РАЗРАБОТКА И ТЕСТИРОВАНИЕ СППР КД
ОБЗОР СППР ДЛЯ КАРДИОДИАГНОСТИКИ
На сегодняшний день на рынке присутствует достаточно большое разнообразие электрокардиографов. Рыночная экономическая система порождает здоровую конкуренцию, что позволяет заинтересованным лицам получить наиболее подходящий прибор, соответствующий их потребностям. Рассмотрим несколько таких приборов и сравним их характеристики.
Heart Screen 112D –12 канальный электрокардиограф, позволяющий замерять биоэлектрические потенциалы сердца для диагностики и графической регистрации при проверке сердечно-сосудистой системы человека, работающий от сети или аккумулятора. Прибор имеет синхронный 12 канальный усилитель и процессор ЭКГ сигнала. Электрокардиограф является мобильным и компактным; позволяет анализировать и интерпретировать кардиограммы (рисунок 1).
Рисунок 1 Heart Screen 112D
Кардиограф имеет встроенный аналоговый вход, что позволяет подключать внешнее аналоговое устройство для мониторинга и печати сигнала. Электрокардиограф “Heart Screen 112D” имеет широкий диапазон дополнений для ЭКГ диагностики, что позволяет создать многофункциональный кардиологический диагностический центр на его основе.
MAC 1200ST - 6/12 канальный электрокардиограф с возможностью измерения, интерпретации ЭКГ покоя и проведения пробы с физической нагрузкой. Режимы записи ЭКГ - автоматический -12 каналов, ЭКГ покоя и под нагрузкой; ручной - по 6 отведений; режим поиска аритмий - непрерывный мониторинг ЭКГ для обнаружения аритмий с регистрацией событий и созданием окончательного отчета (рисунок 2).
Рисунок 2 MAC 1200ST
МАС 5500 – электрокардиограф, который может использоваться как для регистрации ЭКГ покоя и стресс-тестирования, так и для научно-исследовательских целей. Позволяет регистрировать ЭКГ в покое и во время проведения теста с физической нагрузкой. Клинически подтвержденные алгоритмы анализа и интерпретации ЭКГ одновременно по 12 или 15 отведениям, векторкардиография, анализ поздних потенциалов.
MAC 5000 оснащен программным обеспечением ACI-TIPI (Acute Cardiac Ischemia Time-Insensitive Predictive Instrument). ACI-TIPI является дополнительным прогностическим инструментом, использующим данные о пациенте (возраст, пол, наличие болевого синдрома, изменения ЭКГ) в диагностике острого коронарного синдрома (рисунок 3).
Рисунок 3 МАС 5500
Основным недостатком всех рассмотренных приборов и систем кардиодиагностики является отсутствие или низкая эффективность диагностики нарушений ЭКС. Для решения данной проблемы предлагается схема СППР КД, структура которой представлена на рисунках 4, 5, 7.
2 РАЗРАБОТКА ОБОБЩЕННОЙ СТРУКТУРЫ СППР КД
Опишем общую структуру СППР КД (рисунок 4). С помощью электродов в мониторной системе отведений снимаются показания ЭКС, полученные данные подаются на блок аналоговой обработки, в котором происходит усиление и предварительная фильтрация сигнала. На выходе блока получаем преобразованный ЭКС и так называемое «окно анализа» длительностью 200 мс (максимальную длительность QRS-комплекса принимаем равной 200 мс). После предварительной фильтрации ЭКС поступает в блок сопряжения, преобразующий аналоговый сигнал в цифровой (плата Advantech). Гибридный подход к анализу ЭКС реализуется в блоке анализа морфологических признаков формы по гибридному алгоритму, в котором форма сигнала исследуется при помощи четырех выбранных ранее методов анализа. Также в данном блоке происходит предварительное определение нормы и патологии формы и принятие решения о наличии QRS-комплекса. В следующем блоке анализируются информативные признаки ритма, а именно, сравнивается длительность соседних R-R-интервалов и происходит логический анализ нарушений ритма, выделяются различные нарушения ритма и проводимости [Кривоногов]. Далее вся информация поступает в блок принятия решений, где сопоставляются полученные результаты, и ставится предварительный диагноз о сердечно-сосудистых патологиях, либо о норме. В последнем блоке данные визуализируются, а также предоставляется информация о нарушениях за определенное время, которое устанавливается врачом.
Рисунок 4
Рисунок 4.5
4.3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БЛОКА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СППР КД
4.3.1 Разработка схемных решений для создания блока аналоговой обработки СППР КД
Рассмотрим подробнее схему блока аналоговой обработки СППР КД (рисунок 4.5).
Она необходима для снижения требований к частоте дискретизации и для предварительной фильтрации ЭКС, что позволяет повысить помехоустойчивость системы в целом.
Основными требованиями к данной схеме являются: обеспечение коэффициента усиления, требуемой частотной характеристики и стабильности параметров, которая имеет большое значение для подавления синфазной помехи (СФП). Например, для подавления помехи в 100 000 раз нестабильность параметров должна быть менее 10-5.
