CC BY
42
Секция
РАДИАЦИОННАЯ МЕДИЦИНА, ДИАГНОСТИРОВАНИЕ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОВЕРКИ МЕДИЦИНСКИХ ХЛОР-СЕРЕБРЯНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ НА БАЗЕ ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ
Д.К. Авдеева, О.Н. Вылегжанин, И.С. Грехов, В.Ю. Казаков В.Л. Ким, И.А. Клубович, С.А. Рыбалка, Ю.Г. Садовников, Е.В. Якимов
г. Томск, Россия
Приведено описание автоматизированной установки для метрологической проверки медицинских электродов, разработанной в соответствии с требованиями ГОСТ 25995-83 «Электроды для съема биоэлектрических потенциалов».
Для измерения собственных случайных шумов электродов, полученных при измерении дрейфа разности электродных потенциалов и напряжения шума электродов в диапазоне от 0,01 Гц до 10000 Гц, впервые разработана специальная информационно-измерительная технология, основанная на сравнении значений энергий и мощностей шумов электродов с шумом измерительной аппаратуры в заданных частотных диапазонах.
Приведены экспериментальные результаты измерения шумов, полученные на электродных ячейках, которые доказывают эффективность способа измерения собственных шумов электродов.
Разработанная автоматизированная установка удобна в эксплуатации, является высокопроизводительным оборудованием с новыми функциональными возможностями.
В НИИ интроскопии разработаны хлор-серебряные электроды на базе пористой керамики. Электроды предназначены для съема биопотенциалов при статических и динамических исследованиях человека, в том числе у детей.
Электроды могут применяться для снятия биопотенциалов в электрокардиографии, электроэнцефалографии, элетрогастрографии, электромиографии, электроокулографии, электрокох-леографии, в промышленных целях в качестве портативных образцовых электродов для химических лабораторий, измерения электрических полей земли, биопотенциалов растений. Разработанные электроды имеют следующие преимущества:
• высокие метрологические характеристики;
• не требуют специальных паст для эксплуатации;
• защищенность чувствительного слоя Ag-AgCl от разрушения в процессе использования, так как с поверхностью исследуемого объекта контактирует пористая керамика, пропитанная твердым гелем, а не слой Ag-AgCl;
• низкий уровень артефактов движения по сравнению с обычными хлор-серебряными электродами;
• не требуют специальных паст для эксплуатации.
Известно, что разрешающая способность медицинской электрографической аппаратуры зависит от уровня шумов, которые формируются из суммы шумов измерительной системы и электродов.
Шумы измерительной системы снижены до десятков и сотен нановольт в зависимости от частотного диапазона благодаря снижению уровня шумов электронных компонентов.
По этой причине к электродам также предъявляются высокие требования по уровню шума.
В идеальном случае технологически необходимо добиться, чтобы суммарный шум аппаратуры был исчезающе мал и появилась возможность исследовать более низкоамплитудные составляющие биоэлектрической активности различных органов и тканей человека, которые в настоящее время воспринимаются исследователем как случайные процессы.
С целью исследования собственных шумов медицинских электродов, повышения производительности и удобства эксплуатации, разработан автоматизированный испытательный стенд для проверки медицинских электродов.
Испытательный стенд предназначен для автоматизированной проверки электродов в соответствии с ГОСТ 25995-83 [1] и позволяет измерять собственные шумы электродов:
• разность электродных потенциалов;
• дрейф разности электродных потенциалов;
• напряжение шума;
• шум движения (электромеханический шум);
• полное сопротивление электродов;
• напряжение поляризации.
Дрейф разности электродных потенциалов - это низкочастотный шум от 0,01 Гц до 1 Гц и напряжение шума - это шум выше от 1 Гц до 10000 Гц.
Внешний вид испытательного стенда представлен на рис. 1.
Стенд включает измерительную систему (1), выносной блок (2), и ПК (3).
Рис. 1:
1 — измерительная система; 2 - выносной блок; 3 - ПК
В зависимости от измеряемого параметра измерительная система под управлением ПК изменяет конфигурацию измерительного канала. Выносной блок служит для подключения электродов к стенду.
Сигналы, формируемые измерительным каналом, поступают на плату сбора данных, которая выполнена на основе преобразователя напряжения Ь-Сагё Е14-44СЮ, программное обеспечение для данного блока написано в среде ЬаЬУ1е\у 6.0.
Для обработки шумов электродов разработаны специальные алгоритмы и программы. Процесс обработки данных включает несколько сложных процедур, которые состоят из комбинаций более простых, являющихся классическими для процессов цифровой обработки и фильтрации сигналов. Это процедуры:
• выделения и вычитания тренда.
• оценки общих характеристик зарегистрированной последовательности (среднего значения, дисперсии, среднеквадратического отклонения, построения гистограмм распределения значений);
• проверки стационарности методами серий и инверсий;
• прямого и обратного преобразования Фурье, оценки амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик спектров;
• оценки автокорреляционных (АКФ) и взаимнокорреляционных (ВКФ) функций;
• оценки спектральной плотности мощности (СПМ);
• формирования различных фильтров с заданными характеристиками полосы пропускания, крутизны фронтов, а также применения этих фильтров
Кроме того, в состав программы включены процедуры, обеспечивающие:
• получение спектров, усредненных по ансамблю реализаций;
• вычитание спектров или последовательностей во временной области;
• вычисление сумм спектров, в том числе умноженных на заданный постоянный коэффициент;
• вычисление полной энергии и мощности в различных частотных диапазонах. Дружественный интерфейс позволяет легко ориентироваться в программе и выбирать требуемый маршрут на графе обработки.
