CC BY
45
2
Кардиология
УДК 612.172.4; 57.087
В. А. Герасимов, П. В. Афанасьев, О. С. Бохов, Д. К. Кострин, В. В. Лучинин, Л. М. Селиванов, А. А. Ухов
Исследование возможности создания систем бесконтактного получения электрокардиограмм
Ключевые слова: электрокардиограмма, омический контакт, емкостная связь. Keywords: electrocardiogram, ohmic contact, capacitive link.
Рассмотрены особенности разработки бесконтактных ЭКГ-систем. Приведены результаты экспериментов с тремя вариантами прототипов бесконтактных ЭКГ-систем. Проанализированы проблемы, возникающие при получении ЭКГ без прямого контакта с кожей человека, а также методы их решения.
Введение
Возможность создания системы бесконтактного получения электрокардиограмм (ЭКГ) человека представляет собой актуальную научно-техническую задачу — серийных промышленных устройств подобного рода до сих пор не существует. Под бесконтактной системой подразумевается электронное устройство, способное измерять электрическую активность сердца человека без омического контакта с кожей человека. Предполагается, что все токове-дущие элементы системы изолированы от поверхности кожи человека как минимум одним слоем хлопчатобумажной ткани.
Очевидным недостатком классических систем измерения ЭКГ является необходимость надежного омического контакта электродов с кожей человека, что может вызывать раздражения кожи, проблемы с использованием вне медицинских стационаров и т. п. Вместе с тем схемотехнические решения, реализующие контактную схему измерения ЭКГ, несложные, давно применяются, протестированы и производятся крупными сериями. Простейшая система, позволяющая измерить электрическую активность сердца человека, состоит буквально из нескольких электронных компонентов [1].
Особенности разработки бесконтактных ЭКГ-систем
При разработке системы измерения ЭКГ приходится иметь дело в лучшем случае с сигналами масштаба нескольких милливольт. Частотная
полоса ограничена несколькими сотнями герц, на практике вся полезная информация заключена в полосе 0,05—100 Гц. Перекрываясь с частотой промышленной сети 220 В, такая система оказывается чувствительной к соответствующей помехе, в связи с чем методам подавления помех 50/60 Гц в тематике измерения ЭКГ уделяется особое внимание.
Помимо помехи от сети промышленной частоты, среди факторов, усложняющих создание любого электрокардиографа, можно выделить следующие:
• шум, генерируемый самим контактом между электродом и кожей;
• артефакты, возникающие при движении объекта исследования, которое изменяет условия в контакте «электрод—кожа»;
• помехи электромагнитного плана, например: наводки от различного электронного оборудования;
• мышечная активность человека.
Проведенные эксперименты показывают, что последний из факторов наиболее значим и практически неустраним: активность сердечной мышцы и активность мышц опорно-двигательного аппарата — явления одной и той же природы, в связи с чем единственной действенной мерой по устранению влияния мышечной активности на качество получаемой ЭКГ является простая отбраковка данных ЭКГ в момент высокой мышечной активности человека, для определения которой может быть использован, например, акселерометр.
Анализ работ [2—6], посвященных созданию бесконтактных ЭКГ-систем, позволяет сделать вывод о том, что при разработке такого устройства приходится иметь дело с крайне высокоимпедансным источником сигнала, поступающего на вход усилителя через емкость в несколько единиц пикофа-рад. Таким образом, одной из центральных задач системы бесконтактного измерения ЭКГ является реализация смещения входного буферного усилителя со сверхнизкими токами утечки при помощи цепи со сверхвысоким омическим сопротивлением.
В условиях, обеспечивающих минимальное влияние электромагнитных помех, в частности промышленной частоты, система, измеряющая ЭКГ
без непосредственного контакта с кожей человека, вполне реализуема [2—6], даже если расстояние до электродов весьма велико (как минимум сантиметры) либо электроды отделены от поверхности кожи несколькими слоями хлопчатобумажной ткани. Основная задача разработки надежного решения — обеспечение устойчивости такой системы в реальных условиях.
