CC BY
33
search of human support reactions (posturography, stabilometry) and biofeedback in the program STPL]. Moscow: Mera-TSP, 2018, 121 p.
18. Shestakov M.P. Ispol'zovanie stabilometrii v sporte [Use of stabilometry in sports]. Moscow: TVT Divizion, 2007, 112 p.
19. Todorov E., Shadmehr R. & Bizzi E. Augmented feedback presented in a virtual environment accelerates learning of a difficult motor task, J. Motor. Behav., 1997, Vol. 29, pp. 147-158.
20. Wolpert D.M., Kawato M. Multiple paired forward and inverse models for motor control, Neural Networks, 1998, No. 11, pp. 1317-1329.
Статью рекомендовал к опубликованию д.п.н. Е.Б. Мякинченко.
Шестаков Михаил Петрович - ФГБУ «Федеральный научный центр физической культуры и спорта»; e-mail: mshtv@mail.ru; 105005, г. Москва, Елизаветинский пер., 10, стр. 1; тел.: 84992619404; в.н.с.; профессор.
Еремич Наталия Александровна - аспирант.
Переяслов Григорий Анатольевич - ЗАО «ОКБ «Ритм»; e-mail: stabmed@mail.ru; г. Таганрог, ул. Петровская, 99; тел.: 89094012969.
Слива Андрей Сергеевич - e-mail: stabilan@okbritm.com.ru; тел.: 89282279192.
Shestakov Mikhail Petrovich - Federal Scientific Center of Physical Culture and Sport; e-mail: mshtv@mail.ru; 10, Elizavetinsky lane, build. 1, Moscow, 105005, Russia; phone: 84992619404; leading researcher; professor.
Eremich Natalia Alexandrovna - graduate student.
Pereyaslov Gregorij Anatol'evich - RITM OKB ZAO; e-mail: stabmed@mail.ru; 99, Petrovskaya strууе, Taganrog, Russia; phone: +79094012969.
Sliva Andrej Sergeevich - e-mail: stabilan@okbritm.com.ru; phone: 89282279192.
УДК 621.3.089 DOI 10.18522/2311-3103-2019-8-76-83
А.И. Кучер, Г.К. Алексанян, И.Д. Щербаков
ОЦЕНКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА УСТРОЙСТВА СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ
Электроимпедансная томография - перспективный метод медицинской визуализации, позволяющий на основании электрических измерений на поверхности проводящего объекта реконструировать поле проводимости внутри объекта (или его изменение). Для этого через исследуемый объект пропускают высокочастотный электрический ток малой амплитуды и одновременно регистрируют потенциалы на поверхности исследуемого объекта. Чувствительность метода определяется чувствительностью измерительного канала устройства сбора и передачи данных для электроимпедансной томографии. В работе приведено исследование чувствительности измерительного канала устройства сбора и передачи данных для электро-импедансной томографии. В работе представлено устройства сбора и передачи данных для электроимпедансной томографии, построенное на базе платы ввода/вывода L-CARD Е502, а также измерительного канала данного устройства. Измерительный канал состоит из пары измерительных мультиплексоров, программируемого дифференциального усилителя и аналого-во-цифрового преобразователя. Произведена оценка влияния сопротивления мультиплексора на результат измерения разностей потенциалов. Произведена оценка теоретического предела чувствительности устройства на основании разрядности аналогово-цифрового преобразователя и максимального коэффициента усиления программируемого дифференциального усилителя. Теоретический предел чувствительности измерительного канала в составе устройства
сбора и передачи данных для электроимпедансной томографии составил 1,22 мОм. Описаны причины невозможности достижения теоретического предела чувствительности на примере тестовой нагрузки. В качестве тестовой нагрузки рассмотрено кольцо из резисторов, а также кольцо из резисторов с дополнительным узлом в центре, соединяющим через резистор узлы на переферии. На основании схемотехнического моделирования тестовой нагрузки в среде схемотехнического моделирования MicroCAP приведена оценка реального предела чувствительности устройства, которое составило 35 мОм. В ходе эксперимента проводилось изменение резистора в области регистрации потенциалов с последующей оценкой изменения напряжения в области регистрации потенциалов. Повышение чувствительности возможно двумя путями: повышением разрядности аналогово-цифрового преобразователя или повышением коэффициента усиления измерительного канала путем введения дополнительных усилительных каскадов.