Так как сетевая помеха наводится синфазно на теле пациента, то уменьшить ее можно вычитанием сигнала одного электрода из напряжения остальных. Помехоподавление при помощи этого способа происходит с минимальной потерей информации, так как если одновременно потенциал всех электродов увеличить или уменьшить, распределение потенциалов по электродам не изменится, а именно распределение потенциалов является информативным. После вычитания потенциал индифферентного электрода можно считать нулевым. При этом безразлично, какой электрод принимать за вычитающий (индифферентный).
Коэффициент подавления СФП измеряется в разах (или дециБеллах), и определяется как отношение поданного на вход испытательного синфазного сигнала на выходе схемы усилителя. Значение остатка пересчитывается по отношению ко входу усилителя. Требуемое значение помехоподавления в самом усилителе ЭКС составляет не менее 80 дБ.
Усилители строятся комбинацией из типовых каскадов усиления, представленных на рисунке 4.6 (а) и (б). Если R1 и R2 в формулах рисунке 4.6 заменить на Zi(w) то изменение усиления К(w) в функции частоты w будет отображать частотную характеристику усилителя. Собственно усиление каскада определяется величиной отношения: К=R2/R1.
Особенностью усилителя ЭКС является использование дифференциального входа с жесткими требованиями к величине входного сопротивления и подавления синфазного сигнала. Дифференциальный усилитель на одном операционном усилителе (ОУ) выполнить нельзя, так как входное сопротивление прямого и инвертирующего входов различны. Обычно применяют комбинацию узлов рисунке 4.6 в нескольких вариантах (рисунок 4.7). На рисунке 4.7(а) представлен "классический" парафазный усилитель, на рисунке 4.7(б) и рисунке 4.8 - современные варианты такого усилителя. Схемы эквивалентны по параметрам.
Рисунок 4.6 (а) Каскад усиления не инвертирующий. Rвх велико.
Рисунок 4.6 (б) Инвертирующий усилительный каскад Rвх мало и равно R1.
Рисунок 4.7 Две основные схемы дифференциальных усилителей. Параметры идентичны. а) – классическая схема, б) – современный аналог. В схеме б) для входа “-” R1/R2 инвертированы.
За счет вычитания достигается подавление синфазной помехи. Такой важный параметр, как подавление СФП, определяется точностью подбора, номиналов резисторов R1R2 и их стабильностью. (При этом требования к точности выдерживания номиналов уменьшаются при увеличении коэффициента усиления каскада).
Р
исунок 4.8 Усилитель в одном корпусе. Корпус заштрихован. Внешнее сопротивление R2 регулирует усиление.
Коэффициент дифференциального усиления для усилителя, на который поступают сигнал с трех ЭКГ- электродов определяем по формуле:
 (4-1)
Нижний предел частот полосы пропускания рассчитаем по формуле:
 (4-2)
Верхний предел частот полосы пропускания получаем соответственно как:
 (4-3)
Таким образом, дифференциальный усилитель ЭКС, выполненный на трех операционных усилителях, выполняет одновременно функцию 500-крат-ного усиления сигнала, функцию полосового активного фильтра и функцию подавления синфазной составляющей помехи.
Приведем схему усилителя ЭКС, выполненную в пакете Simulink системы MATLAB. Работа данного блока была промоделирована в пакете Simulink системы MATLAB и получены результаты, подтверждающие приведенные расчеты. Схема усилителя ЭКС представлена на рисунке 4.9.
Рисунок 4.9 ЭКГ-усилитель-фильтр сетевых помех (Intencifier)
В представленной схеме на вход подаются сигнал ЭКГ, записанный в формате txt, и синфазная помеха, созданная в виде источника синусоидального сигнала. Усилитель собран на трех операционных усилителях с использованием резисторов и конденсаторов. Схемы блока «OpAmp» (рисунок 4.10) представляет собой операционный усилитель.
Рисунок 4.10 Схема блока «Op Amp».
4.3.2 Разработка блока подавления импульсов пейсмекера
После прохождения схемы усилителя ЭКС – фильтра сетевых помех (Intencifier) сигнал проходит через схему подавления импульсов пейсмекера - Suppression IP (рис. 4.11). Схема включает четыре диода, образующих мостик, за которым следует конденсатор, ограничивающий скорость нарастания сигнала. С помощью мостика производится ограничение тока конденсатора и скорости нарастания фронта напряжения величиной 200 В/с. Таким образом, ЭКГ – сигналы, помимо подавления импульсов пейсмекера, подвергается процедуре выпрямления с целью надежного обнаружения отрицательных QRS-комплексов, которые может содержать электрокардиограмма. Функциональная модель в формате Simulink приведена на рисунке 4.24.
Рисунок 4.11 Схема подавления импульсов пейсмекера (Suppression IP).
В данной схеме помимо осциллографов (Scope12, Scope13) использованы следующие элементы:
1) управляемый источник напряжения (Controlled Voltage Source) – превращает входной сигнал в эквивалентный источник напряжения;
2) в качестве диодного моста используется блок Universal Bridge –универсальный мостовой модуль, в окне параметров блока можно задавать число элементов и конфигурацию моста;
3) отдельные элементы – резистор R10, R26 =820 кОм, R25=1.5 МОм и конденсатор С4=47нФ;
4) источник питания DC3, напряжение которого U=2.8В;
5) операционный усилитель OPAmp7;
6) элемент для отображения результатов измерений – Voltage Measurement.
