усилителя биопотенциалов (а следовательно, и электрокардиографа в целом) в реальных условиях эксплуатации.
Получить этот технический результат планируется, благодаря тому, что известный усилитель биопотенциалов для многоканального электрокардиографа, содержащий в общем случае М входов для подключения М сигнальных электродов электрографических отведений и два входа для подключения соответственно опорного R-электрода и Right Left Driven (RLD)-электрода (N-электрода), а также M+2 ФНЧ, каждый из которых выполнен с возможностью подключения, соответствующего сигнального электрода либо R- или N-электрода, а также управляющий микропроцессор, универсальную интегральную схему АЦП для многоканальных электрокардиографов, два масштабирующих резистора, параллельно одному из которых включен конденсатор, при этом вышеупомянутая универсальная интегральная схема включает в себя М опорных источников тока, подключенных к соответствующим входам для подсоединения сигнальных электродов, встроенный операционный усилитель, мультиплексор с 2М входами, М из которых соединены общей шиной друг с другом, и М выходами, каждый из которых через последовательно соединенные сигнальный усилитель и встроенный АЦП подключен к соответствующему сигнальному входу блока управления, связанного с помощью последовательного интерфейса с управляющим микропроцессором, вышеупомянутые масштабирующий резистор и конденсатор включены параллельно одному из входов и выходу операционного усилителя, другой вход которого подключен к земляной шине, один из выводов масштабирующего резистора подключен ко входу вышеупомянутого операционного усилителя, выход каждого ФНЧ, подключенного к соответствующему сигнальному электроду, соединен с соответствующим сигнальным входом мультиплексора, а выход ФНЧ, подключенного к N-электроду, соединен с выходом встроенного операционного усилителя, введены М+1 высокоомный резистор, каждый из которых включен между земляной шиной и выходом ФНЧ канала соответствующего сигнального электрода и канала биопотенциала R-электрода, а также операционный усилитель биопотенциала R-электрода, а в управляющий микроконтроллер встроен АЦП микроконтроллера, который подключен к выходу ФНЧ канала N-электрода, при этом выход операционного усилителя биопотенциала R-электрода соединен с общей шиной, соединяющей М сигнальных минусовых входов мультиплексора, и со вторым выводом масштабирующего резистора.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1 и фиг. 2. Для конкретности на рисунках представлены схемы усилителя биопотенциалов с восьмью сигнальными электродами на базе универсальной интегральной схемы 8-канального АЦП для многоканальных электрокардиографов.
На фиг. 1 показана общая структурная схема указанного усилителя биопотенциалов.
На фиг. 2 приведена структурная схема ключевого элемента общей схемы - универсальной интегральной схемы 8-канального АЦП для многоканальных электрокардиографов.
На рисунках использованы следующие обозначения: 1 - универсальная интегральная схема АЦП для многоканальных электрокардиографов; 2 - мультиплексор; 3 - опорные источники тока; 4 - блок управления; 5 - сигнальный усилитель; 6 - сигнальный АЦП; 7 - операционный усилитель биопотенциала R-электрода; 8 - операционный усилитель биопотенциала N-электрода; 9 - АЦП микроконтроллера; 10 - управляющий микроконтроллер; 11 - последовательный интерфейс; 12 - ФНЧ, R1-R9 - высокоомные резисторы; R10, R11 - масштабирующие резисторы.
Рассматриваемый на рисунках усилитель биопотенциалов для многоканального электрокардиографирования содержит восемь входов для подключения восьми сигнальных электродов электрокардиографических отведений и два входа для подключения соответственно опорного R-электрода и Right Left Driven (RLD)-элeктpoдa (N-электрода), а также десять ФНЧ 12, входы которых являются указанными входами усилителя биопотенциалов, каждый из которых выполнен с возможностью подключения соответствующего сигнального электрода, R- или N-электрода, а также управляющий микропроцессор 10, универсальную интегральную схему 1 АЦП для многоканальных электрокардиографов, масштабирующий резистор R11 с конденсатором и другой масштабирующий резистор R10, при этом вышеупомянутая универсальная интегральная схема 1 включает в себя восемь опорных источников 3 тока, подключенных к соответствующим сигнальным входам мультиплексора 2, а также операционный усилитель 7 потенциала R-электрода, при этом восемь минусовых входов мультиплексора 2 соединены общей шиной друг с другом, а каждый из восьми выходов мультиплексора 2 через последовательно соединенные сигнальный усилитель 5 и сигнальный АЦП 6 подключен к соответствующему сигнальному входу блока 4 управления, связанного с помощью последовательного интерфейса 11 с управляющим микропроцессором 9, вышеупомянутые масштабирующий резистор R11 и конденсатор включены параллельно одному из входов и выходу операционного усилителя 7 биопотенциала N-электрода, другой вход которого подключен к земляной шине. Один из выводов другого масштабирующего резистора R10 подключен ко входу операционного усилителя 8 потенциала N-электрода, выход каждого ФНЧ 12, подключенного к соответствующему сигнальному электроду соединен с соответствующим плюсовым сигнальным входом мультиплексора 2. Рассматриваемый усилитель биопотенциалов содержит также девять высокоомных резисторов R1-R9, каждый из которых включен между земляной шиной и выходом ФНЧ 12 в канале каждого сигнального электрода и в канале R-электрода, а также операционный усилитель 7 биопотенциала R-электрода. В управляющий микроконтроллер 10 встроен АЦП 9 микроконтроллера, вход которого подключен к выходу ФНЧ 12, установленного в канале N-электрода, при этом выход операционного усилителя 7 биопотенциала R-электрода соединен со вторым выводом масштабирующего резистора R10 и с общей шиной, соединяющей 8 минусовых входов мультиплексора 2 друг с другом.
