CC BY
386
Раздел III
МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И РАЗРАБОТКА ЛЕЧЕБНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ
УДК: 616.12-073.97-71 DOI: 10.12737/7283
БЕСКОНТАКТНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ
М.Д. ПОДОЛЬСКИЙ*, С. А. ТАРАКАНОВ*, И. А. КУЗНЕЦОВ**
* Центр медицинского, экологического приборостроения и биотехнологий Национального Исследовательского Университета Информационных Технологий, Механики и Оптики,
Биржевая линия, д.14-16, г. Санкт-Петербург, Россия, 199034 ** Общество с ограниченной ответственностью «Кардио-патруль», наб. Р. Карповки, 16 литер А, пом. 16Н, г. Санкт-Петербург, Россия, 197022
Аннотация. В настоящей статье рассматриваются современные подходы к регистрации электрокардиограммы в течение длительного времени. Проведен обзор существующих решений на базе контактных, клейких и тканевых, и бесконтактных электродов. Как оптимальное решение предлагается последний тип электродов. Основополагающий принцип работы новых электродов заключается в фиксации емкостных параметров в отличие от классической регистрации напряжений. Возможность функционировать через слой ткани, тем самым обеспечивая пригодный уровень комфорта для долгосрочных применений, является преимуществом таких электродов по сравнению с контактными клейкими и контактными сухими текстильными электродами для мониторирова-ния электрокардиограммы. Главная проблема, характерная для любых электродов, заключается в наличии шумов при движении человека, негативно сказывающихся на полезном сигнале. Для минимизации влияния артефактов некоторые разработчики систем регистрации электрической активности сердечной и мозговой деятельности пошли по пути организации изготовления дорогостоящих микрочипов, что может быть препятствием для внедрения бесконтактных датчиков на общедоступный рынок. Авторы настоящей статьи предлагают подход к решению трудностей, возникающих при снятии сигналов непрямым способом, без применения специализированного микрочипа. Приводятся результаты собственных изысканий.
Ключевые слова: длительное мониторирование ЭКГ, бесконтактные электроды, артефакты движения.
NON-CONTACT ELECTRODES M.D. PODOLSKY*, S.A. TARAKANOV*, I.A. KUZNETSOV**
* Center of medical, ecological instrumentation and biotechnologies of National Research University of Information Technologies, Mechanics and Opticians, Exchange line d.14-16, St. Petersburg, Russia, 199034 ** Limited liability company «Kardio-patrul», Quay R. Karpovki, 16 liter A, pom. 16H, St. Petersburg, Russia, 197022
Abstract. This paper reviews current approaches to the registration of the electrocardiogram for a long period. A review of existing solutions based on contact adhesive and fabric electrodes and non-contact ones is carried out. The last type of electrodes is offered as an optimal solution. The fundamental principle of operation of the new electrodes is fixing the capacitance parameters, in contrast to the classical voltage registration. The ability to operate through a tissue, thereby providing a suitable level of comfort for long-term utilizing of these electrodes is advantage in comparison with the contact adhesive and the contact dry textiles ones for electrocardiogram monitoring. The main problem is that all types of the electrodes are affected with noise spoiling useful signal when the person moves. To minimize the influence of artifacts, some developers of registration systems for measuring electrical activity of heart and brain have chosen the way of manufacturing high-cost microchips, what can be an obstacle for non-contact sensors penetrating of the public market. The authors propose an approach to solving the difficulties in signal recordings in indirect way without using of specialized microchip. The results of their own research are presented.
Key words: long-term ECG monitoring, non-contact electrodes, artifacts of movement.
Для получения достоверной значимой диагно- нии сердечно-сосудистой системы обследуемого же-
стической и прогностической информации о состоя- лательно обеспечить его длительное непрерывное
мониторирование ЭКГ (вплоть до нескольких месяцев). Для реализации такой возможности необходимо решить две основных задачи: обеспечить требуемый уровень комфорта, необходимый при длительном ношении устройства, регистрирующего сигнал ЭКГ, и применить средства минимизации влияния возникающих при движении человека артефактов сигнала.
