Медицинская техника

Электрокардиография (ЭКГ) - метод исследования электрической  активности сердца. Электрические процессы сердца охватывают диапазон 0,15…300 Гц при  уровне сигналов, отводимых с поверхности  кожных покровов, 0,3…3 мВ.

Среди многочисленных инструментальных методов исследования состояния  пациентов ведущее место справедливо  принадлежит электрокардиографии.

Современные приборы ЭКГ  непрерывно совершенствуются, используя  успехи развития цифровой техники и  разработки новых ИМС, запоминающих устройств (ЗУ) и микропроцессорных  систем (МПС). В клинической практике наиболее широко используют 12 отведении ЭКГ, запись которых, обязательна при обследовании больного. Это 3 стандартных отведения, 3 усиленных однополюсных отведения от конечностей и 6 грудных отведений.

Для формирования трех усилительных однополюсных отведений, в качестве отрицательного электрода применяют  объединенный электрод Гольдберга, который  образуется при соединении двух конечностей  через дополнительное сопротивление.  На рис.1. показан треугольник Эйнтховена и расположение трех осей усиленных однополюсных отведений от конечностей.

 

Рисунок 1. - треугольник Эйнтховена и расположение трех осей усиленных однополюсных отведений от конечностей

 

При грудных отведениях регистрируют разность потенциалов между положительным  электродом, установленным на поверхности  грудной клетки и отрицательным  объединенным электродом Вильсона. Этот электрод образуется при соединении через дополнительные сопротивления  трех конечностей (правой руки, левой  руки и левой ноги), объединенный потенциал, которых близок к 0 (около 0,2 мВ).

Потенциалы грудных отведений  обозначаются заглавными буквами V1…V6. Для расширения диагностических  возможностей ЭКГ применяют 3 дополнительных грудных отведения V7, V8, V9 с установкой электродов на спинной левой поверхности  грудной клетки. Анализ формы и  амплитуды зубцов кардиограммы в  различных отведениях позволяет  проводить диагностику с учетом результирующего вектора желудочковой деполяризации сердца. Такую процедуру, несомненно, легче поводить по записанной на бумажную ленту многоканального ЭКГ. Любая ЭКГ состоит из зубцов, сегментов и интервалов, отражающих сложный процесс регистрации волны возбуждения по сердцу.

На кардиограмме выделяются зубцы P, Q, R, S и Т, которые могут изменятся в различных отведениях. Соотношение амплитуд зубцов позволяет определить положение вектора электрической оси сердца и величину угла α.

 

3.2 Общая структурная схема кардиографа

Многоканальный цифровой кардиометр (рис. 2) предназначен для снятия ЭКГ одновременно по нескольким отведением, преобразования этих сигналов в цифровую форму и записи в ОЗУ для дальнейшего документирования и анализа. Особенностью МЦК является автоматическое измерение основных параметров ЭКГ и логическая обработка результатов измерений. МЦК может, выполнятся как отдельный переносной прибор, так и в виде входного блока стационарного кардиографа.

 

Рисунок 2. - Структурная схема кардиометра

 

Обозначение блоков кардиометра:

ВУ - входной усилитель;

КНО - код номера отведения;

Ф - фильтр нижних частот;

КИ - код информации;

НО - номер отведения;

АК - аналоговый коммутатор;

МУ - масштабный усилитель;

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь;

Г - генератор;

С1 - счетчик-делитель отведения;

С2 - счетчик временных интервалов;

СС - схема согласования;

ДН - дешифратор номера отведения;

ДИ - дешифратор номеров интервалов;

НК - накопитель ОЗУ;

МБА - многоканальный блок анализа;

УК - узел калибровки;

УС - узел сигнализации;

ЛУ - логический узел;

БП - блок питания.

