СОДЕРЖАНИЕ:
TOC o«1-3» КЛАССИФИКАЦИЯ КАРДИОМОНИТОРОВ PAGEREF _Toc418004472h 2
ОБОБЩЕННЫЕ СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ КАРДИОМОНИТОРОВ PAGEREF _Toc418004473h 6
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СОСТАВ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ PAGEREF _Toc418004474h 11
УСТРОЙСТВА СЪЕМА ЭКС В КАРДИОМОНИТОРАХ PAGEREF _Toc418004475h 12
УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА PAGEREF _Toc418004476h 14
ОСОБЕННОСТИ ИСТОЧНИКА ВОЗБУЖДЕНИЯ. PAGEREF _Toc418004477h 14
УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ PAGEREF _Toc418004478h 19
ОСНОВНЫЕ МЕДИЦИНСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КАРДИОМОНИТОРАМ PAGEREF _Toc418004479h 21
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КАРДИОМОНИТОРОВ PAGEREF _Toc418004480h 25
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: PAGEREF _Toc418004481h 28
КЛАССИФИКАЦИЯКАРДИОМОНИТОРОВ
Разнообразноеприменение КМ в медицинской практике привело к определенной специализацииприборов. Кардиомониторы можно разделить на виды и группы, отличающиеся друг отдруга контролируемыми параметрами, эксплуатационными свойствам методамиобработки и представления информации. Предлагаемая классификация является вкакой-то мере условной, но дает представление о сферах применения иособенностях КМ: амбулаторные (носимые), скорой помощи, клинические,тестирующие, реабилитационные, санаторно-курортные.
Амбулаторные КМ используются встационаре и после выписки из стационара для контроля таких изменений состояниясердечной деятельности за весь период суточной активности, которые не могутбыть выявлены во время непродолжительного ЭКГ-исследованияв покое. На основании полученных данных производится выбор и дозировкалекарственных препаратов и определение допустимых физических нагрузок. Малыегабаритные размеры, масса и автономное питание позволяют носить КМ на себе с укрепленнымиэлектродами 24 ч.
В кардиомониторе Холтера ведетсянепрерывная запись ЭКС на магнитную ленту с очень малой скоростью (1 мм/с). Дляэтого производится трансформация низкочастотного спектра ЭКС область частот,регистрируемых магнитным носителем. Обычно применяется широтно-импульсная иреже амплитудная или частотная модуляции ЭКС. Кассета с записью просматриваетсякардиологом при помощи специального устройства со скоростью, превышающейскорость записи в 60-120 раз. В дальнейшем метод Холтерабыл усовершенствован путем автоматического машинного скоростного анализа ЭКС.Обычно диагностируются основные типы аритмий и параметры смещения ST-сегмента.
Применение вамбулаторных КМ полупроводниковых запоминающих устройств и микропроцессоровпозволило провести автоматический анализ аритмий и смешения сегмента STнепосредственно в приборе с запоминанием патологических фрагментов ЭКС.Удобство КМ с полупроводниковой памятью заключается в том, что данные обработкиЭКС можно получить оперативно в любой момент времени, и запуск может бытьосуществлен самим больным при плохом самочувствии или во время сердечногоприступа.
Кардиомониторы скорой помощи предназначены дляконтроля состояния сердечной деятельности, восстановления утраченного илинарушенного ритма сердца на дому и в машине скорой помощи. Все КМ позволяютвести наблюдение ЭКГ, измерять частоту сердечных сокращений (ЧСС), проводитьдефибрилляцию или стимуляцию сердца. Кардиомониторы должны работать отаккумулятора машины, внутренней батареи и от сети. Масса КМ около 5-8 кг.
Клинические КМ предназначены длястационаров и могут в зависимости от назначения быть нескольких типов.
диастолическое кровяное давление; минутныйобъем сердца; периферический пульс; температуру тела; газовый состав и т. д.).Особенностью хирургических КМ является использование в основном прямых методовизмерения параметров.
эхокардиосигналу,обнаруживать нарушения ритмов и измерять силу маточных сокращений. Кардиомонитор для новорожденных (переношенных, недоношенныхи травмированных в родах) и детей до двухлетнего возраста, страдающихвоспалением легких, измеряет ЧСС, частоту дыхания и сигнализирует о нарушенияхритма сердца и остановках дыхания.
