RU2849696C1 - Электрокардиограф - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к медицинской технике. Электрокардиограф содержит размещенные в корпусе блок предварительной фильтрации и согласования кардиосигналов (1), соединенный через кабель с электродами ЭКГ, блок обработки кардиосигналов (2), микроконтроллер (3), блок гальванической развязки питания и информационных шин (4), а также блок подключения USB (5), связанный через USB-кабель с дистанционно управляющим хост-устройством. Электрокардиограф дополнительно содержит систему питания от хост-устройства через кабель USB (6). Блок обработки кардиосигналов содержит программно-настраиваемый блок коммутации входных сигналов для отслеживания состояния наложения электродов на основании частотного содержания сигналов возбуждения, модуль детектирования пульса и дыхания, а также систему подавления синфазных помех и коммутируемую систему обратной связи с программно-изменяемой частотой дискретизации входного сигнала. Блок обработки кардиосигналов содержит модуль тестового сигнала, программируемые усилители входного сигнала и модуль прецизионного генератора опорного напряжения. Микроконтроллер выполнен с возможностью независимо для каждого канала устройства настройки частоты дискретизации входного сигнала, выбора режима контроля наложения электродов, включения тестового режима для контроля функционала устройства, а также выбора коэффициентов усиления входных сигналов. Достигается повышение точности определяемых данных ЭКГ, расширение функциональных возможностей и повышение эффективности устройства. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Заявленное изобретение относится к медицинской технике и предназначено для мониторинга сердечной деятельности в медицинских учреждениях, полевых и домашних условиях.

Из уровня техники известен портативный электрокардиограф на базе смартфона. Портативный электрокардиограф на базе смартфона характеризуется тем, что содержит датчик электрокардиографа, интерфейс USB и оболочку, при этом оболочка снабжена открытой приводной ручкой и вмещающей полостью для размещения датчика электрокардиографа и интерфейса USB, передаточный механизм расположен в оболочке и снабжен приводной частью, закрепленной на приводной ручке, первой ведомой частью, соединенной с датчиком электрокардиографа, и второй ведомой частью, соединенной с интерфейсом USB, причем первая ведомая часть и вторая ведомая часть синхронно удалены друг от друга или близки друг к другу (патент CN 110123309, дата публикации 16.08.2019).

Известна система сбора данных ЭКГ включающая в себя устройство для получения ЭКГ, имеющее USB-разъем для подключения устройства к хост-устройству и разъем пациента для подключения устройства к пациенту с отведениями ЭКГ. Устройство сбора ЭКГ настоящей системы дополнительно включает в себя процессор и носитель информации, модуль управления питанием и посредничества, модуль управления USB-связью, схему сбора ЭКГ и модуль изоляции пациента. В отличие от известных систем сбора ЭКГ, система по настоящему изобретению представляет собой портативное устройство сбора ЭКГ, которое можно подключить через разъем USB к любому хост-устройству, имеющему возможности программной обработки и дисплей. Устройство сбора данных ЭКГ автоматически загружает и запускает программное обеспечение для мониторинга ЭКГ на хост-устройстве, устраняя необходимость установки дополнительного программного обеспечения для сбора данных и/или драйверов на хост-устройство, а также позволяет устройству сбора данных взаимодействовать с хост-устройством различных платформ (патент US 2011275948 A1, дата публикации 10.11.2011).

Известна также система сбора данных ЭКГ, включающая в себя несколько электродов, устройство сбора данных и дисплей. Устройство сбора данных включает процессор, который настроен на обработку сигналов, полученных от электродов, без получения инструкций по обработке от дисплея, и/или дисплей включает процессор, который настроен на проверку сигналов, полученных от устройства сбора данных, на наличие ошибок перед отображением на экране дисплея электрокардиографической кривой, полученной из сигналов, полученных от устройства сбора данных (патент US2013331720 A1, дата публикации 12.12.2013).