Положительные электроды  отведений подключаются на l входов Х1l, сигналы которых усиливаются  ВУ и через фильтр подаются на аналоговый коммутатор АК. В качестве фильтра  нижних частот можно применять фильтр Баттерворта или другой тип такого звена. Коммутатор на АК подключает каждое из отведений с частотой fk = 100 Гц к АЦП, входные коды которого записываются в ОЗУ. Синхронное управление МЦК выполняется схемой синхронизации (СХС), состоящей из генератора Г задающей частоты fзд, счетчиков делителя С1, С2, дешифратора номеров ДН отведений и дешифратора ДН номеров временных интервалов ЭКГ. Если выбрать соотношение:

 

(1.1)

 

то при коэффициенте счета  ксч = l на выходах дешифратора ДН будут появляться импульсы с частотой 100 Гц, которые будут переключать сигналы l отведений. Эти же импульсы управляются адресами цифровых слов отведений для записи в ОЗУ.

Счетчик С2 управляет адресом ячеек ОЗУ по временным интервалам. Он изменяет адрес строки НК после записи строки цифровых слов и всех l отведений.

 

4. Методика регистрации электрокардиограммы. Электрокардиографическая аппаратура

 

Электрокардиографы —  приборы, регистрирующие изменение  разности потенциалов между двумя  точками в электрическом поле сердца (например, на поверхности тела) во время его возбуждения. Рис 2.1

 

Современные электрокардиографы отличаются высоким техническим  совершенством и позволяют осуществить  как одноканальную, так и многоканальную запись ЭКГ.

В последнем случае синхронно  регистрируются несколько различных  электрокардиографических отведений (от 2 до 6—8), что значительно сокращает  время исследования и дает возможность  получить более точную информацию об электрическом поле сердца.

Электрокардиографы состоят  из входного устройства, усилителя  биопотенциалов и регистрирующего  устройства (рис 2 1). Разность потенциалов, возникающая на поверхности тела при возбуждении сердца, регистрируется с помощью системы металлических  электродов, укрепленных на различных  участках тела рези новыми ремнями  или грушами. Через входные провода, маркированные различным цветом, электрический сигнал подается на коммутатор, а затем на вход усилителя, состоящего из катодных ламп, триодов или интегральных схем.

Малое напряжение, воспринимаемое электродами и не превышающее 1—3 mV , усиливается во много раз и подается в регистрирующее устройство прибора. Здесь электрические колебания преобразуются в механические смещения якоря электромагнита и тем или иным способом записываются на специальной движущейся бумажной ленте. В настоящее время чаще всего используют непосредственную механическую регистрацию этих перемещений якоря электромагнита с помощью очень легкого (малоинерционного) писчика, к которому подводятся чернила.

 

 

В этом случае запись проводится обычно на электрокардиографической бумажной ленте, напоминающей миллиметровку (рис. 2.2). В некоторых электрокардиографах  осуществляется так называемая тепловая запись ЭКГ с помощью писчика, который нагревается и как бы выжигает соответствующую кривую на специальной тепловой бумаге.

Наконец, существуют такие  электрокардиографы капиллярно го типа (мингографы), в которых запись ЭКГ осуществляется с помощью тонкой струи разбрызгивающихся чернил.

Независимо от технической  конструкции каждый электрокардиограф  имеет устройство для регулировки  и контроля усиления. Для этого  на усилитель подается стандартное  калибровочное напряжение, равное 1 mV . Усиление электрокардиографа обычно устанавливается таким образом, чтобы это напряжение вызывало отклонение регистрирующей системы на 10 мм (см. рис. 2.2). Такая калибровка усиления позволяет сравнивать между собой ЭКГ, за регистрированные у пациента в разное время и (или) разными приборами.

Лентопротяжные механизмы  во всех современных электрокар диографах обеспечивают движение бумаги с различной скоростью: 25, 50, 100 мм с"¹ и т.д. В зависимости от выбранной скорости движения бумаги изменяется форма регистрирующей кривой: ЭКГ записывается либо растянутой (рис. 2.2, а), либо более сжатой (рис. 2.2, б).

Анализ электрокардиограммы 12-ти общепринятых стандартных отведений. Повсеместно распространенное исследование, имеющее давние традиции.

Распространенность объясняется  относительно невысокими запросами  к регистрирующей аппаратуре и возможностью постановки диагнозов по внешнему виду графика и небольшому количеству измерений на нем. При кажущейся  простоте анализа именно автоматизированная "расшифровка" 12-ти канальной ЭКГ  представляет большие затруднения  из-за проблем в формализации рассуждения  кардиолога при постановке диагноза.

