МДП (Тимохов ФИБС БТС 8 семестр) / МДП v3

ЗАДАНИЕ

НА МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ ПРОЕКТ

Студент Исаков А.О.

Группа 7501

Тема проекта: Разработка блока усилителя биопотенциалов в аппарате ЭКГ

Исходные данные (технические требования):

Работа должна содержать описание и анализ исследуемых процессов и сигналов; патентную проработку предлагаемых технических решений;

функциональную и структурную схемы объекта проектирования;

результаты моделирования проектируемого объекта или его отдельных узлов (частей); расчет и конструирование проектируемого объекта или его отдельных узлов (частей); экспериментальную апробацию проектируемого объекта или его отдельных узлов (частей); По усмотрению руководителя проекта и студента в состав пояснительной записки могут быть включены дополнительные разделы, как за счет сокращения объема обязательных разделов, так и за счет увеличения объема записки в целом.

Содержание пояснительной записки:

Перечисляются требуемые разделы пояснительной записки (обязательны разделы «Содержание», «Введение», «Заключение», Основные разделы пояснительной записки, «Список использованных источников»)

Предполагаемый объем пояснительной записки: не менее 25 страниц.

Дата выдачи задания:

Дата сдачи проекта:

Дата защиты проекта:

Студент

Преподаватель

2

АННОТАЦИЯ

В данной работе производится разработка блока усиления электрокардиографа с точки зрения различных дисциплин, изученных студентом за время обучения по специальности «Биотехнические системы и технологии». Разработка затрагивает такие аспекты, как теоретический и патентный обзор технологии, разработка и тестирование электрической схемы устройства, моделирование печатной платы устройства, а также разработка программного обеспечения для обработки сигналов, получаемых с электрокардиографа. По итогам каждого этапа разработки сделаны промежуточные выводы.

SUMMARY

In this paper, the development of the electrocardiograph amplification unit is carried out from the point of view of various disciplines studied by the student during training in the specialty "Biotechnical systems and technologies". The development covers such aspects as the theoretical and patent review of the technology, the development and testing of the electrical circuit of the device, the modeling of the printed circuit board of the device, as well as the development of software for processing signals received from the electrocardiograph. At the end of each stage of development, interim conclusions are made.

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Целью данного междисциплинарного проекта является разработка блока усилителя биопотенциалов в аппарате ЭКГ, основываясь на знаниях и навыках, полученных на дисциплинах «Узлы и элементы медицинской техники», «Системы автоматизированного проектирования», «Методы обработки и анализа биомедицинских сигналов и данных» и «Программные средства обработки биомедицинских данных».

Актуальность темы междисциплинарного проекта обусловлена высокой востребованностью аппаратуры для проведения кардиологических исследований, обладающей одновременно такими достоинствами, как надежность, точность, компактность, и невысокая стоимость. Разработанный блок усиления биопотенциалов для ЭКГ может быть использован, как отдельный модуль для построения кардиографов различного назначения

(стационарные, портативные, носимые и т.д.).

Объект проектирования – блок усиления биопотенциалов для электрокардиографа.

Основными задачами проекта являются:

1.Проанализировать имеющуюся на данный момент теоретическую базу по выбранной теме проекта, патентную базу, решаемые устройством задачи и возможные области применения;

2.Реализовать моделирование электронной схемы устройства посредством таких систем автоматизированного проектирования (САПР), как

Micro-Cap 12 и Circuit Maker;

3. Разработать алгоритм и программную реализацию обработки

сигналов, получаемых в процессе работы устройства.

5

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕМЫ

1.1 Описание и анализ исследуемых процессов и сигналов.

Измерительная задача

В современном мире появляется всё больше различных систем для оценки параметров человеческого организма с помощью неинвазивного считывания медико-биологических показателей. Регистрация электрокардиографического сигнала позволяет легко диагностировать разнообразные патологии сердца. В целях регистрации ЭКГ медицинская промышленность создает специализированное диагностическое оборудование.

Хотя ЭКГ-сигнал и является довольно высокоамплитудным, в

сравнении, с некоторыми другими биопотенциалами (например, с сигналами электрической активности мозга), тем не менее существует необходимость усиления и дополнительной обработки регистрируемых потенциалов.

Обусловлено это, прежде всего ограниченностью разрешений современных аналого-цифровых преобразователей и существованием помеховых составляющих, накладывающийся на сигнал во время регистрации, и, как правило, превосходящих по амплитуде исходный полезный сигнал

(миографические помехи, сетевая находка, флуктуационный шум и т.д.). Без дополнительного усиления полезный сигнал «теряется» на фоне данных помех и становится полностью неинформативным.

Разработка УБП, в достаточной мере удовлетворяющего требованиям усиления биопотенциалов, считается очень сложной технической задачей, а её решению посвящено множество работ.

Описание и анализ исследуемых процессов и сигналов:

Электрокардиографический сигнал отражает процессы, происходящие в ходе работы сердца и имеет специфическую форму. Каждый характерный участок ЭКГ соответствует определенному этапу функционирования сердца в сердечно-сосудистой системе.

6

Автоматическая деятельность сердца, ритмическое возникновение процессов деполяризации, их распространение по миокарду предсердий и желудочков осуществляется благодаря наличию в миокарде особой нервно-

мышечной ткани, т.н. проводящей системы сердца, которая состоит из синоатриального узла (синусовый узел), атриовентрикулярного узла (узел Ашоффа-Тавара), пучка Гиса, его ножек и мелких разветвлений – волокон Пуркинье.