Процедура фильтрации выполняется в заданной частотной области. При формировании фильтра характеристики фильтра (верхняя и нижняя частоты пропускания, верхняя и нижняя частоты полного подавления сигнала) задаются пользователем. Для формирования переднего и заднего фронтов фильтра используется сглаживающий полином Ньютона вида:
А(Я = I «, • (/„с - /.)' или А(Я = £ а, ■ (/„ - /сн) , (1)
<•=0 1=0
где /?(/) значение частотной характеристики фильтра на частоте/-/«и/, - верхняя и нижняя частоты пропускания фильтра;
/вс м/нс - верхняя и нижняя частоты полного подавления сигнала. Коэффициенты а, вычисляются из условий: И(/в)=1, И(/н)=1, И(/вс)=0, И(/сн)=0, И'(/„)=0, ИЦн)=0, Ь'{[вс)=0, И'(/сн)=0, где |.|' - производная от |.|.
Возможно формирование полосовых, заградительных, низкочастотных и высокочастотных фильтров. Сформированные фильтры могут быть сохранены в списке фильтров и в дальнейшем использованы без предварительной подготовки.
Собственно процедура фильтрации выполняется путем умножения соответствующих компонент комплексного спектра на значения частотной характеристики фильтра с последующим выполнением обратного преобразования Фурье.
Значения энергий и мощностей в различных частотных диапазонах вычисляют по формулам (2) и (3):
£ = !>•; (2)
;=0
1 772
/>(') = - 2>Г- (3)
' /=-772
Предварительные исследования суммарного шума электродной ячейки, состоящей из слабополяризующихся хлор - серебряных электродов на базе пористой керамики [2], и измерительной аппаратуры, шума измерительной аппаратуры, измеренного при закороченном входе, показали, что полученные обе случайные реализации неокрашены, близки к нормальному распределению, при этом суммарный шум статистически незначимо превышает уровень шума системы с короткозамкнутым входом.
Таким образом, оценка собственных шумов электрода в виде разности статистических параметров суммарного шума с электродной ячейкой и шума измерительной аппаратуры при закороченном входе является несостоятельной.
Однако при вычислении значений энергий и мощностей шума в различных частотных диапазонах по формулам (2) и (3) получены незначительные, но устойчивые отклонения значений энергий и мощностей для реализаций шума одной электродной ячейки, так и для различных электродных ячеек, по отношению к шуму измерительной аппаратуры при закороченном входе.
Для оценки собственных шумов электродов предложена следующая информационно - измерительная технология:
1) регистрация суммарных шумов измерительной аппаратуры и электродной ячейки;
2) регистрация шума измерительной аппаратуры при закороченном входе;
3) проверка законов распределения;
4) определение спектров с помощью метода быстрого преобразования Фурье (БПФ);
5) формирование частотных интервалов для суммарных шумов и шума измерительной аппаратуры с равномерным распределением по частоте;
6) вычисление энергий и мощностей в заданных частотных интервалах;
7) определение коэффициентов для шума измерительной аппаратуры, выравнивающих с заданной точностью значения энергий и мощностей суммарного шума и шума измерительной аппаратуры в заданных частотных интервалах в частотной области;
8) формирование с помощью найденных коэффициентов дополнительного шумового сигнала в частотной области из шума измерительной аппаратуры;
9) суммирование дополнительного шума с шумом измерительной аппаратуры в частотной области;
10) сравнение энергий и мощностей в заданных частотных интервалах измеренного суммарного шума и суммы шума измерительной аппаратуры и дополнительного шума;
1 1) при достижении заданной точности получение временной функции путем проведения обратного преобразования Фурье для дополнительного шума;
12) измерение отклонения от максимума до минимума полученной временной функции;
13) при неудовлетворительной точности измерения повторяют с другими коэффициентами.
На рис. 2, а представлены результаты измерения собственных шумов электродной ячейки, состоящей из двух слабополяризующихся электродов на базе пористой керамики, на рис. 2, 6 представлены измерения собственных шумов электродов ячейки, состоящей из двух одноразовых хлор - серебряных электродов итальянского производства в диапазоне частот (0,01-500) Гц.
0.2 0.15
т 0.1
ш
«0.05
я
I 0
|0.05 ^ -0.1 -0.15 -0.2
50.5 Время, с
а
-I-
10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11
Время, с
б
Рис. 2: а) Шум электродной ячейки и электродов Е13 на базе пористой керамики; б) Шум электродной ячейки и одноразовых электродов итальянского производства
Экспериментальные исследования убедительно доказывают эффективность способа измерения собственных шумов электродов.
Следует также отметить, что электроды на базе пористой керамики [2] имеют случайный шум, в несколько раз меньший по сравнению с электродами зарубежного производства.
Актуальной задачей в настоящее время является внесение изменений в требования на электроды для съема биоэлектрических потенциалов в связи с повышением метрологических характеристик электродов и современных электронных компонентов с целью повышения качества электрофизиологической диагностики.
Использование разработанной установки позволило впервые измерить размах собственных шумов медицинских слабополяризующихся хлор - серебряных электродов на базе пористой керамики, уровень которых значительно ниже уровня шума измерительной аппаратуры, который не выявлялся ни одним статистическим методом, провести сравнение различных электродов и технологий.
Список литературы
1. ГОСТ 25995-83. Электроды для съема биоэлектрических потенциалов. - Государственный Комитет СССР по стандартам. - 1983. - 25 с.
2. Д.К. Авдеева, В.В. Дмитриев, А.Т. Добролюбов, В.А. Нагиев, С.Я. Самохвалов, С.А. Шилов. Электрокардиографические хлорсеребряные электроды // Медицинская техника. - М., 1984. - № 1. - С. 31.
