Принципы построения аппаратуры для регистрации ЭКГ.

            Электрокардиограф – прибор регистрирующий на бумаге изменение разности потенциалов между точками в электрическом поле сердца (на поверхности тела) во время его возбуждения. Приведем наиболее важные характеристики, диктуемые требованиями ГОСТ и международных стандартов к ПРИБОРАМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ СЕРДЦА.
ГОСТ 19687—89 определяет основные характеристики приборов типа электрокардиографы и электрокардиоскопы следующим образом.
…Основные параметры приборов должны соответствовать приведенным в таблице.
Таблица 1

Выработанные за время развития электрокардиографии стандарты на технические характеристики приборов вполне обоснованы, объяснимы и в совокупности определяют структурный состав и схемотехническое решение основных блоков и узлов электрокардиографов.
Современные электрокардиографы должны осуществлять как одноканальную, так и многоканальную запись ЭКГ.
В случае многоканальной записи синхронно ( изохронно ) регистрируется несколько различных ЭКГ отведений, что значительно сокращает время исследования и дает возможность получить более точную информацию об электрическом поле сердца.
Электрокардиограф состоит из входного устройства (электроды, кабель отведений), усилителей биопотенциалов и регистрирующего устройства.
Разность потенциалов с поверхности тела снимается посредством металлических электродов, укрепленных на различных участках тела резиновыми ремнями или грушами.
Малое напряжение ( не более 10 мВ ), воспринимаемое электродами, подается на систему биоусилителей. В результате усиления небольшие колебания напряжения усиливаются во много раз и подаются в регистрирующее устройство прибора.
Электрокардиограмму регистрируют на бумаге чернильным или тепловым способом.
В настоящее время электрокардиограф условно можно разделить на следующие блоки:
- Входной узел;
- Преобразовательный узел;
- Обрабатывающий узел с устройством управления (клавиатура);
- Узел отображения (Индикация);
- Узел регистратора (пишущий узел);
- Узел связи с внешней средой;

 Входная часть состоит из
-Входного кабеля (кабеля пациента) с определенным количеством электродов. Количество электродов варьируется  в зависимости от методики взятия отведений. Для общепринятых стандартных отведений необходимо 10 проводов с электродами. Для методики исследования "по  Франку" 7-мь электродов и т.д.;
- Блок входных усилителей;
- Системы защиты входов усилителей от кратковременных, но мощных перегрузок, - от воздействия диффибрилятора, (возможно от действия электроножа) и т.п.
Поскольку практически все современные электрокардиографические приборы являются цифровыми устройствами (имеют в своем составе микроконтроллер), то имеется узел преобразования аналоговых сигналов в цифровые, определенной разрядности АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
Наличие цифровой части прибора обосновано многими факторами это и удобство последующей обработки информации, и регулируемая точность представления, и гибкость изменения алгоритмов обработки и прочее.
Узел индикации должен показывать оператору режимы работы, в которых находиться прибор. Обычно индикация функционально совмещена с клавиатурой (панелью управления) для изменения режимов работы прибора.
В конечном итоге прибор (электрокардиограф) должен отобразить электрокардиограмму, вполне определенный график изменения ЭДС сердца на твердом носителе позволяющим длительное хранение. И по сей день этим носителем является бумага.
Узел регистратора и в настоящее время является достаточно проблемным устройством. На заре развития электрокардиографии применялись сложные электромеханические устройства.
Обязателен лентопротяжный механизм для подачи бумаги свернутой в рулон на пишущее устройство с достаточно точно выверенной скоростью. В качестве пишущей детали использовалось тонкое перо с капиллярным каналом для подачи чернил.
Отклонение пера обеспечивалось гальваническим методом посредством высокопрецизионной системы. (Рамка с током в магнитном поле). Таким образом, требования к пишущей системе настолько высоки, что до сих пор этот блок остается весьма дорогим устройством. ( Примерно 10% стоимости прибора).
При разработке пишущего узла приходится решать множество проблем связанных именно с высокими требованиями точности регистрации. Скорость подачи носителя ( бумаги ) определена медицинскими требованиями и ГОСТом. Отклонения (смотри табл. 4.1) не должны превышать 5%. Необходима система регулирования скорости. И в настоящее время во многих разработках продолжает применяться гальваническая система управления пером и само перо.
Как известно любая электромеханическая система, имеющая множество движущихся деталей ненадежна. И в основном надежность и долговечность всего прибора определяется именно этим сложным узлом. На сегодня методы записи электрокардиограммы определяются практически всего 2-мя конструктивными решениями.
И в настоящее время используется перьевой метод записи.
Запись осуществляется на специальной термобумаге термопером.
Подобный принцип записи характерен основном для приборов, записывающих
1-н канал (отведение),- одноканальных приборов.
Для многоканальных (регистрирующих параллельно несколько каналов) сейчас используется принцип терморегистрации посредством так называемых термоголовок.
Термоголовка представляет собой высокопрецизионное устройство созданное посредством микротехнологий и является набором плотноупакованных терморезисторов нанесенных на керамическое или ситалловое основание в виде линейки.
Плотность размещения терморезисторов очень высока и достигает 32 точек/мм.
Промышленность выпускает термоголовки шириной от 40 мм до 300 мм. Для электрокардиографических задач регистрации на настоящее время определена минимальная допустимая плотность точек как 6-8 точек/мм.  И таким образом можно подсчитать, что количество терморезисторов даже в самой узкой головке измеряется сотнями штук. Запись посредством термоголовки осуществляется так же на специальной термочувствительной бумаге. Бумага должна быть прижата по всей длине термолинии к поверхности термоголовки.
На момент касания  терморезисторы в местах, где необходимо отобразить точку нагреваются, и на бумаге остается след. Терморезисторам необходимо остыть до определенного уровня.
Далее бумага продвигается с заданной скоростью и цикл регистрации повторяется. Подобный принцип регистрации удобен тем, что позволяет отображать и графики и текст с минимумом движущихся частей. Варьируя интенсивность нагрева возможна и многотоновая регистрация (Оттенки серого).
Подобные принципы регистрации используются, например в факсографических аппаратах.

