Как создать кардиограмму на компьютере

Обновлено: 07.07.2024

Большая часть лечебных учреждений оборудована классическими электрокардиографами, которые выдают результат обследования в виде распечатки на термобумаге. Количество каналов определяется шириной термобумаги (80 мм - 3 канала, 110 мм – 6 каналов, 210 мм – 12 каналов). Наиболее распространены 3-канальные и 6-канальные модели.

Как известно, стандартная электрокардиограмма содержит 12 отведений. Поэтому полная ЭКГ-запись на 3-канальном приборе печатается в 4 этапа, а на 6-канальном – в 2 этапа. Лучшие из классических электрокардиографов умеют рассчитывать основные параметры ЭКГ, имеют встроенную память на несколько сотен электрокардиограмм и снабжены ЖК-экранами для показа ЭКГ и таблицы параметров.

Но врач все равно пишет заключение по распечатке путем визуального анализа формы ЭКГ-комплексов. Современные методы компьютерного анализа ЭКГ (анализ вариабельности сердечного ритма, анализ аритмий по длительным записям, векторкардиография) при этом не могут быть использованы.

Для расшифровки электрокардиограмму нужно доставить врачу. Если его рядом нет, то анализ ЭКГ становится проблемой, особенно в экстренных случаях.

Результат ЭКГ-обследования вклеивают в карту пациента. Для того, чтобы найти нужные записи в карте и сравнить их между собой, требуется много времени. Кроме того, распечатка на термобумаге со временем выцветает и становится нечитаемой. Интеграция классических электрокардиографов с медицинскими информационными системами (МИС) практически неосуществима.

Компьютерные электрокардиографы (на примере системы Easy ECG, Россия)

Компьютерный электрокардиограф (КЭ) – это комплекс, состоящий из ЭКГ-модуля и компьютера с программным обеспечением (ПО) для регистрации, анализа, хранения и передачи ЭКГ.

В КЭ могут использоваться любые компьютеры: стационарные, ноутбуки, планшетные ПК, работающие под управлением ОС Windows, Linux, Android.

Для регистрации ЭКГ в машинах скорой помощи, в больничных палатах, или на дому у пациента используются мобильные КЭ с автономным питанием на базе планшетных ПК, а для работы в приемном покое или кабинете функциональной диагностики - КЭ на базе ноутбуков или стационарных ПК.

Главные преимущества компьютерных электрокардиографов по сравнению с классическими:

синхронная запись и отображение всех 12 стандартных отведений ЭКГ;
длительность ЭКГ записи от стандартных 10 секунд до 60 минут и более, что позволяет производить анализ аритмий и вариабельности сердечного ритма;
сохранение результатов в цифровом виде в базе данных, количество хранимых записей практически не ограничено;
наличие автоматического ЭКГ-заключения;
возможность написания врачебного заключения по результатам обследования и сохранения его в базе данных вместе с ЭКГ-записью;
распечатка протокола обследования на обычной бумаге формата А4;
возможность отправки цифровых ЭКГ-записей и протоколов обследования в формате PDF по каналам связи для удаленного анализа;
возможность использования самых современных методов для удаленного компьютерного анализа ЭКГ;
возможность автоматического добавления результатов ЭКГ-обследования в электронную медицинскую карту пациента путем интеграции с МИС лечебного учреждения.

Компьютерные электрокардиографы могут быть рекомендованы для замены классических ЭКГ-аппаратов повсеместно – от кабинета семейного врача до крупного медицинского центра.

Системы регистрации и удаленного анализа ЭКГ на базе компьютерных электрокардиографов.

Компьютерные электрокардиографы позволяют реализовать принцип: «Запись ЭКГ там, где пациент, анализ ЭКГ – там, где врач»

При работе в машинах скорой помощи для передачи ЭКГ-данных на место анализа используется мобильный интернет, в больницах используется стационарный интернет или локальная сеть (обычная или беспроводная).

В больших модульных системах удаленного анализа ЭКГ выделяются два типа модулей: центральный модуль, куда поступают записи ЭКГ, и рабочие места (РМ) врача, на которых они анализируются.

Для малых систем эти модули могут быть совмещены на одном компьютере (например, система, установленная у частнопрактикующего кардиолога).

Система дистанционной ЭКГ в крупной больнице, как правило, включает несколько согласованно работающих РМ врача. Такое устройство системы надежно и предусматривает возможность расширения - подключение дополнительных РМ врача в случае увеличения потока ЭКГ-записей. Дополнительные рабочие места врачей при необходимости могут размещаться и вне больницы. В этом случае используется Web-интерфейс.

База данных пациентов и результатов обследований хранится в центральном модуле системы. Через него также осуществляется связь с медицинской информационной системой (МИС).

Программа анализа ЭКГ на РМ врача предоставляет собой мощный инструмент.

Базовые возможности - открыть вновь поступившую запись (как и любую другую запись из базы данных), визуализировать сигнал ЭКГ и результаты его обработки, написать врачебное заключение. Качество сигнала ЭКГ и миллиметровой сетки на экране получается лучше, чем на традиционной распечатке ЭКГ. Программа позволяет также:

выбирать фрагмент сигнала для анализа, изменять фильтры, развертку и чувствительность ЭКГ;
изменять при необходимости положение маркеров зубцов ЭКГ, поставленных программой;
вставлять во врачебное заключение любые фрагменты из автоматического заключения и строки из заранее приготовленного шаблона;
предоставлять возможности сравнения разных ЭКГ одного и того же пациента.
обрабатывать длинные ЭКГ-записи с целью анализа аритмий, усредненных комплексов, вариабельности сердечного ритма;
осуществлять анализ ЭКГ в ортогональных отведениях и векторкардиографию, как в истинных ортогональных отведениях, так и интерполированную из стандартной ЭКГ;
сохранять протоколы ЭКГ-обследования в электронную медицинскую карту пациента.

