УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММ

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для преобразования электрических сигналов от электрокардиографических датчиков в цифровую форму с низким уровнем искажений и передачи данных по стандартному порту в персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) для последующей обработки и хранения.
Известно аналогичное устройство, содержащее интерфейсную и рабочую части с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), гальванически изолированный источник питания, многоканальный усилитель и фильтры верхних частот (RU 2102004 C 1, опубл. 20.01.1998).
К недостаткам известного устройства можно отнести высокий уровень искажений сигнала, сложность конструкции и недостаточную точность преобразования сигналов из аналогового вида в цифровой.
Задачей изобретения является понижение уровня искажений сигнала, повышение помехоустойчивости устройства и точности регистрации электрокардиограммы, а также упрощение электрической схемы устройства.
Поставленная задача решается тем, что устройство регистрации электрокардиограмм, содержит интерфейсную и рабочую части, причем интерфейсная часть содержит контроллер интерфейсов, буферное оперативное запоминающее устройство и контроллер шины USB, рабочая часть содержит девять каналов аналоговой обработки, три АЦП и контроллер асинхронного канала передачи данных, который соединен с указанным контроллером интерфейсов через асинхронный канал передачи данных с гальванической развязкой, при этом устройство дополнительно содержит вторичный источник питания (ВИЛ) с гальванической развязкой, а каждый из девяти указанных каналов аналоговой обработки содержит последовательно соединенные защиту от перегрузки, буферный усилитель и
фильтр низких частот. В предпочтительном варианте устройства ВИЛ представляет собой импульсный преобразователь напряжения, содержащий изолирующий трансформатор, модулятор питающего напряжения, выпрямитель и стабилизатор.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема устройства регистрации ЭКГ, на фиг.2 - схема ВИЛ, на фиг.3 - схема асинхронного канала передачи данных.
Устройство состоит из двух гальванически изолированных частей - интерфейсной и рабочей. В состав интерфейсной части (фиг.1) входят следующие функциональные узлы: контроллер интерфейсов 1, буферное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 2, контроллер шины USB 3.
В состав рабочей части входят девять каналов аналоговой обработки, каждый из которых содержит последовательно соединенные защиту от перегрузки 4, буферный усилитель 5 и фильтр низких частот (НЧ) 6. Рабочая часть также содержит три аналого-цифровых преобразователя (АЦП) 7 и контроллер асинхронного канала передачи данных 8. Передача данных между интерфейсной и рабочей частями осуществляется через асинхронный канал передачи данных с гальванической развязкой 9. Для выработки напряжений питания рабочей части предназначен вторичный источник питания (ВИП) с гальванической развязкой 10. ВИЛ представляет собой импульсный преобразователь напряжения, содержащий модулятор 11 питающего напряжения, изолирующий трансформатор 12, выпрямитель 13 и стабилизатор 14.
Устройство работает следующим образом. Электрические сигналы от датчиков по девяти каналам аналоговой обработки через защиту от перегрузки 4 поступают на буферные усилители 5. Буферные усилители 5, реализованные на операционных усилителях, обеспечивают входное сопротивление более 100 Мом. В них производится усиление сигналов по напряжению с постоянным коэффициентом усиления, равным 10. Фильтр НЧ 6 представляет собой RC - цепочку, включенную последовательно с выходом
буферного усилителя 5. Фильтры НЧ фильтруют (подавляют) высокочастотные составляющие сигналов, при этом полоса пропускания фильтров составляет 1 КГц по уровню 3 дБ.
После усиления и фильтрации сигналы подаются непосредственно на входы трех АЦП 7 (по три канала на каждый АЦП), построенных по схеме сигма - дельта преобразования. АЦП с высокой точностью преобразуют аналоговый сигнал в цифровой код. Разрядность используемых микросхем АЦП составляет 24 бита при частоте дискретизации 5 КГц на канал и диапазоне входного сигнала ±10 В.
Применение микросхем АЦП с такими характеристиками позволяет получить ряд преимуществ. Появляется возможность отказаться от применения аналоговых фильтров высокой частоты, осуществляющих режекцию (подавление) постоянной составляющей электрокардиографического сигнала. Данные фильтры в заявленном устройстве реализуются при цифровой обработке электрокардиограмм в ПЭВМ. При этом полоса пропускания таких фильтров может программно перестраиваться в зависимости от режима работы в диапазоне от 0 Гц. Исключение аналоговых фильтров ВЧ, в состав которых обычно входят крупногабаритные конденсаторы с высокими требованиями по стабильности, в итоге снижает уровень искажений, вносимых в кардиосигнал такими каскадами.
Такая схема построения аналогового тракта позволяет получить электрокардиографический сигнал в цифровом виде с частотой дискретизации 5 КГц на канал и полосой пропускания 1 КГц в сочетании с низким уровнем искажений, что повышает точность регистрации электрокардиограммы и дает возможность выделять малозаметные, но диагностически значимые элементы электрокардиографических кривых.
Для обеспечения электробезопасности пациента необходимо гальванически разделить рабочую и интерфейсную части устройства.
Гальваническое разделение по цепи питания осуществляется в ВИЛ, а по сигнальным цепям - в асинхронном канале передачи данных.
Электропитание устройства в целом производится от напряжения +5 В из шины USB ПЭВМ.
В ВИП посредством модуляции питающего напряжения формируются импульсы тока, поступающие на первичную обмотку изолирующего трансформатора 12. В выпрямителе 13 рабочей части импульсный ток с вторичной обмотки трансформатора преобразуется в постоянный, поступающий на вход стабилизатора 14. В стабилизаторе вырабатывается стабилизированное напряжение питания для рабочей части устройства.
Данные из трех АЦП в цифровой форме передаются в контроллер 8, в котором производится формирование двоичных информационных пакетов для передачи по каналу с гальванической развязкой на интерфейсную часть.
В интерфейсной части данные из канала с гальванической развязкой поступают в контроллер интерфейсов 1, где осуществляется восстановление синхронизации для информационных пакетов и формирование массивов данных для передачи в буферное ОЗУ 2.
Особенностью заявленного устройства является то, что последовательный канал передачи данных работает в симплексном режиме (передатчик на рабочей части, приемник на интерфейсной части) с однопроводной линией передачи информации. Максимальная скорость передачи информации достигает 10 Мбит/с (фиг.3).
Механизм синхронизации потоков двоичных данных между передатчиком и приемником заложен непосредственно в структуру информационных пакетов.
В целом, заявленное техническое решение позволяет сократить аппаратные затраты на организацию гальванически изолированного канала передачи данных, обеспечить высокую помехоустойчивость и снизить
вероятность нарушения электрической изоляции рабочей части, так как только симплексная однопроводная линия передачи информации реализуется с использованием единственной оптопары в качестве изолирующего устройства, а любой иной протокол передачи данных требует двух или более изолирующих устройств.
После дешифрации информационных пакетов данные поступают в буферное ОЗУ 2 и на шину стандарта USB 1.1. Выбор шины для обмена с ПЭВМ обусловлен несколькими причинами. Во-первых, для передачи данных из устройства ЭКГ в режиме реального времени требуется шина с высокой пропускной способностью (до 10 Мбит/с). Такую скорость передачи не могут обеспечить шины стандарта Centronics и RS-23 2/485. Во-вторых, шина USB позволяет использовать для электропитания устройства напряжение +5 В из ПЭВМ, потребляемый ток при этом может достигать 500 мА.
Данные из контроллера интерфейсов побайтно записываются в буферное ОЗУ, которое организовано по принципу FIFO и позволяет согласовать временные диаграммы работы канала передачи данных между рабочей и интерфейсной частями и шины USB. Необходимость использования ОЗУ типа FIFO связана с тем, что при передаче данных по шине USB, при средней скорости передачи до 12 Мбит/с, могут возникать паузы различной длительности, связанные с перегрузкой аппаратных ресурсов ПЭВМ и/или возможностей программного обеспечения. Во время таких пауз передача данных из устройства ЭКГ в ПЭВМ по шине USB запрещается. В этом случае информационные пакеты из контроллера интерфейсов накапливаются в ОЗУ, а после разрешения передачи, с максимально допустимой протоколом USB скоростью, считываются из ОЗУ в контроллер USB 3. Таким образом компенсируются задержки при передаче информационных пакетов и поддерживается режим реального времени при обмене информацией с ПЭВМ.
Контроллер USB 3 управляет передачей данных в соответствии с протоколом обмена шины USB. Информация электрографических датчиков в цифровом виде через шину USB передается в ПЭВМ, имеющую в своем составе хост-контроллер USB.
Низкие уровни искажений и шумов, вносимые устройством в сигналы датчиков, а также точность преобразования этих сигналов из аналогового вида в цифровой, позволяют при последующей обработке кардиосигналов в ПЭВМ с высокой достоверностью выделять диагностически значимые фрагменты для различных режимов регистрации электрокардиограмм.