На вход схемы In5 поступает отфильтрованный сигнал с выхода ЭКГ усилителя-фильтра сетевых помех. Данный сигнал представлен на рисунке 4.12 (Scope 12).
Рисунок 4.12 Сигнал ЭКГ на входе схемы подавления импульсов пейсмекера.
Результат работы схемы подавления импульсов пейсмекера (Suppression IP) показан на рисунке 4.13 (Scope 13).
Рисунок 4.13 Подавление импульсов пейсмекера и выпрямление сигнала.
4.3.3 Разработка блока подавления НЧ помех
Следующий блок – фильтр НЧ помех (Filter_LF). Функциональная схема этого блока приведена на рисунке 4.14. Фильтр НЧ помех не пропускает сигналы с частотами от 0 до 0.5 Гц.
Рисунок 4.14 Фильтр НЧ помех (Filter_LF).
В данном блоке используется управляемый источник напряжения (Controlled Voltage Source), который превращает входной сигнал в эквивалентный источник напряжения, а также операционный усилитель и отдельные элементы – резисторы и конденсаторы. В процессе исследования данного блока в пакете Simulink системы MATLAB были определены конкретные номиналы элементов схемы.
Входной сигнал, поступающий с предыдущего блока – блока подавления импульсов пейсмекера (Suppression_IP), представлен на рисунке 4.15. (Scope13). Сигнал после фильтра НЧ помех, показан на рисунке 4.17 (Scope14).
Рисунок 4.15 Сигнал на входе фильтра НЧ помех (Filter_LF).
Рисунок 4.16 Сигнал на выходе фильтра НЧ помех (Filter_LF).
На рисунке 4.17. представлена входная временная диаграмма сигнала ЭКГ с добавлением сигнала с частотой 0.5 Гц.
Рисунок 4.17 Сигнал на входе фильтра НЧ помех (Filter_LF) с добавлением дополнительной НЧ составляющей.
На рисунке 4.18. приведена временная диаграмма на выходе фильтра НЧ помех (Filter_LF), при этом видно, что фильтр НЧ помех не пропускает сигналы с частотами от 0 до 0.5 Гц.
Рисунок 4.18 Сигнал на выходе фильтра НЧ помех (Filter_LF).
Как видно из рисунков 4.16. и 4.18., фильтр НЧ помех усиливает не только R-зубец, но и отрицательные зубцы QRS-комплекса - Q и S. Однако, далее сигнал поступает на схему однополупериодного выпрямителя. Таким образом, разработанная схема фильтра удовлетворяет необходимому условию – подавлению НЧ составляющей помехи.
4.3.4 Описание Simulink-модели однополупериодного выпрямителя
Узел обнаружения QRS-комплексов анализатора формы кардиоимпульсов – детектор R-зубца – состоит из выпрямителя полуволны (Rectifier_HW), автоматической регулировки порога сравнения (Auto Regulator) и двух ждущих мультивибраторов (Multivibrator-1,2).
Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя (Rectifier_HW) представлена на рисунке 4.19.
Рисунок 4.19 Однополупериодный выпрямитель (Rectifier_HW).
В данной схеме помимо осциллографа (Scope15) использованы следующие элементы:
1) управляемый источник напряжения (Controlled Voltage Source) – превращает входной сигнал в эквивалентный источник напряжения;
2) в качестве диодного моста используется блок Universal Bridge –универсальный мостовой модуль, в окне параметров блока можно задавать число элементов и конфигурацию моста;
3) элемент для вывода данных измерений – Voltage Measurement;
4) операционный усилитель – OpAmp5.
На вход схемы однополупериодного выпрямителя (Rectifier_HW) In 7 поступает сигнал, представленный на рисунке 4.16. С выхода выпрямителя (Out8 и Out9) снимается всегда положительный сигнал, который сравнивается с пороговым значением, установленным автоматической пороговой схемой. Выходной сигнал представлен на рисунке 4.20.
Рисунок 4.20 Выходной сигнал схемы однополупериодного выпрямителя (Rectifier_HW).
4.3.5 Описание Simulink-модели схемы ждущего мультивибратора
Следующий блок – ждущий мультивибратор (Multivibrator-1,2), обеспечивающий рефрактерный период длительностью 200 мс. В качестве ждущего мультивибратора использовался вариант построения на интегральных логических элементах, а именно схема с дифференцирующей времязадающей цепью, в котором формирование импульса происходит в процессе заряда конденсатора С8 током источника питания DC1 (рисунок 4.21).
В исходном состоянии элемент Logical Operator (NAND) открыт, а элемент Logical Operator1 (NAND) закрыт. На оба входа Logical Operator1(NAND) поданы высокие уровни напряжения, сигнал 0 с выхода Logical Operator1 (NAND) подан на входы Logical Operator (NAND), напряжение Uвых1 (Scope18) на выходе Logical Operator (NAND) высокое и напряжение Uc близко к нулю.
В момент времени t1 на вход Logical Operator1 поступает отрицательный запускающий импульс и элемент Logical Operator1 переключается из состояния 0 в состояние 1. Выходной сигнал Logical Operator1 поступает на вход Logical Operator и последний переключается в состояние 0. Отрицательный перепад напряжения, образованный на выходе Logical Operator, пердается через конденсатор С8 на вход Logical Operator1 и удерживает элемент Logical Operator1 в состоянии 1 и после окончания действия запускающего импульса. Таким образом, в результате запуска произошло опрокидывание – элемент Logical Operator открыт, элемент Logical Operator1 закрыт.