Электроимпедансная томография; измерение; чувствительность.
A.I. Kucher, G.K. Aleksanyan, I.D. Shcherbakov
EVALUATION OF THE SENSITIVITY OF THE MEASURING CHANNEL OF THE DEVICE FOR THE COLLECTION AND DATA TRANSFER FOR ELECTRIC IMPEDANCE TOMOGRAPHY
Electrical impedance tomography is a promising method of medical imaging that allows reconstructing the conduction field inside the object (or changing it) based on electrical measurements on the surface of a conductive object. To do this, a low-frequency high-frequency electric current of small amplitude is passed through the object under study and potentials on the surface of the object under study are simultaneously recorded. The sensitivity of the method is determined by the sensitivity of the measuring channel of the device for collecting and transmitting data for electrical impedance tomography. The paper presents a study of the sensitivity of the measuring channel of a data acquisition and transmission device for electrical impedance tomography. The work presents a device for collecting and transmitting data for electrical impedance tomography, built on the basis of the input / output board L-CARD E502, as well as the measuring channel of this device. The measuring channel consists of a pair of measuring multiplexers, a programmable differential amplifier and an analog-to-digital converter. The effect of the multiplexer resistance on the result of measuring potential differences is estimated. The theoretical sensitivity limit of the device is estimated based on the bit depth of the analog-to-digital converter and the maximum gain of the programmable differential amplifier. The theoretical limit of sensitivity of the measuring channel as part of a data acquisition and transmission device for electrical impedance tomography was 1.22 mOhm. The reasons for the impossibility of reaching the theoretical limit of sensitivity are described using the test load as an example. As a test load, a ring of resistors is considered, as well as a ring of resistors with an additional node in the center connecting nodes on the periphery through the resistor. Based on the circuit simulation of the test load in the MicroCAP circuit simulation environment, an estimate of the real sensitivity limit of the device, which amounted to 35 mOhm, is given. In the course of the experiment, a change was made in the resistor in the potential registration region, followed by an assessment of the voltage change in the potential registration region. Increasing the sensitivity is possible in two ways: by increasing the bit depth of the analog-to-digital converter or by increasing the gain of the measuring channel by introducing additional amplification stages.
Electrical impedance tomography; measurement; sensitivity.
Введение. Электроимпедансная томография (ЭИТ) - метод медицинской визуализации, позволяющий на основе электрических измерений на поверхности биологического объекта (БО) реконструировать поле распределения проводимости ^(x,y) или его изменение A^(x,y) внутри БО. Для этого на поверхности БО крепят N электродов, через которые по заданному алгоритму производится зондирование БО высокочастотным электрическим током I, а так же между которыми по заданному алгоритму регистрируются разности потенциалов Дф [1-10].
Даже большое изменение электрической проводимости с внутри БО приводит к малому изменению граничных разностей потенциалов Дф [11-13]. Таким образом, измерительный канал должен обладать высокой чувствительностью к малым изменениям граничных потенциалов и высокой помехоустойчивостью.
Материалы и методы исследования. Рассмотрим измерительный канал устройства сбора и передачи данных для ЭИТ [14-16], структурная схема которого представлена на рис. 1. Устройство содержит персональный компьютер ПК; блок питания БП; микроконтроллер МК; цифро-аналоговый преобразователь ЦАП; ана-логово-цифровой преобразователь АЦП; источник тока, управляемый напряжением ИТУН; программируемый дифференциальный усилитель ПДУ; блок мультиплексоров измерения БМИЗМ и блок мультиплексоров источника тока ИТ; пояс электродов ПЭ; исследуемый биологический объект БО.
