Лабораторная работа Кардиомонитор
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-29Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
| |
1.
Цель работы: дать определение, что такое кардиомонитор и сформулировать его основное назначение, эксплуатационные требования, привести структурную схему, принцип работы и классификацию.
2.Определение и назначение кардиомонитора.
Кардиомонитор - комплекс приборов и аппаратов, обеспечивающих возможность продолжительного непрерывного наблюдения за сердечной деятельностью у больного, сигнализацию о нарушениях сердечного ритма, а также возможность электрической стимуляции сердца.
В процессе совершенствования электрокардиографии (ЭКГ) достаточно быстро выявились недостатки, характерные для нее, а именно: невозможность длительного непрерывного контроля за состоянием сердца из-за технических сложностей длительной записи электрической разности потенциалов, сложностей анализа длинных бумажных лент, трудностей с их хранением. Наблюдение за ЭКГ с помощью специального осциллографа - осциллоскопа позволяет получать сведения о сердечном ритме сколь угодно долго. Однако возможности визуального наблюдения ограничены из-за утомления, наступающего у обслуживающего персонала. Кроме того, в этом случае затруднено документирование информации, что в ряде случаев является необходимым.
Поэтому для повышения уровня автоматизации, улучшения технологии лечения больных, созданы электронные приборы, комплексы и системы для автоматизированного длительного непрерывного контроля за состоянием тяжелобольных - медицинские мониторы.
Применение кардиомониторов в несколько раз снижает риск внезапной смерти у больных с инфарктом миокарда, существенно улучшает качество диагностики и лечения кардиологических больных, облегчает медицинскому персоналу непрерывное наблюдение за их состоянием. Ведь около каждого больного невозможно поставить медработника с электрокардиографом или электрокардиоскопом.
Поэтому большим достижением в развитии кардиомониторов является разработка кардиоскопов с памятью, обеспечивающих негаснущее движущееся в реальном масштабе времени по экрану ЭЛТ изображения ЭКГ больного в критической ситуации.
Основная задача мониторинга - автоматическая диагностика аритмий. Но даже при врачебном анализе ЭКГ возможна ее различная интерпретация, связанная с терминологией, ограниченностью записи, помехами записи и умением отличать патологическую ЭКГ от нормальной.
Для повышения надежности автоматической диагностики аритмий имеет значение такая методика анализа электокардиосигналов (ЭКС), которая может обеспечить оптимальный по затратам и клинической ценности результат анализа. Тем более, что ЭКГ - диагностика не может быть окончательной без ознакомления с клинической картиной заболевания.
Поэтому выбирают параметры ЭКС, которые имеют максимальную надежность при измерениях в условиях помех различного вида и могут лечь в основу алгоритмического обеспечения КМ.
К таким параметрам можно отнести:
- текущее значение RR-интервала (Ri);
- среднее значение RRинтервала за определенное количество кардиоциклов (Rср);
- отношение текущих значений RR-интервалов (RR/RRi+1);
- частота сердечных сокращений за 15 с, 30 с, приведенная к 1 мин.;
- параметры формы QRS-комплекса: длительность, амплитуда, суммарная площадь всех зубцов.
3.Основные медицинские и эксплуатационные требования к кардиомониторам (КМ).
Для каждого типа КМ необходим оптимальный набор диагностических признаков. При избыточности диагностических признаков усложняются программные и аппаратные средства, что в некоторых случаях является причиной ошибочной диагностики.
Кардиомониторы должны с высокой надежностью обнаруживать особо опасные аритмии, при этом число ложных тревог должно сводиться к минимуму.
Сигнализация тревоги в КМ должна быть дифференцирована по степени опасности для больного и различаться характером звука и цветом табло.
Уровень помех в ЭКС должен контролироваться и при повышении им допустимого предела индицироваться на передней панели КМ. Зашумленные участки ЭКС должны исключаться из анализа аритмий.
В КМ должен быть детектор нарушений в системе отведений (отрыв электрода, увеличение переходного сопротивления кожа-элекрод).
Необходимо обеспечить правильную работу КМ во время электрической стимуляции сердца.
Кардиомонитор должен иметь выход текущего ЭКС - для записи на кардиографе ЭКГ и вывод записанных фрагментов ЭКС по сигналу тревоги, для анализа причин, вызывающих этот сигнал.
КМ должен работать в автоматизированной системе оперативного врачебного контроля путем передачи данных в центральный пост наблюдения.
В КМ должна быть автоматическая начальная установка усиления ЭКС, стабилизация изолинии, центровка ЭКС, что позволит начать работу с прибором сразу после включения.
Кардиомонитор должен иметь устройства документирования текущей и накопленной информации о сердечном ритме.
Должен быть самоконтроль КМ в момент включения и в процессе работы без перерыва в обработке ЭКС с сигнализацией о неисправностях.
В КМ должны быть автоматические методы поиска неисправностей при помощи встроенных программных и аппаратных средств.
Кардиомонитор должен иметь защиту от повреждения при воздействии на больного дефибриллирующим импульсом.
КМ должны быть выполнены по высшему классу защиты от поражения электрическим током больного и обслуживающего персонала (класс II, тип CF).
4. Классификация кардиомониторов.
Разнообразное применение КМ в медицинской практике привело к определенной специализации приборов. Кардиомониторы можно разделить на виды и группы, отличающиеся друг от друга контролируемыми параметрами, эксплуатационными свойствам, методами обработки и представления информации. Предлагаемая классификация является в какой-то мере условной, но дает представление о сферах применения и особенностях КМ: амбулаторные (носимые), скорой помощи, клинические, тестирующие, реабилитационные, санаторно-курортные.
