Каталог статей и схем


Электронные приборы медицинской диагностики. Электрокардиографы
     Как известно, врач продолжает учиться всю жизнь. Но существуют какие-то классические устоявшиеся положения, которые сомнению не подвергается, они воспринимаются подсознательно, как аксиома.
     Почти половину своей врачебной карьеры (В.Кононенко) мне приходилось сталкиваться с описанием электрокардиограмм, не единичных, а сериями и ежедневно.

     С точки зрения радиолюбителя, казалось бы, ну что принципиально нового может быть в кардиографе: усилитель - одно- или многоканальный с определенными частотными характеристиками и термостабильностью, с определенными допусками по нелинейным искажениям и собственным шумам, стабильностью работы, обеспечиваемой глубокой обратной связью, система регистрации собственно кривой ЭКГ и лентопротяжный механизм… И когда мне в руки попалась книга Т.М.Агаханяна, В.Г.Никитаева «Электронные устройства в медицинских приборах» издательства БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005, для меня стало откровением, что при определенной граничной частоте не выше 120Гц амплитуда зубцов уменьшается аж на 30%, а кардиографы с непосредственной записью и инерционным писчиком «практически непригодны для достоверной диагностики на основании формы воспроизводимых зубцов». И если с частотной характеристикой усилителя все понятно и технически решаемо, да и применение АЦП обосновано, то остается вопрос достоверности заключения ЭКГ, записанной на кардиографе с непосредственной записью… Это что же мы в течение десятков лет диагностировали, описывали, какой выраженности и глубины должны быть изменения в миокарде, чтобы инерционный писчик показал патологические изменения ЭКГ? А ведь до сих пор во многих лечебных заведениях, особенно на «Скорой», применяются такие кардиографы…

     Надеемся, что медики-радиолюбители с интересом и пользой прочитают процитированную ниже главу из указанной книги.

Электронные приборы медицинской диагностики. Электрокардиографы.

     Электрокардиографы применяют для регистрации периодически повторяющейся кривой, образованной наложением элементарных синусоидальных колебаний разных частот, амплитуд и фаз, которые отображают электробиологические процессы в активной сердечной мышце.
В медицинской практике преимущественно применяются электрокардиографы с непосредственной записью, у которых функции регистрирующего устройства выполняет писчик, записывающий колебания гальванометра [1]. Недостатком такого электрокардиографа является иннерционность регистрирующего устройства, которая приводит к заметным искажениям высокочастотного спектра кардиограммы и тем самым ограничивает диагностические возможности аппарата.

     Этот недостаток полностью отсутствует у электрокардиографов, в которых в качестве регистрирующего устройства используется осциллограф на электронно-лучевой трубке.
При снятии кардиограммы регистрируемый сигнал, усиливаемый высококачественным электронным усилителем, поступает на вертикальные пластины электронно-лучевой трубки, а на горизонтальные пластины подается линейно изменяющееся напряжение [2] с требуемой скоростью изменения и амплитудой, обеспечивающей развертку электронного луча трубки на полный экран. Это - так называемая развертка осциллографа.

     Такой прибор можно использовать для снятия вектор-кардиограммы, представляющей собой векторную сумму двух разностей потенциалов, одна из которых поступает на вертикальные пластины, а другая - на горизонтальные пластины. При этом развертка отключается, а горизонтальные пластины подключаются к выводу второго усилителя, на вход которого подают вторую составляющую результирующего вектора.

     Усилители необходимо строить с дифференциальным каскадом на входе, чтобы можно было:
■ использовать инвертирующий и неинвертирующий входы;
■ подавлять синфазные помехи, обусловленные не только наводками в виде фона (с частотой 50 Гц или кратной), а также помехи, вызываемые электрической активностью скелетных мышц пациента, и т.д.;
■ реализовать стандартные отведения [1, 3], обеспечивающие измерение разности потенциалов между двумя участками тела, подключением электродов кардиографа к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального каскада.