Наиболее близким аналогом является портативный интеллектуальный электрокардиограф для регистрации ЭКГ сигналов сердца человека не менее чем в одном из 12-ти стандартных ЭКГ отведений, выполненный в составе комплекта стандартных ЭКГ электродов, ЭКГ кабеля, электронного блока регистрации и обработки сигналов, выполненного из микросхем высокой степени интеграции, и содержащего схему микроконтроллера, на основе которой выполняют встроенную микропроцессорную систему управления электронным блоком, снаружи на блоке отсутствуют органы управления, а также USB кабеля и хост-устройства, осуществляющего управление электронным блоком. Питание электронного блока осуществлять выносной блок питания, являющийся отдельным устройством (международная заявка WO 2014/098784 A1 дата публикации 26.06.2014).

Недостаток данного технического решения заключается в невозможности изменять частоту дискретизации, что существенно влияет на достоверность получаемых данных вследствие отсутствия, например, достаточной точности получаемых данных, а также на продолжительность работы устройства без необходимости очистки памяти или замены встроенного или сменного запоминающего устройства. Кроме того, в данном устройстве отсутствует возможность в реальном времени отслеживать правильность наложения электродов, что влияет на качество принимаемого сигнала, и как следствие на диагноз.

Таким образом, техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей и повышении точности определяемых данных ЭКГ.

Технический результат заключается в повышении эффективности устройства за счет обеспечения возможности изменения частоты дискретизации и отслеживания в реальном времени правильности наложения электродов ЭКГ, пульса и дыхания, а также обеспечение возможности питания от хост-устройства.

Указанный технический результат достигается в электрокардиографе, содержащем размещенные в корпусе блок предварительной фильтрации и согласования кардиосигналов, соединенный через кабель с электродами ЭКГ, блок обработки кардиосигналов, микроконтроллер, блок гальванической развязки питания и информационных шин, а также блок подключения USB, связанный через USB-кабель с дистанционно управляющим хост-устройством, при этом дополнительно содержит систему питания от хост-устройства через кабель USB, кроме того блок обработки кардиосигналов содержит программно-настраиваемый блок коммутации входных сигналов, выполненный с возможностью, посредством входящего в него модуля двухрежимного независимого отслеживания качества электродов, отслеживания состояния наложенных электродов на основании частотного содержания сигналов возбуждения, модуль детектирования пульса и дыхания, а также систему подавления синфазных помех и коммутируемую систему обратной связи с программно-изменяемой частотой дискретизации входного сигнала.

Дополнительная особенность заключается в том, что с программно-изменяемая частота дискретизации входного сигнала составляет 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000 или 32000 выборок /сек.

Дополнительная особенность заключается в том, что отслеживание состояния наложенных электродов на основании частотного содержания сигналов возбуждения заключается в подаче сигнала возбуждения на электрод с помощью сигнала постоянного, либо переменного тока и измерения полученных от электродов сигналов.

Заявленное изобретение поясняется на графических материалах, где на фиг. 1 - схема электронная структурная заявляемого электрокардиографа.

На фиг. 2 – схема блока обработки кардиосигналов.

Заявленный электрокардиограф (фиг.1) содержит корпус (не показан), в котором содержится блок предварительной фильтрации и согласования кардиосигналов 1. Под предварительной фильтрацией в рамках данной заявки подразумевается предварительное аппаратное подавление помех в кардиосигнале, реализуемое размещенной на плате устройства аппаратной системой фильтров, одновременно выполняющих функцию согласования сигналов с кардиопроцессором. Блок обработки кардиосигналов 2, блок микроконтроллера 3 для управления блоком кардиосигналов и приема - передачи информации, блок гальванической развязки питания и информационных шин 4, блок подключения шины USB 5 и систему формирования питания устройства из шины USB 6, включающую в себя устройство гальванической развязки шины питания от ESD пробоя до уровня 5КВ, что обеспечивается передачей питающего напряжения через воздушный зазор 8.5 мм. После гальванической развязки напряжение питания попадает на 2-х канальный малошумящий LDO – преобразователь, формирующий независимые питающие напряжения цифровой и аналоговой части устройства.