Амбулаторные КМ используются в стационаре и после выписки из стационара для контроля таких изменений состояния сердечной деятельности за весь период суточной активности, которые не могут быть выявлены во время непродолжительного ЭКГ-исследования в покое. На основании полученных данных производится выбор и дозировка лекарственных препаратов и определение допустимых физических нагрузок. Малые габаритные размеры, масса и автономное питание позволяют носить КМ на себе с укрепленными электродами 24 ч.
В кардиомониторе Холтера ведется непрерывная запись ЭКС на магнитную ленту с очень малой скоростью (1 мм/с). Для этого производится трансформация низкочастотного спектра ЭКС область частот, регистрируемых магнитным носителем. Обычно применяется широтно-импульсная и реже амплитудная или частотная модуляции ЭКС. Кассета с записью просматривается кардиологом при помощи специального устройства со скоростью, превышающей скорость записи в 60-120 раз. В дальнейшем метод Холтера был усовершенствован путем автоматического машинного скоростного анализа ЭКС. Обычно диагностируются основные типы аритмий и параметры смещения ST-сегмента.
Применение в амбулаторных КМ полупроводниковых запоминающих устройств и микропроцессоров позволило провести автоматический анализ аритмий и смешения сегмента ST непосредственно в приборе с запоминанием патологических фрагментов ЭКС. Удобство КМ с полупроводниковой памятью заключается в том, что данные обработки ЭКС можно получить оперативно в любой момент времени, и запуск может быть осуществлен самим больным при плохом самочувствии или во время сердечного приступа.
Кардиомониторы скорой помощи предназначены для контроля состояния сердечной деятельности, восстановления утраченного или нарушенного ритма сердца на дому и в машине скорой помощи. Все КМ позволяют вести наблюдение ЭКГ, измерять частоту сердечных сокращений (ЧСС), проводить дефибрилляцию или стимуляцию сердца. Кардиомониторы должны работать от аккумулятора машины, внутренней батареи и от сети. Масса КМ около 5-8 кг.
Клинические КМ предназначены для стационаров и могут в зависимости от назначения быть нескольких типов.
Кардиологические КМ применяются в палатах интенсивного наблюдения за кардиологическими сольными в острый период заболевания. Основное назначение КМ — сигнализация о нарушениях ритма и проводимости сердца. Такие КМ обычно работают в автоматизированной системе оперативного врачебного контроля за несколькими больными.
Хирургические КМ применяются во время операций на сердце и сосудах и в послеоперационных палатах. В отличие от остальных типов КМ измеряют ряд дополнительных параметрон кровообращения и дыхания (систолическое, среднее и диастолическое кровяное давление; минутный объем сердца; периферический пульс; температуру тела; газовый состав и т. д.). Особенностью хирургических КМ является использование в основном прямых методов измерения параметров.
Акушерские КМ устанавливаются в родильных залах, предродовых палатах и в отделениях интенсивного ухода за новорожденными. Кардиомониторы применяются при патологиях сердечно-сосудистой системы рожениц и контроля за новорожденными. Кардиомониторы матери и плода позволяют измерять ЧСС матери и плода по прямому ЭКС и доплеровскому эхокардиосигналу, обнаруживать нарушения ритмов и измерять силу маточных сокращений. Кардиомонитор для новорожденных (переношенных, недоношенных и травмированных в родах) и детей до двухлетнего возраста, страдающих воспалением легких, измеряет ЧСС, частоту дыхания и сигнализирует о нарушениях ритма сердца и остановках дыхания.
Тестирующие КМ предназначены для функциональной диагностики состояния сердечно-сосудистой системы здоровых и больных людей. Они позволяют автоматизировать процесс ЭКГ-исследований под нагрузкой под нескольким отведениям и определять газовый состав выдыхаемого воздуха. Обычно КМ поставляются с велоэргометрами или бегущей дорожкой для дозировки нагрузки.
Реабилитационные КМ необходимы для контроля сердечно-сосудистой системы в условиях возросших нагрузок и проверки эффективности назначенных лекарственных препаратов. Для этой цели возможно применение амбулаторных КМ, но более удобно, пользоваться мониторированием по радиоканалу или телефону. На больном укрепляется передатчик ЭКС с электродами, и ЭКС преобразуется в частотно-модулированный сигнал (для радиоканала) или в частотно-модулированный акустический сигнал (для передачи ЭКС по телефону). Анализ ЭКС ведется кардиологом или автоматически в центре наблюдения.
Санаторно-курортные КМ находят применение в кардиологических санаторных для контроля лечения, особенно в бальнеологических условиях; при грязе- и светолечении, лечебных ваннах и других процедурах. Электроды ЭКГ могут быть опущены в ванну и не крепиться на больном. Для дозировки нагрузки (терренкур) может быть использован КМ, который выдает сигнал тревоги при уходе ЧСС за установленные пределы.
Из всех перечисленных типов КМ самое важное значение имеют клинические КМ для палат интенсивного наблюдения. Кроме того, их устройство наиболее сложно и включает в себя элементы остальных типов КМ. Поэтому далее будут рассматриваться только клинические КМ для палат интенсивного наблюдения.
5. Принцип работы и структурная схема.
На больном укрепляется передатчик ЭКС с электродами. ЭКС преобразуется в частотно-модулированный или кодовый сигналы, которые передаются через радиоканал по телефону или по проводам. Анализ ЭКС ведется кардиологом или автоматически в центре наблюдения.
Несмотря на большое разнообразие КМ, все они могут бы описаны одной обобщенной структурной схемой (рис. 1). Электрокардиосигнал с электродов поступает в блок усиления и преобразования, который усиливает его до уровня, необходимого для его обработки. Блок ограничивает спектр частот входного сигнала с целью повышения помехоустойчивости и надежного выделения информативных признаков ЭКС и производит его дискретизацию (аналого-цифровое преобразование), если в дальнейшем предполагается цифровая обработка сигнала. При использовании беспроводного канала связи между больным и КМ электрокардиосигнал с электродов модулирует генератор передатчика, размещенного на больном. Принимаемый сигнал с приемника поступает в блок усиления и преобразования.