В состоянии квазиравновесия (Logical Operator открыт, Logical Operator1 закрыт) происходит заряд конденсатора С8 током источника DC1 через резистор R23 и открытый элемент Logical Operator. По мере заряда конденсатора убывает ток заряда и растет напряжение Uвх2 . При достижении этим напряжением уровня Uпор2 (момент времени t2)начинает отпираться элемент Logical Operator1, уменьшается напряжение на его выходе и вскоре оно достигает значения Uпор2, при котором начинает запираться элемент Logical Operator.
В течение весьма короткого интервала, когда оба элемента Logical Operator и Logical Operator1 открыты, в цепи действует положительная обратная связь и развивается регенеративный процесс, завершающийся полным отпиранием элемента Logical Operator1 и запиранием Logical Operator. После этого в схеме идет процесс восстановления исходного состояния, связанный с разрядом конденсатора С8 через диод D1 и выходное сопротивление закрытого элемента Logical Operator.
По мере разряда конденсатора устанавливается выходное напряжение Uвых1 (Scope18) на выходе Logical Operator.
Рисунок 4.21 Схема ждущего мультивибратора (Multivibrator-1).
Предложенная схема обеспечивает формирование прямоугольных импульсов длительностью 200мс, имитирующих рефрактерный период. Длительность импульса при этом рассчитывается по формуле:
 (4-4)
Диаграмма выходного напряжения (Scope19) приведена на рисунке 4.22.
Рисунок 4.22 Диаграмма выходного напряжения на выходе схемы ждущего мультивибратора (Multivibrator-1), длительность импульсов 200мс.
Сформированные импульсы длительностью 50мс поступают на вход In9 логического элемента AND схемы автоматической регулировки порога сравнения (Auto Regulator).
Исследование работы блока аналоговой обработки ЭКС в пакете Simulink
Для исследования блока аналоговой обработки ЭКС, входящего в состав СППР КД, была разработана специальная схема, представленная на рисунке 4.23. Ее особенностью является наличие блока формирования помех различного типа, требования к которым были сформулированы в 3-й главе. Схема обеспечивает различные режимы наложения помех на ЭКС: они могут формироваться как поочередно, так и одновременно.
Кроме того в схему включен также узел формирования синфазной помехи, который имитирует реальную сигнально-помеховую ситуацию на разных электродах. Таким образом, разработанная схема позволяет провести комплексные исследования блока аналоговой обработки ЭКС в соответствии с методикой, предложенной в 3-й главе.
В связи с ограниченным объемом диссертации приведем только некоторые результаты исследований. Наиболее важным для работы блока аналоговой обработки ЭКС является исследование зависимости степени помехоподавления от несимметричности входного сигнала.
Также необходимо привести диаграммы работы усилителя ЭКС при разных соотношениях амплитуд входных сигналов на электродах и диаграммы с выхода усилителя ЭКС при разных частотах входного сигнала.
Рисунок 4.23
Диаграммы зависимости помехоподавления от несимметричности входного сигнала представлены на рисунке.
Рисунок 4.24 На осциллографе представлены входной сигнал и синфазная помеха. Первый и второй электроды.
Рисунок 4.25 Синфазная помеха на третьем электроде.
Рисунок 4.26 Сумма входного сигнала и синфазной помехи. Первый и второй электроды.
Рисунок 4.27 Данные осциллографа после первого блока усиления и фильтрации сигнала.
Рисунок 4.28 Отфильтрованный сигнал.
Диаграммы с выхода усилителя при разных соотношениях амплитуд на электродах представлены на рисунке.
Рисунок 4.29 Показания осциллографа при частоте = 6,28*50 рад/сек. 1-й шум: амплитуда = 5мВ, 2-й шум: =4,9мВ
Рисунок 4.30 Показания осциллографа при частоте = 6,28*50 рад/сек. 1-й шум: амплитуда = 5мВ, 2-й шум: =4,8мВ
Рисунок 4.31 Показания осциллографа при частоте = 6,28*50 рад/сек. 1-й шум: амплитуда = 4,9мВ, 2-й шум: =5мВ
Рисунок 4.32 Показания осциллографа при частоте = 6,28*50 рад/сек. 1-й шум: амплитуда = 5мВ, 2-й шум: =5мВ
Диаграммы с выхода усилителя при различных частотах входного сигнала представлены на рисунке.
Рисунок 4.33 Показания осциллографа при частоте 50 Гц.
Рисунок 4.34 Показания осциллографа при частоте 60 Гц.
Рисунок 4.35 Показания осциллографа при частоте 40 Гц.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что фильтрация происходит лучше либо при одинаковых амплитудах шумов, либо при их отличии не более чем на 0,1мВ. Компьютерное моделирование усилителя в пакете показало, что помеха с частотой 50Гц фильтруется приемлемо, а наибольший вклад в зашумление ЭКС по сравнению с другими помехами вносит несимметричность входных сигналов на электродах.