Разработка прототипа системы бесконтактного измерения ЭКГ
Прототип был изготовлен в нескольких модификациях, которые отличаются друг от друга нюансами схемотехнических решений и конструкцией печатных плат (ПП). Всего были протестированы три варианта электрической принципиальной схемы и в общей сложности шесть вариантов топологии ПП
Первый вариант прототипа во многом повторяет контактные системы, с той лишь разницей, что в данном случае электроника и электроды интегрированы на одной ПП, вся система компактнее и, теоретически, должна обладать лучшей степенью подавления синфазной помехи. Внешний вид ПП первого варианта прототипа приведен на рис. 1.
Нижний слой ПП лишен паяльной маски и содержит три области: рабочие электроды слева и справа и опорный электрод по центру. В верхнем слое над рабочими электродами созданы экраны, подключенные к выходам буферных операционных
усилителей (ОУ). Паяльная маска в нижнем слое покрывает лишь несколько проводников, которые не удалось развести в верхнем слое. Размеры платы — 64,2 х 36,7 мм.
Все платы прототипов тестировались путем подключения к ноутбуку (к микрофонному проводу) и регистрации сигналов при помощи звуковой карты (рис. 2—4). Сразу же было выявлено, что звуковая карта имеет недостаточную полосу в области низких частот, т. е. не регистрирует частотные составляющие в доли герц, однако для верификации самого принципа регистрации ЭКГ это обстоятельство имеет второстепенное значение. В ряде экспериментов к полученным данным была применена фильтрация {фильтр нижних частот (ФНЧ) и фильтр-защелка на 50 Гц [7]} с использованием программы Audacity, разработанной для редактирования звуковых дорожек.
В случае, когда плата не имеет никакого омического контакта с телом человека (опорный электрод также имеет лишь емкостную связь с телом), эффективность подавления синфазной помехи промышленной частоты оказывается недостаточно высокой и полезный сигнал неразличим на фоне насыщения усилителей помехой.
Второй вариант прототипа содержит лишь одно принципиальное отличие: была предпринята попытка заменить резисторы смещения утечкой по ПП, для чего в полигоны рабочих электродов внедрили проводники различной длины, соединенные с источником опорного напряжения. Два варианта исполнения ПП второго варианта прототипа, раз-
а).
б)
OUT DC -OUT AC • GNO -UCC -
SHIELD 1 ELECTRODE 1 о
•»2 CI? n3 ui
» • W I ' э
Sn nil n | «аз-
»1 Igi.Ji r
III - I CIO
§ i SHIELD 2
-ГП ~ 2~ 1 ' О Fl FPTOnnc
ORL "i-t-S lllg
* raflll
1 С ELECTRODE 2
WiECG electrode rev. a
Рис. 1 \ Печатные платы первого варианта прототипа: а — верхний слой; б — нижний слой
Рис. 2
Результаты регистрации ЭКГ (коэффициент усиления каскада опорного электрода —10, непосредственный контакт платы с кожей, без дополнительной фильтрации, место установки 1)
биотехносфера
| № 3(39)/2015
Рис. 3
Результаты регистрации ЭКГ (коэффициент усиления каскада опорного электрода -10, непосредственный контакт платы с кожей, без дополнительной фильтрации, место установки 2)
Рис. 4 Результаты регистрации ЭКГ (коэффициент усиления каскада опорного электрода -200, прямой контакт опорного электрода с правой рукой, контакт между рабочими электродами и поверхностью кожи через один слой хлопчатобумажной ткани, применен фильтр-защелка на 50 Гц и ФНЧ с частотой среза 100 Гц)
личающиеся длинои проводников, приведены на рис. 5. Результаты тестирования прототипа показаны на рис. 6-8.