Усиленный и преобразованный в цифровую форму ЭКС (если предусматривается цифровая обработка сигнала) поступает в блок обработки, где в соответствии с принятыми алгоритмами аналоговым или цифровым методами производится: обнаружение QRS-комплексов или R-зубцов, классификация QRS-комплексов на нормальные и патологические. Идентифицированные комплексы QRS и значения интервалов RR поступают в блок формирования диагностических заключений. На основании полученных данных по алгоритмам выделения аритмий формируются соответствующие диагнозы.
Диагностические заключения сравниваются в блоке формирования сигналов тревоги с порогами, установленными для сигнализации. Электрокардиосигнал и диагностические заключения о характере аритмий индицируются в блоке отображения информации.
В зависимости от технического исполнения КМ могут быть инструментальными и вычислительными.
Инструментальные КМ исторически были первыми. Они характеризуются полностью аппаратными средствами реализации, использующими аналоговые методы обработки ЭКС и отображения информации. В инструментальных КМ могут быть использованы цифровые средства отображения и измерения параметров, основанные на «жесткой» логике, т. е. без возможности изменения программ обработки, свойственной вычислительной технике на основе ЭВМ.
Упрощенная структурная схема инструментального КМ приведена на рис. 2
В инструментальных КМ применяются аналоговая обработка ЭКС, основанная на обнаружении R-зубцов методом частотной и амплитудно-временной селекции. Этот метод обладает высокой помехоустойчивостью, но вносит в ЭКС значительные искажения, что не позволяет достоверно дифференцировать нормальные и патологические желудочковые комплексы. Поэтому КМ такого типа в основном позволяют вести наблюдение ЭКГ по экрану ЭЛТ, измерять ЧСС и классифицировать фоновые нарушения ритма по установленным порогам для ЧСС. Примером такого КМ может служить ритмокардиометр РКМ-01.
Рассмотренные КМ не позволяют классифицировать аритмии по типу случайных событий, многие из которых можно обнаружить на основании автоматического анализа RR-интервалов. Применение цифровых схем на жесткой логике в блоке формирования диагностических заключений (см. рис. 1) позволило создать простой КМ — ритмокардиоанализатор РКА-01, который позволяет обнаруживать экстрасистолы и выпадения QRS-комплексов.
В кардиосигнализаторе КС-02 экстрасистолы и выпадения.. QRS-комплексов обнаруживаются путем преобразования интервалов в амплитуду пилообразного напряжения и сравнения ее с пороговыми значениями.
Инструментальные КМ имеют ограниченные функциональные и технические возможности и на настоящем этапе не удовлетворяют, медицинским задачам.
Вычислительные КМ позволяют решать значительный круг медицинских, технических и эксплуатационных задач при помощи, ЭВМ, т. е. программным способом, что позволяет расширять классы обнаружения аритмий за счет усложнения алгоритмов. Функции вычислительной техники в КЧ сводятся к цифровой обработке ЭКС, анализу данных обработки, отображению результатов анализа и управлению прибором. В качестве ЭВМ используются встроенные аппаратные средства вычислительной техники: однокристальные одноплатные микроЭВМ и микропроцессорные системы.
Наиболее простой путь реализации вычислительных КМ — это применение в них одноплатных функционально законченных микроЭВМ. На рис. 3 приведена структурная схема КМ на основе двух микроЭВМ.
Усиленный ЭКС дискретизируется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и в цифровом виде поступает на вход микроЭВМ1. В этой микроЭВМ осуществляется операция сжатия исходного описания. Оно уменьшает количество отсчетов в 10-15 раз, что снижает требования к быстродействию аппаратных средств и позволяет синтезировать простые структурные алгоритмы обнаружения QRS-комплекса, выделения его характерных точек. Сжатое описание ЭКС поступает в микроЭВМ2. МикроЭВМ2 выполняет все последующие процедуры анализа аритмий: измерение RR-интервалов; изменение параметров QRS-комплексов; классификацию по их форме на нормальные и патологические; обнаружение аритмий и возможных помех. Программы наблюдения вводятся в микроЭВМ2 посредством клавиатуры КМ. Выходы МикроЭВМ2 соединяются с блоком интерфейса, осуществляющего связь с центральным постом (ЦП), и блоком формирования результатов анализа. В удобной для врача форме результаты анализа поступают на устройство отображения данных — электронно-лучевой дисплей телевизионного типа.
При возникновении нарушений ритма, опасных для больного, включается сигнализация тревоги.
Применение двух микроЭВМ в вычислительной части КМ продиктовано жестким режимом реального времени при достаточной сложности реализуемых программ л ограниченности объема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), программируемого изготовителем микроЭВМ по заказу пользователя. Более гибким решением является применение вычислителей на основе типовых комплексов интегральных микросхем. Такое выполнение вычислительной части КМ хотя и требует затрат на разработку, но не накладывает каких-либо серьезных ограничений на характеристики КМ и АСОВК.
Электронные устройства (ЭУ) кардиомониторов в самом общем случае представляют собой совокупность аппаратных средств, предназначенных для преобразования, обработки и отображения информации. В нашем случае под информацией понимается электрокардиосигнал (ЭКС) и данные его обработки в кардиомониторах на всех этапах, а также управляющие и тестирующие сигналы. Основной состав ЭУ охватывает широкий арсенал аналоговых и цифровых полупроводниковых схем, обеспечивающих выполнение функций:
усиления ЭКС при значимых синфазных электрических помехах;
преобразования ЭКС в удобную для обработки форму;
анализа ЭКС во временной или частотной областях в реальном масштабе времени;
накопления и обработки данных анализа;
оперативного отображения и документирования ЭКС и результатов его обработки;
дистанционной передачи ЭКС и результатов обработки по каналам связи;
сопряжения кардиомониторов с автоматизированными системами;
автоматизации процесса управления прибором;
самодиагностирования неисправностей.
