Методичне, технічне та інформаційно-алгоритмічне забезпечення БЕС для реєстрації та обробки біопотенціалів. Електрокардіографія

3.1. Електрокардіограф 12-канальний “ UCARD-200”

Призначення приладу. Електрокардіограф 12-ти канальний UCARD-200 (рис. 4.1) призначений для вимірювання, реєстрації, графічної візуалізації різниці потенціалів електричного поля серця в часі з можливістю передачі даних на центральну станцію для поглибленого аналізу. Прилад застосовується (як самостійно, так і у складі автоматизованих діагностичних систем) для діагностики серцевої діяльності пацієнтів всіх вікових груп (включаючи немовлят) у медичних центрах кардіологічного профілю, поліклініках, відділеннях терапевтичного та хірургічного профілів, у машинах швидкої допомоги.

Рис. 3.1. Електрокардіограф 12-ти канальний UCARD-200

Структурно-функціональна схема приладу. UCARD-200 складається з наступних функціональних блоків (рис. 3.2):

· аналогова плата ЕКГ;

· процесорна плата;

· інтерфейсна плата;

· рідиннокристалічний індикатор (РКІ);

· клавіатура;

· термопринтер;

· блок живлення.

Електричний сигнал з електродів надходить на входи підсилювачів аналогової плати ЕКГ. Формується диференціальний сигнал відведень, що зазнає аналогової фільтрації, підсилюється для узгодження з вхідним діапазоном АЦП. Аналоговий мультиплексор призначений для реалізації послідовного опитування всіх каналів (відведень). Передача даних з АЦП і передача керуючих сигналів між аналоговою платою ЕКГ і процесорною платою здійснюється в цифровому вигляді інтерфейсом SPORT.

Рис. 3.2. Структурно-функціональна схема електрокардіографа UCARD-200

Процесор ЦОС виконує функції попередньої обробки сигналів ЕКГ, аналізу, формування попереднього висновку, а також системні функції (організація інтерфейсу користувача, виведення на друк, зберігання записів). Для зберігання програмного забезпечення (ПЗ) UCARD-200 і даних (у тому числі й записів ЕКГ), використовується енергонезалежна флеш-пам'ять ATMEL DataFlash з послідовним інтерфейсом. Пам'ять процесора ЦОС розширена SDRAM об'ємом 16 Мбайт. Для сполучення процесора ЦОС із периферією застосовуються програмовані логічні інтегральні схеми (ПЛІС).

Взаємодія UCARD-200 з іншими пристроями здійснюється по одному з інтерфейсів RS-232C, USB, телефонна лінія або Bluetooth, драйвери та контролери яких перебувають на інтерфейсній платі.

Інтерфейси передачі даних. Інтерфейс передачі даних забезпечує передачу двійкових даних. Залежно від способу передачі даних розрізняють послідовний і паралельний інтерфейси. Фізичний інтерфейс часто називають портом.

Послідовні порти. Послідовні порти призначені для обміну інформацією мікропроцесорів між собою, а також для зв'язку з пристроями, в яких кількість сполучних проводів є критичною. Широко використовуються два види послідовних портів:

· синхронні послідовні порти;

· асинхронні послідовні порти.

Синхронні послідовні порти. Для розгляду роботи паралельного порта у режимі обміну даними з іншим комп'ютером або принтером зазвичай розглядається режим послідовної передачі байтів. У послідовному порті режим послідовної передачі застосовується не тільки до байтів, але й до окремих біт всередині байта. У цьому випадку для передачі даних досить тільки одного проводу (сигнального в одному напрямку). Передана та прийнята інформація зазвичай представляється у вигляді однобайтових або багатобайтових слів. Вага кожного біта в слові різна, тому крім бітової синхронізації, яка аналогічна байтовій синхронізації для паралельного порту, потрібна кадрова синхронізація. Кадрова синхронізація дозволяє однозначно визначати номер кожного біта в переданому слові. Часова діаграма передачі кадру за допомогою синхронного послідовного порту наведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Часова діаграма передачі одного кадру двійкової інформації за допомогою послідовного порту

Часова діаграма з рис. 3.3 застосовується в синхронних послідовних портах, які використовуються найчастіше в сигнальних процесорах для обміну інформацією з мовними кодеками, аналого-цифровими та цифро-аналоговими перетворювачами. На наведеній часовій діаграмі показані два сигнали синхронізації: сигнал тактової синхронізації CLK і сигнал кадрової синхронізації FS. Сигнал кадрової синхронізації формується апаратно з інтерфейсного сигналу WR# під час запису чергового байта в паралельний порт виводу. Полярність сигналів синхронізації залежить від конкретного типу використаних мікросхем, тому в більшості сигнальних процесорів можливо настроювання полярності сигналів синхронізації.