4.4 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БЛОКА СОПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СППР КД 4.4.1 Сравнительная характеристика плат серии PCI
Современные кардиомониторные схемы реализуются на основе цифровой обработки ЭКС, поэтому обязательным этапом при создании СППР КД является разработка блока аналогово-цифрового преобразования. Анализ технических решений на рынке микропроцессорной техники показал, что оптимальным в настоящее время можно считать использование стандартных схем ввода-вывода аналогового сигнала. Поэтому в процессе выполнения диссертационных исследований было принято решение о разработке блока сопряжения для СППР КД на основе типовой платы ввода-вывода данных, выпускаемой фирмой ADVANTECH.
Рассмотрим платы PCI-1710/1710HG, представляющие собой многофункциональные устройства с шиной PCI для сбора и обработки сигналов. Современные схемные решения обеспечивают высокое качество и выполнение пяти основных функций для измерений и контроля: АЦП с разрешением 12 бит, ЦАП, дискретного ввода и вывода и функции счетчика-таймера. Работе с платой PCI-1710 посвящен данный параграф диссертации. Приведем основные технические характеристики платы:
16 входных каналов с общей шиной или 8 дифференциальных (в любом сочетании);
АЦП с разрешением 12 бит и частотой выборки до 100 кГц;
программируемый коэффициент усиления по каждому каналу;
автоматическое сканирование каналов;
встроенный буфер FIFO на 4К значений;
два канала ЦАП 12 бит;
16 дискретных входов и 16 дискретных выходов;
программируемая схема запуска.
Рассмотрим технические характеристики других платы фирмы Advantech с целью обоснования выбора одной из них. Плата PCI-1711/1731 представляет собой недорогую многофункциональную плату сбора данных. Плата PCI-1711, в отличие от PCI-1731, имеет два канала аналогового вывода. Таким образом, можно выбирать PCI-1711 или PCI-1731 в соответствие с тем, что действительно необходимо для конкретной задачи, без лишних затрат денежных средств. Основные характеристики:
АЦП 12 бит, 100 кГц;
16 потенциальных аналоговых входов;
поканально программируемое усиление (КУ: 1, 2, 4, 8, 16);
автоматическое сканирование каналов;
буфер FIFO на 1К значений;
2 канала ЦАП 12 бит (только PCI-1711);
16 цифровых входов и 16 цифровых выходов;
программируемая схема запуска.
Плата PCI-1712 – это высокопроизводительная плата сбора данных. Основные характеристики:
АЦП 12 бит, 1 МГц;
8 дифференциальных или 16 потенциальных аналоговых входов;
поканально программируемое усиление (КУ: 1, 2, 4, 8);
автоматическое сканирование каналов;
буфер FIFO на 1К значений;
2 канала ЦАП 12 бит;
16 цифровых входов-выходов;
программируемая схема запуска.
Рассмотрим следующую плату PCI-1713. Это 32-канальный АЦП с шиной PCI и гальванической изоляцией. Основные характеристики:
АЦП 12 бит, 100 кГц;
32 потенциальных входа с групповой гальванической изоляцией 2500В;
программируемый диапазон входного сигнала:
±10, ±5, ±2,5,; ±1,25, ±0,625, 0…10, 0…5, 0…2,5, 0…1,25 В;
автоматическое сканирование каналов;
программируемая схема запуска.
Как видно из приведенных выше характеристик, платы данной серии имеют некоторые отличия. Платы PCI-1710 и PCI-1711 отличаются лишь объемом буфера FIFO (First in First out - "первым вошел - первым вышел"), который у PCI-1710 имеет объем 4K значений, а у PCI-1711 – 1K значений. Этот буфер предназначен для быстрой передачи данных и обеспечения высокой скорости работы платы под Windows. Плата генерирует прерывание при заполнении буфера FIFO наполовину. Плата PCI-1712 отличается от первых двух повышенной частотой дискретизации, которая может достигать значения 1 МГц, в то время как у PCI-1710 и PCI-1711 она не превышает 100 кГц. Однако объем буфера FIFO у нее также меньше чем у PCI-1710. Плата PCI-1713 имеет уже существенные отличия. Во-первых, она имеет уже 32 канала аналогового ввода вместо 16, а кроме того имеет гальваническую изоляцию цифровой и аналоговой частей (напряжение изоляции 2500 В постоянного тока). Но с другой стороны, она не имеет ни одного ЦАПа.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что плата PCI-1710 практически ничем не уступает другим платам данной серии, а по некоторым параметрам даже превосходит их. Это касается прежде всего объема буфера, который обеспечивает наилучшее взаимодействие данной платы с операционной системой Microsoft Windows.
Рисунок 4.36 Визуальный ряд программной оболочки платы
4.4.2 Особенности применения платы ADVANTACH для работы в среде MATLAB
В данном пункте работы рассматриваются возможности использования программы MATLAB при работе с внешними устройствами вцелом и в частности при работе с платой PCI-1710. Данная программа предоставляет возможность в режиме реального времени наблюдать сигнал, подаваемый на вход платы, записывать его в специальную матрицу и проводить дальнейшую обработку.
Для тестирования платы при работе с пакетом MATLAB синусоидального сигнала частотой 1 кГц, идущий с генератора, подается на плату. Далее производится быстрое преобразование Фурье (FFT) полученного сигнала с целью определения номинальной частоты генерируемого сигнала и проверки соответствия ее значения частоте на выходе генератора. Установка показана на рисунке 4.37.