6. Устройства съема ЭКС в кардиомониторах.
Все устройства съема медицинской информации подразделяются на две группы: электроды и датчики (преобразователи).
Электроды используются для съема электрического сигнала, реально существующего в организме, а датчик - устройство съема, реагирующее своим чувствительным элементом на воздействие измеряемой величины, а также осуществляющее преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующей обработки. Электроды для съема биопотенциалов сердца принято называть электрокардиографическими (электроды ЭКГ). Они выполняют роль контакта с поверхностью тела и таким образом замыкают электрическую цепь между генератором биопотенциалов и устройством измерения.
При автоматическом анализе ЭКС в КМ предъявляются жесткие требования к устройствам съема информации - электродам ЭКГ. От их качества 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 никакими техническими решениями. Как показало применение первых КМ, обычные пластинчатые электроды ЭКГ, широко используемые в электрокардиографии, не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям при длительном непрерывном контроле ЭКС из-за большого уровня помех при съеме.
В общем случае структуру участка контакта электрода с кожей, представим в виде, изображенном на рис.4 Металлический электрод и электролит образуют электрохимический полуэлемент. Химические реакции, протекающие между металлом и электролитом, влияют на функционирование электродов ЭКГ.
Рис. 4. Структура контакта электрода с кожей
К преобразователям биоэлектрических сигналов, в данном случае к электродам ЭКГ, предъявляются следующие требования:
высокая точность воспроизведения формы сигнала (минимальные потери полезного сигнала на переходе "электрод-кожа" и сохранение частотной характеристики сигнала);
идентичность электрических и конструктивных параметров (взаимозаменяемость, возможность компенсации электрических параметров);
постоянство во времени функций преобразования (стабильность электрических параметров;
низкий уровень шумов (обеспечение необходимого соотношения "сигнал-шум");
малое влияние характеристик электродов на измерительное устройство.
Исследования электрических и физических процессов, происходящих в полуэлементе съема, позволили выделить следующие факторы, влияющие на искажения ЭКС:
кожно-электродный импеданс;
электродные потенциалы (контактные и поляризованные).
Частотная характеристика ЭКС лежит в области низких частот 0,05÷800 Гц. На низких частотах переходное сопротивление кожа-электрод можно считать активным, а его значение лежит в пределах от нескольких десятков кОм до единиц МОм. Хотя современные усилители на полевых транзисторах имеют входное сопротивление более 10 МОм, потери будут большими, поэтому нужно принимать меры для уменьшения межэлектродного сопротивления.
При увеличении площади электрода переходное сопротивление кожа-электрод уменьшается, но при этом увеличиваются помехи от биопотенциалов работающих мышц.
Кроме того, появляется погрешность ЭКС (его формы) от неточности наложения электродов на выбранную точку тела. Для уменьшения сопротивления кожа-электрод места установки электродов должны быть обезжирены смесью спирта и эфира. После этого между электродом и кожей помещают слой специальной проводящей пасты, которая представляет собой электролит, диффундирующий в поры кожи и заполняющий свободные места под электродом при его неполном прилегании к коже. Паста сохраняет хорошую проводимость длительное время. Конструкция электрода должна препятствовать растеканию пасты за площадь электрода. Растекание пасты увеличивает площадь электродов, что приводит к возрастанию помех.
Разброс и нестабильность переходного сопротивления кожа-электрод вызывает разбаланс входных цепей усилителя ЭКС и появление помех, источник которых сопротивление - электрическое поле сети, наведенное на объект ее проводкой.
При контакте металла с электролитом образуется электрохимический полуэлемент, который вырабатывает разность потенциалов между электродом и тканью тела - потенциал покоя, составляющий обычно 0,3÷1 В.
Так как съем ЭКС осуществляется двумя электродами, то при идентичных электродах разность потенциалов между ними могла бы быть скомпенсирована, но практически достигнуть полной компенсации не удается. Оставшаяся разность потенциалов между ними может достигать 0,1÷0,4 В и изменяет свое значение во времени. Потенциал покоя превышает полезный сигнал в сотни раз. При движениях пациента происходит смещение электродов, двойной электрический слой у поверхности раздела фаз с электронной и ионной проводимостью мгновенно разрушается, создавая скачки электродного потенциала, лежащие в полосе ЭКС. Скачки потенциала являются причиной помех (артефактов), часто вызывающих ошибки в диагностике аритмий кардиомониторами. Другим источником помех являются потенциалы поляризации, возникающие при протекании даже незначительного (10 А) тока через границу раздела двух фаз.
При обычном электрокардиографическом исследовании, которое ведется в покое и длится несколько минут, а расшифровка ЭКГ производится кардиологом, помех при съеме ЭКГ можно избежать.
При длительном автоматическом анализе ЭКГ невозможно исключить двигательную активность больного и КМ из-за помех будет давать большое число ошибок, уменьшить которое можно с помощью специальных электродов.
Задача качественного съема ЭКС при длительном контроле решается по нескольким направлениям:
поиск материалов для электродов с малой разностью потенциалов системы электрод - проводящая паста-электрод;
разработка составов проводящих паст, уменьшающих электродные потенциалы и сохраняющих свои свойства длительное время;
совершенствование конструкций электродов и методов их крепления на теле больного.