Послідовні порти SPORT забезпечують інтерфейс вводу/виводу з різними послідовними периферійними пристроями за умови синхронної передачі/прийому даних. Кожен SPORT має власну групу виводів (первинних виводів даних, вторинних виводів даних, тактової та кадрової синхронізації) для передачі даних та аналогічну групу виводів для прийому даних. Функції прийому та передачі настроюються незалежно. Кожен послідовний порт є повністю дуплексним пристроєм, здатним виконувати одночасну передачу/прийом даних. Швидкість передачі, частота кадрової синхронізації та розрядність слова послідовних портів може програмно задаватися за допомогою запису в керуючі регістри. Послідовні порти використовують імпульси кадрової синхронізації для виділення початку кожного слова або пакета слів і сигнали тактової синхронізації для виділення початку кожного біта. Можлива зовнішня генерація сигналів кадрової та тактової синхронізації.

Використання різних опцій тактової та кадрової синхронізації дозволяє послідовним портам підтримувати велику кількість протоколів послідовної передачі даних і забезпечувати зв'язок з багатьма перетворювачами даних і кодеками промислового стандарту без застосування додаткових компонентів

Спрощена схема синхронного послідовного порту наведена на рис. 3.4. До складу послідовного порту входить паралельний порт, що дозволяє підключитися до системної шини мікропроцесора. Для перетворення паралельного коду, що надходить із системної шини, в послідовний використовується регистр зсуву. При звертанні центрального процесора до послідовного порту виробляється сигнал запису в послідовний порт, що подається на вхід паралельного запису V універсального регістра. Цей же сигнал використовується як сигнал кадрової синхронізації FS. Сигнал тактової синхронізації CLK, який формує окремий генератор, подається на вхід послідовного зсуву C універсального регістра порту.

Кількість переданих в одному кадрі біт може мінятися від 8 до 32. Як приклад використання синхронного послідовного порту на рис. 3.5 наведена схема підключення аналого-цифрового перетворювача AD7890 фірми Analog Devices до синхронного послідовного порту ADSP-2101 сигнального процесора тієї ж фірми. У схемі синхронного послідовного порту, яка розглянута вище, на прийомному кінці необхідно підраховувати кількість тактових імпульсів, що пройшли після імпульсу кадрової синхронізації. Крім того, у такому синхронному послідовному порті інформація передається безупинно, що, звичайно, зручно для пристроїв з безперервним потоком інформації, як, наприклад, у мовних кодеках. Але існують пристрої, до яких необхідно звертатися тільки періодично, як, наприклад, синтезатори частоти, мікросхеми приймачів, блоки кольоровості телевізорів, мікросхеми пам'яті даних і багато інших пристроїв. У цих випадках використовуються інші види синхронних послідовних портів такі як SPI порт й I2C шина. Часова діаграма SPI інтерфейсу наведена на рис. 3.6.

Рис. 3.4. Спрощена схема синхронного послідовного порту

Рис. 3.5. Схема підключення кодека AD7890 до синхронного послідовного порту ADSP-2101

Основна відмінність цього інтерфейсу від наведеного вище полягає в тому, що сигнал тактової синхронізації SCLOCK передається тільки в момент дії імпульсу кадрової синхронізації SS. Активний рівень сигналу кадрової синхронізації триває до закінчення передачі останнього біта в переданому кадрі. Тими самими лініями передачі даних MISO (вхід для головного, вихід для підлеглого) і MOSI (вихід для головного, вхід для підлеглого) може передаватися інформація до різних мікросхем. Вибір мікросхеми, для якої призначена інформація, відбувається сигналом SS (вибір підлеглого). В SPI інтерфейсі в приймачі не потрібен лічильник тактових імпульсів. Запис прийнятої інформації відбувається по закінченню кадрового імпульсу.

