VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

По данным официальной медицинской статистики [1], сердечно-сосудистые заболевания – главная непосредственная причина инвалидности и смертности населения во всех странах мира. Особенно подвержены кардиологическим заболеваниям лица среднего и пожилого возраста, чаще мужчины. Современные приборы и методы для наблюдения и регистрации болезней сердца доступны не всем из-за их дороговизны.

Поэтому актуальной проблемой в последнее время становится разработка прибора с малыми размерами, высокой надежностью и доступной для большинства населения ценой. Такой прибор должен обеспечивать быструю и удобную регистрацию кардиосигнала, иметь встроенные функции автоматического анализа ЭКГ, самотестирования и низкое энергопотребление. Наличие таких функций позволит своевременно измерять ЭКГ и при необходимости сразу же обращаться к лечащему врачу. Основной задачей прибора становится сделать измерение ЭКГ таким же простым и доступным, как измерение, к примеру, давления или температуры.

В настоящее время создание такого прибора стало возможным благодаря современной электронике, которая значительно продвинулась в своем развитии. Уже существуют специальные чипы и микросхемы, содержащие в себе все необходимые компоненты для измерения ЭКГ, позволяющие значительно экономить место на печатной плате при создании прибора. Кроме того, появляются новые способы передачи информации и теперь возможно передать полученную ЭКГ с прибора при помощи встроенного Bluetooth или Wi-Fi модуля.

В современном мире существует несколько способов, позволяющих сделать медицинские приборы более доступными и удобными в использовании. К примеру, в приборе должно быть наличие современных функций, таких как запись ЭКГ в память прибора, передача записанной информации в центр диагностики.

Одним из способов уменьшения размера и снижения стоимости является использование решений с высоким уровнем интеграции. На сегодняшний день существуют устройства, представляющие собой АЦП со встроенным оконечным устройством ЭКГ. Они объединяют в себе все общие требования, предъявляемые к аналоговым оконечным устройствам (АОУ) для ЭКГ систем, начиная с малошумящих усилителей с программируемым коэффициентом усиления и дельта-сигма АЦП с высоким разрешением до усилителей устройств управления, устройств запуска и измерителей сопротивления дыхания. Как итог, становится возможным значительное снижение стоимости и размера устройства по сравнению с устройствами, реализованными на дискретных компонентах.

Еще одним способом, делающим приборы более удобными, является упрощение использования. Возможности пользователя оборудования могут значительно отличаться из-за уровня технической и медицинской грамотности. Такие особенности, как голосовая подсказка, сенсорный экран, графический интерфейс пользователя, уменьшенное количество проводов и большие кнопки, могут значительно расширить возможности пользователя.

Также немаловажную роль играет портативность, которая обеспечивается интеграцией, батарейным питанием и беспроводной связью. Общей особенностью всех портативных устройств является увеличенный срок службы батарей. Использование батарей типов АА и ААА наиболее распространено в медицинских электронных устройствах, поскольку они постоянно доступны и могут обеспечить немедленную подачу энергии к устройству.

И последним, но от этого не менее необходимым, является такой фактор, как защита и безопасность. Неоригинальные принадлежности и неправильная эксплуатация делают важными защиту и безопасность при использовании медицинских электронных устройств, особенно в домашних условиях, когда пользователи не контролируются или недостаточно подготовлены.

Таким образом, было принято решение о создании карманного электрокардиографа. Карманный электрокардиограф – компактное устройство небольших размеров, которое позволяет человеку измерить свою электрокардиограмму в любое время в любых условиях, записать ее на встроенную SD-карту памяти и передать ее в диагностический центр посредством беспроводного Интернета. На рис.1 показан тестовый образец без электродов. Для снятия ЭКГ использовались обычные, стандартные электроды. В будущем, планируется использование электродов, которые будут встроены в корпус прибора.

Рис.1 Разрабатываемый образец

Главными преимуществами такого прибора являются компактные размеры по сравнению со стационарными больничными электрокардиографами, удобство и простота использования (не нужно ходить в больницу к врачу, отстаивая в многочисленных очередях, не нужно тратить много времени, чтобы раздеться, подготовить кожу к измерению ЭКГ, обезжиривая ее специальным раствором, не нужно цеплять на себя большое количество датчиков для измерения). Также большим преимуществом является снятие ЭКГ в любой момент времени и в любом месте, где бы вы не находились. Обычно люди, имеющие проблемы с сердцем, обращаются к врачу в лучшем случае раз в месяц и не всегда удается вовремя зафиксировать нарушения в работе сердца.

В качестве основы прибора была выбрана интегральная микросхема ADS1291 компании Texas Instruments [2]. В данной микросхеме реализованы специфические функции, характерные для измерения сигналов биологического происхождения (таких как ЭКГ или ЭЭГ). Эта интегральная схема включает в себя все аналоговые компоненты, такие как инструментальные усилители, аналоговые фильтры, необходимые для построения прибора медицинской направленности, а также встроенный ∑∆ аналого-цифровой преобразователь (рис.2)

Рис.2 Структура микросхемы ADS1291

Применение этой микросхемы будет, в своем роде, инновацией в медицинском приборостроении, так как на данный момент множество современных электрокардиографов делается в основном по старым технологиям. Кроме того, их схемы получаются большими и сложными и как результат, печатная плата прибора становится сопоставима по размерам с листом формата А4, а сам прибор получается достаточно больших размеров. Так что использование ADS1291 позволит сэкономить большое количество пространства на печатной плате.

Рис.3 Структурная схема разрабатываемого прибора

На рис.3 представлена структурная схема прибора, состоящая из аналоговой и цифровой части, а также схемы питания. К аналоговой части относятся электроды, ADS1291, инвертер, стабилизаторы напряжения на 1.5В. К цифровой части - все оставшееся. Разность потенциалов, возникающая на поверхности тела при возбуждении сердца, регистрируется с помощью измерительных электродов, расположенных на корпусе прибора. Далее электрический сигнал подается на вход интегральной микросхемы ADS1292, где он усиливается с помощью встроенного ОУ и оцифровывается. Затем сигнал передается на микроконтроллер STM32F405, который позволяет записать его на SD-карту и одновременно отфильтровать и вывести на дисплей.

В заключение, можно сделать вывод, что создание такого прибора является перспективным и будет иметь большой спрос на рынке. При помощи карманного электрокардиографа врачи смогут провести ЭКГ-диагностику и у тех пациентов, для которых такая помощь ранее была недоступна. Диагностические данные, полученные и обработанные с использованием передовых клинических технологий, можно затем сохранить непосредственно на SD-карты памяти. Вся информация выводится на дисплей, что помогает сэкономить время и заряд батарей. И все это вмещается в предельно портативном и простом в использовании электрокардиографе.

В настоящий момент разработана принципиальная схема прибора, выполнено макетирование основных схем прибора: цифровая плата, измерительная схема, ввод с клавиатуры, вывод на дисплей. Также в приборе реализованы такие базовые функции, как измерение ЭКГ, вывод сигнала на экран, обработка нажатия клавиш, вывод пользовательского меню.

В будущем, планируется изготовить несколько приборов, а также начать возможные улучшения, касающиеся непосредственно самого прибора и используемых электродов.

Литература:

1. Всемирная Организация Здравоохранения. Сердечно-сосудистые заболевания. Информационный бюллетень № 317. Март 2013 г. Режим доступа: [http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs317/ru/]

2. Texas Instruments. Low-Power, 2-Channel, 24-Bit Analog Front-End for Biopotential Measurements. Режим доступа: [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads1291.pdf.]