Было предложено много различных типов электродов ЭКГ, различающихся принципом передачи сигнала (металлические, емкостные, резистивно-емкостные, резистивные); уровнем напряжения поляризации (неполяризующиеся, слабо-поляризующиеся); конструкцией (плавающие, гибкие, чашечные, игольчатые) и возможностью повторного использования (одноразовые и многоразовые).
Исследования различных материалов для электродов показали, что наименьшей поляризацией обладают хлорсеребряные электроды, состоящие из серебра и хлорида серебра. Такое соединение получают электролитическим путем, а в качестве электролита в проводящей пасте используются ионы хлорида. Хлорсеребряные электроды получили наибольшее распространение; их выпускают одноразового и многоразового применения (рис. 5).
Рис. 5 Электрод ЭКТ для кардиомониторов
Одноразовые электроды предпочтительнее, так как они всегда готовы к применению и имеют большую клеящую поверхность, исключающую смещение электрода. Разность потенциалов двух электродов системы "электрод - паста - электрод" не превышает 3-5 мВ, межэлектродное сопротивление - 500 Ом, скорость изменения разности потенциалов - 2 мкВ/с. Время готовности 1-2 мин.
Напряжение шума электродов не более 30 мкВ. Чтобы предотвратить повреждения кожных покровов, желательно каждые сутки переклеивать электроды на соседние участки тела.
Устройства отображения медицинской информации в кардиомониторах должны отражать состояние сердечной деятельности по ЭКС, а также вспомогательные сведения о больном и технические данные о работе кардиомонитора. Таким образом, отображенные данные включают:
априорные данные о больном (фамилия, имя и отчество, номер истории болезни, возраст, пол, дата поступления, анамнез, предварительный диагноз);
электрокардиосигнал (должен сопровождаться индикацией скорости движения изображения и калибровочным импульсом);
значения параметров ритма сердца (частота сердечных сокращений, частота экстрасистол, параметры распределения RR-интервалов);
результаты автоматического анализа аритмий (должны отображаться словами диапазона в той или иной формулировке, принятой для конкретного типа кардиомониторов);
сигнализацию тревоги при появлении опасных аритмий (обычно индуцируется цветом светового табло с дифференциацией степени опасности);
текущее время, время появления событий и время начала проводимой терапии и других мероприятий;
сигнализацию обнаружения QRS-комплекса;
состояние прохождения сигналов управления и контроля работоспособности прибора;
сведения о нарушении работы кардиомонитора и локализации неисправности.
Отображаемая информация может носить временный — оперативный — характер, когда предыдущая информация стирается при появлении новой, и характер накопления данных за определенные интервалы времени. В последнем случае устройство отображения должно содержать или использовать внешнее устройство памяти для хранения данных.
7. Усилители электрокардиосигнала
Источником сигнала для усилителя ЭКС является биологический объект - человек, который может быть представлен эквивалентным электрическим генератором. Свойства любого электрического генератора определяются характером изменения ЭДС во времени и внутренним сопротивлением.
Электрокардиосигнал является частью ЭДС сердца, измеряемой на поверхности тела при помощи электродов, расположенных определенным образом. Закон изменения ЭКС во времени - квазипериодический с периодом кардиокомплексов (RR-интервалов) TRR 0,l-3 с. Форма эквивалентного сигнала кардиокомплекса близка к треугольной с амплитудой, лежащей в диапазоне 0-5 мВ. Полоса, занимаемая сигналом кардиокомплекса частот, лежит в диапазоне: 0,5-800 Гц.
Межэлектродное сопротивление, включающее сопротивления переходов кожа-электрод, соответствует внутреннему сопротивлению самого источника сигнала и изменяется в значительных пределах. Для технических расчетов обычно принимают диапазон 5-100 кОм.
Кроме перечисленных параметров, при проектировании усилителей необходимо учитывать ряд особенностей источника сигнала:
нестабильность внутреннего сопротивления за счет изменения сопротивления перехода кожа-электрод. При этом учитывают большие значения межэлектронных сопротивлений и их разбаланс в системе отведений ЭКС;
образование на переходах кожа-электрод напряжений поляризации, создающих на входах усилителя напряжение смещения, достигающее 300 мВ, что может вызвать его насыщение;
медленный дрейф напряжения поляризации и резкие его изменения при смещениях электродов из-за движений больного, создающие трудно устранимые электрические помехи;
наличие напряжений помех, попадающих на входные зажимы усилителя синфазно и противофазно. Помехи биологического и физического происхождения. Биологические помехи - биопотенциалы других органов и мышц, а физические - наведенные на объект напряжения от неэкранированных участков сетевой проводки, сетевых шнуров других приборов и проводящих поверхностей (вторичное напряжение наводки). Самый большой уровень имеют синфазные сигналы помех напряжения сети, попадающие на объект через емкостную связь;
наличие импульсных помех при воздействии на объект терапевтических аппаратов: кардиостимуляторов и дефибрилляторов. Попадая на вход усилителя, артефакты импульсов кардиостимулятора искажают ЭКС и вызывают в ряде случаев ложное обнаружение кардиокомплекса, а импульсы дефибриллятора могут повредить входные цепи усилителя.
Достоверность автоматического анализа ЭКС во многом зависит от параметров усилителя - первого звена в цепи предварительной обработки сигнала в КМ. Принимая во внимание характеристики источника возбуждения, особенности подключения усилителя к объекту и условия его сопряжения с электронными устройствами обработки, отображения и документирования ЭКС, рассмотрим требования к его основным параметрам.
Входное напряжение Uвх должно лежать в диапазоне 0,03-5 мВ. Нижнее значение Uвх определяет пороговую чувствительность усилителя, ниже которой наблюдение ЭКС на экране КМ затруднено.