Схематичное изображение устройства термопечатающей головки (ТПГ).
Изображена ТПГ имеющая 128 терморезисторов. Ширина линии записи 40 мм.
Сигналы поименованы условно. Названия сигналов соответствует общепринятым
по многим источникам.

ЭКГ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ.

Электрокардиография — наиболее широко применяемая и изученная область анализа биопотенциалов. Однако серийно выпускаемые приборы с относительно низким отношением сигнал/шум не позволяют использовать всю информацию ЭКС, которую можно получить при технически достижимых в настоящее время возможностях электрокардиографов.
Среди методов повышения диагностической информативности электрокардиографии дополнительно усиленная (крупномасштабная) ЭКГ (КМ ЭКГ) заняла прочное место в деятельности научно-исследовательских учреждений и позволила получить важную для диагностики информацию о больных.
Усиленная ( крупномасштабная ) электрокардиография требует регистрации ЭКГ сигналов с чувствительностью 50-100  мм/мВ. Ясно, что требования к подобного рода аппаратам должны быть иными, чем к типичным электрокардиографам. Такое усиление требуется для выявления низкоамплитудных элементов ЭКГ. Этим можно получить дополнительную информацию об электрической активности миокарда и выработать новые диагностические критерии, способствующие более точной интерпретации изменений ЭКГ.
В клинической электрокардиографии стала классической запись кривых при чувствительности электрокардиографа 10мм/мВ. Выбор такого усиления не обусловлен какими-либо специальными техническими или медицинскими требованиями. Однако при подобной чувствительности некоторые элементы ЭКГ остаются невыраженными, что приводит к определенным трудностям при их оценке. В серийных приборах максимальная чувствительность ограничена требованиями 20 мм/1мВ.
Если рассматривать ЭКГ как стационарный сигнал, то для получения КМ ЭКГ можно было бы использовать и метод так называемого когерентного накопления, основанный на том, что аналоговый ЭКС аналого-цифровым преобразователем превращается в цифровой. При этом случайные помехи при усреднении сигнала погашаются, а полезный сигнал, если исходить из предположения, что он имеет одинаковую величину и время возникновения (т. е. считать, что каждый зубец комплекса QRST одинаков), усиливается по мере увеличения числа обработанных комплексов. Подобный подход подкупает предполагаемой возможностью избавления от помех, сколь угодно большого, усиления полезного сигнала и возможностью автоматического вычисления различных ЭКГ - признаков. Поэтому он использовался в системах автоматического анализа ЭКГ и даже с целью выявления потенциалов предсердно-желудочкового пучка (пучок Гиса)
Для приборов подобного высокого класса требования к характеристикам подобного рода электрокардиографам таковы:
-подавление синфазных помех канала — от 80 до 120 дБ;
- уровень собственных шумов — от 10 до 1 мкВ pick tu pick;
-частотные характеристики усилителя соответствуют требованиям;
полоса пропускания частот может регулироваться, в том числе расширяться в сторону снижения частот до 0 (с ручной компенсацией разностной инфранизкочастотной помехи) и в сторону верхних частот до 2000 Гц;
-максимальная чувствительность — 100 мм/мВ,
минимальная — 10 мм/мВ.
- Погрешность измерения амплитуды сигнала  не более 10 — 50 мкВ.;
- Ошибки измерения интервалов времени, скорости движения носителя, эффективная ширина записи определяются характеристикой регистратора и могут быть не хуже, чем требуется по стандартам для кардиографов 1-го класса точности.