ПК
L-CARD E502
ЦАП ИТУН
1Г
БМИТ
МК
БМи
БП
+ 12 В
АЦП
EE
ПЭ
БО
ПДУ
Рис. 1. Структурная схема устройства сбора и передачи данных для ЭИТ
Измерительный сигнал снимается дифференциально с пары электродов, подключение к ПДУ которых осуществляется через мультиплексоры. Входное сопротивление RBX ПДУ составляет не менее 20 МОм [17]. При максимальном коэффициенте усиления ПДУ входной диапазон измеряем разностей потенциалов составляет ивх=±0,2 В, при которой входной ток составит /вх=10 нА. Для применяемых мультиплексоров DG406 производства Vishay Siliconix сопротивление канала не превышает 100 Ом [18]. Таким образом, падение напряжения на измерительных коммутаторах не превысит 2 мкВ при ивх=200 мкВ, следовательно им можно пренебречь.
Используемый АЦП является 16 разрядным, что дает нам N=216=65536 дискретных значений напряжения. Следовательно, для диапазона ивх=±0,2 В разрешение по напряжению составит 2* ивх/ N =6,1 мкВ. В случае измерения падения напряжения между инжектирующими электродами при выходном токе ИТ 1=5 мА такое изменение потенциалов будет вызывать изменение сопротивления в 1,22 мОм. Это теоретический предел чувствительность рассматриваемого устройства сбора и передачи данных для ЭИТ. Максимальное сопротивление между инжектирующими электродами в таком случае не должно превышать ивх/1 =40 Ом [15].
В исследуемом устройстве используется схема инжектирования и регистрации потенциалов «Sheffield protocol» с исключением потенциалов на инжектирующих электродах. Грудная полость имеет сложное неоднородное распределение, изменяющееся со временем. То есть невозможно определить амплитуду тока, непосредственно протекающего в области регистрации потенциалов. Рассмотрим для примера подключение к поясу электродов известной резистивная нагрузка из
16 сопротивлений Яь.Я^ номиналом Я. Резисторы подключаются последовательно, свободные выводы резисторов Я1 и Rl6 соединяются. Таким образом между каждой парой соседних электродов находится по 1 резистору. Схема подключения показана на рис. 2,а [15, 19].
Э5 Э4
38
39 Э10
Э! Э16
и Я'У/Э15
Э11 Э14 Э12 Э13
а
Э У/ \Я \Я г1^ / \\ о
Э1 Я
Э16
яу п У \> я ^ Я 10
б
Я/ 9 ^-Я
Я
Я
Я
Э9 Я
э-
Рис. 2. Схема подключения тестовой нагрузки (а) и схема моделирования (б)
К резистору R1 подключен ИТ, измеряется падение напряжения на резисторе Я3 с помощью дифференциального усилителя. Сопротивление Я3 уменьшается на ДЯ. Это вызывает изменение АП напряжения и3 на резисторе Я3. Найдем такое ДЯ, для которого АП составит 6,1 мкВ, предельное для измерительной системы. Оно определяется по формуле:
16 • Я
ЛЯ =
15 • I • Я
(1)
+1
16Л^
Как видно из формулы (1), предел чувствительности по сопротивлению определяется в основном дискретностью измерения напряжения, т.к. его порядок намного больше порядка 1*Я. Также ДЯ практически не зависит от Я и составляет -0,021 Ом для исследованной схемы подключения тестовой нагрузки.
Так же мы можем оценить ток 13 через резистор Я3, который для представленной схемы будет определяться по формуле:
1з =——. (2)
3 16 • Я-ЛЯ
Рассматриваемая схема тестовой нагрузки позволяет показать, что ток в области измерения значительно меньше инжектируемого тока I и зависит от структуры объекта исследования, что не позволяет судить лишь по измерению напряжения о сопротивлении между электродами и оценить в единицах сопротивления чувствительность измерительного канала.
