Нелинейный активный RC фильтр QRS комплекса электрокардиосигнала

Аннотация
Введение
1. Обзор технологии и аналогов
1.1. Назначение проектируемого устройства, состояние вопроса
1.2. Обзор технологий
1.3. Обзор существующих аналогов устройства
2. Разработка устройства
2.1. Варианты построения активных RC- фильтров
2.1.1. Реализация фильтров первого порядка
2.1.2. Реализация фильтров второго порядка
2.1.3. Активные полосовые RC- фильтры
2.3. Выбор элементной базы
3. Моделирование устройства в программе MicroCap
3.1. Основные требования моделированию и анализу устройства
3.2. Алгоритм апробации
4. Безопасность жизнедеятельности
4.1. Основные опасные факторы эксплуатации прибора
4.2. Требования по электробезопасности к прибору
4.3. Правила безопасной эксплуатации прибора
5. Технико- экономическое обоснование проекта
5.1. Концепция проекта, рынок и план маркетинг
5.2. Определение трудозатрат
5.3. Расчет расходов на оплату труда при разработке
5.4. Расчет стоимости опытного образца
5.5. Определение оптимальной отпускной цены
4.2 Определение оптимальной цены прибора
Заключение
Список использованной литературы

Нелинейный активный RC фильтр QRS комплекса электрокардиосигнала

- фильтрация от помех;
- компрессия;
- передача ЭКС по каналам связи.
В зависимости от методов решения и конечной цели, эти этапы могут выполняться и в другом порядке, а некоторые могут быть опущены. Например, если целью электрокардиографии является получение ритмограммы- последовательности значений периодов сокращения сердца, - то электрокардиосигнал не нуждается в фильтрации, передаче и, следовательно, компрессии- достаточно обнаруживать R- зубцы, измерять интервалы между их появлением и передавать в ЭВМ только эти данные. Однако для полного анализа электрокардиосигнала необходимо решить все перечисленные задачи. Эти задачи и методы их решения взаимосвязаны, например, с помощью одной микросхемы могут быть реализованы усиление и оцифровка ЭКС, а с помощью одного математического преобразования может быть произведена фильтрация от шумов и компрессия электрокардиосигнала. Рассмотрим эти методы подробнее.
Усиление электрокардиосигнала
Известно, что максимальная амплитуда электрокардиосигнала составляет 1 ...5 мВ, а, согласно международному стандарту передачи цифровых электрокардиограмм SCP-ECG, значение младшего значащего разряда цифрового сигнала должно составлять не менее 5 мкВ. Следовательно, с учетом дрейфа изолинии ЭКС, для перевода его в цифровую форму посредством обычного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), имеющего диапазон входного сигнала порядка нескольких вольт, сигнал необходимо усиливать в 100-500 раз. При этом не должны вноситься существенные шумы, и желательно, чтобы производилась низкочастотная и высокочастотная фильтрация, а также подавление синфазной помехи.
Два варианта построения схем усиления представлены ниже. Такие решения удобны при обработке нескольких электрокардиографических отведений с одноканальным или многоканальным АЦП, в том числе и встроенным в центральный процессор.
Схема усиления, являющаяся частью схемы обработки аналогового кардиоcигнала, изображенной на рис. 1, состоит из фильтров, аналогового мультиплексора и собственно усилителя. В простейшем случае, если применяется цифровая обработка сигнала, в качестве фильтров могут быть использованы RC- цепочки. Электрокардиосигналы с различных электродов, расположенных на поверхности тела, через RC- фильтры поступают на аналоговый мультиплексор (MUX), который коммутирует их на вход схемы усиления и АЦП. Это построение имеет высокую экономичность по стоимости и по потребляемой мощности и занимает относительно малую площадь печатной платы. Недостатком схемы является необходимость пропускать ЭКС через мультиплексор перед усилением, что увеличивает долю помех в конечном сигнале, а также фазовый сдвиг между оцифрованными сигналами с различных отведений.