Переход от традиционной системы ЭКГ-диагностики к системе регистрации и удаленного анализа ЭКГ на базе компьютерных электрокардиографов дает следующие результаты:

доступность и быстроту получения квалифицированного ЭКГ-обследования для всех пациентов независимо от места нахождения;
сокращение потребности в медперсонале;
уменьшение или полное исключение расходов на покупку бумаги;
мгновенный доступ лечащего врача ко всем протоколам ЭКГ-обследования пациента через его электронную медицинскую карту.

Конечным итогом перехода на новую систему становится понижение заболеваемости и смертности от сердечно-сосудистых заболеваний.

В своей работе над диссертацией моя задача сводится к получению сигнала ЭЭГ. Это очень слабый электрический сигнал с поверхности коры головного мозга, который пробивается через костную ткань и слои эпидермиса. По сравнению с ЭЭГ есть более сильный электрический сигнал – ЭКГ. В этой статье расскажу про аппаратное и программное обеспечение, с помощью которого проводилось считывание сигнала ЭКГ и проведу анализ аппаратной части. Статья может быть полезна людям, которые также ведут работы в данном направлении.

В основе платы для считывания ЭКГ располагается инструментальный ОУ. На рынке представлено много таких ИМС. Одни основаны на КМОП технологии ( например, INA321

170 руб), другие на биполярных транзисторах (например, AD620 – 450 руб).
При сравнении параметров ОУ по чувствительности к входному сигналу выигрывают биполярные, в то время как полевые выигрывают в цене и току потребления. Для считывания ЭКГ была выбрана INA321.
Основные технические характеристики ИОУ INA321:
1. Напряжение питания однополярное Vcc +5 V.
2. Потребляемый ток 45мкА (max).
3. Микросхема изготовлена по КМОП технологии.
4. Значение подавления синфазных помех: 95дБ.
5. Коэффициент усиления дифференциального сигнала от 5 до 500 раз, определяемый внешним резистивным делителем.
6. Уровень собственного шума: 10 uV.

В техническом описании на ИМС приводится принципиальная схема для ЭКГ. Для оцифровывания сигнала воспользуемся звуковым чипом с материнской платы ПК ALC662 (или аналогичный). Совместив принципиальные схемы двух устройств, получилась такая схема:

Рис. 1 Принципиальная электрическая схема
Так как сигнал ЭКГ не высокочастотный, то частоты оцифровывания звуковым устройством хватит с лихвой. При измерении столь малых напряжений, как ЭЭГ и ЭКГ, ОУ устанавливаются в усиление сигнала в тысячи раз. Но это усиление делается не на одном ОУ, а каскадом. Соответственно в основе платы устройства лежит INA321 и ОУ общего назначения LM358.

Рис. 2 Расположение измеряемых напряжений
Общее регулируемое усиление платы по расчетам составляет от 1200 до 3300 раз (регулировка подстроечными резисторами). Плата спроектирована таким образом, что имеет большой диапазон изменения коэффициента усиления и при минимальном значении в 1200 раз соответствует платам, с помощью которых получают сигнал ЭКГ с тела человека. Плата сделана по технологии ЛУТ. USB используется только для питания, сигнал передается через 3.5 jeck.

Рис. 3 Плата для ЭКГ. Вид сверху
Сигнал с платы после усиления поступает на звуковой чип материнской платы ПК, оцифровывается, обрабатывается драйвером и потом передается конечной программе для обработки.

Рис. 4 Точки подключения электродов
По стандартной схеме подключения электродов для считывания ЭКГ два электрода размещаются на запястье рук и фиксируются там, а третий электрод располагается на ноге для подачи на нее опорного напряжения. Электроды были сделаны из поролона с фольгированной оболочкой площадью

2 см2 и смачивались солевым раствором для понижения сопротивления рогового слоя эпидермиса.

Рис. 5 Электроды для снятия сигнала ЭКГ
Для записи сигнала (звука) использовалась программа Sound Forge Pro 11. После первой пробной записи результат был такой:

Рис. 6 Первый график ЭКГ — совсем не ЭКГ
После аппаратных доработок, настройки программы и драйвера и прочих танцев с бубном получить стабильную ЭКГ все таки удалось.

Рис 7. Примеры полученных графиков ЭКГ
Сверху расположена ось времени, которая позволяет подсчитать частоту ударов в минуту. Полученные результаты подсчета подтверждают, что наблюдаемый график и есть ЭКГ – фиксируется 75 ударов в минуту с четкой периодичностью между соседними ударами в 0.8 сек. График оцифровывался в разрешении — 8bit, частота дискретизации — 8kHz. Хотя для частоты в 75Гц выборки в 8кГц многовато.
В программе Sound Forge есть возможность провести обработку записанной дорожки с помощью XFX плагинов. При определенной настройке в программе можно подавлять 50Гц наводку, после чего график становится более похожим на тот, что получается при записи ЭКГ в больнице.
Например, изначальный график:

После применения эффекта эквалайзера к графику:

Так как у нас сигнал оцифрован в звуковую дорожку, то есть возможность сохранить её и прослушать. Услышанный сигнал очень сильно напоминает звук, который слышит человек, когда слушает пульс через стетоскоп, например, при измерении давления.
При считывании сигнала нужно постоянно обеспечивать контакт всех электродов с телом. Солевой раствор для этого подходит плохо. Признаком потери контакта и, соответственно, роста сопротивления между электродом и кожей является усиление 50-55 Гц наводки на графике и пропадание ритма.

Рис. 8 Пропадание сигнала и усиление шума.
Колебания напряжения питания также очень хорошо улавливаются схемой. Шумы в питающем напряжении изменяют значение опорного напряжения, которое должно быть как можно более стабильным, потому как оно подается на тело и относительно него идет получение сигнала. Колебания опорного напряжения накладываются на снимаемый сигнал и усиливаются ОУ, отпечатываясь на получаемом графике. При переключении платы на питание об батареи шумы питающего напряжения заметно ослабевают.