Рис. 3.6. Часова діаграма SPI інтерфейсу

Якщо в пристрої використовується кілька мікросхем, тоді кількість ліній вибору підлеглого стає значною і в таких випадках використовується ще один вид синхронного послідовного інтерфейсу: I2C шина. Часова діаграма цього інтерфейсу наведена на рис. 3.7. В I2C шині прийом і передача даних, а також передача адреси мікросхеми та адреси регістра всередині мікросхеми, до якого здійснюється звертання, відбувається тим самим проводом. Для підключення до цього проводу використовуються мікросхеми з відкритим колектором. Навантаженням для всіх мікросхем, що підключені до лінії SDA, служить зовнішній резистор. Природно, що швидкість передачі даних по такому порту буде нижче, у порівнянні з SPI портом. Тактова синхронізація в I2C шині передається лінією SCL. Початок роботи з мікросхемою позначається особливою комбінацією сигналів SDA й SCL, що називається умовою старту. Ця ж комбінація одночасно здійснює кадрову синхронізацію. Завершення роботи з мікросхемою позначається ще однією комбінацією сигналів SDA й SCL. Як приклад мікросхем, що використовують інтерфейс I2C, можна назвати мікросхеми EEPROM серії 24сXX.

Рис. 3.7. Часова діаграма I2C інтерфейсу

Асинхронні послідовні порти. Розглянуті синхронні послідовні порти дозволяють досягти великих швидкостей передачі даних, але лінія зв’язку, якою відбувається передача синхросигналу, практично не несе інформації. Такий сигнал можна було б сформувати й на прийомному кінці лінії передачі, якщо заздалегідь домовитися щодо швидкості передачі. Єдина проблема полягає в тому, що неможливо побудувати два абсолютно однакових генератори. Генератори необхідно синхронізувати. Для синхронізації внутрішніх генераторів використовується особлива умова початку асинхронної передачі: старт. Весь час, поки не ведеться передача інформації, на лінії присутній стоп-сигнал одиничного рівня. Перед початком передачі кожного байта передається стартовий біт, що сигналізує приймачу про початок передачі даних. За стартовим бітом ідуть інформаційні біти. Стартовий біт завжди передається нульовим рівнем із тривалістю, яка дорівнює тривалості інформаційних біт. У деяких випадках після передачі інформаційних бітів може передаватися біт паритету (парності). Завершується передача даних стоп-сигналом. Мінімальна тривалість стопового сигналу повинна дорівнювати 1,5 тривалості інформаційних біт, але звичайно використовують паузу між сусідніми пакетами даних, яка дорівнює двом тривалостям інформаційного біта. Часова діаграма переданих сигналів при асинхронній передачі наведена на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Часова діаграма переданих сигналів при асинхронній передачі

Тривалість стопового біта не обмежена. Це дозволяє регулювати швидкість передачі залежно від швидкості надходження інформації.

Програмне забезпечення Unet. Програмне забезпечення Unet призначене для виконання наступних операцій:

· введення та візуалізації в реальному часі інформації про пацієнта, що надходить від електрокардіографа «UCARD-200» (рис. 3.9);

· запису обраної користувачем інформації в базу даних (БД);

· збереження даних про пацієнта;

· ведення БД;

· формування попереднього діагнозу за результатами обробки інформації, що надійшла від кардіографа;

· документування результатів спостереження за пацієнтом.

Рис. 3.9. Програмне забезпечення Unet

3.2. Реанімаційно-хірургічний монітор «UM-300»

Призначення приладу. Монітор реанімаційно-хірургічний UM-300 (рис. 3.10) призначений для неперервного спостереження життєво важливих функцій пацієнта, відображення їх на дисплеї, зберігання накопичених даних в енергонезалежній пам'яті приладу, обробки показників моніторингу з одержанням діагностичних даних, виводу необхідних даних на друк, сигналізації про відхилення контрольованих параметрів від заданих.