На пороговую чувствительность влияет уровень внутренних шумов, приведенных к входу усилителя (Uш ≤ 10-30 мкВ).
Наиболее информативная часть ЭКС занимает полосу частот ∆f= 0,05 + 120Гц, но в практической ЭКГ-диагностике применяют усилители с ∆f= 0,05 ÷ 60 Гц. Чрезмерное сужение частотного диапазона со стороны нижних частот fн приводит к искажению сегмента ST и зубца Т, но уменьшает смещение изолинии, а со стороны высоких fв - к сглаживанию зазубрин на QRS-комплексе и уменьшению крутизны его склонов. Но увеличение fв приводит к увеличению помех от биопотенциалов мышц.
В КМ в зависимости от назначения тракта усиления ЭКС нормируются три значения ∆f:
∆f- для линейного выхода усилителя, предназначенного для подключения регистратора ЭКС;
∆f3 - для изображения ЭКГ на экране ЭЛТ КМ;
∆fм - для мониторинга при большом уровне помех.
Также нормируется полоса пропускания и неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) δf
Крутизна спада АЧХ вне полосы пропускания K f характеризуется следующими цифрами: ∆f = 0,05÷120 Гц при δf = ±10%; ∆f = 0,1 ÷50 Гц при δf = ±30%; Kf < 6 дБ/октаву.
Помехоустойчивость КМ по отношению к синфазным сигналам определяется коэффициентом ослабления синфазных сигналов, при этом чаще используется логарифмическая форма для значения Kос.сф. = 20 lq (Kд/ Kс)
где Kд и Kс- коэффициенты усиления дифференциального и синфазного сигналов.
Таким образом, и ZВх2 показывает способность усилителя различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного; Kос.сф.находится в диапазоне 70÷80 дБ. Для дальнейшего увеличения Kос.сф. требуется применение специальных методов, что усложняет конструкцию усилителя.
Полное входное сопротивление ZВх2 должно быть не менее 2,6÷10МОм. Тогда можно пренебречь потерями в передаче ЭКС и допустить разбаланс сопротивлений кожа - электрод до 5÷10 кОм. Напряжение смещения на входных зажимах усилителя не должно уменьшать значения ZВх2 и Kос.сф.. Чтобы не увеличивать напряжение смещения, нужно ограничивать постоянный ток в цепи пациента, определяемый по входному току покоя, значением 0,1 мкА.
Особо следует отметить требование к обеспечению электробезопасности пациента, так как через электроды может протекать ток утечки от сети. Допустимый ток утечки для КМ, выполненных по классу II, не должен превышать 10 мкА.
Усилитель строится по симметричной схеме с гальванической связью между входом и выходом (рис. 6,а) или по схеме с гальваническим разделением входа и выхода (рис. 6,6).
В усилителях с гальванической связью сигнал передается с выхода на вход электрическим путем. При гальваническом разделении - между входом и выходом устанавливается трансформатор или оптоэлектронная развязка. Усилители с гальваническим разделением цепей входа и выхода принято называть развязывающими усилителями (РУ).
Рис. 6. Эквивалентная схема подключений усилителя к объекту: a- гальваническая связь между входом и выходом; б - гальваническое разделение входа и выхода
Эквивалентная схема объекта состоит из генератора полезного сигнала E=E1 + E2, генератора синфазного сигнала (внешних и внутренних помех) E3 и полных внутренних сопротивлений Z1, Z2, Z3.
Для ослабления синфазных сигналов во входных каскадах усилителя применяют дифференциальный усилитель (ДУ). Подключение ДУ к объекту производят с помощью активных электродов Э1и Э2 и одного пассивного Э3, соединенного с общим проводом ДУ- "землей" (корпусом КМ) или с плавающей землей ↓
На входе ДУ образуется мостовая схема из Z1, Z2, ZВХ1, ZВХ2
Добиться полного баланса моста практически невозможно, так как Z1 и Z2 зависят от сопротивлений переходов кожа-электрод, a ZВХ1 и ZВХ2отличаются друг от друга на 0÷10% из-за возможностей реализации. В результате разбаланса моста токи I1 и I2, вызванные E3 текут через ZВХ1 и ZВХ2, образуя противофазное напряжение помех. Противофазный сигнал помехи усиливается ДУ совместно с ЭДС, поэтому он должен быть ослаблен до значения пороговой чувствительности усилителя.
В РУ реально создать достаточно большое полное сопротивление между входными и выходными зажимами.
Уменьшение влияния противофазных помех физического происхождения достигается методами экранирования, компенсации и др. Влияние противофазных помех биологического происхождения можно уменьшить фильтрацией, уменьшением площади электродов и их оптимальным расположением.
8. Предусилители электрокардиосигнала
Основные параметры усилителя в значительной степени определяются свойствами входных каскадов - предусилителей. К ним предъявляются жесткие требования: высокое входное сопротивление, большой коэффициент ослабления синфазных сигналов, малый уровень шумов, высокая стабильность коэффициента усиления, большой динамический диапазон. Предусилители строятся на операционных усилителях ОУ или в комбинации ОУ с входными дифференциальными каскадами на полевых транзисторах.
Специально для работы в качестве усилителя биопотенциалов был разработан гибридный ОУ типа К284УД1А с дифференциальным входным каскадом на подобранной паре полевых транзисторов.
Особенностью ОУ является наличие выводов истоков полевых транзисторов и генератора стабильного тока I о , с помощью которого задаются все усилительные параметры ОУ (рис. 7). Выводы истоков могут быть использованы для подключения цепи отрицательной ОС, что позволит добиться лучшего симметрирования ДУ и повысить электробезопасность.
При динамическом диапазоне ±400 мВ коэффициент усиления предусилителя не должен быть более 10. Максимальное соотношение сигнал-шум в данной микросхеме достигается при низкоомных сопротивлениях в цепи ОС, а это ведет к снижению Kос.сф.усилителя.