     Как известно [1, 3], основными стандартными отведениями являются:
I отведение - электроды на левой и правой руке подключаются соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам;
II и III отведения - электрод на левой ноге подключают к инвертирующему входу, а к неинвертирующему входу - электрод на правой руке (II отведение) или на левой руке (III отведение).
     При указанных правилах подключения электродов на экране электронно-лучевой трубки электрокардиограмма появляется направленная кверху, если поданный на инвертирующий вход сигнал превышает по амплитуде сигнал на неинвертирующем входе.

     Усилитель, предназначенный для горизонтальных пластин при снятии векторкардиограммы, желательно также реализовать а дифференциальном каскаде. Промежуточные и выходные каскады усилителей целесообразно реализовать на дифференциальных парах, не прибегая к преобразованию двухфазного выходного напряжения в однофазный, так как усилители электронно-лучевых трубок, как правило, строят с двухфазным выходом.
     Точность воспроизведения электрокардиограммы определяется линейными и нелинейными искажениями усиливаемых сигналов.

     Линейные искажения определяются АЧХ усилителя. В области низких частот они могут быть полностью исключены, если отказаться от использования разделительных RС-цепей между каскадами и блокирующих конденсаторов в цепях задания и стабилизации режимных токов транзисторов. Однако при этом необходимо предусмотреть меры для установки нулевого уровня, от которого отсчитывается амплитуда зубцов и определяется степень смещения сегментов электрокардиограммы. Для установки нулевого уровня, смещение которого в основном определяется отклонением выходного напряжения входного дифференци-ального каскада, применяют балансировку каскада [4] путем изменения режимных токов входных транзисторов. В электрокардиографах эту операцию производят при помощи корректора.

     Из-за температурного дрейфа выходного напряжения дифференциального каскада происходит смещение нулевого уровня, нестабильность которого мешает определению уровня S-Т и создает условия для ошибочного толкования электрокардиограммы [1]. Влияние температурного дрейфа практически можно исключить использованием высокостабильных источников тока, задающих режимные токи коллекторов, а также охватом отрицательной обратной связью соответствующих звеньев усилителя.
     При использовании усилителей с непосредственными связями возникает еще проблема согласования по постоянному току каскадов в последовательной цепи усилителя. Эту проблему решают применением схем сдвига потенциальных уровней [4].

     Указанные проблемы, вызывающие смещение нулевого уровня, можно исключить применением разделительной RС-цепи, которую подключают к выходу усилителя. Постоянную времени цепи тр = СрR необходимо рассчитать так, чтобы усилитель передавал без заметного искажения сигналы очень низкой частоты - около 0,25 Гц [1].
     В области низких частот существенно сказывается действие шумовых сигналов, обусловленных дисперсией процесса рекомбинации-генерации. Это низкочастотные шумы типа 1/f, амплитуда которых заметно возрастает по мере уменьшения частоты.

     В электрокардиографах и целом ряде других медицинских аппаратов (например, энцефалографах) приходится усиливать сравнительно низкочастотные сигналы (с частотой, иногда составляющей десятые доли герца), поэтому наряду с полезными сигналами усиливаются низкочастотные шумовые сигналы типа 1/f, амплитуда которых может оказаться сравнимой с амплитудой полезных сигналов. При этом точнсть воспроизведения сигналов прибором характеризуется шумовым показателем
µш = Uвых.m / кр\Uвых,ш\ , определяемым отношением амплитуды полезного сигнала Uвых.m к амплитудному значению шумового сигнала кр\Uвых,ш\ (|С/вых,ш\ - среднеквадратичное значение шума, кр - коэффициент, определяющий амплитудное значение шума). Следовательно, при разработке или выборе низкочастотного усилителя для указанных медицинских приборов необходимо ориентироваться и на коэффициент шума, стремясь к тому, чтобы µш >(10-50).