Блок обработки кардиосигналов 2 представляет собой высокоинтегрированный кардиопроцессор (фиг.2) и содержит в себе:

- модуль тестового сигнала Test Signals and Monitor (14). При получении соответствующих команд от блока микроконтроллера 3 отключает входы от аналого-цифрового преобразователя, после чего формирует тестовые эталонные сигналы, которые хост-устройство может использовать для блок входных сигналов MUX (15). В данный блок приходят сигналы электродов пациента, прошедшие предварительную фильтрацию внешними фильтрами. Блок позволяет включить/отключить отдельный электрод, заменить входной сигнал на тестовый, изменить режимы работы входов устройства. Блок содержит модуль двухрежимного детектирования независимого определения качества наложения электродов (отслеживание состояния наложенных электродов) по 8 каналам.

- программируемые усилители входного сигнала A1, A2 (16,17),

- систему подавления синфазных помех и коммутируемую систему обратной связи RLD, выполненную с возможностью сформировать необходимую комбинацию сигналов относительно правой ноги пациента (RLD – Right Leg Drive) (18),

- 24-битное 8 канальное АЦП с обратной связью и с программно-изменяемой частотой дискретизации 250-32000 (250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000, 32000) выборок/сек,

- модуль прецизионного генератора опорного напряжения REFERENCE (19), программно-настраиваемый в соответствии с требованиями по питанию блока микроконтроллера 3,

- Модуль Oscillator (25) позволяет использовать либо встроенный тактовый генератор, тактирующий Блок обработки кардиосигналов 2, либо внешний тактовый генератор для повышения точности измерения.

- модуль RESP MOD (20) детектирования функции дыхания пациента. Данные предоставляются для внешней схемы детектора кардиостимулятора. Модуль RESP интегрирует полученные результаты в выходной сигнал, объединяя их с кардиоданными, данными контроля наложения электродов и данными AUX входов.

- модуль RESP DEMOD (22) позволяет блоку микроконтроллера 3 програмно включать или отключать эти функции.

- ADC1 и ADC2 (23, 24) – аналого-цифровые преобразователи дифференциальных входных сигналов, скоммутированых модулем MUX (15).

- встроенная система генерации эталонной частоты Oscillator (25) формирует тактовую частоту устройства без необходимости использовать внешние задающие генераторы. Может генерировать тактовый сигнал самостоятельно, используя внутренний генератор, либо используя внешние сигналы тактирования.

Связь с процессорным модулем для передачи команд управления и данных осуществляется по шине SPI. Блок имеет коэффициент режекции основного режима более 120 дБ и чувствительность ± 25 мВ/24Бит. Также блок оснащен предварительными фильтрами входного сигнала.

Блок микроконтроллера 3 - осуществляет первоначальную настройку блока обработки кардиосигналов. В блоке осуществляются все настройки устройства: частота дискретизации входного сигнала 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 выборок/сек, выбор режима контроля наложения электродов, включение тестового режима устройства для контроля его функционала, выбор коэффициентов усиления входных сигналов. Все эти параметры устанавливаются независимо для каждого из 8 каналов устройства, режимов передачи данных (однократный, многократный), осуществляет прием его данных и передачу их через блок гальванической развязки питания и информационных шин 4 на хост устройство и выполнение команд, полученных от хост-устройства. Команды передаются на устройство по шине USB и квитируются устройством с целью контроля целостности сигнала.