Тестирующие КМ предназначены дляфункциональной диагностики состояния сердечно-сосудистой системы здоровых ибольных людей. Они позволяют автоматизировать процесс ЭКГ-исследованийпод нагрузкой под нескольким отведениям и определятьгазовый состав выдыхаемого воздуха. Обычно КМ поставляются с велоэргометрамиили бегущей дорожкой для дозировки нагрузки.
Реабилитационные КМ необходимы дляконтроля сердечно-сосудистой системы в условиях возросших нагрузок и проверкиэффективности назначенных лекарственных препаратов. Для этой цели возможноприменение амбулаторных КМ, но более удобно, пользоваться мониторированиемпо радиоканалу или телефону. На больном укрепляется передатчик ЭКС сэлектродами, и ЭКС преобразуется в частотно-модулированный сигнал (для радиоканала)или в частотно-модулированный акустический сигнал (для передачи ЭКС потелефону). Анализ ЭКС ведется кардиологом или автоматически в центренаблюдения.
Санаторно-курортные КМ находятприменение в кардиологических санаторных для контроля лечения, особенно вбальнеологических условиях; при грязе — исветолечении, лечебных ваннах и других процедурах. Электроды ЭКГ могут бытьопущены в ванну и не крепиться на больном. Для дозировки нагрузки (терренкур)может быть использован КМ, который выдает сигнал тревоги при уходе ЧСС заустановленные пределы.
Из всехперечисленных типов КМ самое важное значение имеют клинические КМ для палатинтенсивного наблюдения. Кроме того, их устройство наиболее сложно и включает всебя элементы остальных типов КМ. Поэтому далее будут рассматриваться толькоклинические КМ для палат интенсивного наблюдения.
ОБОБЩЕННЫЕ СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ КАРДИОМОНИТОРОВ
Несмотря набольшое разнообразие КМ, все они могут бы описаны одной обобщенной структурнойсхемой (рис. 1). Электрокардиосигнал с электродовпоступает в блок усиления и преобразования, который усиливает его до уровня,необходимого для его обработки. Блок ограничивает спектр частот входногосигнала с целью повышения помехоустойчивости и надежного выделенияинформативных признаков ЭКС и производит его дискретизацию (аналого-цифровоепреобразование), если в дальнейшем предполагается цифровая обработка сигнала.При использовании беспроводного канала связи между больным и КМ электрокардиосигнал с электродов модулирует генераторпередатчика, размещенного на больном. Принимаемый сигнал с приемника поступаетв блок усиления и преобразования.
Запись ЭКГ
R
Блок
L Блок усиления и Блок формирования Блокотображения
преобразования обработки диагностических информации
N заключений
С1 С2
Блок
Передатчик Приемник формирования
сигналов тревоги
Рис. 1 Обобщенная структурная схема кардиомониторов
Усиленный ипреобразованный в цифровую форму ЭКС (если предусматривается цифровая обработкасигнала) поступает в блок обработки, где в соответствии с принятыми алгоритмами аналоговым илицифровым методами производится: обнаружение QRS-комплексов или R-зубцов,классификация QRS-комплексов на нормальные и патологические. Идентифицированныекомплексы QRS и значения интервалов RR поступают в блок формированиядиагностических заключений. На основании полученных данных по алгоритмамвыделения аритмий формируются соответствующие диагнозы.
Диагностическиезаключения сравниваются в блоке формирования сигналов тревоги с порогами,установленными для сигнализации. Электрокардиосигнал и диагностическиезаключения о характере аритмий индицируются в блоке отображения информации.
В зависимости оттехнического исполнения КМ могут быть инструментальными и вычислительными.