Схема на рис. 2 позволяет получить аналитическое решение, но не учитывает прямые связи между электродами. Добавим дополнительные связи между электродами, введя центральный узел и соединяя с ним все электроды через резистор Я (рис. 2,б). Исследуем с помощью моделирования в среде МгсгоСЛР [20].
Источник тока I подключен между электродами Э1 и Э2, т.е. параллельно резистору Я1. Измеряется напряжения между электродами Э3 и Э4, т.е. падение напряжения на резисторе Я3. Результаты моделирования представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты моделирования
R, Ом AR, Ом U, В AU, В
10 0 0,003175 0
0,010 0,003174 1х10"06
0,020 0,003172 3х10"06
0,030 0,003170 5х10-06
0,035 0,003169 6х10-06
0,040 0,003168 7х10-06
0,050 0,003167 8х10-06
300 0 0,095264 0
0,010 0,095262 2х10-06
0,020 0,095260 4х10-06
0,030 0,095259 5х10-06
0,035 0,095258 6х10-06
0,040 0,095257 7х10-06
0,050 0,095255 9х10-06
600 0 0,190528 0
0,010 0,190526 2х10-06
0,020 0,190524 4х10-06
0,030 0,190523 5х10-06
0,035 0,190522 6х10-06
0,040 0,190521 7х10-06
0,050 0,190519 9х10-06
В ходе исследования для трех значительно различающизхся значений R были получены одинаковые результаты - изменение падения напряжения между исследуемыми электродами на уровне дискретности АЦП достигалось при изменении сопротивления между электродами на уровне -0,035 Ом.
Заключение. Как видно из исследования, использование дифференциальной схемы измерения при реализации устройства сбора и передачи данных для ЭИТ на базе решений L-Card E-502 и DG406 позволяет реализовать теоретическую чувствительность на уровне 1,22 мОм. Однако, такой уровень чувствительности возможно достичь лишь на инжектирующих электродов, где значительно выше уровень измеряемого сигнала. Растекание тока по объекту исследования, отказ от измерения на инжектирующих электродах приводит к падению чувствительности до 35 мОм. Повышение чувствительности возможно 2 путями: повышением разрядности АЦП и применением дополнительных усилительных каскадов.
Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00786 «Разработка методологии и алгоритмических средств интеллектуальной идентификации внутренних структур биологических объектов в системах электроимпедансной томографии».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Cheney M., Isaacson D., Newell J.C. Electrical impedance tomography // SIAM Review.
- 1999. - Vol. 41, Issue 1. - P. 85-101.
2. Borcea L. Electrical impedance tomography // Inverse Problems. - 2002. - Vol. 18, Issue 6.
- P. 99-136.
3. Yorkey T.J., Webster J.G., Tompkins W.J. Comparing Reconstruction Algorithms for Electrical Impedance Tomography // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. - 1987. - Vol. 34, Issue 11. - P. 843-852.
4. Metherall P., Barber D.C., Smallwood R.H., Brown B.H. Three-dimensional electrical impedance tomography // Nature. - 1996. - Vol. 380, Issue 6574. - P. 509-512.
5. Lionheart W.R.B. EIT reconstruction algorithms: Pitfalls, challenges and recent developments // Physiological Measurement. - 2004. - Vol.25, Issue 1. - P. 125-142.
6. Brown B.H. Electrical impedance tomography (EIT): A review // Journal of Medical Engineering and Technology. - 2003. - Vol. 27, Issue 3. - P. 97-108.
7. Bayford R.H. Bioimpedance tomography (electrical impedance tomography) // Annual Review of Biomedical Engineering. - 2006. - Vol. 8. - P. 63-91.
8. Frerichs I. Electrical impedance tomography (EIT) in applications related to lung and ventilation: A review of experimental and clinical activities. - 2000. - Vol. 21, Isssue 2. - P. 1-21.
9. Adler A., Guardo R. Electrical impedance tomography: Regularized imaging and contrast detection // IEEE Transactions on Medical Imaging. - 1996. - Vol. 15, Issue 2. - P. 170-179.