Некоторые теоретические соображения применяемые при выборе оптимальной схемы реализации каналов ЭКГ.

      Для  регистрации  ЭКС  идеальным  является такой усилительный канал, который обладает бесконечно большим полным входным сопротивлением, позволяет сколь угодно точно получать сигналы заданных ЭКГ - отведений по отводимым с помощью электродов потенциалам, полностью подавляет помехи от силовой сети, не чувствителен к потенциалам поляризации электродов и разностным помехам, лежащим вне полосы полезного сигнала, не имеет собственных шумов, не выходит из строя при воздействии на него значительных кратковременных перегрузок, а также не вносит частотных и нелинейных искажений в полосе частот и динамическом диапазоне полезного сигнала.
Под помехами понимают сравнимые с величиной полезного сигнала напряжения, присутствующие в потенциалах, отводимых с помощью электродов.
Помехи, возникающие при усилении биопотенциалов, по взаимодействию с входным полезным сигналом (в данном случае ЭКС) можно разделить на аддитивные и мультипликативные.
Аддитивные помехи складываются с полезным сигналом. Они вносят наибольшую погрешность при регистрации ЭКС. В свою очередь, аддитивные помехи можно подразделить на  разностные и синфазные.

Разностными называют помехи, мгновенные значения которых на активных входах усилителя биопотенциалов равны по величине и противоположны по знаку. К их числу относятся составляющие за счёт биоэлектрической активности соседних органов, неравенства поляризационных потенциалов электродов, напряжение кожно-гальванического рефлекса (КГР). Кроме того, разностную помеху могут создавать магнитные поля, пронизывающие контур, образованный проводами, соединяющими электроды с усилителем биопотенциалов.
Синфазными, или помехами среднего уровня, называются помехи, мгновенные значения которых на активных входах усилителя биопотенциалов совпадают.
В частности, для синусоидального сигнала это означает совпадение амплитуд и фаз колебаний. Наличие ёмкости между проводами силовой или осветительной сети и пациентом приводит к тому, что на поверхности тела относительно земли присутствует напряжение помехи частотой 50 Гц, амплитуду и фазу которого вследствие относительно хорошей проводимости тканей организма можно считать практически одинаковыми во всех точках тела.

Инфранизкочастотные синфазные помехи создаются средним уровнем поляризационных потенциалов электродов, а среднечастотные и высокочастотные - средним уровнем биоэлектрической активности соседних органов и КГР. Однако эти составляющие синфазных помех оказывают незначительное влияние на точность регистрации.
Мультипликативные помехи изменяют параметр одного из элементов контура передачи сигнала, например сопротивление между электродом и кожей в результате высыхания прокладок, меняют коэффициент передачи полезного сигнала помехой.