 
Рисунок 4.37
В ходе тестирования платы данные принимаются в течение одной секунды в каждом из каналов. Частота дискретизации устанавливается равной 10 кГц. Был выбран следующий алгоритм тестирования.
1. Создание объект-устройства – создается устройство аналогового ввода AI для платы PCI-1710. Установленные адапторы и ID устройств можно получить с помощью функции daqhwinfo.
AI = analoginput('nidaq',1).
2. Добавление каналов – добавляется 1 канал к AI
chan = addchannel(AI,0).
3. Формирование значений свойств – они будут использоваться для дальнейшего анализа.
Duration = 1; %1 second acquisition
set(AI,’SampleRate’,10000)
ActualRate = get(AI,’SampleRate’);
set(AI,’SamplesPerTrigger’,duration*ActualRate)
set(AI,’TriggerType’,’Manual’)
blocksize = get(AI,’SamplesPerTrigger’);
Fs = ActualRate.
4. Сбор информации – запускается AI, то есть запускается триггер в ручном режиме и собирается вся информация с устройства. Перед тем, как запущен триггер, необходимо ввести сигнал с генератора в устройство сбора информации.
Start(AI)
trigger(AI)
data = getdata(AI).
5. Очистка канала – когда тестирование закончено, необходимо выгрузить параметры AI из памяти и из рабочей области MATLAB.
Delete(AI)
clear AI.
Для этого эксперимента анализ состоит в определении частоты входного сигнала и отображении результатов. Можно определить частоту с помощью функции daqdocfft:
[f,mag] = daqdocfft(data,Fs,blocksize).
Эта функция производит быстрое преобразование Фурье(FFT) но требует указания следующих характеристик: SampleRate (частота дискретизации) и SamplesPerTrigger. Функция daqdocfft определяет амплитудно-частотную характеристику сигнала, которую можно затем построить. Результаты приведены ниже:
plot(f,mag)
grid on
ylabel(‘Magnitude (dB)’)
xlabel(‘Frequency (Hz)’)
title(‘Frequency Output by Function Generator’).
Рисунок 4.38
Этот график показывает, что номинальная частота лежит в районе 1000 Гц. Реальная частота определяется следующим образом:
[ymax,maxindex]= max(mag);
maxindex
maxindex =
994.
То есть реальное значение составляет 994 Гц. Таким образом, погрешность измерения частоты составляет 0,006 Гц, что соответствует 0,6%. При анализе биомедицинских сигналов такая погрешность является приемлемой. Тестирование платы подтвердило целесообразность ее использования при создании СППР КД.
4.4.3 Исследование возможностей применения платы ADVANTACH для построения СППР КД
4.4.3.1 Снятие сигнала
Для проверки работоспособности платы, а также для практического ознакомления с основными принципами работы с ней в среде MATLAB, был проведен практический эксперимент. В данном эксперименте использовались следующие устройства: плата PCI-1710, персональный компьютер, кабель PCL-10168, плата для ввода сигнала PCL-8710 и вспомогательные провода. Сигнал представлял собой случайные наводки.
Для того чтобы визуализировать принимаемый сигнал в окне MATLAB, необходимо предварительно выполнить некоторые действия. Прежде всего, необходимо открыть Simulink и создать новый проект. Затем из раздела Real-Time Windows Target необходимо перетащить на вновь созданный проект блок Analog Input, выбрать плату – Advantech PCI-1710. Для отображения сигнала необходимо добавить осциллограф (Scope). Для того чтобы проводить обработку сигнала, необходимо записать его в массив, для этого добавляется элемент To Workspace. Модель представлена на рисунке 4.39.
Рисунок 4.39
На рисунке 4.40 представлен сигнал на входе платы PCI-1710 (его отображение в окне программы после запуска описанной выше модели).
Рисунок 4.40
4.4.3.2 Фильтрация ЭКС
Затем была определена спектральная плотность мощности полученного сигнала. Оказалось, что самой мощной составляющей является сигнал с частотой 50 Гц (рисунок 4.41). Это ни что иное, как наводка от электрической сети переменного тока. Было решено исключить эту составляющую, так как при работе в реальных условиях именно это помеха и будет являться основной.
 
50 Гц
Рисунок 4.41
Для этого необходимо было создать заградительный фильтр. В рабочей области MATLAB вводится ключевое слово fdatool, после чего открывается подпрограмма с одноименным названием (Filter Design & Analysis Tool). Тип фильтра BandStop (заградительный), частота непропускания 50 Гц. После ввода всех параметров в окне настройки получаем амплитудно-частотную характеристику для проектируемого фильтра (рисунок 4.42).
Рисунок 4.42
Как видно из рисунка 4.42, частота подавления помехи для созданного фильтра как раз находится в районе 50 Гц. После соответствующих настроек данный фильтр представляем в виде отдельного блока и включаем в разрабатываемую в пакете Simulink модель для тестирования платы (рисунок 4.43).
Рисунок 4.43
После этого на осциллографе отображается следующая временная зависимость, демонстрирующая работу созданного фильтра (рисунок 4.44).
Рисунок 4.44
Кроме того, данный сигнал сохраняется в массив F, так как был добавлен специальный блок To Workspace (рисунок 4.43).