10. Алексанян Г.К., Горбатенко Н.И.,Тарасов А.Д. Modern Trends in Development of Electrical Impedance Tomography in Medicine // Biosciences Biotechnology Research Asia. - 2014.
- Vol. 11. - P. 85-91.
11. Holder D.S. Electrical Impedance Tomography: Methods, History and Applications. CRC Press, 2004. - 456 p.
12. Kotre C.J. A sensitivity coefficient method for the reconstruction of electrical impedance tomograms // Clinical Physics and Physiological Measurement. - 1989. - Vol. 10, Issue 3.
- P. 275-281.
13. Pulletz S., Van Genderingen H.R., Schmitz G., Zick G., Schadler D., Scholz J., Weiler N., Frerichs I. Comparison of different methods to define regions of interest for evaluation of regional lung ventilation by EIT // Physiological Measurement. - 2006. - Vol.27, Issue 5.
- P. 115-127.
14. Пат. 164812 РФ: МПК A61B 5/053. Устройство сбора и передачи данных для электроим-педансной томографии биологических объектов / Алексанян Г.К., Горбатенко Н.И., Кучер А.И., Тарасов А.Д. Патентообладатель Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ) им. М.И. Платова. - Заявка № 2016106620/14; заявл. 26.02.2016; опубл. 20.09.2016, Бюл. № 26.
15. Кучер А.И. Метод и система мониторинга вентиляционной функции легких человека на основе электроимпедансной томографии: дите. ... канд. тех. наук: 05.11.17. - Новочеркасск, 2018. - 167 с.
16. Aleksanyan G.K., Kucher A.I., Tarasov A.D., Cuong N.M., Phong C.N. Design of software and experimental setup for reconstruction and visualization of internal structures of conductive bodies // International Journal of Soft Computing. - 2015. - Vol. 10, Issue 6. - P. 462-467.
17. Преобразователи напряжения измерительные L-Card E-502. - Режим доступа: http://www.lcard.ru/download/e-502_users_guide.pdf, свободный.
18. 16-Ch/Dual 8-Ch High-Performance CMOS Analog Multiplexers. - Режим доступа: https://www.vishay.com/docs/70061/dg406.pdf, свободный.
19. Кучер А.И., Алексанян Г.К., Нгуен Мань Кыонг, Чан Нам Фонг. Применение MicroCap и EIDORS в задачах электроимпедансной томографии // Вьетнамо-российская Междунар. науч. конф., ГТУ им. Ле Куи Дона, 02-03 апр. 2015 г.: Тез. докл. ГТУ им. Ле Куи Дона.
- Ханой: ЛКД изд-во, 2015. - С. 50-51.
20. SPICE simulator Micro-Cap. - Режим доступа: http://www.spectrum-soft.com/, свободный.
REFERENCES
1. Cheney M., Isaacson D., Newell J.C. Electrical impedance tomography, SIAM Review, 1999, Vol. 41, Issue 1, pp. 85-101.
2. Borcea L. Electrical impedance tomography, Inverse Problems, 2002, Vol. 18, Issue 6, pp. 99-136.
3. Yorkey T.J., Webster J.G., Tompkins W.J. Comparing Reconstruction Algorithms for Electrical Impedance Tomography, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1987, Vol. 34, Issue 11, pp. 843-852.
4. Metherall P., Barber D.C., Smallwood R.H., Brown B.H. Three-dimensional electrical impedance tomography, Nature, 1996, Vol. 380, Issue 6574, pp. 509-512.
5. Lionheart W.R.B. EIT reconstruction algorithms: Pitfalls, challenges and recent developments, Physiological Measurement, 2004, Vol. 25, Issue 1, pp. 125-142.
6. Brown B.H. Electrical impedance tomography (EIT): A review, Journal of Medical Engineering and Technology, 2003, Vol. 27, Issue 3, pp. 97-108.