Все показанные на рисунках элементы доступны на открытом рынке электронных компонентов. Поэтому предлагаемое устройство обеспечивает возможность его серийного производства на существующей элементной базе.
Выявление «обрыва N-электрода» в предлагаемом усилителе биопотенциалов для многоканального электрокардиографирования происходит следующим образом.
Рассмотрим процедуру обнаружения «обрыва N-электрода» на примере показанного на рисунках 8-канального усилителя биопотенциалов (фиг. 1) с 8-канальной 24-разрядной интегральной схемой АЦП ADS1298R типа ECGAF-E фирмы Texas Instruments (далее - микросхемы), структура построения которой показана на фиг. 2
Как показано на этом рисунке, в состав указанной микросхемы входят установленный на входе мультиплексор 2, к восьми плюсовым входам которого подключены сигнальные электроды L, F, C1, …C6 и опорные источники 3 тока, а восемь минусовых входов соединены друг с другом общей шиной, на которой формируется опорный биопотенциал. Мультиплексор 2 позволяет передавать сигнал с каждого из своих входов на соответствующий выход, который является входом канала отведения. При этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов с блока 4 управления. Мультиплексор 2 формирует по заданной программе сигналы отведений, которые усиливаются с помощью установленных в каждом канале отведений сигнальных усилителей 5 и подвергаются аналого-цифровому преобразованию в сигнальном АЦП 6 этого канала.
В процессе работы из встроенных в микросхему 1 опорных источников 3 постоянного тока в каждый из 8 каналов съема ЭКГ (фиг. 1) направляется постоянный ток величиной - 6 нА.
Этот ток умножается на количество подключенных сигнальных электродов. При этом на высокоомных резисторах R1-R9 возникает падение напряжения Uп величиной приблизительно от -30 мВ до -53 мВ.
Когда N электрод не подсоединен к пациенту (ситуация «обрыв N-электрода»), напряжение Uп увеличивается в 40 раз с помощью операционного усилителя 7 R-электрода, масштабирующих резисторов R10, R11 и операционного усилителя 8 N-электрода, встроенного в микросхему 1 (фиг. 2). Результирующее постоянное напряжение величиной около 1,2 В поступает на АЦП 9 микроконтроллера, встроенного в управляющий микроконтроллер 10, который связан последовательным интерфейсом 11 с блоком управления 4. В результате чего (после сравнения с пороговым значением, которое задается в управляющей программе) управляющий микроконтроллер 10 принимает решение об индикации «обрыва N электрода».
Когда N электрод подсоединен к пациенту, через него в тело пациента течет ток, компенсирующий сумму постоянных токов с сигнальных электродов L, F, С1…С6. Этот ток составляет не более 60 нА, что вызывает падение напряжения на высокоомных резисторах R1-R9, включенных на выходах соответствующих ФНЧ 12 (в сумме 50 кОм), не более 3 мВ. Это позволяет управляющему микроконтроллеру 10 принять решение о том, что N электрод подключен.
Выбор порогового значения постоянного напряжения на N электроде, при котором происходит индикация «обрыва N электрода», делается исходя из качества наложения N электрода на тело пациента, которое можно считать достаточным для штатного съема ЭКГ. Экспериментально было выбрано значение порогового напряжения 1,0 В. Проведенные на предприятии-заявителе заводские испытания подтвердили эффективность предложенного технического решения.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить ожидаемый технический результат, заключающийся в повышении надежности работы усилителя биопотенциалов для многоканального электрокардиографирования, а следовательно, и надежности правильного функционирования цифрового электрокардиографа, в состав которого он входит, благодаря обеспечению возможности обнаружения тревожной ситуации «обрыв N-электрода» в процессе многоканального съема биопотенциалов с тела пациента.