На рис. 1.1.1,а показана типичная ЭКГ, зарегистрированная во втором стандартном отведении. Каждой ее характерной особенности были даны буквенные обозначения. Эти особенности могут быть сопоставлены с определенными этапами процесса распространения потенциалов действия.

Для удобства изучения кривой ЭКГ ее горизонтальный участок рассматривается как изопотенциальная, или изоэлектрическая линия. Зубец Р характеризует электрическую активность, связанную с деполяризацией предсердной мускулатуры по мере того, как потенциалы действия распространяются от синусного узла, где они возникают, к

атриовентрикулярному узлу. Схема возникновения потенциалов показана на рис. 1.1.1.б ,в, г, д. Волна деполяризации представляется вектором со знаками полярности, указывающими основное направление распространения волны и результирующую разность потенциалов, которая создается в мускулатуре сердца. Таким образом, вектор зубца Р представляет волну деполяризации определенной амплитуды, которая распространяется от синусного узла к атриовентрикулярному узлу. По мере распространения волны область вокруг атриовентрикулярного узла становится электрически положительной, а

область вблизи синусного узла (стимулятора) – отрицательной. Так как результирующее электрическое поле проявляется на поверхности тела, то во время возбуждения предсердия нижняя часть грудной клетки становится положительной, а верхняя – отрицательной. Если используемый для измерения ЭКГ электрокардиограф правильно подключен с помощью

7

электродов к этим областям, результирующий зубец Р имеет вид положительной волны (выше изолинии), как это и показано на рис. 1.1.1,а.

Рисунок 1.1.1 – Электрокардиограмма и механизм работы сердца Типичное значение амплитуды R-зубца, для нормальной ЭКГ, может

изменяться в пределах 0,5 – 1,0 мВ, но иногда достигает 2 мВ. В этом случае остальные значения максимальных амплитуд ЭКГ изменяются пропорционально.

Другими важными параметрами ЭКГ являются длительности различных

интервалов и сегментов. В типичных случаях общее время, необходимое для завершения одного полного цикла электрической активности сердца: 0,4 – 0,6

с.

Частота сердечных сокращений (ЧСС) наряду с электрокардиограммой имеет большое диагностическое значение. Диапазон изменения ЧСС составляет от 20 до 240 уд/мин (0,33 – 4,0 Гц). У здорового человека в спокойном состоянии частота сердечных сокращений составляет 60 – 80

уд/мин, снижение частоты ниже 60 уд/мин называется брадикардией, а

превышение 90 уд/мин – тахикардией [1].

8

Усилители биопотенциалов:

Усилители биопотенциалов имеют ряд особенностей, основными, из

которых являются следующие:

1.Эквивалентный генератор входного сигнала имеет достаточно большое и весьма нестабильное внутреннее сопротивление, включающее нестабильность сопротивления перехода кожа-электрод. При достаточно длительных исследованиях внутреннее сопротивление эквивалентного генератора может меняться в пределах от 103 до 106 Ом, что определяет минимально допустимое значение входного сопротивления усилителя.

2.На входах УБП не допускается наличие напряжения, которое через электроды оказывается подведенным к объекту исследования и может вызвать появление микро- и макротоков.

3.УБП должен обеспечивать подавление паразитного (синфазного)

сигнала, который может во много раз превышать полезный разностный сигнал. Поэтому входным каскадом УБП обычно является дифференциальный каскад.

В настоящее время широко применяются схемоконструктивные методы построения УБП основанные на дифференциальном съема сигнала в виде дифференциальных усилителей (ДУ), построенных на основе операционных усилителей (ОУ). Наиболее применяемые схемы ДУ:

•ДУ на биполярных транзисторах;

•ДУ на полевых транзисторах;

•ДУ с применением операционных усилителей (ОУ);

•специальная схема ДУ с применением ОУ;

•многовходовый ДУ на ОУ.

Основными параметрами усилителей дифференциального сигнала являются:

9

-коэффициент усиления Kду, который также называют коэффициентом усиления полезного (разностного) сигнала, определяемый как отношение выходного сигнала к разности входных сигналов;

-коэффициент ослабления синфазного сигнала Kосс, определяемый как отношение (1.1):

где Kусскоэффициент усиления синфазного сигнала, определяемый как отношение выходного и входного синфазных сигналов.

Обычно данный коэффициент выражают в децибелах (1.2):

-входное сопротивление Rвх (дифференциальное), определяемое как отношение приращения разностного напряжения к приращению входного тока, вызванному приращением этого напряжения — это сопротивление между входами;

-синфазное входное сопротивление Rсинф вх, определяемое как отношение приращения напряжения к приращению входного тока,

вызванному приращением напряжения — это сопротивление между входом и нулевым проводом;

- выходное сопротивление Rвых которое достаточно мало и обычно принимается равным нулю.

Часто усилители БП строят по схеме с тремя ОУ, , как показано на рис.

1.1.2. Для увеличения входного сопротивления каждый вход дифференциального усилителя У3 питается от повторителя напряжения У1 и

У2, резистор R2 служит для установки коэффициента усиления. Выходное напряжение схемы определяется так (1.3):

А коэффициент усиления (1.4):