7. Bayford R.H. Bioimpedance tomography (electrical impedance tomography), Annual Review of Biomedical Engineering, 2006, Vol. 8, pp. 63-91.
8. Frerichs I. Electrical impedance tomography (EIT) in applications related to lung and ventilation: A review of experimental and clinical activities, 2000, Vol. 21, Isssue 2, pp. 1-21.
9. Adler A., Guardo R. Electrical impedance tomography: Regularized imaging and contrast detection, IEEE Transactions on Medical Imaging, 1996, Vol. 15, Issue 2, pp. 170-179.
10. Алексанян Г.К., Горбатенко Н.И.,Тарасов А.Д. Modern Trends in Development of Electrical Impedance Tomography in Medicine, Biosciences Biotechnology Research Asia, 2014, Vol. 11, pp. 85-91.
11. Holder D.S. Electrical Impedance Tomography: Methods, History and Applications. CRC Press, 2004, 456 p.
12. Kotre C.J. A sensitivity coefficient method for the reconstruction of electrical impedance tomograms, Clinical Physics and Physiological Measurement, 1989, Vol. 10, Issue 3, pp. 275-281.
13. Pulletz S., Van Genderingen H.R., Schmitz G., Zick G., Schadler D., Scholz J., Weiler N., Frerichs I. Comparison of different methods to define regions of interest for evaluation of regional lung ventilation by EIT, Physiological Measurement, 2006, Vol.27, Issue 5, pp. 115-127.
14. Aleksanyan G.K., Gorbatenko N.I., Kucher A.I., Tarasov A.D. Patent 164812 RF: MPK A61B 5/053. Ustroystvo sbora i peredachi dannykh dlya elektroimpedansnoy tomografii biologicheskikh ob"ektov [Device for collecting and transmitting data for electroimpedance tomography of biological objects]. Patentee of the South Russian state Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov. Application No. 2016106620/14; submitted 26.02.2016; published 20.09.2016, bull. No. 26..
15. Kucher A.I. Metod i sistema monitoringa ventilyatsionnoy funktsii legkikh cheloveka na osnove elektroimpedansnoy tomografii: disc. ... kand. tekh. nauk: 05.11.17 [Method and system for monitoring the ventilation function of human lungs based on electroimpedance tomography: cand. of eng. sc. diss.]. Novocherkassk, 2018, 167 p.
16. Aleksanyan G.K., Kucher A.I., Tarasov A.D., Cuong N.M., Phong C.N. Design of software and experimental setup for reconstruction and visualization of internal structures of conductive bodies, International Journal of Soft Computing, 2015, Vol. 10, Issue 6, pp. 462-467.
17. Preobrazovateli napryazheniya izmeritel'nye L-Card E-502 [Преобразователи напряжения измерительные L-Card E-502]. Available at: http://www.lcard.ru/download/e-502_users_guide.pdf.
18. 16-Ch/Dual 8-Ch High-Performance CMOS Analog Multiplexers [16-Ch/Dual 8-Ch HighPerformance CMOS Analog Multiplexers]. Available at: https://www.vishay.com/docs/ 70061/dg406.pdf, svobodnyy.
19. Kucher A.I., Aleksanyan G.K., Nguen Man' Kyong, Chan Nam Fong. Primenenie MicroCap i EIDORS v zadachakh elektroimpedansnoy tomografii [Application of MicroCap and EIDORS in electroimpedance tomography tasks], V'etnamo-rossiyskaya Mezhdunar. nauch. konf., GTU im. Le Kui Dona, 02-03 apr. 2015 g.: Tez. dokl. GTU im. Le Kui Dona [Vietnam-Russian international scientific conference, Le qui don state technical University, 02-03 APR. 2015: Abstracts of reports of Le qui don state technical University]. Khanoy: LKD izd-vo, 2015, pp. 50-51.
20. SPICE simulator Micro-Cap. Available at: http://www.spectrum-soft.com/.
Статью рекомендовал к опубликованию к.т.н. Д.В. Гринченков.