     В усилителях постоянных сигналов прямого усиления проблему уменьшения низкочастотных шумов возможно решить только одним способом - выбором малошумящих транзисторов во входном каскаде, избегая полевых транзисторов, характерной особенностью которых является высокий уровень шумов 1/f. Использование разделительных RС-цепей позволяет еще больше увеличить µш. Практически полностью можно исключить шумы 1/f применением усилителей постоянных сигналов с преобразованием, т.е. МДМ-усилителей, в которых следует использовать модулятор на элементе с низким уровнем шумов 1/f.

     Искажения в области высших частот обусловлены инерционностью элементов кардиографа. Считается [1], что пригодный для клинических целей электрокардиограф должен точно передавать сигналы с высокочастотным спектром более 200 Гц. Если регистрирующая система обладает верхней граничной частотой fв, не превышающей 120 Гц, то амплитуда зубцов уменьшается на 30%. Поэтому электрокардиографы с непосредственной записью, где в качестве регистрирующей системы используется инерционный писчик с очень низкой частотой свободных колебаний, практически непригодны для достоверной диагностики на основании формы воспроизводимых зубцов. В электрокардиографах с регистрирующей системой в виде осциллографа без особого труда можно обеспечить воспроизведение сигналов с высокочастотным спектром, составляющим десятки и более килогерц. При этом полностью исключается искажение формы зубцов.

     Точность электрокардиограмм зависит и от уровня нелинейных искажений, вносимых аппаратом. Для установления этих искажений электрокардиографы снабжаются потенциометром, при помощи которого контролируется, во-первых, чувствительность усилителя с помощью контрольного милливольта [1] и, во-вторых, уровень нелинейных искажений подачей разнополярных контрольных милливольт. В первом случае подачей контрольного милливольта устанавливается определенный масштаб амплитуды усиливаемого сигнала. По международному стандарту 1 мВ должен обеспечить отклонение 10 мм (в некоторых случаях отступают от этого стандарта). Во втором случае для установления уровня нелинейных искажений изменяют амплитуду контрольного сигнала и проверяют, соответствует ли отклонение на выходе кардиографа установленному значению контрольного сигнала. Такую проверку проводят для отклонения как вверх, так и вниз.

     Для уменьшения нелинейных искажений охватывают усилитель отрицательной обратной связью требуемой глубины. При малых нелинейных искажениях их уровень уменьшается пропорционально глубине обратной связи.

     Современные электрокардиографы позволяют осуществлять как одноканальную, так и многоканальную запись кардиограммы [3]. Использование цифрового осциллографа позволяет компьютеризировать данный процесс. Для компьютерной обработки электрокардиограмм преобразуют аналоговый сигнал в цифровой, снабдив усилитель аналого-цифровым преобразователем. Дополнив компьютер базой данных по кардиограммам, составленным медицинскими экспертами, можно установить диагноз исследуемого пациента.

Источники

1. Т.М.Агаханян, В.Г.Никитаев. Электронные устройства в медицинских приборах. БИНОМ.    Лаборатория знаний, 2005.
2. Дехтярь Г.Я. Электрокардиографическая диагностика. М.: Медицина, 1972.
3. Джонс М.Х. Электроника: практический курс / Пер. с англ. М.: Постмаркет, 1999.
4. Мурашко В.В., Струтынский А.В. Электрокардиография. М.:МЕДпресс, 1998.
5. Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы. М.: Энергоатомиздат, 1983.

Категория: Теоретические статьи. | Добавил: ra0ccn (13.04.2008) | Автор: . E
Просмотров: 7827 | Комментарии: 2 | Рейтинг: 5.0/1
Всего комментариев: 1
1   [Материал]
> Это что же мы в течение десятков лет диагностировали, описывали, какой выраженности
> и глубины должны быть изменения в миокарде, чтобы инерционный писчик показал
> патологические изменения ЭКГ?

Описание ЭКГ в клинической практике производится на основе методик, разработанных именно для приборов непосредственной записи. Как раз более вероятны ошибки при попытках идентификации ЭКГ, записанной с помощью АЦП.


Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]