Рисунок 1. Схема усиления и оцифровки ЭКС с одноканальным АЦП
Вторая схема, изображенная на рис. 2, лишена первого и частично второго недостатка. За счет того, что каждый усилитель постоянно подключен к одним и тем же электродам, в них отсутствуют переходные процессы после переключения каналов мультиплексора. Следовательно, можно значительно сократить период переключения и время выборки АЦП, за счет чего фазовый сдвиг между сигналами уменьшается до единиц микросекунд.
Рисунок 2. Схемы усиления и оцифровки ЭКС с многоканальным АЦП
В качестве кардиоусилителей применяются микромощные прецизионные инструментальные усилители INA118, имеющие дифференциальные входы с сопротивлением порядка 10 ГОм, которые позволяют подавить синфазную помеху, например наводку от электрической сети, на 120 дБ при коэффициенте усиления 100.
Оцифровка электрокардиосигнала
В последнее время в цифровых приборах первичной обработки электрокардиосигнала широко применяются АЦП, работающие по принципу сигма-дельта-преобразования, производящие оцифровку аналогового сигнала и значительно увеличивающее отношение сигнал/шум.
Микросхема AD7714 фирмы Analog Devices имеет три дифференциальных канала и позволяет осуществлять дискретизацию входного сигнала с частотой до 1 кГц в одноканальном режиме. Диапазон входного сигнала задается центральным процессором и может составлять от ±20 до ±2500 мВ при коэффициенте усиления от 128 до 1 соответственно. Все управляющие данные и оцифрованный сигнал передаются по двухпроводному последовательному интерфейсу SPI. От источника питания напряжением 3 В потребляется ток не более 0,5 мА. Однако, наряду с достоинствами, этот АЦП имеет и недостатки. Ввиду особенностей встроенного фильтра, поочередное использование всех трех каналов не позволяет производить дискретизацию сигнала с частотой более 112 Гц, что ухудшает качество цифрового электрокардиосигнала. При этом задержка измерений между соседними каналами составляет около 9 мс. Применение АЦП AD7714 является идеальным решением лишь для системы кар-диомониторинга с одним электрокардиографическим отведением.
Для систем с несколькими отведениями целесообразнее использование микросхемы AD7716 или AD7731. AD7716 представляет собой четыре АЦП на одном кристалле с объединенными системами управления, тактирования, интерфейса и питания. Полоса пропускания- до 584 Гц, разрядность данных- 22 бит, потребляемый ток- 10 мА при напряжении питания 5 В. Другой АЦП- AD7731- отличается от AD7714 наличием технологии FastStep, благодаря чему лишен такого недостатка, как медленное переключение между каналами. Однако, этот АЦП требует двух напряжений питания: аналогового 5 В (потребление не более 10,3 мА) и цифрового 2,7.. 5,25 В (потребление не более 3,2 мА), что усложняет его применение.
Для микропотребляющих устройств с невысокими требованиями по частоте дискретизации (до 120 Гц) возможно применение новейших одноканальных сиг-ма-делтьта-АЦП AD7790/7791 с потреблением 195 мВт.
Для оцифровки электрокардиосигнала в приборах, построенных по схемам, изображенным на рисунках 1 и 2, можно использовать аналого-цифровые преобразователи различных типов (последовательные, параллельные, интегрирующие, сигма- дельта и т.д.). Выбор АЦП следует производить в соответствии с такими техническими параметрами, как максимальная частота дискретизации, число входных каналов, разрядность и число незначащих бит, ошибки квантования и др.
Диапазон входного напряжения должен соответствовать диапазону выходного напряжения кардиоусилителя, разрядность квантования- 12.. 24 бит. Определение же максимальной частоты дискретизации- более сложный вопрос. Для системы с одним отведением достаточно частоты 256.. 1024 Гц. Если снимается одновременно несколько отведений, то возможны два варианта: в простейшем случае, когда интервал времени между оцифровкой двух отведений не имеет значения, максимальная частота дискретизации рассчитывается по формуле:
где FД- частота дискретизации одного отведения; N- число отведений.