Отобра-
Запись ЭКГ Блок разверток жение
ЭКГ
R
ЧСС
L Пороговое Формирователь Измеритель
Усилитель устройство R-зубца ЧСС
N Измеритель-
ный прибор
Блок Установка Блок установки
фильтров порога пределов ЧСС и
сигнализации
Рис. 2 Структурная схема аналогового кардиомонитора
Инструментальные КМ исторически былипервыми. Они характеризуются полностью аппаратными средствами реализации,использующими аналоговые методы обработки ЭКС и отображения информации. Винструментальных КМ могут быть использованы цифровые средства отображения иизмерения параметров, основанные на «жесткой» логике, т. е. без возможностиизменения программ обработки, свойственной вычислительной технике на основеЭВМ. Упрощенная структурная схема инструментального КМ приведена на рис. 2
Винструментальных КМ применяются аналоговая обработка ЭКС, основанная наобнаружении R-зубцов методом частотной и амплитудно-временной селекции. Этотметод обладает высокой помехоустойчивостью, но вносит в ЭКС значительныеискажения, что не позволяет достоверно дифференцировать нормальные ипатологические желудочковые комплексы. Поэтому КМ такого типа в основномпозволяют вести наблюдение ЭКГ по экрану ЭЛТ, измерять ЧСС и классифицироватьфоновые нарушения ритма по установленным порогам для ЧСС. Примером такого КМможет служить ритмокардиометр РКМ-01.
Рассмотренные КМне позволяют классифицировать аритмии по типу случайных событий, многие изкоторых можно обнаружить на основании автоматического анализа RR-интервалов.Применение цифровых схем на жесткой логике в блоке формирования диагностическихзаключений (см. рис. 1) позволило создать простой КМ — ритмокардиоанализаторРКА-01, который позволяет обнаруживать экстрасистолы и выпаденияQRS-комплексов.
В кардиосигнализаторе КС-02 экстрасистолы и выпадения…QRS-комплексов обнаруживаются путем преобразования интервалов в амплитудупилообразного напряжения и сравнения ее с пороговыми значениями.
ИнструментальныеКМ имеют ограниченные функциональные и технические возможности и на настоящемэтапе не удовлетворяют, медицинским задачам.
Вычислительные КМ позволяют решатьзначительный круг медицинских, технических и эксплуатационных задач при помощи,ЭВМ, т. е. программным способом, что позволяет расширять классы обнаруженияаритмий за счет усложнения алгоритмов. Функции вычислительной техники в КЧсводятся к цифровой обработке ЭКС, анализу данных обработки, отображениюрезультатов анализа и управлению прибором. В качестве ЭВМ используютсявстроенные аппаратные средства вычислительной техники: однокристальныеодноплатные микроЭВМ и микропроцессорные системы.
Наиболее простойпуть реализации вычислительных КМ — это применение в них одноплатныхфункционально законченных микроЭВМ. На рис. 3 приведена структурная схема КМ наоснове двух микроЭВМ.
Усиленный ЭКС дискретизируется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) ив цифровом виде поступает на вход микроЭВМ1. В этой микроЭВМ осуществляетсяоперация сжатия исходного описания. Оно уменьшает количество отсчетов в 10-15раз, что снижает требования к быстродействию аппаратных средств и позволяетсинтезировать простые структурные алгоритмы обнаружения QRS-комплекса,выделения его характерных точек. Сжатое описание ЭКС поступает в микроЭВМ2.МикроЭВМ2 выполняет все последующие процедуры анализа аритмий: измерениеRR-интервалов; изменение параметров QRS-комплексов; классификацию по их формена нормальные и патологические; обнаружение аритмий и возможных помех.
Программынаблюдения вводятся в микроЭВМ2 посредством клавиатуры КМ. Выходы МикроЭВМ2соединяются с блоком интерфейса, осуществляющего связь с центральным постом(ЦП), и блоком формирования результатов анализа. В удобной для врача формерезультаты анализа поступают на устройство отображения данных —электронно-лучевой дисплей телевизионного типа. При возникновении нарушенийритма, опасных для больного, включается сигнализация тревоги.
Применение двухмикроЭВМ в вычислительной части КМ продиктовано жестким режимом реальноговремени при достаточной сложности реализуемых программ и ограниченности объемапостоянного запоминающего устройства (ПЗУ), программируемого изготовителеммикроЭВМ по заказу пользователя. Более гибким решением является применениевычислителей на основе типовых комплексов интегральных микросхем.