Хост-устройство имеет возможность полного управления работой электрокардиографа. Сам кардиограф не имеет органов управления и устройств отображения информации. Хост-устройство, с установленной на него программой, выполняет стартовую инициализацию устройства, настройки режимов передачи данных и контроля качества наложения электродов, включение и выключение передачи данных, управление подачей звуковой индикации, получение данных с встроенного флэш-накопителя и их удаление при необходимости, запрос информации об устройстве, а также питания электрокардиографа, не имеющего собственного блока питания.

Блок гальванической развязки питания и информационных шин 4 - осуществляет гальваническую развязку шины питания и информационных шин от электрического пробоя до уровня 5КВ и передает изолированное питание в систему формирования питания устройства 6.

За счет отсутствия необходимости в высокочастотных преобразователях, свойственных батарейным и сетевым системам питания, блок не производит собственных электрических и электромагнитных шумов, благодаря чему улучшается качество регистрации кардиосигнала.

Блок подключения шины USB 4 содержит разъем USB Type C с цепями управления и защиты для подключения к хост-устройству. Эти цепи обеспечиваются специализированными микросхемами ADuM5000 и ADuM4160.

Следует отметить, что устройство работает по протоколу USB HID и не требует оригинальных драйверов для своего подключения к хост-устройствам.

Устройство работает следующим образом:

С помощью электродов ЭКГ находящихся на внешнем кабеле, подключенном к устройству, электрические потенциалы сердца пациента попадают на входные цепи блока фильтрации и согласования 1, и далее на блок обработки кардиосигналов 2 с высоким входным сопротивлением (> 1000 Мом), где проводится анализ качества наложения электродов, предварительное усиление этих сигналов с заданным коэффициентом усиления (1, 2, 3, 4, 6, 8, 12), подавление синфазных и иных помех, их оцифровка с выбранной частотой дискретизации и передача результатов блоку микроконтроллера 3. Блок микроконтроллера 3 в начале работы устройства или по требованию хост-устройства производит настройку блока обработки кардиосигналов 2 на заданные режимы: частота дискретизации входного сигнала 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000, 32000. выборок/сек, тип детектирования качества наложения электродов, включение – отключение отдельных каналов, коэффициенты усиления, и управляет передачей полученной кардиоинформации.

Зарегистрированный кардиосигнал и данные о качестве наложения электродов отображаются на хост- устройстве в реальном времени.

Блок гальванической развязки питания и информационных шин 4 осуществляет двунаправленную гальваническую развязку информационных шин и однонаправленную развязку шины питания, то есть блок осуществляет двунаправленную передачу информации и передачу питания через гальванически изолированный зазор, что обеспечивает защиту от ESD 5КВ.

Данные с информационных шин попадают на блок микроконтроллера 3 по цепи а развязанное питание – на систему формирования питания устройства по цепи осуществляющую питание блока фильтрации и согласования 1 и блок обработки кардиосигналов 2 двумя независимыми напряжениями питания по цепям и необходимыми для их работы. Блок выполнен по схеме линейных малошумящих преобразователей (LDO), что исключает наличие собственных помех и шумов.

Программное изменение частоты дискретизации позволяет хост-устройству установить необходимую пользователю частоту дискретизации кардио-сигнала. устанавливается при каждом подключении хост-устройства при его инициализации хост-устройством.

Данная возможность позволяет пользователю, в случае необходимости, получить более точный сигнал, позволяющий определить возможные отклонения и выявить заболевание, не перегружая в свою очередь память хост-устройства, поскольку повышение частоты дискретизации увеличивает объем данных получаемых с электродов.

Функция определения правильности наложения электродов необходима в связи с тем, что импеданс электродов пациента со временем снижается. Необходимо постоянно контролировать эти электродные соединения, чтобы убедиться в наличии подходящего соединения.

Основной принцип заключается в подаче сигнала возбуждения и измерении реакции для определения, отключен ли электрод.

В заявленном изобретении реализовано 2 алгоритма определения состояния электродов ЭКГ.