В другом случае важно получить значения электрокардиосигнала с нескольких (обычно двух) отведений в один момент времени, например, когда значения ЭКС одного из анализируемых отведений получаются не путем прямой оцифровки сигнала, а методом алгебраического сложения значений ЭКС двух оцифрованных отведений. Таким способом из первого и второго стандартных отведений можно получить третье и все три усиленных отведения. Это решение позволяет значительно упростить схему коммутации и усиления ЭКС, но предъявляет повышенные требования к частоте дискретизации АЦП:
где t- максимально допустимый интервал между оцифровками двух отведений.
При этом должны соблюдаться два условия:
где t- продолжительность выборки и преобразования одного отсчета сигнала.
Для портативного кардиомонитора очень экономичным является решение, когда для оцифровки ЭКС используется АЦП, размещенный на кристалле центрального процессора. Эти АЦП имеют, как правило, худшие параметры, чем у однокристальных преобразователей, однако, используя качественные усилители и цифровую обработку сигналов, можно добиться вполне приемлемых результатов.
Выбор центрального процессора
В настоящее время существует большое количество микроконтроллеров и цифровых процессоров обработки сигналов (ЦПОС), имеющих достаточно мощный АЦП на своем кристалле. Применение для оцифровки ЭКС аналого-цифрового преобразователя, встроенного в процессор, позволяет сократить число элементов в схеме, уменьшить габариты печатной платы, повысить надежность, увеличить скорость обмена данными с АЦП (за счет использования внутренних шин процессора), уменьшить потребляемую прибором мощность, сделать его более дешевым и доступным. Помимо функций аналого-цифрового преобразования, процессор должен выполнять также и задачи управления всеми схемами прибора и цифровой обработки ЭКС (фильтрация, компрессия, измерение R-R-интервалов, уровня ST-сегмента и др.), а также сохранения электрокардиосигнала в энергонезависимой памяти или передачи его по радиоканалу в центр сбора кардиологической информации. Все это требует достаточно высокопроизводительных микропроцессоров, а с учетом батарейного питания, и микропотребляющих.
Микроконтроллер MSP430 фирмы Texas Instruments имеет 12-разрядный 8-канальный АЦП с внутренним источником опорного напряжения и устройством выборки-хранения. Время выполнения арифметических операций составляет 125 не при потреблении 7 мВт. Это позволяет использовать MSP430 в качестве управляющего (и оцифровывающего) процессора в кардиомониторах с батарейным питанием и средними по сложности задачами обработки электрокардиосигнала. Максимальная частота дискретизации встроенного 8-канального АЦП достигает 470 кГц, что позволяет оцифровывать несколько отведений ЭКС практически одновременно (с интервалом 2,125 мкс).
Для более сложной и ресурсоемкой обработки данных подходит микроконтроллер eCOGl. Максимальная тактовая частота его ядра составляет 25 МГц, напряжение питания- 3,3 В, потребление- 400 мкА/МГц. Микроконтроллер построен по гарвардской архитектуре и имеет 64 Кслов встроенной Flash-памяти и 4 Кслов ОЗУ. Два аналоговых входа встроенного 12-разрядного АЦП являются дифференциальными, что положительно сказывается на качестве оцифрованного ЭКС.
Высший уровень среди процессоров, применяемых для обработки ЭКС, занимают цифровые процессоры обработки сигналов. Отдельные модели ЦПОС семейства TMS320 имеют два 10- разрядных АЦП со встроенным устройством выборки-хранения. Минимальное время преобразования АЦП равно 0,375 мкс. Процессор имеет 16 аналоговых входов, сигналы с которых подаются на АЦП через два 8- входовых мультиплексора. Процессоры данного семейства достигают производительности 40 MIPS (миллионов целочисленных операций в секунду).
Фильтрация от помех
В устройствах первичной обработки электрокардиосигнала, построенных по схемам, изображенным на рис. 1 и 2, фильтрация полезного сигнала от помех осуществляется, как правило, программным способом. В наиболее простых приборах эта функция не реализована вовсе и возлагается на устройства вторичной обработки (ПЭВМ).
По источнику возникновения помехи можно разделить на три вида.