Рис. 9 Шумы в питающем напряжении при питании от сети и от батареи (один график).
Также учтем, что есть собственные генерируемые шумы ИМС. Например, согласно технической документации на INA321, график её собственных шумов, хотя он намного слабее сигнала ЭКГ:

Рис. 10 График шумов напряжения INA321
Проблема в том, как отличить, что будущий планируемый график ЭЭГ это не собственные шумы ИМС или не какие-либо еще? График ЭКГ получился, но мы знаем как он должен выглядеть. А как должен выглядеть ЭЭГ сигнал? При получении сигнала ЭЭГ есть риск получить вообще не тот сигнал, и потратить кучу времени на него.

Заключение.
Получение сигнала ЭЭГ нужно в конечном итоге для создания интерфейса компьютер-мозг. Это сложная задача и занимаются ей много институтов по миру. Не знаю как у них организован процесс проведения исследований, но мне приходится работать на своих началах и делать платы буквально “на коленках”, что дает свою закалку, а потом в лабораторных условиях все так легко будет казаться делать.

Рассматривается простой кардиограф, умещающийся в кармане и обеспечивающий регистрацию электрокардиограммы (частоты пульса), температуры и положения тела человека. Эти параметры запоминаются на карте памяти micro SD, откуда в последствии могут быть переписаны на персональный компьютер (ПК) и при помощи специальной программы отображены в виде графиков (привязанных к времени и дате съемки) для детального изучения.

Устройство разрабатывалось для изучения поведения человека во сне, но может быть также полезно спортсменам и медикам. Начинающих радиолюбителей заинтересует схема регистрации биотоков (когда источником сигнала становится человеческое тело) и пример применения широко распространенных карт памяти SD для сохранения разнородной информации.

Принципиальная схема кардиографа приведена на рис. 1.

Рис 1 - Принципиальная схема простого кардиографа

На элементах DA1, DA2, DA3 собран усилитель кардиосигнала. Это обычный УНЧ с дифференциальным входом и высоким входным сопротивлением [1]. К входам усилителя E+ и E- подключается пара электродов, закрепленных на теле в области сердца для съема исходного кардиосигнала. Элементы DA1.1 и DA1.2 работают как повторители, обеспечивающие высокое входное сопротивление. Инструментальный усилитель [2] DA3 усиливает сигнал примерно в 6 раз (коэффициент задается резистором R4) перед подачей на АЦП микроконтроллера DD1.

Помимо полезного сигнала биологического происхождения на электродах E+ и E- присутствуют синфазные помехи (прежде всего 50 Гц от осветительной сети), амплитуда которых в тысячи раз превышает полезный сигнал. Для их подавления используется «активная земля» [3]: на теле закрепляется третий электрод E0, на который с выхода DA2.1 в противофазе подаётся синфазная составляющая входного сигнала. Её выделение выполняет сумматор на R1 и R2, а DA2.1 – усиление и инверсию. Благодаря такой своеобразной отрицательной обратной связи величина синфазных помех резко снижается, и далее они эффективно подавляются DA3. Для формирования опорного напряжения (средней точки) для ОУ DA2.1 и DA3 используются элементы R6, R7, С1, С2, DA2.2.

Для измерения температуры и положения тела к микроконтроллеру DD1 по двухпроводному интерфейсу I 2 C подключены интегральные датчики температуры ВК1 и ускорения ВК2. Спецификация шины I 2 C реализуется программно. Резисторы R8 и R10 служат нагрузками линий интерфейса. Резисторы R9, R11, также как R5, R12, R14, R15 защищают выводы микроконтроллера и периферии от перегрузок при сбоях МК (в отлаженное устройство их можно не устанавливать).

Питание акселерометра BK2 осуществляется через диод VD1, который снижает напряжение питания BK2 на 0.7 в, чтобы напряжение "свежезаряженного" Ni-MH аккумулятора GB1 (4.2 в) не превышало паспортного значения для BK2 MMA7455LT (3.6 в). Положение тела определяется по проекции силы тяжести на оси чувствительности BK2, что например позволяет четко различить следующие положения тела: стоя, лежа на спине, на животе, на левом или на правом боку. По изменению ускорения фиксируется двигательная активность.

Функционирование устройства как единого целого осуществляется под управлением микроконтроллера DD1. Сразу после подачи питания устройство работает в режиме записи: DD1 выполняет периодический опрос датчиков BK1 и BK2, измерение частоты на входе CCP1 и оцифровку кардиосигнала. Объединенный информационный поток записывается в файл на карту памяти micro SD (разъем X1), а также выдаётся в ПК по интерфейсу RS-232 (разъем X2) для контроля и визуализации. Командой с компьютера можно остановить запись и перевести устройство в режим скачивания сохраненных файлов.

Сохранение информации осуществляется на карте памяти micro SD [4, 5], которая подключается через разъем X1. В процессе работы карта может потреблять до 100 мА (в импульсе), создавая мощные помехи по питанию, поэтому она запитана от источника GB1 напрямую, а остальная схема через RC - фильтр R16 C5.

От использования стандартной файловой системы FAT на карте SD пришлось отказаться: она не устойчива к внезапному исчезновению питания, а памяти МК не достаточно для буферизации поступающих в реальном времени данных. Разработан альтернативный формат хранения информации. Запись на карту осуществляется последовательно, сектор за сектором. Четырехбайтный номер первого свободного сектора EmptyPos, в который должна осуществляться запись новых данных, хранится в EEPROM микроконтроллера. После записи очередного сектора номер EmptyPos инкрементируется.