Рис. 7. Предусилитель на гибридной микросхеме К284 УД1 А: VT1, VT2 – подобранная пара полевых транзисторов; УН – усилитель напряжения; УА - усилитель амплитуды и сдвига уровня; ЭП - эмиттерный повторитель
С улучшением технологии изготовления ОУ стало возможным; создание микросхем на биполярных и полевых транзисторах. Последние используются во входных дифференциальных каскадах ОУ (например, К544УД1). На основе их выполняют высокоэффективные предусилители (рис. 8).
Дифференциальный усилитель образован парой ОУ1 и ОУ2 в неинвертирующем включении, связанных между собой резисторов 2R1. Сигналы с выходов ОУ1 и ОУ2 подаются на ОУЗ, где они вычитаются. На выходе ОУЗ имеется только разностный сигнал.
Коэффициент усиления предусилителя:
Рис. 8. Предусилитель с дифференциальным входом
Усиление регулируется резистором R1, а симметрирование (получение максимального значения K ос.сф.осуществляется резистором R 4
Необходимость в выделении сигналов малого уровня на фоне синфазных помех в условиях возможного попадания опасных токов на объект привела к широкому применению развязывающих усилителей (РУ) биопотенциалов.
Развязка может быть выполнена на выходе, но ее предпочтительно осуществлять в предусилителе, так как в этом случае изоляцию выполнить конструктивно проще и уменьшается потребляемая мощность изолированного источника питания.
По своим характеристикам развязывающие усилители близки к ОУ, но обладают дополнительными, присущими только им свойствами:
защитой от высоких разностей потенциалов между входной и выходной цепями (высокое напряжение развязки) и между входами;
высокой степенью подавления синфазных помех (переменных, постоянных, импульсных), т.е. высоким коэффициентом ослабления синфазных сигналов K ос.сф.;
очень высоким полным сопротивдением утечки с входа на "землю" цепи питания.
Структурная схема развязывающего усилителя показана на рис. 9
Рис. 9 Обобщенная структурная схема развязывающего усилителя
Входная часть РУ состоит из дифференциального усилителя (ДУ) и передатчика сигнала (ПС), питание которых осуществляется от изолированного от земли источника питания (ИП). Выходная часть содержит автономный или синхронизированный генератор Г с трансформаторным выходом для развязки питания от входной части. Сигнал через "изолирующий барьер" передается на приемник сигнала ПрС, потом усиливается в ОУ и поступает на выход РУ.
В РУ ослабляется синфазное напряжение относительно общего провода питания ("земли") U C1 и относительно "плавающей" земли U C2
Для увеличения K ос.сф.1и K ос.сф.2паразитные емкости изолирующего барьера по питанию C из.п. и сигналу C из.с. "плавающей" земли, соединенной с защитным экраном на общий экран, должны быть минимальны.
В РУ широко используется трансформаторная связь по питанию и сигналу с амплитудной синхронной демодуляцией сигнала и отрицательной ОС.
На рис. 10 приведена структурная схема РУ с двумя трансформаторами.
Рис. 10. Структурная схема развязывающего усилителя с трансформаторной связью и синхронной амплитудной демодуляцией
Электрокардиосигнал с выхода ДУ поступает на вход амплитудного модулятора AM, нагруженного на первичную обмотку трансформатора Т2. Управляющий сигнал подается на AM со вторичной обмотки трансформатора Т1. Он формируется при помощи аналогового коммутатора АК. Частота коммутации fк устанавливается исходя из возможностей аналоговых ключей модулятора и демодулятора. Обычно fк берется равной 125 кГц, что значительно выше верхней граничной частоты ЭКС. Со вторичной обмотки трансформатора Т2 АМ-сигнал подается на демодулятор ,М2, причем его синхронная демодуляция осуществляется правляющим сигналом с выхода АК.
Благодаря такой структуре исключается биение частот и обеспечивается восстановление полярности демодулированного напряжения. С выхода ДМ2, включающего фильтр нижних частот (ФНЧ), сигнал подается на ОУ. Отрицательная ОС через демодулятор ДМ1 охватывает усилитель и обеспечивает высокую линейность передачи сигнала. Изолирующий барьер создается пространственно разнесенными обмотками тороидальных трансформаторов, залитых эпоксидным компаундом.
Проходная емкость трансформаторов не превышает 5 пФ, а испытательное напряжение Uисп = 4000 В. <.p>
Лучшие характеристики имеет РУ на двух трансформаторах в гибридном исполнении фирмы "Analog Devices". Усилитель типа 2861 имеет размеры 38x38x15,8 мм, K ос.сф. ПО дБ и нелинейность менее ± 0,05%.
Недостатком гибридных интегральных микросхем, в которых применены трансформаторы, является то, что они сложны в производстве, так как их монтаж переуплотнен.
9.Промышленные модели кардиомониторов
Ритмокардиометр РКМ-01 предназначен для измерения средней ЧСС с цифровым отсчетом, обеспечивает световую и звуковую сигнализацию выделения R-зубца, а также тревожную сигнализацию при отклонении значения частоты за установленные пределы.
Особенностью прибора является возможность синхронизации внешних устройств с R-зубцом. ЭКС может использоваться самостоятельно и совместно с электрокардиоскопом.
Электрокардиоскоп ЭКС2-01 обеспечивает наблюдение ЭКС во всех отведениях и синхронно с кривой периферического пульса от датчика пульсовой волны. Скорость движения изображения изменяется в широких пределах (10-400 мм/с). Прибор позволяет выделять Л-зубец и синхронизировать им внешние устройства в любой фазе сердечного цикла, индицируемой на экране яркостной отметкой.