Кучер Артем Игоревич - Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова; e-mail: a.kucher@npi-tu.ru; 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132; тел.: +78635255240; кафедра информационные и измерительные системы и технологии; к.т.н.; доцент
Алексанян Грайр Каренович - e-mail: graer@ya.ru; кафедра информационные и измерительные системы и технологии; к.т.н.; доцент
Щербаков Иван Дмитриевич - e-mail: neon86@rambler.ru; кафедра информационные и измерительные системы и технологии; ассистент.
Kucher Artem Igorevich - Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI); e-mail: a.kucher@npi-tu.ru; 132, Prosveshcheniya street, Novocherkassk, 346428, Russia; phone: +78635255240; the department of Information and measuring systems and technologies; cand. of eng. sc.; associate professor.
Aleksanyan Grayr Karenovich - e-mail: graer@ya.ru; the department of Information and measuring systems and technologies; cand. of eng. sc.; associate professor.
Shcherbakov Ivan Dmitrievich - e-mail: neon86@rambler.ru; the department of Information and measuring systems and technologies; assistant.
УДК 615.47:616-072.7 DOI 10.18522/2311-3103-2019-8-83-92
М. Рагеб Ага, Р.Е. Вавилов
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ГЕНЕРАТОРА СИГНАЛА ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММЫ (ЭКГ) НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ
СЕМЕЙСТВА STM32
Первая запись Эйнтховена об электрокардиограмме (ЭКГ), выпущенная в 1904 году, будет свидетельствовать о том, что электрокардиограмма станет одним из наиболее ценных диагностических инструментов в медицине. В наш век сложных технологий визуализации коронарной ангиографии такого рода технологии используются в диагностике и лечении ишемической болезни сердца. В этой связи очень важно вести учет формы волны и электрокардиограммы с помощью записывающего оборудования. В работе рассмотрена проблема разработки генератора эталонных сигналов электрокардиографии на базе микроконтроллеров (МК) семейства STM32. Задачами исследования является подготовка математического описания сигналов на основе пакета MATLAB для последующей передачи данных сигналов на отладочную плату МК. Предлагается аппаратное решение для создания программируемого генератора сигналов для многоканального электрокардиографа с использованием микроконтроллера STM32F407VGT6. Данный микроконтроллер семейства STM32 применяется для реализации метода прямого цифрового синтеза. Созданный генератор может быть использован как часть системы для контроля технического состояния многоканальных ЭКГ-аппаратов без необходимости участия человека или дополнительных затрат на тестирование. Отличительной особенностью разработанного генератора является высокая точность воспроизведения формы ЭКГ-сигнала без увеличения аппаратных средств и технической сложности. Система может использоваться для формирования других тестовых сигналов, таких как, например, синусоидальные, прямоугольные и другие сигналы в соответствии с необходимыми потребностями. Применение данного генератора сигналов ЭКГ имеет ряд преимуществ, в числе которых стоит отметить возможность формирования сигналов специальной и произвольной форм с высокой точностью и стабильностью из одного опорного колебания, наличие цифрового интерфейса с микроконтроллерным управлением частотой и фазой выходного сигнала, а также воспроизведение сигналов ЭКГ без необходимости применения дорогостоящих методов.
Электрокардиография; ЭКГ; генератор эталонных сигналов; электрокардиограмма; микропроцессорное устройство; микроконтроллер; C/C++ программирование; PWM; прямой цифровой синтез; DDS; Фазовая автоподстройка частоты; ФАПЧ; ЦАП; STM32.
M. Ragheb Agha, R.E. Vavilov
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF THE ELECTROCARDIOGRAM (ECG) SIGNAL GENERATOR BASED ON STM32 MICROCONTROLLERS
The first Einthoven record on an electrocardiogram (ECG), which was launched in 1904.The paper deals with the problem of developing a generator of reference signals of electrocardiography based on STM32 microcontrollers. The objectives of the study is to prepare a mathematical description of the signals based on the Matlab package for the subsequent sending of