В каждом секторе SD-карты (размером 512 байт) наряду с полезными данными сохраняется сигнатура и 4-байтный номер первого сектора файла. Таким образом, хотя данные на карту пишутся строго последовательно, они структурированы в виде файлов, рис. 2. Логика получения списка всех файлов реализуется программой на персональном компьютере; при этом предпринимаются дополнительные меры по контролю и коррекции ошибок.

Рис 2 - Механизм последовательной записи файлов на SD-карту

Вместо привычных операций форматирования (при установке новой SD-карты) и удаления файлов (при исчерпании объема карты) пользователем выполняется операция установки EmptyPos на начальный сектор с номером 65536. Первые 65536 секторов карты не используются ради сохранения существующей на карте «настоящей» файловой системы.

Устройство соединяется с компьютером по интерфейсу RS-232 через разъем X2. Резистор R13 ограничивает ток через вывод RX МК в условиях, когда напряжение входного сигнала выше напряжения питания МК. Сигналы на разъёме X2 имеют уровни TTL, поэтому непосредственно подключать компьютер к разъему X2 нельзя! Следует использовать готовый переходник USB-COM от сотового телефона (обычно такие переходники имеют уровни TTL) или изготовить такой переходник самостоятельно на базе микросхемы FT232R по типовой схеме [6]. В крайнем случаем можно собрать преобразователь уровней в TTL на микросхеме MAX232 или по схеме на рис. 3. Через разъем X2 (контакты 5 и 8) может также осуществляться зарядка аккумулятора GB1.

Скорость обмена устройства с компьютером фиксированная: 57600 бод. Только для ускорения переписывания файлов с SD - карты в ПК скорость может быть повышена до 460800, 806400 или 921600 бод (если компьютер их поддерживает). Выдача данных при этом осуществляется МК программно на вывод RC0 (а выход TX отключается).

Рис. 3 - Простой преобразователь ТТЛ – RS-232

Для работы с устройством разработана специальная программа для ПК (файл программы EKG_SD_2010.exe прилагается), которая позволяет визуализировать кардиограмму и показания датчиков во время записи, считывать с SD-карты список файлов и копировать нужные на компьютер, сохранять кардиосигнал в стандартном формате WAVE PCM, обрабатывать записи с целью выделения R-зубцов [1] и расчета частоты пульса, визуализировать и сохранять в унифицированном формате полученные временные зависимости. Более подробно работа с программой описана в прилагаемом «руководстве оператора» EKG_SD_2010.doc.

МК DD1 измеряется частоту сигнала на выводе 13, что можно использовать для подключения к устройству дополнительных датчиков. Частота сигнала не должна превышать 8 КГц (относительная погрешность измерения не хуже 10 -6 , период измерения

Детали и конструкция. В качестве DA1 и DA2 можно применять любые ОУ широкого применения, работоспособные в диапазоне питающих напряжений от 2.7 до 4.2 в. Инструментальный усилитель DA3 заменим обычным ОУ, включенным по схеме на рис. 4. Однако при этом желательно подобрать близкими сопротивления резисторов R18 и R19, R20 и R21 (а также R1 и R2).

Для микроконтроллера DD1 должна быть предусмотрена панелька. В него следует занести программу из прилагаемого файла EKG_SD_Pic.hex ("фьюзы" хранятся внутри прошивки).

Рис. 4 - Функциональная замена DA3 AD623

Устройство может работать без SD - карты или датчиков BK1 и BK2 с соответствующим снижением функциональности. Это позволяет начинающим радиолюбителям упрощать устройство по своему усмотрению без необходимости изменения прошивки DD1 или программ для компьютера. Например, если надо только наблюдать биотоки в реальном времени, а запись на SD-карту не требуется, то карту (как и дополнительные датчики) можно не устанавливать.

В качестве разъема X1 для подключения micro SD-карты используется переходник micro SD ® SD (они продаются вместе с micro SD картами). Контакты переходника аккуратно лудят, после чего подсоединяют к схеме короткими проводками МГТФ-0.05. На рис. 5 показана нумерация и обозначения контрактов для макро SD - карты (т.е. переходника). Желательно применять карты SD class 4 и выше (из-за малого объема памяти МК максимальная задержка записи одного сектора должна быть меньше 40 мс). Поддерживаются карты HC (ёмкостью ³ 4 Гб).

Рис. 5 - Нумерация контактов обычной SD-карты (переходника)

Разъем X2 – типа DB9F или более миниатюрный (подходящий к применяемому переходнику COM-USB).

Датчик температуры BK1 фиксируется на теле пластырем, а к основной схеме подключается 4-мя свитыми в жгут проводами МГТФ-0.05 длиной до 50 см.

Монтаж акселерометра BK2 MMA7455LT (размерами 3´5´1 мм) требует определенной ловкости. Проше всего приклеить датчик к плате контактами вверх и подпаять к схеме проволочками 0.1 мм. Конденсаторы С3, С4 должны стоять в непосредственной близости от ВК2. По задумке датчик должен сохранять достаточно постоянное положение относительно торса (или другой выбранной части тела). Чтобы достичь этого, BK2 можно расположить либо в корпусе кардиографа, либо сделать выносным, подключив к основной схеме проводами также как BK1.

Электроды E+, E-, E0 – металлические кружки Æ 10 мм из титана, которые закрепляются в области сердца пластырем. Для экспериментов можно использовать мелкие монеты – но от длительного контакта с телом они начинают ржаветь! Подключаются электроды неэкранированными проводами МГТФ-0.05 (по возможности провода к E+ и E- следует скрутить, а вокруг обвить провод к E0).

Электрод E0 крепится в любом месте (например, приблизительно между E+ и E-). В медицине используют специальные схемы расположения электродов на теле и соответствующие методики анализа кардиограмм [1, 7]. Однако для определения частоты пульса электроды E+ и E- можно располагать в области сердца достаточно произвольно, лишь бы наблюдались достаточно четкие импульсы положительной полярности (как на рис. 6). Кардиосигнал также можно снимать с рук, но импульсы при этом слабее (и их автоматическое выделение затруднительно).