Также существуют помехи, носящие случайный характер, но которые вносят существенное влияние на точность регистрации ЭКС. Например, помеха, возникающая в результате "шевеления" пациента
во время снятия электрических потенциалов сердца.

Наибольший интерес представляет сетевая помеховая составляющая, и способы уменьшения её влияния на ЭКС.
Исторически первым приемом уменьшения помехи является применение "Рабочего заземления".
В целом при использовании рабочего заземления величина синфазной помехи обычно имеет значение порядка десятков мВ. С таким уровнем помехи каждый усилитель биосигналов  должен нормально работать без зашумления полезного сигнала (т.е. усилитель должен подавлять этот уровень помехи. После подавления остаточная помеха допустима на уровне единиц мкВ, следовательно, коэффициент подавления должен быть не менее 10 000 раз, а без использования рабочего заземления - 1000,000 раз. Таков порядок эффекта уменьшения помехи рабочим заземлением). Применение рабочего заземления очень неудобно в портативных приборах, поэтому часто используют аккумуляторное питание, резко уменьшающее наводимые помехи.
Рассмотрим, каким образом можно достичь подавления сетевой помехи.

Традиционным методом борьбы с сетевыми наводками является использование свойства ее синфазности в теле человека. За счет синфазности появляется возможность уничтожения помехи вычитанием сигнала одного электрода из всех остальных.  При этом не происходит потери информации, т.к. если одновременно потенциал всех электродов увеличим или уменьшим, распределение потенциалов по электродам не изменится. После вычитания потенциал вычитающего электрода считаем нулевым. Безразлично, какой электрод мы принимаем за вычитающий (референтный). Качество вычитания измеряют коэффициентом подавления синфазной помехи (СФП). Коэффициент подавления СФП измеряется в разах (или Дб), и определяется как отношение поданного на вход испытательного синфазного сигнала к наблюдаемому остатку от него. Значение остатка пересчитывается ко входу усилителя.
Подавление СФП требует прецизионных операционных усилителей (ОУ) и точной установки их усилений. (Для достижения качества вычитания 120 дБ неодинаковость усиления по каналам должна быть менее 10-6.  Такое почти не реально. Поэтому приходится использовать дополнительные пути и от вычитания на ОУ требовать только 60-70дБ подавления (1000 - 3000 раз). Это достигается при точности номиналов используемых резисторов 0.1%. (Последнее время появились схемные решения, позволяющие снизить требования к точности резисторов до 0.5-1%).
Вторым способом борьбы с синфазной помехой является использование рабочего заземления. При этом при введении рабочего заземления увеличивается емкость тело- земля от значения 200 пФ до величины емкости электрод/кожа, т.е. до 47 нФ,  или более чем в 200 раз. Соответственно величина СФП падает в 200 раз, но все еще остается очень большой (около 10мВ). Этот остаток должен подавляться вычитанием.

Третьим путем уменьшения наводок является уменьшение Z кожи в цепи электрода N. Если Rкожи =0 то помеха отсутствует. Поэтому принимаются все меры уменьшения Rкожи, (от хорошей обработки кожного покрова под электродом, применения электродных паст до специальных схем).
Четвертым методом является выделение изолированной рабочей части. (Рабочая часть - все узлы и элементы, имеющие электрическое соединение с электродами, накладываемыми на пациента). Рабочая часть УБС отделена  от остальной схемы дополнительной изоляцией, например  вводят второй изолирующий трансформатор между входными ОУ и основной частью, содержащей источники питания, пульты управления и регистратор. Емкостная связь между этими частями делается минимальной (лучше всего применять радиоканал и аккумуляторное питание). В этом случае изолированная рабочая часть становится эквипотенциальной с телом пациента и токи в цепи электрода N не протекают (а следовательно и не выделяется синфазная помеха). Степень эквипотенциальности определяется  величиной остаточной емкости между основной и рабочей частью. Она сравнивается с величиной емкости 47 нФ эквивалента кожи и емкости 200пФ пациент - земля. Если эта емкость  не более 2 пФ, то ослабление СФП за счет введения изолированной рабочей части достигает 40 дБ. Остальные 60-80 дБ обычно обеспечиваются вычитанием во входных каскадах ОУ.
Пятым, наиболее перспективным способом подавления сетевой помехи является использование режекторных фильтров, вырезающих некоторую область частотного спектра, настроенных на частоту силовой сети.

