ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ СЕРДЦА

Аннотация. Частота сердечных сокращений, температура тела и кровяное давление являются одними из наиболее важных параметров человеческого организма. Медицинские работники могут анализировать и диагностировать различные заболевания, измеряя эти параметры с помощью различного медицинского оборудования. В данной статье обсуждается процесс разработки удаленной системы кардиомониторинга. Кроме того, также объясняется обеспечение дистанционного мониторинга электрокардиограмм пациентов с помощью модуля Bluetooth.

Ключевые слова: ЭКГ, микроконтроллер, система мониторинга, AD8232.

С самого начала автоматизации электрокардиографических исследований появился интерес врачей к мониторингу состояния ССС в реальном времени и при свободной активности пациентов с целью обнаружения, количественной оценки и сигнализации различных патологий. В первую очередь, речь идет об опасных для жизни нарушениях сердечного ритма, которые имеют преходящий характер, то есть появляются достаточно редко или в условиях физических и эмоциональных нагрузок. Именно поэтому их можно обнаружить только при продолжительном исследовании ЭКС в естественных условиях жизнедеятельности пациента. Задачи мониторинга ЭКС с целью определения различных критических состояний сердца существуют в космической и спортивной медицине, при оценке состояния операторов объектов повышенной опасности, сотрудников спецподразделений во время профессиональной деятельности. Все эти задачи в полной мере могут решить лишь специальные средства автоматического анализа ЭКС, предназначенные для работы в условиях свободной активности пациентов.

Сформулируем основные требования к разрабатываемой системе неинвазивной кардиодиагностики:

 – высокая помехоустойчивость, гарантирующая достоверные автоматические заключения в условиях свободной активности пациентов;

– применение новейших информационно-коммуникационных средств и технологий, обеспечивающих оперативное получение и обработку информации, беспроводной обмен информацией между элементами системы;

– автономное (без участия врача и стационарных вычислительных средств) принятия решений о наличии критических состояний сердца (КС);

 – возможность подтверждения/опровержения автономного решения, а также более подробный анализ ЭКС врачом или вычислительными средствами сервера;

– длительное время работы (не менее 24 часов) портативных частей системы без подзаряда источников питания основные принципы построения системы ЭКГ.

Мобильность – способность функционирования системы при перемещении пациента.

Автономность – возможность самостоятельного принятия решений мобильным приложением без участия врача и без использования вычислительных возможностей сервера.

Многоуровневое иерархическое принятие решений – принятие решений различной степени детализации и на различных уровнях, с подтверждением и/или уточнением решения более низкого уровня иерархии. Автономность рассматривается как первый уровень иерархии.

Портативность – обеспечение малой массы и габаритов, удобство эксплуатации носимой части системы.[1]

Система неинвазивной кардиодиагностики состоит из портативного регистратора ЭКС, смартфона, облачного сервера, где будет храниться отчеты пациента. Структура системы экг показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Структура системы ЭКГ

Серьезной проблемой при разработке портативного регистратора ЭКС является интеграция всех средств регистрации, предварительной обработки и передачи измерительной информации в миниатюрное устройство. Электроды, аналоговые усилители, фильтры, АЦП, микроконтроллер, оперативная и флэш-память, приемопередатчик и антенна, источник питания (малогабаритный аккумулятор, DC/DC преобразователи, супервизор питания) должны располагаться на теле пациента. Все компоненты портативного регистратора должны быть миниатюрны и иметь низкое энергопотребление, а их интеграция в единое устройство должна быть выполнена на высоком техническом уровне. Только в этом случае портативный регистратор ЭКС будет удобен для пациента. Решением проблемы миниатюризации являются многофункциональные микросхемы высокой степени интеграции, предназначенных специально для реализации входных узлов ЭКГ-устройств. Такие устройства называются законченным аналоговым интерфейсом – Analog Front-End (AFE). В AFE содержаться все необходимые усилители, мультиплексоры, АЦП, встроенные источники опорного напряжения и устройство контроля. На данный момент существует несколько семейств AFE для различных 166 применений, производства Texas Instruments и Analog Device.

Для реализации портативного регистратора ЭКС представляет интерес компанией Analog Devices разработана микросхема AD8232. AD8232 представляет собой интегрированный блок обработки сигнала для ЭКГ и других биопотенциальных задач. Микросхема предназначена для получения, усиления и фильтрации слабых биопотенциальных сигналов в условиях сильных помех.

Для передачи ЭКС с портативного регистратора на смартфон использован протокол беспроводной передачи данных Bluethooth 5.0. В спецификации Bluetooth 5.0 говорится об увеличении радиуса действия в четыре раза по сравнению с Bluetooth 5.0.

Одним из самых первых микроконтроллеров с Bluetooth 5.0 стал высокопроизводительный процессор CC2640R2F производства компании Texas Instruments.

CC2640R2F построен на базе современного 32-битного ядра ARM Cortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Работой радиопередатчика управляет второе 32-битное ядро ARM Cortex-M0 (рисунок 3). Кроме того, CC2640R2F отличается богатой цифровой и аналоговой периферией.

Достоинством микроконтроллера CC2640R2F также является малый уровень потребления. Это относится ко всем режимам работы. Например, в активном режиме при приеме данных по радиоканалу потребление составляет 5,9 мА, а при передаче – 6,1 мА (0 дБм) или 9,1 мА (5 дБм). При переходе в спящий режим питающий ток и вовсе падает до 1 мкА.

Сочетание трех таких важных качеств как поддержка Bluetooth 5.0, малое потребление и высокая пиковая производительность делает CC2640R2F весьма интересным решением для интернета вещей. При этом с помощью данного микроконтроллера можно создавать весь спектр IoT-устройств: автономные датчики, работающие несколько лет от одной батарейки CR2032, мосты между дополнительным управляющим процессором и каналом Bluetooth 5.0, сложные приложения, требующие высокой вычислительной мощности. В системе неинвазивной кардиодиагностики портативный регистратор ЭКС выступает в роли Slave, а смартфон в роли Master. При этом Bluetooth-модуль портативного регистратора ЭКС выступает в качестве сервера, предоставляющего доступ к атрибутам, а роль клиента отводится смартфону.[2]

Взаимодействие между устройствами выполняется следующим образом. Bluetooth-модуль портативного регистратора ЭКС переходит в режим объявления (Advertisement), после чего он становится доступным другим устройствам для обнаруже-ния. Bluetooth-модуль смартфона обнаруживает портативный регистратор ЭКС и сохраняет информацию о нем. Пользователь смартфона (пациент) при старте выполнения анализа КС либо соединяется с портативным регистратором ЭКС, если он уже обнаружен, либо перед соединением осуществляет поиск устройства, и соединение устанавливается после  его  обнаружения. В процессе регистрации ЭКС мобильное приложение периодически выполняет опрос сервера, и, если обнаруживает, что доступна новая информация, отправляет соответствующий запрос и считывает новые данные из таблицы атрибутов сервера. Эти операции осуществляются посредством набора специальных служб, или сервисов, на которых основана реализация протокола Bluetooth 5.0.[3]

Список литературы:

1. Бодин О. Н., Кривоногов Л. Ю., Лометов Е. А., Ожикенов К. А. Помехоустойчивая обработка ЭКГ в системах неинвазивной кардиодиагностики. Изд-во LEM - А, 2016. – 216 с.
2. Тулешов А.К., Ожикенов К.А. Моделирование системы следящих приводов манипулятора на SIMULINK. // Вестник КазНУ. Серияматематика, механика, информатика. – Алматы, 2010. Спец. Выпуск №4(67). – С. 252-259.
3. Marques, F. Ribeiro D. A real-time, wearable ECG and blood pressure monitoring system // IEEE, 6th Iberian Conference on Information Systems and Technologies (CISTI 2011). -2011. -571 p