Рис. 6 - Пример исходного кардиосигнала

Питается устройство от аккумулятора на 3.6 в. Потребляемый ток зависит от SD-карты и в среднем составляет 20-30 мА. Емкость GB1 более 400 мА/час выбирается исходя из требуемого времени записи (8 - 12 часов). Следует отметить, что напряжение свежего аккумулятора доходит до 4.2 в, превышая установленный предел для SD-карты (3.6 в). Однако практика показала, что они повышенное напряжение выдерживают.

Налаживание. Цифровая часть схемы в налаживании не нуждается. После инициализации SD-карты через 1-2 сек от включения SA1 на выходе TX DD1 должен появиться сигнал передачи потока данных в ПК. Если теперь соединить ПК к устройством и выбрать в программе EKG_SD_2010.exe правильный COM-порт, на экране должны отображаться состояние записи, номер сектора EmptyPos, показания датчиков BK1, BK2 и график оцифрованного кардиосигнала. Далее следует нажать кнопку «СТОП» и выполнить «форматирование». Успех выполнения этих операции свидетельствует о корректной связи устройства с ПК. Нажатием кнопки «Инициализация» проверяется, правильно ли устройство опознаёт SD-карту.

Пока электроды E+, E-, E0 никуда не подключены, исправный усилитель кардиосигнала должен «ловить» (а компьютер отображать) сигнал помехи 50 Гц от сети. При замыкании между собой E+, E-, E0, амплитуда помехи должна резко уменьшаться, причем на выводе 6 DA3 должна быть примерно половина питающего напряжения.

Далее электроды E+, E-, E0 крепят к телу и пытаются засечь импульсы, коррелированные с ударами сердца. При проблемах следует обеспечить увлажнение кожи в месте контакта с электродом и варьировать их положение в поисках лучшего сигнала. Можно также увеличить усиление DA3, уменьшив сопротивление R4.

А.Ю. ЮРОВСКИЙ, С.С. СУХОВ

ООО «АТЕС МЕДИКА софт», 115419, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 11

Статья посвящена современным компьютерным электрокардиографам и системам дистанционного анализа ЭКГ на их основе. Изложены общие принципы построения систем дистанционной ЭКГ, приведены конкретные примеры. Описаны преимущества компьютерных электрокардиографов перед традиционными приборами с термопечатью, обоснована необходимость широкого распространения дистанционного анализа цифровых ЭКГ для повышения оперативности и качества ЭКГ-диагностики и обеспечения совместимости полученных данных с медицинскими информационными системами.

Ключевые слова: компьютерный электрокардиограф, цифровая ЭКГ, дистанционный анализ ЭКГ, кардиоцентраль, рабочее место врача, медицинская информационная система (МИС).

A.Yu. YUROVSKIY, S.S. SUKHOV

«ATES MEDIKA soft» Ltd, 11 Ordzhonikidze Str., Moscow, Russian Federation, 115419

Distant analysis of ECG and computerized electrocardiography ― modern alternatives to classic «paper» solutions

The paper is devoted to the modern computerized electrocardiographs and computer-based systems for distant analysis of ECG. The general principles of forming the systems for distant analysis of ECG are discussed, accompanied by examples.

The advantages of computerized electrocardiographs are described, compared to traditional devices with thermal printing. The necessity of broader application of the distant analysis of digital ECGs is proved, which will increase the urgency and quality of ECG diagnosing and provide the compatibility of the obtained data with medical informational systems.

Key words: computerized electrocardiograph, digital ECG, distant analysis of ECG, main cardio-center, physician’s working place, medical informational system (MIS).

Где и почему нужны системы дистанционной ЭКГ

Патологии сердечно-сосудистой системы (ССС) занимают второе место среди причин заболеваемости и первое ― среди причин смертности населения РФ. Заболеваемость населения в этой сфере выросла за 10 лет в 1,6 раза и в 2010 году составила 22 855,9 случаев на 100 000 жителей России (т. е. около 23 %). Своевременно проведенная диагностика для выявления и лечения заболеваний ССС была и остается важнейшей задачей отечественного здравоохранения.

ЭКГ покоя ― едва ли не самый востребованный диагностический инструмент при исследовании состояния ССС. В проведении этого исследования постоянно нуждается широкий контингент населения. В настоящее время отечественная медицина может удовлетворить этот запрос лишь в небольшой степени. Проблема здесь не столько в том, чтобы зарегистрировать ЭКГ, сколько в том, чтобы провести анализ записи и доставить врачебное заключение на место регистрации.

Местные ЛПУ (ФАПы, районные больницы)

Обеспечение местных ЛПУ нужным количеством электрокардиографов и обучение среднего медперсонала регистрации ЭКГ не решает проблему с ЭКГ-диагностикой. Из-за дефицита специалистов большинство ЭКГ-записей некому анализировать. Частой практикой является транспортировка распечаток с ЭКГ в центральные ЛПУ; потом приходится везти назад заключения врача. Ясно, что это трудоемко и неэффективно, а в острых случаях может оказаться, к сожалению, уже не нужным.

Служба скорой медицинской помощи (СМП)

Экипаж машины СМП может записать ЭКГ на улице и дома у пациента, но не может провести анализ ЭКГ и сформировать врачебное заключение. Хотя такое заключение часто бывает востребовано самым срочным образом. Например, принять решение о проведении тромболизиса в случае острого инфаркта экипаж может только при получении рекомендаций кардиолога. Если такие рекомендации поступят только после доставки больного в ЛПУ, то такая задержка может иметь самые серьезные последствия.

