CC BY
75
Рис. 6
Как видно из рисунка погрешность при вычислении СКЗа при подаче аналогового сигнала увеличилась по сравнению с погрешностью представленной на рис. 3. Но погрешность не превысила 0.3%.
А.В. Максимов АНАЛИЗ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ С ПОМОЩЬЮ НОСИМОГО КАРДИОМОНИТОРА
Для анализа состояния сердца человека в условиях повседневной жизни активно применяются носимые системы наблюдения. В настоящее время такие системы получили широкое распространение благодаря уменьшению своих размеров и увеличению функциональных возможностей.
Носимые мониторы, еще называемые мониторами Холтера ранних выпусков осуществляли запись данных на магнитные ленты и были неудобны тем, что после снятия электрокардиограммы требовалось довольно существенное время на перезапись этих данных в компьютер и расшифровку. С развитием технологий производства полупроводников, появились возможности создать малогабаритные цифровые устройства записи и хранения информации. Такая модернизация кардиомониторов позволила существенно уменьшить массогабаритные характеристики системы, сократить энергопотребление и увеличить объем снимаемой информации. Современные мониторы имеют возможность записывать три отведения ЭКГ с частотой дискретизации 500Гц в течение нескольких суток без применения сжатия информации. Обычно это достигается применением энергонезависимых элементов на базе 1^^памяти. В этих устройствах разработчики аппаратуры имеют возможность гибко адаптировать функции кардиомонитора в соответствии с требованиями и пожеланиями врачей-кардиологов. Однако целесообразность применения тех или иных технических решений не определяется только сущест-
вующими возможностями элементной базы, а зависит от большого числа факторов. В качестве таких факторов например, могут быть выполняемые задачи и функции кардиомонитора. Рассмотрим типовые этапы использования системы холтеровского мониторирования: установка монитора, мониторирование, обработка результатов мониторирования.
Первый этап занимает, как правило, несколько минут и в нем выполняется проверка качества наложения электродов и оценка уровня присутствующих в сигнале помех.
Второй этап - это непосредственно регистрация ЭКГ, длится в среднем 24 часа. За 24 часа объем информации для записи трех отведений ЭКГ с частотой дискретизации 500Гц десятиразрядным АЦП составляет в среднем 160Мбайт. Современные микросхемы flash-памяти позволяют разместить такой объем в 1+-2 корпусах.
На третьем этапе записанная информация должна обработаться компьютером и врачом.
Средний компьютер, установленный в поликлинике, с тактовой частотой например 400МГц обработает объем 160 Мбайт за время от 5 до 30 мин. Оценка времени обработки проведена исходя из сложности необходимых алгоритмов, таких как фильтрация, определение QRS-комплекса и выравнивание изолинии. При использовании более сложных алгоритмов классификации комплексов это время может увеличиться.
Для сокращения времени обработки записей можно использовать сжатие записываемой информации, которое позволит сохранить весь массив информации в исходном виде. Однако, как оказалось врачу-эксперту, работающему с кардиомонитором, просмотреть такой объем информации за приемлемое время практически невозможно. Поэтому, как правило, выполняют выборочный просмотр данных. Но то же самое можно сделать, если выбирать просматриваемый участок будет вычислительная система распознавания (в соответствии с заданными алгоритмами), а не врач-эксперт. Эту операцию можно выполнить, если объединить запись информации с первичной обработкой ЭКГ-сигнала. Такой подход позволит решить следующие задачи:
- уменьшить объем записываемой информации;
- получать оперативную информацию во время мониторирования;
- увеличить скорость обработки результатов мониторирования.
Для того, чтобы сформулировать алгоритм работы такой системы, рассмотрим основные задачи холтеровского мониторирования:
- обеспечение записи ЭКГ сигнала с точностью, достаточной для четкого визуального распознавания элементов ЭКГ;
- обеспечение записи малоамплитудных элементов ЭКГ с повышенной точностью;
- выполнение измерений параметров ЭКГ в реальном масштабе времени, таких как RR-интервал, PQ-интервал, QT-интервал и т.д.;
- классификация формы элементов ЭКГ в реальном масштабе времени.
Как показывают расчеты, для выполнения первой задачи, т.е. цифровой обработки с отношением сигнал/шум порядка 20дБ и минимальном уровне сигнала 0,05мВ, необходимо как минимум 11бит разрядности АЦП. Современные АЦП широкого применения имеют разрядность 12бит.
Полоса частот ЭКГ-сигнала находится в пределах 70-100Гц, однако, порядка 90% мощности лежит в полосе до 40Гц. Исследования показывают, что на амплитуду QRS-комплекса влияют высокочастотные составляющие, и ограничение полосы до 40Гц может привести к некоторому увеличению длительности QRS-
комплекса. Для выбора частоты дискретизации используется теорема Котельникова - Шеннона.