Основні можливості реанімаційно-хірургічного монітору UM-300:

‒ моніторинг частоти серцевих скорочень (ЧСС);

‒ реєстрація електрокардіограми (ЕКГ);

‒ реєстрація та автоматичний запис аритмій;

‒ моніторинг зсуву ST -сегмента;

‒ моніторинг частоти дихання (ЧД);

‒ моніторинг ступеня насичення киснем гемоглобіну артеріальної крові (SpO₂), частоти пульсу (ЧП) і фотоплетизмограми;

‒ моніторинг систолічного, діастолічного та середнього артеріального тиску крові, що вимірюється неінвазивним (осцилометричним) методом (неінвазивне вимірювання артеріального тиску ‒ НВАТ);

‒ моніторинг температури тіла (Т);

‒ моніторинг тиску крові, що вимірюється інвазивним методом (ІТ);

‒ моніторинг змісту двоокису вуглецю у повітрі, що вдихається та видихається пацієнтом;

‒ моніторинг концентрації закису азоту (N₂O), двоокису вуглецю (O₂), кисню (CO₂), парів інгаляційних анастетиків у повітрі, що вдихається та видихається пацієнтом;

‒ вимірювання основних показників центральної гемодинаміки: серцевого викиду (СВ), ударного викиду (УВ), серцевого індексу (СІ), ударного індексу (УІ);

‒ аналіз варіабельності ритму серця;

‒ обчислення дози та швидкості введення медикаментів;

‒ ведення картки пацієнта;

‒ візуалізація цифрової та графічної інформації про стан пацієнта на екрані кольорового TFT дисплея, а також друк її на паперовому носії за допомогою вбудованого термопринтера;

‒ збереження відрізків отриманих даних у графічному та цифровому вигляді в енергонезалежній пам'яті монітора автоматично або вручну;

‒ збереження трендів по всіх контрольованих параметрах в енергонезалежній пам'яті монітора;

‒ тривожна сигналізація (візуальна та звукова) про стан пацієнта та приладу.

Монітор UM-300 може використовуватися для спостереження стану пацієнтів як самостійно, так і у складі центральної станції цілодобового моніторингу в лікувальних та лікувально-профілактичних установах, у тому числі під час транспортування пацієнтів.

Рис. 3.10. Реанімаційно-хірургічний монітор UM-300

Основні частини та елементи керування:

1. індикатор живлення від мережі

2. індикатор живлення від акумулятора

3. кнопка «» (вмикання/вимикання)

4. кнопка «»

5. кнопка «»

6. кнопка «ПЕЧАТЬ»

7. кнопка «ТРЕВОГА вкл/выкл»

8. кнопка «ЗАПИСЬ»

9. кнопка «ОСТАНОВ»

10. кнопка «ТРЕНД»

11. кнопка «НИАД старт/стоп»

12. кнопка «»

13. кнопка «ОСНОВНОЙ ЭКРАН»

14. кнопка-маніпулятор

15. панель роз'ємів

16. термопринтер

Структурно-функціональна схема приладу (рис. 3.11). Реанімаційно-хірургічний монітор UM-300 складається з наступних функціональних блоків:

· системна цифрова частина на базі процесора ЦОС;

· сигнальний процесор ЦОС;

· аналогова частина каналу ЕКГ;

· аналогова частина каналу виділення патерну дихання;

· аналогова частина каналу температури (1 або 2);

· аналогова частина каналу SpO_2;

· аналогова частина каналу НВАТ;

· аналогова частина каналу інвазивного тиску (1 або 2);

· дисплей TFT;

· клавіатура;

· термопринтер;

· блок живлення.

Сигнал з датчиків надходить на аналогову обробку кожного каналу, в результаті якої формується сигнал, узгоджений із вхідним діапазоном АЦП. Аналоговий мультиплексор призначений для реалізації послідовного опитування всіх каналів.

Передача даних з АЦП та передача керуючих сигналів між аналоговою частиною кожного з каналів і сигнальним процесором здійснюється в цифровому вигляді по інтерфейсу SPORT.

Сигнальний процесор ЦОС виконує функції попередньої обробки сигналів кожного каналу. Системні функції (організація інтерфейсу користувача, виведення на друк, зберігання записів і т.д.) і аналіз сигналів виконуються на основі системного процесора ЦОС. Для зберігання ПЗ UM-300 і даних (у тому числі й записів, трендів), використовується енергонезалежна флеш-пам'ять ATMEL DataFlash з послідовним інтерфейсом. Пам'ять процесора ЦОС розширена SRAM (Static Random Access Memory) обсягом 1 МБайт. Для сполучення процесора ЦОС з периферією застосовується ПЛІС.

Рис. 3.11. Структурно-функціональна схема

реанімаційно-хірургічного монітора UM-300

Взаємодія UM-300 з іншими пристроями здійснюється за допомогою одного з інтерфейсів RS-232C, USB, Ethernet або Wi-Fi, драйвери та контролери яких розташовані на центральній платі.