4.4.3.3 Реализация блока сопряжения СППР КД на платы PCI-1710
С труктурная схема простейшего прибора для регистрации ЭКС представлена на рисунке 4.45:
Рисунок 4.45
На рисунке представлена обобщенная схема типового кардиографа, включающая 4 основных блока: входное устройство, усилитель ЭКС, узел регистрации и узел управления.
Обычно при ЭКГ-исследовании применяют от 3 до 12 отведений. Данная плата PCI-1710 имеет 16 входных каналов с общей шиной или 8 дифференциальных. При снятии ЭКГ из 12 отведений только 8 являются линейно независимыми, поэтому можно легко исключить 4 канала, а затем программно вычислить их значения. Таким образом, выбранная плата удовлетворяет заданным требованиям.
Кроме того, в кардиографе обязательно предусмотрены усилители слабых биосигналов. Поэтому для обеспечения работы платы с сигналами столь низкого уровня в СППР КД применен блок аналоговой обработки, осуществляющий усиление и предварительную фильтрацию ЭКС.
Стандартный цифровой кардиограф имеет частоту дискретизации около 512 Гц на канал. Эта частота рекомендована Американской ассоциацией кардиологов. Плата PCI-1710 позволяет оцифровывать входные сигналы с частотой до 100 кГц и, таким образом, с большим запасом удовлетворяет требованиям, рекомендованным для дискретизации ЭКС.
Временные диаграммы, отображающие ввод реального ЭКС с помощью платы PCI-1710 и результаты его фильтрации с помощью описанной выше Simulink-модели представлены на рисунке 4.46.
 
Рисунок 4.46
Главное преимущество платы состоит в том, что она является универсальной, что она может работать практически с любыми сигналами, главное - разработать соответствующее программное обеспечение, где исследователю предоставляется большая свобода выбора: MATLAB, Delphi, Visual C++, Visual Basic и др. Это программное обеспечение должно учитывать специфику сигнала, иметь возможность проводить его анализ и обработку. В данной работе выбран пакет MATLAB, который предоставляет уникальную возможность производить графическое программирование и работать с реальными сигналами с помощью инструмента Real-Time Work Shop.
Данная плата позволяет также формировать тестовые управляющие сигналы и модели реальных биосигналов и помех в пакете MATLAB и производить их физическое воспроизведение в аналоговом виде с помощью программного обеспечения и оборудования фирмы ADVANTECH, что обеспечивает работу контура обратной связи для организации эффективного процесса биоуправления.
4.5 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БЛОКА АНАЛИЗА МП ФОРМЫ ПО ГИБРИДНОМУ АЛГОРИТМУ
Теоретические исследования, проведенные во второй главе настоящей работы, позволили обосновать целесообразность применения гибридного подхода к анализу МП формы ЭКС. Для практической реализации предложенного подхода в составе СППР КД разработан специальный блок – блок анализа МП формы по гибридному алгоритму, структура которого представлена на рисунке 4.47.
На вход данного блока поступает сигнал с выхода блока сопряжения, содержащего плату PCI-1710, который представляет собой предварительно обработанный аналоговым фильтром, усиленный и дискретизированный ЭКС. В качестве основных алгоритмов анализа МП формы ЭКС выбраны следующие:
1) интегральный метод (метод анализа отношения площади QRS к его длительности);
2) амплитудно-временной пороговый метод;
3) дифференциальный метод (метод анализа производной от ЭКС по конечным приращениям QRS);
4) метод анализа по вейвлет-коэффициентам.
Каждому из перечисленных методов на основании анализа известных данных и по результатам экспериментальных исследований были присвоены соответствующие весовые коэффициенты.
Они представлены следующими значениями:
1) w1=0,2;
2) w2=0,3;
3) w3=0,5;
4) w4=0,7.
На выходах блоков “Анализ МП формы по методуi” формируются сигналы бинарные Ri, умноженные на соответствующие весовые коэффициенты wi, которые поступают на блок “Алгоритм принятия решения”. Главная функция данного блока заключается в определении классов нормы и патологии по результатам применения гибридного алгоритма анализа МП формы ЭКС. Вторая функция данного блока – формирование уточненного заключения «есть QRS», необходимого для работы блока анализа МП ритма ЭКС.
Учет весовых коэффициентов производится по алгоритму, описываемому выражением:
 , (4-5)
где Fгибр – результаты анализа для формы ЭКС, =1 для нормы, =0 для патологии, wi – весовой коэффициент метода, Fij – промежуточная матрица форм, i – индекс метода, j – индекс формы, n – количество методов (всего 4), m – количество форм (всего 6).
 , (4-6) где Nф – норма для формы ЭКС, Fвр – информация об индивидуальной норме ЭКС, сопряженная с конкретным диагностируемым классом формы, поступающая от врача в интерактивном режиме работы СППР КД.
 , (4-7)
где Pф – патология для формы ЭКС, которая может меняться от 1 до 5, так как нормой является один из шести классов формы.
Вся полученная и обработанная информация поступает в блок принятия решений (рисунок 4.4). Здесь результаты о форме и ритме сигнала сопоставляются, и выдается предварительный диагноз о норме или о сердечно-сосудистых патологиях. Окончательное решение, на основе этих данных принимает врач.