Крупные ЛПУ и кардиоцентры. Общие недостатки «бумажной» ЭКГ

В ЛПУ с большим количеством кардиологических больных (прежде всего, в специализированных кардиоцентрах) ежедневно регистрируются и обрабатываются сотни записей ЭКГ. Использование для этой цели набора классических «бумажных» электрокардиографов, никак не связанных между собой, все меньше согласуется с требованиями времени. Необходимость ежедневной регистрации ЭКГ в палатах, блоках реанимации и интенсивной терапии, в приемном покое, т. е. в различных местах, часто расположенных в разных корпусах ЛПУ, приводит к проблемам, схожим с проблемами анализа ЭКГ в глубинке. Общее в том, что регистрация ЭКГ и ее анализ проводятся в разных местах, а единственным хранилищем записей ЭКГ является бумажный носитель.

Медперсоналу при этом приходится носить горы бумаг с записями ЭКГ от мест регистрации к местам анализа и затем доставлять по назначению проанализированные записи. Поиск ранее сделанных записей и, в частности, сравнение записей, сделанных в разное время для одного и того же пациента, могут быть затруднены. Кроме того, записи на термобумаге со временем выцветают и становятся нечитаемыми. С бумажными записями нельзя использовать компьютерный анализ ЭКГ, который может существенно облегчить и ускорить обработку ЭКГ и написание врачебного заключения. Наконец, затруднено занесение протокола исследования ЭКГ в электронную историю болезни: нужно заново набирать на клавиатуре врачебное заключение и сканировать бумажную ЭКГ.

Решение проблем ― системы дистанционной ЭКГ

Внедрение систем дистанционной ЭКГ находит свое отражение и в проекте МЗ СР РФ «Создание систем персонального мониторинга здоровья человека», и в приказе МЗ РФ № 388н, предполагающем оснащение машин скорой помощи электрокардиографами с дистанционной передачей ЭКГ, и в других документах.

Общие принципы устройства систем дистанционной ЭКГ. Преимущество объединенных систем для удаленной и внутригоспитальной регистрации ЭКГ

Стационарные и мобильные компьютерные электрокардиографы (КЭ)

Для регистрации ЭКГ в машинах скорой помощи, в палатах ЛПУ или на дому у пациента нужно использовать компактные облегченные приборы с автономным питанием ― мобильные КЭ, а для работы в приемном покое или кабинете функциональной диагностики больше подходят стационарные КЭ.

Стационарные КЭ могут иметь большой экран для визуализации ЭКГ (выгодная альтернатива печати ЭКГ в процессе регистрации) и распечатку готовой записи на обычном компьютерном принтере (выгодная альтернатива печати ЭКГ на термобумагу). Такие приборы обладают полной функциональностью 12-канального классического электрокардиографа. Для мобильных КЭ требования компактности и легкости приводят к уменьшению уровня функциональности. Используется небольшой экран в 7-8 дюймов, устройства печати в комплекте может не быть.

Стационарный КЭ может быть укомплектован ноутбуком на тележке, если его нужно иногда передвигать по кабинету или перемещать по больнице. Если это не требуется, то стационарный КЭ комплектуют обычным компьютером и монитором с экраном не менее 19 дюймов.

Мобильный КЭ ― это, как правило, прибор на базе планшетного компьютера с экраном не менее 7 дюймов и отдельным термопринтером (если КЭ предназначен для машины СМП с оснащением по приказу 388н).

Во всех случаях на компьютер устанавливается специализированное программное обеспечение (ПО) для регистрации и передачи цифровой ЭКГ.

Каналы связи для передачи ЭКГ от регистрирующих модулей к рабочим местам врача, оснащенным ПО для анализа ЭКГ.

При работе в машинах скорой помощи используется мобильный Интернет, в местных ЛПУ обычно можно использовать стационарный Интернет, в крупном ЛПУ при наличии централизованной компьютерной сети целесообразно передавать ЭКГ через эту сеть. При этом стационарные КЭ подключаются непосредственно к сети, а для мобильных КЭ нужен беспроводной доступ к ней (Wi-Fi).

Анализирующая часть систем дистанционной ЭКГ

В системе анализа ЭКГ выделяются два типа модулей: кардиоцентраль (КЦ) ― компьютер, куда поступают записи ЭКГ, и РМ врача ― компьютер, на котором они анализируются. Для малых систем эти модули могут быть совмещены на одном компьютере (например, система, установленная у частнопрактикующего кардиолога). Но система дистанционной ЭКГ в крупном ЛПУ, как правило, включает отдельную кардиоцентраль и несколько согласованно работающих РМ врача. Такое устройство системы надежно и предусматривает возможность расширения ― подключение дополнительных РМ врача в случае увеличения потока ЭКГ. База данных пациентов и результатов обследований хранится на кардиоцентрали. Через кардиоцентраль также осуществляется связь с медицинской информационной системой (МИС).

Программа анализа ЭКГ на РМ врача предоставляет собой значительно более мощный инструмент анализа ЭКГ, чем анализ по бумаге. Базовые возможности ― открыть вновь поступившую запись (как и любую другую запись из базы данных), визуализировать сигнал ЭКГ и результаты его обработки, написать врачебное заключение. Качество сигнала ЭКГ и миллиметровой сетки на экране должны быть не хуже, чем на традиционной распечатке ЭКГ. Также должна быть возможность:

выбирать фрагмент сигнала для анализа, изменять фильтры, развертку и чувствительность ЭКГ;
изменять при необходимости положение маркеров зубцов ЭКГ, поставленных программой;
вставлять во врачебное заключение любые фрагменты из автоматического заключения и строки из заранее приготовленного шаблона;
предоставить возможности сравнения разных ЭКГ одного и того же пациента.

Кроме этого, программа анализа может предоставить врачу расширенные возможности, выходящие за рамки рутинного анализа, в частности:

обработку длинных записей ЭКГ (от одной до нескольких минут) с элементами холтеровского анализа (классификация кардиоциклов различной формы) и анализом вариабельности сердечного ритма;
анализ ЭКГ в ортогональных отведениях и векторкардиографию, как в истинных ортогональных отведениях, так и интерполированную из обычной ЭКГ 12.