Однако и амплитуда QRS-комплекса и длительность, если она постоянная, не имеют особого диагностического значения для аритмий и ИБС, задачу обнаружения которых и решает холтеровское мониторирование. Поэтому, для холтеров-ского монитора полосу частот можно ограничить 40Гц. Теоретически частота дискретизации сигнала при этом может быть 80Гц. Однако при мониторировании, кроме записи формы кривой, необходимо еще и измерение некоторых параметров, требующих более высоких частот дискретизации. Например, при статистическом и спектральном анализе КК.-интервального ряда требуется частота дискретизации до 1000 Гц. Возникает конфликтная ситуация: для сохранения даже высокочастотной части кривой и ее последующей визуализации на экране достаточно 8 бит разрядности АЦП, при 80 - 100Гц частоты дискретизации, а для измерения и последующего анализа определенных элементов ЭКГ и временных интервалов требуется частота дискретизации до 1000Гц и разрядность АЦП 12бит и более. Разница в объемах информации примерно в 15 раз.
Использовать 15-кратную избыточность объема записываемой информации явно неэффективно, даже с учетом снижающейся стоимости flash-памяти. После этого записанную информацию необходимо еще передать в персональный компьютер, на что тоже требуется определенное время. Например, при использовании стандартного интерфейса RS-232 и скорости 115200 бит/с, время передачи 160 Мбайт информации составляет примерно 4 часа. Можно, конечно, немного сократить это время, если использовать более быстродействующие интерфейсы, которые начинают активно внедряться.
Проведенный выше анализ показывает, что для создания рациональных и совершенных аппаратно-программных комплексов холтеровского мониторирова-ния необходимо:
- сократить объем запоминаемой информации;
- по возможности перенести часть алгоритмов обработки информации на этап съема информации;
- увеличить разрядность данных до 12 - 16 бит и частоту дискретизации до 1000Гц;
- сократить время передачи данных из монитора в персональный компьютер и их обработку.
Поэтому надо создать монитор, реализующий перечисленные выше подходы - съем ЭКГ с высоким разрешением по амплитуде и по времени, распознавание и измерение с высокой точностью элементов ЭКГ и сохранение образа ЭКГ лишь с той точностью, которая необходима для ее адекватного визуального воспроизведения. Требования к аппаратным средствам такого монитора выглядят примерно так: количество отведений — 3, размах электрокардиосигнала 4мВ, разрядность АЦП - 12бит, частота дискретизации - 1000Гц, полоса пропускания 0,05-100Гц. Увеличение частоты дискретизации позволяет, с одной стороны, улучшить точность измерения временных интервалов, а с другой стороны, улучшить качество цифровой обработки сигнала.
Кроме проблем, связанных с аппаратной реализацией, при построении микропроцессорных устройств существуют еще алгоритмические и программные. От того насколько четко и продуманно разработан и программно реализован алгоритм, также зависит качество работы всей системы.
При обработке на первом этапе необходимо выполнить предварительную фильтрацию сетевой помехи, которая почти всегда присутствует в снимаемом сигнале. Собственно этот этап является продолжением функций аппаратных средств
по подавлению сетевой помехи и может быть реализован как адаптивный фильтр для каждого отведения.
На втором этапе обработки сигнала необходимо определить положение QRS-комплекса. Для этого можно использовать фильтр с полосой пропускания, согласованной со спектром QRS-комплекса.
Следующий этап анализа - это процедура определения точки истинной изолинии и процедура выравнивания изолинии. Процедура выравнивания изолинии может быть выполнена с помощью аппроксимации изолинии кубическим полиномом. Данная процедура повторяется для всех регистрируемых отведений.
Следующий этап обработки - распознавание структуры QRS-комплекса и его кодирование. Зона поиска QRS-комплекса определена ранее, на втором этапе, и теперь можно приступить к распознаванию структуры комплекса.
Распознавание сводится к определению зубцов QRS-комплекса и измерению их характеристик, таких как длительность и амплитуда. После этого полученная информация о QRS-комплексе кодируется.
После кодирования и измерения параметров QRS-комплекса производится определение Р-комплекса, Т-комплекса и ST -сегмента.
Таким образом, для хранения информации о 24-часовом мониторировании трех отведений, при среднем значении частоты сердечных сокращений 100 ударов/мин, требуется 69120000 байт памяти.
Как показывает опыт применения носимых кардиомониторов, еще далеко не исчерпаны все ресурсы этих систем при обследовании деятельности сердца человека. Однако для получения более достоверных данных, мало улучшать аппаратные характеристики системы, необходимо разрабатывать новые алгоритмы обработки данных, их хранения и выдачи информации.
М. А. Переверзев
ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ В ПРОМЫШЛЕННОМ ОБОРУДОВАНИИ
Одним из направлений повышения эффективности современного производства является модернизация и реинновация имеющегося промышленного оборудования. Во многих случаях это может быть достигнуто изменением или заменой систем управления. Генеральным направлением является автоматизация и интеллектуализация этих систем. Это направление реализуется применением микроконтроллеров. Под современным микроконтроллером обычно понимают отдельную микросхему, содержащую процессорное ядро и все необходимые периферийные устройства на одном кристалле для того, чтобы реализовать специализированный микрокомпьютер для задач контроля / управления.
Их ведущая роль в номенклатуре средств управления обеспечивается следующими свойствами:
- обладает высокой надежностью;
- относительная простора проектирования устройств на их основе;
- новейшие средства разработки позволяют писать программное обеспечение для контроллеров на языках высокого уровня, а не только на ассемблере;
- современные микроконтроллеры, как правило, содержат целый арсенал развитых цифровых и аналоговых периферийных блоков и модулей, что позволяют использовать микроконтроллеры в самых различных устройствах.