Поле ввода программ
наблюдения
Описание Диагноз
R QRS
Микро Микро Блок
L Усилитель АЦП ЭВМ 1 ЭВМ 2 интерфейса КЦП
Диагноз
N Запись ЭКГ Блок
сигнализации
Блок формирования
результатов анализа Устройства
отображения
данных
Рис. 3 Структурная схема цифрового кардиомонитора
Такое выполнениевычислительной части КМ хотя и требует затрат на разработку, но не накладываеткаких-либо серьезных ограничений на характеристики КМ и АСОВК.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СОСТАВ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Электронныеустройства (ЭУ) кардиомониторов в самом общем случае представляют собойсовокупность аппаратных средств, предназначенных для преобразования, обработкии отображения информации. В нашем случае под информацией понимается электрокардиосигнал (ЭКС) и данные его обработки вкардиомониторах на всех этапах, а также управляющие и тестирующие сигналы. Основнойсостав ЭУ охватывает широкий арсенал аналоговых и цифровых полупроводниковыхсхем, обеспечивающих выполнение функций:
¨
¨
¨
¨
¨
¨
¨
¨
¨ самодиагностированиянеисправностей.
УСТРОЙСТВА СЪЕМА ЭКС В КАРДИОМОНИТОРАХ
Все устройствасъема медицинской информации подразделяют на 2 группы: электроды и датчики(преобразователи). Электроды используются для съема электрического сигнала,реально существующего в организме, а датчик — устройство съема, реагирующеесвоим чувствительным элементом на воздействие измеряемой величины, а такжеосуществляющее преобразование этого воздействия в форму, удобную дляпоследующей обработки. Электроды для съема биопотенциалов сердца принятоназывать электрокардиографическими (электроды ЭКГ). Они выполняют роль контактас поверхностью тела и таким образом замыкают электрическую цепь междугенератором биопотенциалов и устройством измерения.
Автоматическийанализ электрокардиосигналов в кардиомониторахпредъявляет жесткие требования к устройствам съема — электродам ЭКГ. Откачества электродов зависит достоверность результатов анализа, и следовательно,степень сложности средств, применяемых для обнаружения сигнала на фоне помех.Низкое качество съема ЭКС практически не может быть скомпенсировано никакимитехническими решениями.
Требования,применяемые к электродам ЭКГ, соответствуют основным требованиям к любымпреобразователям биоэлектрических сигналов:
¨
¨
¨
¨
¨
Как показалоприменение первых кардиомониторов, обычные пластинчатые электроды ЭКГ, широкоиспользуемые в ЭКГ, не удовлетворяют требованиям длительного непрерывногоконтроля ЭКС из-за большого уровня помех при съеме.
УСИЛИТЕЛИЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛАОСОБЕННОСТИИСТОЧНИКА ВОЗБУЖДЕНИЯ.
Источником возбуждения усилителя ЭКС (УсЭКС) является биологический объект — человек, которыйможет быть представлен эквивалентным уравнением электрическим генератором. А какизвестно, свойства любого электрического генератора определяются характеромизменения ЭДС во времени и внутренним сопротивлением.
Электрокардиосигнал является частью ЭДСсердца, измеряемой на поверхности тела при помощи электродов, расположенныхопределенным образом. Закон изменения ЭКС во времени может считатьсяквазипериодическим с периодом кардиокомплексов 0,1—3 с. Минимальное значениесоответствует фибрилляции желудочков, а максимальное — блокадам сердца. Формаэквивалентного кардиокомплекса близка к треугольной с амплитудой, лежащей вдиапазоне 0—5 мВ. Полоса принимаемых кардиокомплексомчастот охватывает диапазон от 0,05 до 800 Гц.
Междуэлектродное сопротивление, включающеесопротивления переходов кожа—электрод, соответствует внутреннему сопротивлениюисточника возбуждения УсЭКС и изменяется взначительных пределах. Для технических расчетов обычно принимают диапазон 5—100кОм.
Помимо перечисленных параметров припроектировании ЭКС необходимо учитывать ряд существенных особенностей источникавозбуждения.
1.
2. УсЭКСнапряжение смещения, достигающее ±300 мВ. Такое напряжение можетвызвать насыщение усилителя.
3.
4. УсЭКС синфазно и противофазно. Помехи могут бытьбиологического и физического происхождения. К биологическим помехам относятсябиопотенциалы других органов и мышц, а к физическим — наведенные на объектнапряжения от неэкранированных участков сетевой проводки, сетевых шнуров другихприборов и проводящих поверхностей (вторичное напряжение наводки). Особеннобольшой уровень имеют синфазные сигналы помех напряжения сети, попадающие наобъект через емкостную связь.