Для работы с программой анализа ЭКГ лучше использовать широкоформатный дисплей с экраном не менее 23 дюймов для одновременного показа сигнала ЭКГ и результатов его обработки.

Интеграция с МИС

Все более востребована возможность интеграции систем дистанционной ЭКГ с МИС, т. е. автоматическое сохранение результатов ЭКГ ― исследования в электронной истории болезни. Полная интеграция предусматривает получение данных пациента из МИС, проведение ЭКГ ― исследования и сохранение в МИС текста врачебного заключения и электронного образа распечатки результатов исследования. Цифровая запись ЭКГ обычно хранится только в базе данных системы дистанционной ЭКГ, т. к. для работы с ней требуется специальное ПО.

Для возможности интеграции с МИС система дистанционной ЭКГ должна иметь соответствующий программный интерфейс (HL7, DICOM и др.).

Система дистанционной ЭКГ на примере ГБУ «РКНПК» (Москва). Особенности и преимущества компьютерного анализа ЭКГ

Система Easy ECG установлена в одном из ведущих кардиологических центров страны ― ГБУ «РКНПК» МЗ РФ (Москва) в 2009 году.

Она обрабатывает записи ЭКГ, сделанные:

― в кабинете ЭКГ, в палатах различных отделений и блоке РИТ (реанимации и интенсивной терапии);

― поликлинике РКНПК (отдельный корпус ЛПУ);

― Урюпинской ЦРБ (Волгоградская область) и других ЛПУ этого района;

― ЛПУ, пользующихся услугами РКНПК по анализу ЭКГ на коммерческой основе.

Для регистрации ЭКГ в кабинете используются стационарные КЭ. Для регистрации в палатах и блоке реанимации ― мобильные (носимые) КЭ; они же могут использоваться для регистрации ЭКГ на выезде.

В поликлинике РКНПК установлена своя система дистанционной ЭКГ; она передает записи ЭКГ основной системе РКНПК. В ЛПУ Урюпинского района и других сторонних ЛПУ также установлены системы дистанционной ЭКГ, передающие часть полученных ими записей ЭКГ в РКНПК для анализа. Врачебные заключения передаются на места отправки ЭКГ автоматически.

Анализ записей ЭКГ, поступающих на кардиоцентраль системы, производится на десяти согласованно работающих РМ врача.

Все записи ЭКГ хранятся в единой базе данных «пациенты ― исследования». Врачебные заключения сохраняются в базе данных сразу после их создания в программе, установленной на РМ врача. Одновременно с этим автоматически производится передача протокола исследования ЭКГ в МИС «Интерин» и печать протокола исследования ЭКГ с заключением врача для включения в традиционную бумажную истории болезни.

Благодаря объединению внутригоспитальной системы РКНПК с несколькими сторонними системами дистанционного анализа ЭКГ, жители даже самых отдаленных районов получили доступ к квалифицированной ЭКГ-диагностике.

Компьютерные электрокардиографы как альтернатива классическим электрокардиографам

Выше КЭ рассматривались только как модули систем дистанционной ЭКГ. Вместе с тем КЭ являются самостоятельными приборами с функциями электрокардиографа и во многом превосходят классические приборы с печатью на термобумаге.

И стационарные, и мобильные КЭ могут печатать ЭКГ и результаты ее анализа на обычном принтере А4. Качество такой печати как у дорогих 12-канальных классических электрокардиографов, но вместо дорогой термобумаги шириной 210 мм используется обычная бумага формата А4.

Оба типа КЭ не требуют печати ЭКГ во время регистрации, так как ее полностью заменяет управляемая визуализация ЭКГ на экране.

Записи ЭКГ сохраняются в базе данных «пациенты ― исследования» и остаются доступными после регистрации неограниченно долго.

Стационарные КЭ, установленные на компьютере с большим экраном, можно использовать для компьютерного анализа ЭКГ и написания врачебного заключения.

КЭ обоих типов «умеют» послать протокол исследования ЭКГ в формате PDF (электронный образ распечатки) по электронной почте, что является упрощенной альтернативой цифровой дистанционной ЭКГ. Для просмотра таких протоколов не требуется специализированное ПО. Используется бесплатное ПО Adobe Reader или его аналоги.

Шаг второй: модуль AD8232
Чип AD8232 - это датчик сердечного ритма. Микросхема AD8232 содержит высококачественный малошумящий измерительный усилитель и систему формирования сигнала для удаления шума. Он предназначен в первую очередь для записи ЭКГ.
Сначала мастер собирает схему на макетной плате, как на фото ниже.

AD8232 включает в себя функцию "обнаружения отключения проводов". Если один из выводов отсоединен, контакты LO + или LO- модуля переходят в высокий уровень. Для первоначального тестирования мастер подключил выводы LO + и LO- к двум светодиодам через резисторы 1 кОм. Светодиоды загораются при отключении провода. Для последней схемы нужно удалить светодиоды и подключить LO + и LO- к Arduino.
Дальше загружает скетч ArdECG0.ino на компьютер и затем в Nano.

В приобретенном мастером модуле выводы электродов окрашены в следующие цвета:
LA левая рука: Зеленый
Правая рука Ra: Красный
Правая Нога: Желтый

В комплекте с модулем идет всего 3 электрода. Они быстро израсходуются, и мастер решил сделать электроды самостоятельно. Сделать их можно из медной пластины или монеты.

В качестве состава, которым покрывают кожу перед установкой электродов, он использовал смесь шампуни и соли. Электроды приклеивает к коже лейкопластырем.

Электроды устанавливаются, как на рисунке:
LA слева от груди под ключицей
РА с правой стороны груди ниже ключицы
RL внизу подальше от сердца
Электрод RL называется «правая нога», но на самом деле он не обязательно должен находиться на ноге, но нужно стараться размещать его не на мышцах.
Код можно скачать ниже.
ArdECG0.ino

В скетч ArdECG0.ino встроен фрагмент фальшивый «импульс». Это не очень реалистичная функция, но она дает импульсы примерно нужного размера и примерно с нужной частотой. Это удобно использовать при отладке устройства.