Общий подсчет производится по следующей формуле:
 , (4-8)
гдеNобщ– обобщенная норма для формы и ритма, Nф– норма для формы,Nр– норма для ритма.
 , (4-9)
где Pобщ– обобщенная патология для формы и ритма.
На рисунке 4.4 представлен блок визуализации, который также находится под контролем врача-оператора. Таким образом, врач может устанавливать время, в течение которого происходит подсчет нарушений по классам.
Структура СППР КД включает в себя постоянную интерактивную связь с врачом-оператором, которая происходит в диалоговом режиме, что позволяет врачу принимать окончательные решения о норме или патологии сигнала, основанные на предварительных решениях, формируемых СППР КД, на анализе совокупности всего объема информации и обобщении опыта других врачей (с учетом экспертных оценок, если это необходимо в особо сложных случаях).
Рисунок 4.47
Отличительными особенностями предлагаемой разработки СППР КД применительно к контролю параметров ЭКС являются:
надежное обнаружение сердечных аритмий в условиях высоких помех при свободной двигательной активности, что в настоящее время проблематично для аналогов [4];
устойчивая работа предлагаемых алгоритмов анализа на пациентах с электрической стимуляцией сердца (ЭСС), что не обеспечиваются современными кардиомониторами [5];
использование при проектировании эффективного интеллектуального научно-исследовательского комплекса на базе интеграции фирменного оборудования и стандартного компьютера;
низкая стоимость, высокая технологичность, удобство эксплуатации, доступность для индивидуального применения, высокая эффективность при профессиональном использовании в диагностике и терапии;
получение информации о количестве эктопических очагов в миокарде, которая имеет важное прогностическое значение в предсказании угрожающих жизни нарушений ритма сердца [6] (по данным обзора классификация формы эктопических импульсов на основе вейвлет-анализа в кардиомониторах пока не производится, в лучшем случае, осуществляется только обнаружение информативных импульсов и разделение их на 2 класса – «норма» и «патология», без дифференциации последней [7]).
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
Разработана обобщенная структура СППР КД на основе гибридного подхода, реализующая предложенную в теоретической части диссертации концепцию интегрирования методов анализа МП формы ЭКС с учетом их вклада в общую диагностическую эффективность определения классов нормы и патологии.
Разработана и исследована аналоговая часть СППР КД, что позволило рационально перераспределить схемотехнические и программные ресурсы в составе СППР КД с целью обеспечения наиболее эффективного режима ее функционирования.
Разработана и исследована с помощью пакета MATLAB и оборудования фирмы ADVANTECH цифровая часть СППР КД, при этом полученные результаты подтвердили эффективность выбранных технических решений.
Результаты тестирования СППР КД на основе гибридного подхода подтвердили повышение эффективности диагностики МП формы ЭКС до 0,95 случаев из 100 в условиях интенсивных помех, что соответствует 5% по сравнению с 15% уровнем погрешности, достигаемым отдельными методами анализа, включенными в состав разработанного и реализованного гибридного алгоритма.
Библиографический список
Истомина Т.В и др. Применение теории wavelets в задачах обработки информации.- Пенза: Издательство ПГУ, 2000, с.48.
Дьяконов В.П. MATLAB 6.0/6.1/6.5+Simulink 4/5. Обработка сигналов и изображений.- М.: СОЛОН-Пресс, 2005, с.154.
Истомина Е.В., Истомина Т.В и др. Технология определения оптимального вейвлет-базиса для морфологического анализа биоэлектрических сигналов.- Теоретический и прикладной научно-технический журнал «Мехатроника, Автоматизация, Управление», М.: Новые технологии, 2007, № 2, с. 7.
А.с. 1502008. Селектор QRS-комплексов ЭКС. / Т.В. Истомина, Л.Ю. Кривоногов и др. – Опубл. В Б. И. 1989, № 31.
Истомина Т.В. и др. УИВК на основе помехоустойчивого алгоритма распознавания импульсов ЭКС при ЭСС. В кн. докл. V международн. конф. «Радиоэлектроника в медицинской диагностике».- М.: Радио и связь, 2003, с.67.
Харатьян Е.И. Математическая обработка сигналов в системе мониторирования электрокардиограмм.- М.: Радио и связь, 1997, с.113.
Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля / Под ред. А.Л. Барановского и А.П. Немирко. - М.: Радио и связь, 1993, с.39.
Истомина Е.В., Истомина Т.В и др. Рынок медицинской техники.- Теоретический и прикладной научно-технический журнал «Мехатроника, Автоматизация, Управление», М.: Новые технологии, 2008, № 3, с. 55.
Истомина Е.В., Истомина Т.В и др. Идентификация информативных свойств электрокардиосигнала на основе многомасштабно-временного анализа. - Технологии живых систем, 2007, № 4, с. 37.
Истомина Е.В., Истомина Т.В и др. Нейросетевой многомасштабный анализ электрокардиосигнала. - Труды 10-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, 2008, с. 689.
Истомина Е.В., Истомина Т.В и др. Технические основы биомедицинских исследований. - Методическое пособие, «Издательский дом МЭИ», Москва, 2007, 47 с.
1. Документация к плате Advantech PCI-1710.
2. Справка программы MATLAB.
|
Скачать 1.94 Mb.