Наиболее распространенные на сегодняшний день обычные контактные ЭКГ электроды не решают первую задачу. Прямой контакт электродов с кожным покровом приводит к излишнему потоотделению и раздражению, и, как следствие, к невозможности регистрации электрокардиограммы более двух-трех суток подряд.
В процессе совершенствования контактных ЭКГ электродов в практику стали внедряться различные типы клейких электродов однократного применения, которые не требуют очистки после использования и упрощают процесс исследований. Как правило, одноразовые электроды являются плавающими с зажимом для подключения проводников, что позволяет осуществить тонкую настройку процесса снятия ЭКГ под конкретного пользователя. Некоторые одноразовые клейкие электроды уже при изготовлении смазываются проводящей пастой, благодаря чему не требуется наносить ее между электродом и подготовленной поверхностью кожи.
В последнее время как альтернатива клейким стали появляться так называемые текстильные или сухие электроды [5,8]. Несмотря на привлекательную возможность интегрировать электроды непосредственно в ткань, качество регистрируемого сигнала оказывается хуже по сравнению с клейкими электродами. Кроме того, некоторые производители одежды для мониторирования ЭКГ рекомендуют смачивать перед применением контактные поверхности электродов, что вызывает определенную степень дискомфорта.
Наиболее перспективными по мнению авторов статьи являются бесконтактные активные электроды [2,4,7]. Их существенное преимущество - возможность работать через тонкий слой ткани. Бесконтактные электроды не требуют прямого электрического контакта с телом. Для них нет необходимости приготовления участка кожи перед снятием измерений. Они полностью невосприимчивы к состоянию кожи и могут быть интегрированы в одежду так, чтобы дискомфорт был сведен к минимуму. Принцип их действия основан на регистрации емкостных параметров в отличие от классической регистрации напряжений.
Одними из наиболее успешных разработчиков систем измерения ЭКГ с помощью бесконтактных электродов являются исследователи из Университета Калифорнии в Сан-Диего [1]. Их беспроводная система регистрации мозговой и сердечной деятельности состоит из набора простых емкостных электро-
дов (датчиков), изготовленных на стандартной печатной плате со специализированным микрочипом. Сигналы оцифровываются непосредственно в каждом из датчиков и передаются через последовательное подключение, тем самым минимизируя количество проводов, размещаемых на теле. Небольшой беспроводной базовый блок отправляет физиологические данные посредством технологии телеметрии на удалённое устройство для обработки, выдачи и хранения, также он снабжает электроэнергией всю систему. Рядом с базовым блоком устанавливают контактный электрод для заземления.
Каждый электрод конструируется из двух печатных плат. Верхняя печатная плата содержит ма-лошумящий дифференциальный усилитель и 16-битный аналого-цифровой преобразователь. Благодаря общему 10-проводному ленточному (плоскому) кабелю осуществляется одновременная поддержка электропитания электродов, цифровое управление и аналоговый режим связи между электродами.
Нижняя печатная плата скомпонована из высокоскоростного входного импедансного усилителя на основе изготавливаемого специально для электродов микрочипа. Низ поверхности печатной платы - это твердый медный наполнитель, изолированный паяльной маской и функционирующий как емкостный электрод.
Проектирование высокоскоростного входного импедансного усилителя с низким уровнем шума является главной трудностью в реализации бесконтактных электродов. При увеличении толщины изоляционного материала шум начинает играть существенную роль в детектировании ЭКГ, например, Р-волна ЭКГ становится неотчетливой [2]. Материал ткани также вносит свою роль в наличие шумов. Исследования показали [3], что наилучшее качество сигнала достигается при использовании хлопковой рубашки по сравнению с шерстяной или акриловой.
Мы в настоящее время тоже занимаемся поиском путей решения задач мониторирования ЭКГ. Мы также базируемся на принципе регистрации ЭКГ посредством бесконтактных электродов. Только в нашем случае основной проблемой было обеспечение качественного сигнала без применения специализированного дорогостоящего микрочипа импе-дансного усилителя. Исходя из выработанных научно-технических основ, нами была доработана принципиальная схема бесконтактного датчика ЭКГ (рис. 1), на базе которой был изготовлен прототип (рис. 2). Главная задача заключалась в выборе наиболее подходящего операционного усилителя, входной каскад которого согласован с источником сигнала с помощью внешних дискретных элементов, в частности, полевого транзистора для улучшения амплитудно-частотной характеристики и чувствительности схемы.