Первый алгоритм основан на возбуждении отводов электродов с помощью сигнала постоянного тока формируемого блоком коммутации входных сигналов MUX. При этом алгоритме ко входу электрода подключается либо подтягивающий резистор PullUP, либо PullDown модуля двухрежимного детектирования независимого определения качества наложения электродов. Выбор резисторов определяется програмно, в хост-устройстве, при инициализации устройства. Модуль двухрежимного детектирования проводит измерение состояния электродов. При отсутствии контакта электрода с телом пациента, входной сигнал такого электрода уходит в состояние насыщения, что выявляется с помощью компаратора и 4-битного ЦАП, входящих в состав модуля двухрежимного детектирования.

Второй алгоритм использует внеполосный сигнал переменного тока для возбуждения, также формируемого блоком коммутации входных сигналов MUX. Для этого модуль попеременно подключает к входу электрода подтягивающие резисторы PullUP и PullDown с частотой, программно установленной при инициализации устройства в хост-устройстве. Полученный таким образом переменный сигнал проходит через фильтр сглаживания модуля, чтобы избежать наложения спектров кардиосигнала и сигнала детектирования электродов. Измерение сигнала переменного тока выполняется путем пропускания сигнала через канал для его оцифровки и измерения на выходе электрода. Сигналы возбуждения переменного тока вводятся в электрод на частоте, которая выше полосы кардиосигнала, генерируя дифференциальный сигнал, который отфильтровывается и обрабатывается модулем двухрежимного детектирования.

Измеряя величину сигнала возбуждения на выходном спектре сигнала рассчитывается состояние отведения.

Таким образом, обнаружение отключения переменного тока выполняется одновременно с получением сигнала ЭКГ, происходит непрерывно в соответствии с выбранной частотой дискретизации входного сигнала или изменяемой частотой дискретизации.

Полученные сигналы, включающие состояние наложенных электродов, кардиосигнал, а также сигналы, содержащие данные о пульсе и дыхании, принятые блоком коммутации входных сигналов MUХ, модулем двухрежимного детектирования независимого определения качества наложения электродов, модулем детектирования пульса и дыхания, формируются в пакет данных и через блок микроконтроллера, шину SPI поступают хост-устройство, где отображаются в реальном времени.

Claims (3)

1. Электрокардиограф, содержащий размещенные в корпусе блок предварительной фильтрации и согласования кардиосигналов, соединенный через кабель с электродами ЭКГ, блок обработки кардиосигналов, микроконтроллер, блок гальванической развязки питания и информационных шин, а также блок подключения USB, связанный через USB-кабель с дистанционно управляющим хост-устройством, отличающийся тем, что дополнительно содержит систему питания от хост-устройства через кабель USB, при этом блок обработки кардиосигналов содержит программно-настраиваемый блок коммутации входных сигналов, выполненный с возможностью отслеживания, посредством входящего в него модуля двухрежимного независимого отслеживания качества электродов, состояния наложения электродов на основании частотного содержания сигналов возбуждения, модуль детектирования пульса и дыхания, а также систему подавления синфазных помех и коммутируемую систему обратной связи с программно-изменяемой частотой дискретизации входного сигнала, блок обработки кардиосигналов содержит модуль тестового сигнала, программируемые усилители входного сигнала, модуль прецизионного генератора опорного напряжения, микроконтроллер выполнен с возможностью независимо для каждого канала устройства настройки частоты дискретизации входного сигнала, выбора режима контроля наложения электродов, включения тестового режима для контроля функционала устройства, выбора коэффициентов усиления входных сигналов.

2. Электрокардиограф по п. 1, отличающийся тем, что программно-изменяемая частота дискретизации входного сигнала составляет 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000 или 32000 выборок /сек.

3. Электрокардиограф по п. 1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью отслеживания состояния наложенных электродов на основании частотного содержания сигналов возбуждения посредством подачи сигнала возбуждения на электрод с помощью сигнала постоянного либо переменного тока и измерения полученных от электродов сигналов.