Рисунок  9  

На рисунке 9   изображена АЧХ тракта кардиоканала сформированная согласно современным представлениям о точности и достаточности передачи ЭКС с минимальными потерями.
Согласно требований сформулированных ГОСТом и другими нормирующими документами проводится расчет всех параметров канала  и всего тракта от "входа" до регистратора.
Блок входных усилителей, для реализации кардиоканалов в настоящее время по "классической" схеме является как минимум 2-х каскадным.

Рисунок 10.    Вариант реализации входных каскадов биоусилителей для вычисления электрокардиографических  отведений

Пример реализации первых каскадов изображен на рис. 10.
В приведенной схеме вычисление отведений реализовано аналоговыми методами для организации совокупности 12-ти общепринятых стандартных отведений.
В схеме предусмотрено формирование "объединенной точки  Вильсона " и формирование индиферентного электрода N. для улучшения подавления синфазной помехи.
Для представления ЭКС с минимальными потерями  неравномерность АЧХ  не должна  превышать 1 дБ(10%)  в диапазоне  от 0 Гц (постоянный ток) до 100 Гц.
В случае постоянного тока ( 0 Гц ) это приводит к тому, что система усиления становится неустойчивой. Постоянная времени (?) системы стремится к бесконечности. Время успокоение системы после случайного воздействия крайне велико.
Tусп.> = 3*?.
Поэтому требование по неравномерности АЧХ на сверхнизкой частоте сформулировано как требование к постоянной времени (?) канала которое не должно быть менее 3.2 сек. Для реализации этого требования между 1-м и последующими каскадами канала ЭКГ организуется фильтр высокой частоты ( обычная RC - цепочка ).
В этом случае время успокоения системы  остается достаточно большим и составляет не менее 10 сек. Обязательным условием реализации каскадов является наличие цепей успокоителя системы, задачей которого является кратковременное внесение в систему свойств "обнуления" ?
Количество каскадов в аналоговом тракте и разрядность АЦП которые в современных электрокардиографах обязательно присутствуют, выбирается из нижеследующих соображений.

Выбор параметров цифровой части канала ЭКГ.
Параметры системы дискретизации связаны между собой следующим образом:
М= Dr /(6*1og2(fs / fa) )
где       М - порядок фильтра (крутизна определяется, как 6М дБ/октава),
Dr - динамический диапазон системы (дБ),
fs - частота дискретизации (Гц),
fa - ширина полосы частот входного сигнала (Гц).
С другой стороны, динамический диапазон идеального АЦП с разрядностью N бит определяется как     Dr = (6.02N + 1.76)  дБ
Пользуясь этими двумя соотношениями, нетрудно определить минимально допустимую частоту дискретизации для конкретного случая.
Таким образом, если выбирать разрядность АЦП N = 12, и при условии полосы сигнала Fa =100 Гц то для частоты квантования Fs=500 Гц необходима реализация фильтра ВЧ 5-го порядка.
Поскольку порядок фильтра и определяется числом каскадов в тракте желательно, до АЦП преобразования сигнала в тракте организовать 3- 5 каскадов.
Частоту квантования выбирают обычно кратную частоте сетевого питания. Такой выбор обеспечивает далее, при обработке сигналов проще реализовывать цифровые фильтры для различных целей (например, фильтр для подавления сетевой помехи).
Во входной части современных электрокардиографах обязательно должны быть  еще несколько подсистем, наличие которых существенно увеличивают удобство работы с прибором и  безопасность прибора.
Следует отметить обязательную необходимость цепи защиты от воздействия импульсов дифибриллятора. Желательную необходимость цепей отслеживающих факт качественного наложения электродов.
( В настоящее время создается новый стандарт и в нем требование к системе слежения за «отвалом электрода» становится обязательным к выполнению.)
В настоящее время, для ряда специализированных приборов возникают требования по защите от воздействия «электроножа».