Шаг третий: сердце
Врачи считают сердце сложным органом, но для разработчика электроники это просто генератор электрических сигналов - несколько десятков милливольт.

Синоатриальный узел (узел SA) действует как осциллятор, генерирующий импульс примерно каждую секунду. В электронном виде это релаксационный осциллятор (или осциллятор Ван дер Поля).

Сокращение пульса медленно распространяется к мышцам предсердий и атриовентрикулярному узлу (AV-узлу). Мышцы предсердий сокращаются, а затем расслабляются. Когда они сокращаются, они перекачивают кровь в желудочки. Когда они расслабляются, предсердия закачивает кровь из тела или из легких.

Узел AV задерживает импульс (на 120-200 мс), а затем отправляет его мышцам желудочков. В электронном виде это тоже релаксационный осциллятор, но его период намного больше, чем у SA-осциллятора.

Мышцы желудочков сокращаются, а затем расслабляются. Когда они сокращаются, они перекачивают кровь к телу или легким.
Весь процесс занимает около 500 мс.

Для перекачивания крови по телу требуется много энергии, поэтому самый большой сигнал исходит от мышц левого желудочка.
Ионы натрия, калия и кальция перекачиваются через мембраны клеток сердечной мышцы. Когда сердечная мышца расслаблена, разница в концентрациях ионов вызывает разность потенциалов 90 мВ.

Когда в клетке возникает потенциал действия, активируется соседняя клетка. Таким образом, потенциал действия распространяется через мышцу, а также через волокна Пуркинье.
Проводимость мышечных клеток составляет 0,3–0,4 м / с.
Проводимость волокна Пуркинье составляет 2–3 м / с.
Нормальная проводимость нейронов 70-120 м / с.
Волокна Пуркинье могут колебаться сами по себе со скоростью 20-40 ударов в минуту и поэтому действуют как резервная система, если генераторы SA и AV выходят из строя.

ЭКГ регистрирует потенциалы действия различных мышц. Потенциалы действия мышц передаются через грудную стенку и кожу посредством простой электрической проводимости. К тому времени, когда он достигает кожи, сигнал составляет около 1 мВ.
Поскольку разные потенциалы действия возникают в разных областях сердца, перемещая электроды ЭКГ, можно записывать активность в разных мышцах.

В дисплей встроен регулятор 3V3. Таким образом, модуль может питаться от 5 В, и можно его подключить напрямую к 5-вольтовому выводу Arduino. Вывод питания светодиода также может быть подключен напрямую к выводу 5V.

Логические выводы дисплея требуют сигналов 3,3 В. Их нельзя подключать напрямую к 5-вольтовым контактам ввода-вывода Arduino. Чтобы понизить напряжение нужно установить резисторы.

Для работы дисплея нужно загрузить эскиз ArdECG1.ino.
Нужно поместить все файлы ниже в одну папку:
ArdECG1.ino
SimpleILI9341.h
SimpleILI9341.cpp

Шаг пятый: режимы отображения
С помощью кнопки можно переключатся между различными режимами отображения ЭКГ:
Большой дисплей
Маленький дисплей
Дисплей Пуанкаре

Режим большого дисплея позволяет детально изучить одно или два сердечных сокращения. Отображается, как сетка на красном фоне, что больше похоже на стандартную диаграмму ЭКГ.

Малый режим дисплея позволяет видеть общую частоту сердечных сокращений. «Нормальный» пульс зависит от возраста.
3-5 лет: 80-120 уд / мин
6-10 лет: 70-110 ударов в минуту
11-14 лет: 60-105 ударов в минуту
15+ лет: 60-100 уд / мин
Средняя частота сердечных сокращений у женщин на 4 удара в минуту выше, чем у мужчин. С возрастом средняя частота сердечных сокращений, как у мужчин, так и у женщин снижается на 4 удара в минуту.
«Брадикардия» - это частота сердечных сокращений ниже нормы: менее 60 ударов в минуту у взрослых. «Тахикардия» - это частота сердечных сокращений выше нормы: более 100 ударов в минуту у взрослых.

Дисплей Пуанкаре показывает историю ритма.
Тахикардия отображается в виде небольшой группы точек в левом нижнем углу. Брадикардия отображается в виде рассеянной группы вверху справа. Аритмия проявляется в виде групп точек вдали от главной диагонали. Фибрилляция отображается в виде большого облака в левом нижнем углу. Столбец точек в верхнем левом углу может указывать на преждевременные сокращения желудочков. Паузы в долях отображаются в виде облаков вверху-середине и справа посередине.

Подробнее о диагностике можно почитать в статье-оригинале (ссылка в конце статьи) или найти материал в интернете.

Шаг шестой: сборка
После проверки работы устройства на макетной плате мастер приступил к монтажу и сборки устройства.
Модуль AD8232 крепится к задней части дисплея с помощью двустороннего скотча. Nano удерживается между двумя платами с помощью припаянных перемычек. Вся сборка довольно компактная и прочная.

Корпус мастер сделал из полистирола.
Экранирование немного влияет на уровень шума, поэтому он выложил заднюю часть коробки кухонной пленкой.

Общее потребление тока составляет около 127 мА. Задача была, чтобы устройство работало в автономном режиме в течение 8 часов. Значит, нужен источник питания емкостью около 1000 мАч.

Сначала мастер хотел установить четыре аккумулятора AA.
Ячейки AA - хороший выбор, но проблема их размер. Тогда мастер решил установить один литий-ионный аккумулятор емкостью 1000 мАч.
С помощью переключателя выполняется выбор между работой и зарядкой.

Читайте также: