Устройство для передачи биофизиологических сигналов
DEVICE FOR TRANSMISSION OF BIOPHYSIOLOGICAL SIGNALS

Настоящее изобретение относится к области электротехники, применяемой в медицине, и может быть использовано для передачи электрических сигналов, снятых с тела биологического объекта (человека или животного), на регистрирующее устройство.
Известна проводниковая ЭКГ система [US 6891379 B2, «EKG WIRING SYSTEM», G01R 27/04, опубл. 10.05.2005 г.], в сущности, представляющая собой устройство для передачи биофизиологических сигналов, таких как электрокардиологический сигнал, состоящее из кабеля и разъема для соединения с регистрирующим устройством. Кабель содержит оболочку, внутри которой расположено множество коаксиальных проводников, электрически соединенных с разъемом. На внешней стороне оболочки на расстоянии друг от друга установлено множество контактов, выполненных с возможностью размещения на поверхности тела биологического объекта. Контакты на теле размещаются с помощью соединения с электродами, которые закреплены непосредственно на коже. Каждый контакт электрически соединен с соответствующим проводником.
Это известное устройство выбирается в качестве прототипа, так как оно имеет наибольшее число существенных признаков, совпадающих с существенными признаками заявляемого изобретения. Однако этот прототип имеет существенный недостаток, а именно, низкая надежность, обусловленная тем, что электрические сигналы, проходящие по коаксиальным проводникам, подвержены влиянию внешних помех. Источники помех могут располагаться как вне кабеля, так и внутри него. Примеры внешних источников помех: статические электрические разряды, возникающие в синтетическом белье человека; бытовые электроприборы; медицинская аппаратура, особенно электрохирургическое оборудование и т.п. Внутренние источники помех - взаимовлияние токов соседних проводников; трибостатические помехи, возникающие при изгибах кабеля вследствие трения друг об друга изоляций соседних проводников. Поскольку уровень биофизиологических сигналов, например ЭКГ, в основном лежит в диапазоне ±10 мВ, то внешние помехи могут составлять сопоставимую с сигналом величину и даже превышать его в несколько раз. Помехи искажают полезную информацию и могут сделать ошибочным или невозможным выделение диагностически значимых признаков. Внутренние помехи имеют, как правило, меньшую величину, однако и их удаление требуется в тех случаях, когда есть особые требования к получению высококачественного чистого сигнала.
Задачей настоящего изобретения является создание нового устройства для передачи биофизиологических сигналов с достижением следующего технического результата: повышение надежности за счет уменьшения уровня помех в передаваемом сигнале.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве для передачи биофизиологических сигналов, содержащем кабель и множество контактов, соединенных с ним, причем кабель включает оболочку, внутри которой расположено множество проводников, а на ее внешней стороне на расстоянии друг от друга установлено множество контактов, выполненных с возможностью размещения на поверхности тела биологического объекта, каждый контакт электрически соединен с соответствующим проводником, согласно настоящему изобретению, введен общий экран, помещенный между оболочкой и проводниками.
Возможны варианты развития основного технического решения, заключающиеся в том, что:
- каждый проводник помещен в индивидуальный экран;
- индивидуальные экраны выполнены из полупроводникового материала;
- введены элементы защиты от перенапряжения, каждый из которых электрически расположен между соответствующим проводником и общим экраном;
- введены элементы защиты от перенапряжения, каждый из которых электрически расположен между соответствующим проводником и его индивидуальным экраном.
Таким образом, с помощью всей совокупности заявленных признаков удается повысить надежность устройства для передачи биофизиологических сигналов за счет введения общего экрана, обеспечивающего защиту от помех, передаваемых по коаксиальным проводникам электрических сигналов.
Сущность заявляемого изобретения и возможность его практической реализации поясняется приведенным ниже описанием и чертежами.
На Фиг. 1 показано устройство для передачи биофизиологических сигналов, участки кабеля которого выполнены в виде «змейки».
На Фиг. 2 показано устройство для передачи биофизиологических сигналов, участки кабеля которого выполнены в виде колец, смещенных относительно друг друга.
На Фиг. 3 показано устройство для передачи биофизиологических сигналов, участки кабеля которого выполнены в виде спирали.
На Фиг. 4 показан поперечный разрез.
На Фиг. 5 показано устройство для передачи биофизиологических сигналов с микроконтроллерным блоком.
Устройство (Фиг. 1-5) для передачи биофизиологических сигналов содержит кабель 1 и множество контактов 2, соединенных с ним. Кабель 1 включает оболочку 3, внутри которой расположено множество проводников 4, а на ее внешней стороне на расстоянии друг от друга установлено множество контактов 2, выполненных с возможностью размещения на поверхности тела биологического объекта (на чертеже не показано), каждый контакт 2 электрически соединен с соответствующим проводником 4. Контакты на теле размещаются с помощью соединения с электродами (на чертеже не показаны), которые закрепляются непосредственно на коже.
Устройство для передачи биофизиологических сигналов может подключаться к регистрирующему устройству (на чертеже не показано) посредством кабеля 1 напрямую или с помощью разъема 5, с которым электрически соединен кабель 1 с одной своей стороны.
При этом участки кабеля 1, расположенные между контактами 2, выполнены с возможностью упруго деформироваться и могут представлять собой «змейку» (Фиг. 1), множество колец, смещенных друг относительно друга, (Фиг. 2) или спирали (Фиг. 3). Величина данной упругой деформации участков кабеля 1 определяется в зависимости от параметров расположения контактов на теле биологического объекта (на чертеже не показано), а именно, расстоянием между точками на теле, на которых должны быть закреплены контакты 2 для корректного съема и передачи биофизиологических сигналов. При этом длина проводников 4 выполнена такой, чтобы необходимая упругая деформация кабеля 1 не приводила к чрезмерным отрывающим усилиям на электродах.
В случае, когда участки кабеля 1 между контактами (электродами) 2 выполнены в виде «змейки», процесс изготовления включает укладку кабеля 1 в форму, которая имеет канавки, соответствующие конечной форме «змейки», нагрев кабеля 1, например, с помощью фена, до состояния термопластичности оболочки, и остывание кабеля 1. После остывания участки кабеля 1 сохраняют форму «змейки». Количество волн «змейки» и их высота на участке между контактами 2 определяется диаметром кабеля 1 и номинальным расстоянием между контактами 2. Например, для участка кабеля 1 диаметром 3 мм и номинальным расстоянием между контактами 2 30 см количество волн змейки может составлять 7-8 шт., высота волны змейки может быть 4-5 см.
В случае, когда участки кабеля 1 между контактами (электродами) 2 выполнены в виде гибкой спирали, процесс изготовления спирали включает наматывание кабеля 1 на стержень с канавками, нагрев, например, феном, до состояния термопластичности, остывание кабеля 1, после чего участки кабеля 1 сохраняют форму спирали. Диаметр спирали и количество колец выбираются в зависимости о диаметра кабеля 1 и номинального расстояния между контактами 2. Например, для кабеля 1 диаметром 3 мм и номинального расстояния между контактами 2 30 см диаметр спирали может быть 2 см, количество витков - 15 шт.
В случае, когда участки кабеля 1 между контактами (электродами) 2 выполнены в виде одного или нескольких колец, расположенные примерно в одной плоскости параллельно друг другу со сдвигом, процесс изготовления аналогичен изготовлению «змейки», при этом форма имеет канавки в виде колец. Диаметр колец и их количество выбираются в зависимости от диаметра кабеля 1 и номинального расстояния между контактами 2. Например, для участка кабеля 1 диаметром 3 мм и номинальным расстоянием между контактами 30 см диаметр колец может составить 5-8 см, количество колец 1-3 шт. Подобные «плоские» кольца меньше мешают пациенту под одеждой и могут быть с помощью пластыря прикреплены к телу в отдельных точках.
Пример
При движении человеческое тело изменяет геометрические размеры. Например, при вдохе объем грудной клетки увеличивается. При выдохе - уменьшается. При выполнении различных физических упражнений отдельные мышцы напрягаются и, соответственно, утолщаются, при расслаблении - уменьшаются в объеме. Часть контактов 2 устанавливается на грудной клетке, которая при вдохе/выдохе существенно меняет линейные размеры. Если длина кабеля 1 между контактами в точности равна расстоянию между точками установки на теле, то при изменении этих размеров тела излишнее напряжение может привести к срыву контактов 2, что может сделать бракованной длительную (суточную) запись. Выполненный в виде «змейки» кабель 1 позволяет изменяться расстоянию между установленными контактами, при этом за счет эластичности «змейки» не возникают сильных усилий в местах крепления контактов. При уменьшении расстояния (например, при выдохе), за счет пружинящих свойств «змейка» уменьшает длину участка кабеля 1, тем самым предотвращается провисание кабеля 1 между контактами 2 и возникающий из-за этого «дребезг» сигнала, что приводит к повышению точности измерений.
Контакты 2 могут быть выполнены в виде электродов для съема электрических потенциалов с поверхности тела биологического объекта (на чертеже не показано) или в виде контактных устройств крепления и электрического соединения к электродам для съема электрических потенциалов с поверхности тела биологического объекта (на чертеже не показано). Электроды могут крепиться на пневматических присосках (на чертеже не показано) или с помощью самоклеющегося слоя (на чертеже не показано). Контактные устройства крепления имеют пружинный элемент (на чертеже не показано), который одевается на металлическую часть электрода.
Между оболочкой 3 и проводниками 4 помещен общий экран 6, выполненный, например, из металла в виде плетеной сетки или спирали. Экран защищает все проводники 4 от воздействия внешних помех.
Каждый проводник 4 может быть помещен в индивидуальный экран 7 (Фиг. 4). При этом часть или все экраны 7 могут быть выполнены из проводящего пластического материала, например, углеродосодержащий полипропилен, углеродосодержащий полиэтилен, углеродосодержащий полиуретан. Индивидуальный экран 7 шунтирует токи от электризации, возникающие от механических воздействий на кабель 1. В отличие от металлических экранов проводящий пластиковый экран 7 уменьшает вес кабеля 1 и металлоемкость, повышает гибкость, уменьшает минимальный радиус изгиба кабеля. Металлические экраны выполняются поверх изоляции проводника, как правило, в виде спиральной ленточной обмотки или в виде плетеной сетки из цветных металлов (например, луженая медь). Применение проводящего пластика устраняет необходимость использования цветных металлов, тем самым уменьшается металлоемкость кабеля. Имея сопоставимую толщину, вес пластикового экрана также меньше, чем металлического, что уменьшает общий вес кабеля. Выполненный в виде трубочки пластиковый экран имеет меньшую жесткость на изгиб, чем выполненные из метала спиральные и плетеные экраны, что обеспечивает повышенную гибкость кабеля в целом и, соответственно, способность кабеля изгибаться без повреждения с меньшим радиусом, т.е. уменьшается минимально допустимый радиус изгиба кабеля.
В момент разряда дефибриллятора разные электроды, расположенные в разных точках тела пациента, могут иметь разный потенциал, что в отсутствие элементов защиты создает электрический ток через проводники кабеля и через регистрирующее устройство (регистратор). А поскольку напряжение и сила тока разряда дефибриллятора велики, то ток разряда может привести к выходу регистрирующего устройства из строя. Поэтому могут быть введены элементы 8 защиты от перенапряжения, например, от разряда дефибриллятора, каждый из которых электрически расположен между соответствующим проводником 4 и общим экраном 6 или между соответствующим проводником 4 и его индивидуальным экраном 7. В качестве элементов 8 защиты от перенапряжения могут быть применены варисторы, супрессоры, разрядники, стабилитроны и т.п. Соединение коаксиальных проводников 4 через элементы защиты 8 с общим экраном 6 или с индивидуальными экранами 7 защищает регистратор от разрядов дефибриллятора следующим образом. При разряде дефибриллятора путь тока между электродами с разным потенциалом проходит от одного электрода через элемент 8 защиты на экран 6 кабеля 1, затем проходит ограниченный отрезок экрана 6 до другого электрода и через другой элемент 8 защиты замыкается на другой электрод, при этом путь тока разряда проходит в пределах только кабеля и не проходит через регистрирующее устройство. Высокое напряжение так же не поступает на вход регистрирующего устройства. Имеет место быть увеличение срока службы регистрирующего устройства, т.к. при разряде дефибриллятора присоединенный к нему регистратор не подвергается воздействию высокого напряжения, которое может привести к его выходу из строя.
Заявляемый кабель может содержать по меньшей мере один цифровой сигнальный канал 9 (Фиг. 4), соединенный с разъемом 5 для передачи данных, который позволяет подключить к кабелю 1 по меньшей мере один внешний цифровой блок (на чертеже не показано) или встроенный цифровой блок 10 (Фиг. 5), соединенный с цифровым сигнальным каналом 9. Это позволяет повысить функциональность кабеля 1, поскольку внешний цифровой блок (на чертеже не показано) и встроенный цифровой блок 10 представляют собой источник цифрового сигнала и в качестве него может быть применен датчик движения/положения, датчик температуры, миографический, окулографический, пневмографический датчик, запоминающий блок. При этом встроенный цифровой блок 10 может быть расположен в разъеме 5, в корпусе контакта 2, отдельно на проводнике, присоединенном к кабелю 1. Причем к одному цифровому сигнальному каналу 9 может быть подключено несколько цифровых блоков. Наличие датчиков позволяет повысить и точность диагностики за счет добавления дополнительных информационных параметров оценки состояния биологического объекта. А запоминающее устройство позволяет дополнительно повысить эксплуатационные свойства кабеля, поскольку запоминающее устройство может содержать индивидуальный номер кабеля 1, что позволяет регистрирующему устройству автоматически поместить этот номер в результирующую запись результатов мониторирования. При обработке записи наличие индивидуального номера позволит судить о качестве работы данного кабеля 1, определять необходимость его ремонта или замены. Также запоминающий блок может содержать информацию о количестве циклов мониторирования, которые были выполнены данным кабелем 1. Это число автоматически модифицируется регистратором при каждом последующем цикле. Количество циклов позволяет оценить состояние кабеля 1 и степень его износа, а также сделать прогноз оставшегося ресурса его работы. Поскольку износ кабеля 1 и, соответственно, ухудшение качества сигнала, происходит постепенно, этот процесс не всегда может быть очевиден для врача. Прогноз ресурса кабеля 1 по числу постановок позволяет избежать ситуаций критического выхода кабеля из строя во время мониторирования и, тем самым, потери длительной (суточной, многосуточной) записи. Наличие в запоминающем блоке такой информации дает возможность автоматически переносить ее в результирующую мониторограмму и, в дальнейшем, автоматически обрабатывать эти данные в информационных системах.
Заявляемый кабель применяют следующим образом.
На теле пациента размещаются электроды для съема биофизиологических сигналов. Это могут быть ЭКГ-электроды, реографические электроды, держатели датчика движения/положения тела, датчика температуры и др. Схема размещения контактов 2 может быть различной в зависимости от целей обследования (мониторирования), как правило, схема размещения определяется применяемой медицинской методикой. Размещенные электроды через контакты 2 соединяются между собой кабелем 1, кабель 1 соединяется с входом регистратора через коннекторы или через разъем 5, тем самым размещенные на теле электроды и датчики оказываются электрически соединенными с регистратором. После начала регистрации пациент может оставаться в лечебном учреждении либо вести нормальную жизнедеятельность в обычных бытовых условиях в течение заданного периода мониторирования (от нескольких часов до нескольких суток). По окончании мониторирования электроды и датчики удаляются с тела пациента. Накопленная за время мониторирования информация передается в информационную систему для дальнейшей обработки с целью получения диагностически значимых признаков.