Рис. 1. Принципиальная схема бесконтактного датчика ЭКГ
Рис.2. Прототип датчика для бесконтактного измерения ЭКГ
Рис. 3. Сигнал ЭКГ, полученный в результате тестирования
В процессе тестирования наш прототип показал приемлемый для регистрации ЭКГ уровень шума (рис. 3). Первичные тесты были проведены в состоянии полного покоя и при задержке дыхания. Столь строгие требования были обусловлены высокой чувствительностью к артефактам движения, в том числе артефактам, связанным с дыхательной активностью и биоэлектрической активностью мышц человека. В настоящее время мы работаем над совершенствованием модуля программного обеспечения для обработки и визуализации на экране персонального компьютера записываемых данных с тем, чтобы уменьшить влияние артефактов движения на выходной сигнал. Для этих целей задействуются алгоритмы на основе нахождения автокорреляции регистрируемого сигнала [6].
Заключение. Таким образом, бесконтактные электроды имеют хорошие перспективы для решения указанных во введении задач, так как способны обеспечить необходимый уровень комфорта при длительном мониторировании физиологических параметров и должном уровне обработки артефактов.
Помимо снятия ЭКГ сигнала бесконтактные электроды могут служить эффективным инструментом для фиксации сигналов электрической активности головного мозга (ЭЭГ) и движения мыщц (ЭМГ). Также датчики могут быть задействованы для регистрации физиологических сигналов, вызванных электрической активностью мышц глаз, что позволит отслеживать положение глаз. Авторы разрабатывают программное обеспечение, благодаря которому будет расширен спектр применений бесконтактных датчиков.
Бесконтактные датчики могут быть востребованными в системах контроля физиологического состояния операторов на опасных производствах, водителей транспортных средств, в том числе и общественного транспорта. Кроме того, чрезвычайно полезными датчики окажутся в телемедицине, при массовой диспансеризации, для контроля нагрузок летчиков и спортсменов, в системах визуализации, распознавания жестов и образов.
Главная проблема бесконтактных датчиков -наличие артефактов при движении, существенно влияющих на качество сигнала, над совершенствованием решения которой в настоящее время работают и авторы статьи.
Литература
1. Chi Y.M. Wireless non-contact cardiac and neural monitoring. Proceeding WH '10 Wireless Health, 2010. P. 15-23.
2. Chi Y. M., Cauwenberghs G. Wireless non-contact EEG/ECG electrodes for body sensor networks // Body Sensor Networks (BSN), 2010 International Conference on. Singapore. 2010. P. 297-301.
3. Lim Y.G., Kim K.K., Park S. ECG measurement on a chair without conductive contact // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2006. Vol. 53. № 5. P. 956-959.
4. Martins R.C., Primor D., Paiva T. Highperformance groundless EEG/ECG capacitive electrodes // Medical Measurements and Applications Proceedings, 2011 IEEE International Workshop on. Bari. 2011. P. 503-506.
5. Paradiso R., Pacelli M. Textile electrodes and integrated smart textile for reliable Biomonitoring // Engineering in Medicine and Biology Society, 2011 Annual International Conference of the IEEE. Boston. 2011. P. 3274-3277.
6. Robust artefact detection in long-term ECG recordings based on autocorrelation function similarity and percentile analysis / C. Varon [et al.] // Engineering in Medicine and Biology Society, 2012 Annual Interna-
tional Conference of the IEEE. San Diego. 2012. P. 3151-3154.
7. Svard D., Cichocki A., Alvandpour A. Design and evaluation of a capacitively coupled sensor readout circuit, toward contact-less ECG and EEG // Biomedical Circuits and Systems Conference, 2010 IEEE. Paphos. 2010. P. 302-305.
8. Woven electronic fibers with sensing and display functions for smart textiles / K. Cherenack [et al.] // Advanced Materials. 2010. Vol. 22. № 45. P. 5178-5182.
References
1. Chi YM. Wireless non-contact cardiac and neural monitoring. Proceeding WH '10 Wireless Health; 2010.
2. Chi YM, Cauwenberghs G. Wireless non-contact EEG/ECG electrodes for body sensor networks. Body Sensor Networks (BSN), 2010 International Conference on. Singapore; 2010.
3. Lim YG, Kim KK, Park S. ECG measurement on a chair without conductive contact. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2006;53(5):956-9.
4. Martins RC, Primor D, Paiva T. High-performance groundless EEG/ECG capacitive electrodes. Medical Measurements and Applications Proceedings, 2011 IEEE International Workshop on. Bari; 2011.
5. Paradiso R, Pacelli M. Textile electrodes and integrated smart textile for reliable Biomonitoring. Engineering in Medicine and Biology Society, 2011 Annual International Conference of the IEEE. Boston; 2011.
6. Varon C, et al. Robust artefact detection in long-term ECG recordings based on autocorrelation function similarity and percentile analysis. Engineering in Medicine and Biology Society, 2012 Annual International Conference of the IEEE. San Diego; 2012.
7. Svard D, Cichocki A, Alvandpour A. Design and evaluation of a capacitively coupled sensor readout circuit, toward contact-less ECG and EEG. Biomedical Circuits and Systems Conference, 2010 IEEE. Paphos; 2010.
8. Cherenack K, et al. Woven electronic fibers with sensing and display functions for smart textiles. Advanced Materials. 2010;22(45):5178-82.
УДК: 612.172+597.82-08 DOI: 10.12737/7284
НОВЫЙ СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ РАБОТЫ ИЗОЛИРОВАННОГО
НЕФИКСИРОВАННОГО СЕРДЦА ЛЯГУШКИ
Д.В. СОСИН, В.А. ПРАВДИВЦЕВ, А.В. ЕВСЕЕВ Смоленская государственная медицинская академия, ул. Крупской, 28, Смоленск, Россия, 214019
Аннотация. Целью статьи явилась презентация нового способа регистрации механической работы изолированного нефиксированного сердца лягушки, основанного на динамическом измерении его биоимпеданса, с возможностью одновременной записи ЭКГ. В ходе опытов с помощью компьютерной реографической установки «Реоспектр» («Нейрософт», Россия) непрерывно измеряли биоимпеданс сердца травяной лягушки (Rana temporaria), помещенного в раствор Рингера для хладнокровных животных. Для демонстрации чувствительности способа во всех опытах (n=10) осуществляли стимуляцию миокарда адреналином. Результаты опытов проиллюстрированы фрагментами импеданскардиограмм и электрокардиограмм, записанных синхронно.
Установлено, что уже через 4 мин. после аппликации гормона частота следования кардиоциклов увеличивалась на 50-70%. Максимальную частоту наблюдали обычно спустя 6-8 мин. после адреналиновой стимуляции. К 8-й мин. частота сердечных сокращений в 2,5 раза превышала исходный показатель. «Амплитуда» сокращений также фазно менялась. Наибольший положительный инотропный эффект адреналина наблюдали спустя 4-5 мин. после его применения - величина волн импеданскардиограмм увеличивалась по сравнению с исходным состоянием на 126,6%. По завершении амплитудного пика статистически достоверное уменьшение размера волн в сравнении с их стартовым значением отмечали спустя 14-16 мин. после аппликации.
Основным техническим достижением предлагаемого способа регистрации механической работы изолированного сердца является возможность просто и легко без риска повреждения миокарда получать необходимые данные о сократительной активности различных отделов сердечной мышцы лягушки.
Ключевые слова: лягушка, изолированное нефиксированное сердце, реографическая установка, биоимпеданс, адреналин.
NEW METHOD FOR MECHANICAL WORK REGISTRATION OF ISOLATED NON-FIXED FROG HEART
D.V. SOSIN, V.A. PRAVDIVTSEV, A.V. EVSEYEV Smolensk State Medical Academy, Krupskaya str., 28, Smolensk, Russia, 214019
Abstract. The purpose of article was a presentation of the new method for mechanical work registration of an iso-