Ритмокардиовазометр РКВ-01 позволяет измерять ЧСС, частоту пульсовых волн, дефицит пульса и сигнализировать при отклонении их значений за установленные пределы.
Монитор реаниматологический прикроватный МРП-01 предназначен для контроля ЧСС, частоты дыхания, температуры, систолического и диастолического давлений. Возможна установка сигнализации при появлении тахикардии, брадикардии, асистолии, фибрилляции и апноэ.
В состав монитора входят осциллоскоп с негаснущими изображением.
Динаскоп 501 фирмы "Фунуда Денши" - это портативный кардиомонитор с регистратором ЭКГ и возможностью телеметрического контроля сердечной деятельности больного в свободном поведении в пределах палаты.
"Сирекуст 401" фирмы Сименс - один из большой серии прикроватных модулей. В этом малогабаритном приборе используется микропроцессорная система для управления и контрольных функций. В связи с применением пленочных кнопок достигается высокая надежность и обеспечивается стерильность.
Ритмокардиоскоп РКС-02 предназначен для комплексного анализа ритма сердца различными методами. Позволяет обнаружить широкий класс аритмий и сигнализировать о их появлении.
"Сирекуст 404-1 А" фирмы Сименс - 4-канальный КМ для наблюдения аритмий. Прибор обнаруживает 10 классов аритмий и 60 различных эктопических сокращений. При необходимости можно использовать телеметрическую передачу ЭКС.
Кардиореанимационные комплексы предназначены для проведения экстренной ЭКГ-диагностики, электростимуляции сердца и дефибрилляции. Используют в кардиологических отделениях при осложнениях, вызванных перенесенным инфарктом миокарда. Отечественная промышленность выпускает: кардиореанимационный комплекс КРК -01 и "кардиокомплекс-05".
На КМ нет единого стандарта показателей качества. Поэтому промышленные модели различных изготовителей имеют разную номенклатуру параметров и разный диапазон возможных изменений сигналов.
Параметры устанавливает разработчик, исходя из конкретных медико-технических требований и некоторых действующих нормативных стандартов на родственные приборы -электрокардиографы и электрокардиоскопы.
Поэтому для оценки качества КМ целесообразно привести рациональную классификацию их параметров и влияние этих параметров на свойства кардиомониторов (табл. 1).
Табл. 1 Параметры кардиомониторов
| Наименование параметра | Значение параметра | Влияние параметра, примечания |
| 1 | 2 | 3 |
| Параметры, определяющие качество входных цепей | ||
| Входной импеданс, Мом | 2,5-10 | Степень шунтирования ЭКС |
| Постоянный ток в цепи пациента через любой электрод, исключая нейтральный, мкА | менее 0,1 | Характеризует поляризацию |
| Параметры, характеризующие тракт усиления ЭКС | ||
| Уровень внутренних шумов (размах), приведенный ко входу, мкВ | менее 15-50 | Возможность наблюдения малых сигналов |
| Коэффициент ослабления синфазных сигналов, дБ | 90-120 | Степень подавления сетевой наводки |
| Допустимое постоянное напряжение на входе, мВ | +300 | Сохранение параметров уси¬лителя |
| Входное напряжение ЭКС, мВ | 0,05-5 | Определяет динамический диапазон усилителя |
| Чувствительность, мм/мВ Погрешность установки чувствительности, % | 5-40±5 | Реагирование на величину входного напряжения При дискретной установке |
| Напряжение калибровочного сигнала, мВ | 1±0,05 | Калибровка усиления |
| Время успокоения при перепаде напряжения на входе 300 мВ, с | 3,0 | Восстановление работоспо¬собности усилителя |
| Устойчивость к импульсу дефибриллятора, кВ | 2-3 | Электрическая прочность, влияние на восстановление работоспособности усилителя |
Для повышения эффективности применения КМ требуются: тесное сотрудничество врачей и инженеров, так как никакой кардиомонитор не заменит врача, который, учитывая характер заболевания и особенности организма больного, принимает решение о методике лечения; иметь как можно более полную и наглядную информацию о состоянии сердечно-сосудистой системы больного на экране монитора. Это вызвано тем, что при остановке сердца счет идет на минуты.
Пока нет единого стандарта на показатели качества КМ, поэтому поверка приборов осуществляется по нормативным стандартам на электрокардиографы и электрокардиоскопы. Но у КМ поверяемых параметров гораздо больше, к тому же то, что существует, не является полной проверкой КМ.
В связи с усложнением КМ встает проблема техобслуживания и ремонта аппаратуры, особенно в удаленных районных больницах. Электромеханику в больнице зачастую не хватает знаний и опыта для ремонта и обслуживания КМ.
10.Список используемой литературы:
Дощицин В. Л. Практическая электрокардиография. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 1987. — 336 с.
Дехтярь Г. Я. Электрокардиографическая диагностика. —2-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 1972. — 416 с.
Минкин Р. Б., Павлов Ю. Д. Электрокардиография и фонокардиография. — Изд. 2-е, перераб. и дополн. — Л.: Медицина, 1988. — 256 с.
Исаков И. И., Кушаковский М. С., Журавлева Н. Б. Клиническая электрокардиография (нарушения сердечного ритма и проводимости): Руководство для врачей. — Изд. 2-е перераб. и доп. — Л.: Медицина, 1984. — 272 с.
Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ: Учеб. Пособие для вузов / А. Л. Барановский, А. Н. Калиниченко, Л. А. Манило и др.; Под ред. А. Л. Барановского и А. П. Немирко. — М.: Радио и связь, 1993. — 248 с.
11. Вывод: в отчёте был рассмотрен кардиомонитор, его принцип работы, классификация, структурная схема, приведены основные параметры.