Анализ вариабельности ритма  сердца (ВСР). Метод основан на выделении из ЭКГ сердечного ритма (R-R интервалов) и последующего его анализа во временной и частотной областях.

ЭКГ высокого разрешения. При регистрации используется одна из ортогональных схем отведений. Метод основан на цифровом усреднении ЭКГ сигнала. В результате получается один сердечный цикл с высоким отношением сигнал-шум. Проводя дальнейшую частотную фильтрацию и нормализацию, получают кривую пригодную для количественного анализа на предмет наличия в сердце зон повреждения по методу Симсона (Simpson). Альтернативный метод с более высокой чувствительностью - преобразование сигнала для анализа в частотно-временной области, например, на основе волнового преобразования (Wavelet transformation).

ЭКГ картирование. Синхронная многоканальная регистрация сердечных потенциалов. Визуализация карты распределения потенциалов по поверхности грудной клетки (поверхностное картирование). При решении обратной задачи (сердце - как электрический генератор, тело - как объемный проводник) возможно построение карты распределения потенциалов непосредственно по поверхности сердца (эпикардиальное картирование). При использовании дипольных моделей электрической активности сердечной ткани можно локализовать источники возбуждения в каждый момент времени.

Суточное мониторирование электрокардиограммы (Холтеровское мониторирование). Длительная (24-48 часов) регистрация на носимый накопитель 2-3 отведений ЭКГ с последующим анализом на центральной станции. В современных системах в роли последней практически повсеместно используется персональный компьютер. Обработка записи сводится к выявлению и классификации эктопических ритмов и комплексов, анализу ВСР, а также для анализа динамики изменений интервалов QT и ST.

 

Требования к  ЭКГ системам. Принципы построения аппаратуры для регистрации ЭКГ.

Электрокардиограф – прибор регистрирующий на бумаге изменение разности потенциалов между точками в электрическом поле сердца (на поверхности тела) во время его возбуждения. Приведем наиболее важные характеристики, диктуемые требованиями ГОСТ и международных стандартов к ПРИБОРАМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ СЕРДЦА. ГОСТ 19687—89 определяет основные характеристики приборов типа электрокардиографы и электрокардиоскопы следующим образом.

Основные параметры приборов должны соответствовать приведенным в таблице.

 

Таблица 1

Наименование параметра

Значение параметра

1. Диапазон входных напряжении U, мВ. впределах 2. Относительная погрешность измерения  напряжения* и, в диапазонах: от 0,1 до 0,5 мВ, %, не более от 0,5 до 4 мВ, %, не более 3. Нелинейность, %, в пределах: для электрокардиографов для электрокардиоскопов 4. Чувствительность S, мм/мВ 5. Относительная погрешность установки  чувствительности ?s %. в пределах 6. Эффективная ширина записи (изображения)  канала В, мм, не менее 7. Входной импеданс Zвх, МОм, не менее 8. Коэффициент ослабления синфазных  сигналов Кс, не менее: для электрокардиографов для электрокардиоскопов 9. Напряжение внутренних шумов,  приведенных ко входу Uш, мкВ, не более 10. Постоянная времени ?. с. не менее 11. Неравномерность амплитудно-частотной  характеристики (АЧХ) ? в диапазонах частот: от 0,5 до 60 Гц, % от 60 до 75 Гц, % 12. Относительная погрешность измерения  интервалов времени ? т в диапазоне интервалов времени от 0.1 до 1.0 с,% не более 13. Скорость движения носителя  записи (скорость развертки) Vн мм/с 14. Относительная погрешность установки  скорости движения носителя записи (скорости развертки) ?v,%, в пределах: для электрокардиографов для электрокардиоскопов

От 0,03 до 5   ±15 ±7   ±2 ±2.5 2.5*; 5; 10; 20; 40* ±5 40 5       100000 28000 20 3.2   от -10 до +5 от -30 до +5   ±7     25,50 допустимы и иные значения   ±5 ±10

 

Выработанные за время  развития электрокардиографии стандарты  на технические характеристики приборов вполне обоснованы, объяснимы и в  совокупности определяют структурный  состав и схемотехническое решение  основных блоков и узлов электрокардиографов.