Отличие третьей версии прототипа от второй заключается в том, что опорные электроды и антенны, несущие потенциал опорного напряжения, внедренные в рабочие электроды, объединены в одну цепь. Постоянная составляющая напряжения этой цепи установлена равной опорному напряжению схемы +2,5 В, переменная составляющая равна синфазному сигналу электродов, усиленному с отрицательным коэффициентом усиления, различным для разных экспериментов. Три исполнения платы, как и прежде, отличаются длиной проводников опорного электрода, внедренных в полигоны рабочих электродов в нижнем слое ПП (рис. 9).
Рис. 5
Печатные платы второго варианта прототипа, длина проводников для каждого из рабочих электродов: а — 200 мм; б — 500 мм
Рис. 6
Результаты регистрации ЭКГ (коэффициент усиления каскада опорного электрода -10, прямой контакт опорного электрода с правой рукой, контакт между рабочими электродами и поверхностью кожи через слой паяльной маски, применен фильтр-защелка на 50 Гц и ФНЧ с частотой среза 100 Гц)
Рис. 7
Результаты регистрации ЭКГ (коэффициент усиления каскада опорного электрода -1000, прямой контакт опорного электрода с правой рукой, контакт между рабочими электродами и поверхностью кожи через слой паяльной маски, применен фильтр-защелка на 50 Гц и ФНЧ с частотой среза 100 Гц)
Рис. 8
Рис. 9
Рис. 11
Результаты регистрации ЭКГ (коэффициент усиления каскада опорного электрода -1000, контакт между всеми электродами платы и поверхностью кожи через слой хлопчатобумажной ткани, применен фильтр-защелка на 50 Гц и ФНЧ с частотой среза 100 Гц)
Платы третьего прототипа с длиной проводников каждого из рабочих электродов (сверху вниз): 500, 220 и 115 мм
Рис. 10 Результаты регистрации ЭКГ (коэффициент усиления каскада опорного электрода -1000, контакт между всеми электродами и поверхностью кожи через слой паяльной маски, применен фильтр-защелка на 50 Гц и ФНЧ с частотой среза 100 Гц)
Результаты регистрации ЭКГ (коэффициент усиления каскада опорного электрода -100, контакт между всеми электродами и поверхностью кожи через слой паяльной маски, применен фильтр-защелка на 50 Гц и ФНЧ с частотой среза 100 Гц)
Рис. 12 Результаты регистрации ЭКГ (коэффициент усиления каскада опорного электрода -100, контакт между рабочими электродами и поверхностью кожи через слой хлопчатобумажной ткани, контакт с опорным электродом непосредственный, через правую руку человека, применен фильтр-защелка на 50 Гц и ФНЧ с частотой среза 100 Гц)
Результаты тестирования прототипа показаны на рис. 10-12.
Основные выводы, сделанные по результатам экспериментов, таковы:
• примененные ОУ АБ8515 склонны уходить в насыщение, если их входы не подтянуты к источнику постоянного напряжения резисторами в несколько десятков МОм;
• большое влияние синфазной помехи промышленной частоты диктует необходимость применения фильтров-защелок для обработки сигналов до их усиления; при отсутствии таких фильтров усиление становится невозможным, так как ОУ насыщаются частотной составляющей 50 Гц, что делает невозможным применение цифровых фильтров при последующей обработке данных; отказаться от использования фильтров-защелок поможет только оцифровка сигнала встроенным в датчик аналого-цифровым преобразователем высокой разрядности.
Заключение
Анализ научных работ, освещающих вопросы разработки систем бесконтактного измерения ЭКГ, а также практический опыт, приобретенный в процессе реализации ряда прототипов таких систем, позволяет сделать следующие выводы.