5. УсЭКС, артефакты импульсов кардиостимулятора искажают ЭКС ивызывают в ряде случаев ложно обнаружение кардиокомплекса, а импульсыдефибриллятора могут повредить входные цепи УсЭКС.
Основные параметры УсЭКСв значительной степени определяются свойствами входных каскадов —предусилителей. К ним предъявляются жесткие требования: высокое входноесопротивление, большой коэффициент ослабления синфазных сигналов, малый уровеньшумов, высокая стабильность коэффициента усиления, большой динамическийдиапазон или сравнительно низкий коэффициент усиления. Предусилители строятсяна основе ОУ или в комбинации ОУ с входными дифференциальными каскадами наполевых транзисторах.
Необходимость в улучшении методов усилениясигналов малого уровня на фоне синфазных помех в условиях возможного попаданияопасных токов на объект привело к широкому применению развязывающих усилителей(РУ) биопотенциалов. Хотя развязка может быть выполнена на выходе УсЭКС, предпочтительнее ее осуществлять в предусилителе,так как в этом случае изоляция обеспечивается конструктивно проще и уменьшаетсяпотребляемая мощность изолированного источника питания.
По своим характеристикам РУ близки к ОУ, нообладают дополнительными, присущими только им свойствами:
·
·
·
Обобщенная структурная схема всего УсЭКС с гальванической развязкой в предусилителе приведенана рис. 4. Предусилитель имеет небольшой коэффициент усиления, и основноеусиление ЭКС производится в усилителе напряжения (УН). Учитывая, что в выходнойчасти РУ возможна емкостная связь между каскадами, для предотвращения уходовизолинии при переключении отведений и скачках напряжения помех применяетсяручное или автоматическое успокоение. Схема автоматического успокоения (АУ)содержит компаратор и аналоговый ключ для перезаряда конденсатора связи. Свыхода УН сигнал поступает на активный фильтр нижних частот (ФНЧ) с изменяемой fв при большомуровне помех. К выходу ФНЧ может быть подключен регистратор ЭКГ.
Для автоматического анализа ЭКС важно, чтобысигал не выходил за динамический диапазон при уходах изолинии за допустимыйпредел. Поэтому с выхода ФНЧ ЭКС подается на стабилизатор изолинии, которыйпредставляет собой фильтр верхних частот (ФВЧ) с fн=0,5—2 Гц. Далеес помощью аналоговых коммутаторов (АК1 и АК2) возможныручная и автоматическая регулировка усиления и смещения изолинии (РРУ, РРС, АРУи АРС). При автоматической регулировке управление производится сигналамипроцессора. После блока регулировки ЭКС (БР ЭКС) сигнал устанавливается доуровня, необходимого для дальнейшей обработки.
УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Устройстваотображения медицинской информации в кардиомониторах должны отражать состояниесердечной деятельности по ЭКС, а также вспомогательные сведения о больном итехнические данные о работе кардиомонитора. Таким образом, отображенные данныевключают:
¨
¨ электрокардиосигнал(должен сопровождаться индикацией скорости движения изображения и калибровочнымимпульсом);
¨
¨
¨
¨
¨
¨
¨
Отображаемаяинформация может носить временный — оперативный — характер, когда предыдущаяинформация стирается при появлении новой, и характер накопления данных заопределенные интервалы времени. В последнем случае устройство отображениядолжно содержать или использовать внешнее устройство памяти для храненияданных.
ОСНОВНЫЕМЕДИЦИНСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КАРДИОМОНИТОРАМ
Длительный опыт разработки и внедрениякардиомониторов (КМ) в клиническую практику позволяет сформулировать рядмедицинских и эксплуатационных требований, которым должны удовлетворять КМ.Некоторые из них противоречивы, а выполнение других затруднено, ноперечисленные ниже требования позволят представить себе идеализированный КМ иоценить степень близости реальных КМ — идеальному.
1.
2.
3. аритмиям, не имеющим значения для данного больного илиприсутствующим у него постоянно. Это позволит уменьшить число ложных тревог иисключить лишнее эмоциональное напряжение дежурного персонала.
4. электрокардиосигнале(ЭКC) должен контролироваться и при превышении им допустимого пределаиндицироваться на передней панели КМ. Зашумленные участки ЭКС должныисключаться из анализа аритмий. К помехам следует отнести очень малый и оченьбольшой уровни входного сигнала, затрудняющие его о