Система, которая измеряет ЭКГ с качеством, сопоставимым с классическими контактными кардиографами, но использует электроды (не менее двух), не имеющие непосредственного омического контакта с кожными покровами человека, например изолированные одним-двумя слоями тонкой хлопчатобумажной ткани, может быть реализована. Площадь электродов при этом должна составлять как минимум 500 мм2. Такая система будет использовать только серийные и широкодоступные электронные компоненты и, следовательно, будет относительно недорогой.
Надежность функционирования системы обеспечивается при соблюдении одного из двух условий:
биотехносфера
| № 3С39)/2015
Кардиология
• дополнительный опорный электрод системы находится в непосредственном омическом контакте с телом человека в любой точке, удобной для использования, например на поясе, на запястье руки в виде браслета, манжета из проводящей ткани;
• дополнительный опорный электрод, так же как и рабочие электроды системы, использует емкостную связь с телом человека, при этом его площадь значительно превышает площадь рабочих электродов и составляет тысячи квадратных миллиметров (например, такой электрод может быть изготовлен как фрагмент одежды, выполненный из проводящей ткани, фрагмент обивки мебели, поясной ремень).
Главным обстоятельством, затрудняющим использование системы вне медицинских стационаров, например при необходимости мониторинга ЭКГ пациента в течение длительного времени, является неустойчивость ее работы при высокой мышечной активности человека, например при беге или тяжелой физической нагрузке. В настоящий момент единственной мерой противодействия этому обстоятельству представляется отбраковка данных ЭКГ при физической активности человека, о наличии которой можно судить по данным внешних датчиков, например акселерометра.
Главной и пока не решенной проблемой системы является необходимость использования активных фильтров, подавляющих помеху конкретной (спе-
цифической) питающей сети. Частота этой помехи в разных обстоятельствах может быть различной — 50 или 60 Гц — в разных странах мира.
Литература
1. Fountain M., Wenshuai L. Hardware Design Specifications. Project: ECG Monitoring Module. Analog Devices, China Applications Support Team, 2007. 23 p.
2. Chi Y. M., Cauwenberghs G. Wireless non-contact ECG and EEG for unobtrusive cardiac and brain monitoring. Integrated Systems Neuroengineering Lab. BENG186 Guest Lecture, 2011. 28 p.
3. Evaluation of a Capacitively-Coupled, Non-Contact (through Clothing) Electrode or ECG Monitoring and Life Signs Detection for the Objective Force Warfighter / J. M. Lee, F. Pearce, A. D. Hibbs [et al.] // RTO-MP-HFM, 2004. Vol. 109. P. 25-1-25-10.
4. An ultra-wearable, wireless, low power ECG monitoring system / P. H. Chou, Y. Bai, R. Matthews, A. Hibbs // Proceedings of BIOCAS IEEE, 2006. P. 241-244.
5. Sullivan T. J., Deiss S. R., Cauwenberghs G. A Low-Noise, Non-Contact EEG/ECG Sensor // Proceedings of BIOCAS IEEE. 2007. P. 154-157.
6. An ultra-low-noise electrical-potential probe for human-body scanning / R. J. Prance, A. Debray, T. D. Clark [et al.] // Measurement Science and Technology, 2000. Vol. 11. P. 291297.
7. Аналоговая и цифровая схемотехника / Ю. А. Быстров, Е. А. Колгин, Д. К. Кострин, А. А. Ухов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 156 с.
сг х
Уважаемые авторы!
Для полноценной работы ссылок в Научной электронной библиотеке (НЭБ) просим вас предоставлять в статьях точные библиографические сведения об источниках цитирования.
Ссылки должны быть составлены по ГОСТ 7.0.5.-2008. Особое внимание просим уделять написанию названий издательств и журналов. Предпочтение отдается полной форме. В случае сокращенного написания, пожалуйста, сверяйтесь с принятой формой сокращения наименования данного журнала или издательства в НЭБ (если они зареги-стированы). В противном случае НЭБ не сможет индексировать ссылку. Ответственность за предоставляемую информацию несет автор.
С уважением, редакция журнала «Биотехносфера»
