АЦП В ПРИБОРАХ РЕГИСТРАЦИИ БИОПОТЕНЦИАЛОВ

5.1. Варианты использования АЦП в приборах регистрации биосигналов:

Проведем сравнительную оценку характеристик аналого-цифровых преобразователей (АЦП) применительно к приборам регистрации биопотенциалов. Обсудим альтернативные варианты применения АЦП, в зависимости от конкретных задач медицинского мониторирования.

В результате анализа схемотехнических решений приборов регистрации биопотенциалов (ПРБ) была построена обобщенная структура, позволяющая оценивать возможные функциональные варианты построения приборов в зависимости от поставленных задач. Независимо от класса и функционального назначения устройств, их можно представить в виде блоков, показанных на рис. 27.

Рис. 27 Обобщенная структура ПРБ

Детализацию блоков обобщенной структуры можно отобразить в виде блок-схемы, представленной на рис. 28, характерной для типичных случаев реализации ПРБ.

Входные устройства и устройства преобразования информации относятся к устройствам первичной обработки биопотенциалов. Одной из самых важных операций, осуществляемых в устройствах первичной обработки ПРБ, является аналого-цифровое преобразование. Для получения высоких разрешающих способностей, при широком входном диапазоне, необходим АЦП с эффективной разрядностью при преобразовании не менее 12 бит и частотой преобразования f_дискр 2f_max, где, например, при регистрации электрокардиосигнала (ЭКС) f_max= 120 Гц - верхняя граница наиболее информативной части спектра ЭКС.

Рис. 28 Обобщенная структура ПРБ

Необходимое число уровней квантования - N при заданном входном диапазоне U_вх и эффективной разрешающей способности r_эффопределяется как:

Шум квантования АЦП определяется ошибками округления исходного сигнала (ошибками квантования). Поскольку предсказуемой взаимосвязи между ошибками квантования не существует (статическая независимость), то приближенно можно считать, что плотность спектра мощности шума квантования распределена от -f_дискр/2до f_дискр/2. В рабочей полосе частот от -f_maxдо f_max отношение сигнал/шум - SNR при равномерном квантовании зависит от длины кодовых слов n (бит) и частоты дискретизации f_дискр .

С увеличением f_дискр (передискретизация) на одну и ту же полосу частот f_max приходится всё меньшая мощность шума, причем при каждом удвоении частоты f_дискр отношение сигнал/шум улучшается на 3 дБ.

Далее приведем основные характеристики наиболее распространенных АЦП. На примере разработанных дифференциального термометра и регистратора ЭКС рассмотрим типичные варианты применения АЦП интегрирующего типа.

В основу принципа работы параллельных АЦП положен метод непосредственного преобразования аналогового сигнала в цифровой код с помощью сравнения аналогового сигнала с уровнями квантования посредством компараторов, на входы которых подается напряжение уровня квантования и преобразуемый сигнал. В результате на выходах компараторов отображается результат сравнения сигнала с уровнями квантования. Затем полученный результат кодируется с помощью приоритетного шифратора. Достоинства метода заключаются в высоком быстродействии, достигающем десятков наносекунд, обусловленном быстродействием компараторов, тактовой частотой триггеров и временем шифрации. В то же время, метод имеет недостатки:

· для реализации n-разрядного АЦП необходимо 2n - 1 компараторов, то есть с ростом разрядности резко увеличиваются аппаратные затраты;

· при определенных задержках на триггерах проявляется нестабильность выходного кода АЦП и, как следствие, невысокая точность (8-10 двоичных разрядов);

· быстрые компараторы потребляют большой ток, что порождает большую входную емкость и энергопотребление;

· так как входная емкость компаратора является функцией его логического состояния, то входная емкость всего АЦП зависит от напряжения на входе, что приводит к снижению точности преобразования с увеличением частоты входного сигнала;

· низкая помехозащищенность.

В зависимости от организации кодирующей логики различают: АЦП с прямой логической сверткой, АЦПс кодом Грея, и с комбинированной сверткой.

Поскольку АЦП данного типа, как правило, имеют быстродействие, большее чем микропроцессорная система (МПС), то приходится вначале записывать данные с выхода АЦПв быстродействующее буферное ОЗУ. Учитывая невысокую точность и низкую помехозащищенность, применение данных АЦП в приборах регистрации биопотенциалов нецелесообразно.

Принцип АЦП последовательного типа заключается в следующем: цифровой счетчик по определенному алгоритму выдает код, который преобразуется в аналоговый сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) в цепи обратной связи, с помощью компаратора производится сравнение преобразуемого сигнала с подбираемым. Сигнал с выхода компаратора анализируется АЦП и в соответствии с алгоритмом выдается следующий код для сравнения, таким образом, происходит подбор кода, значение которого пропорционально преобразуемому сигналу. Код пропорционален сигналу, так как ЦАП преобразует код с некоторой погрешностью.

Разновидностью АЦП последовательного типа является АЦП последовательного приближения. Это самый распространенный способ АЦП-преобразования. Алгоритм следующий: при подаче команды преобразования преобразователь очищается, и выходное напряжение старшего разряда ЦАП подается на компаратор для сравнения. Выходное напряжение старшего разряда эквивалентно половине полного диапазона преобразователя. Если преобразуемый сигнал больше, чем подбираемый, то в искомом коде устанавливается единица, в противном случае, сбрасывается в ноль. Эта операция продолжается до младшего разряда.

Данный способ построения АЦП имеет, по сравнению с параллельными и рассмотренными ниже интегрирующими АЦП, среднее быстродействие: типичное значение времени преобразования - 1...10 мкс, средняя точность - 10...14 двоичных разрядов. К недостаткам данного метода относится большая чувствительность к импульсным помехам, к достоинствам - хорошее согласование по времени измерения с применяемыми МПС, невысокая стоимость и сложность.

АЦПпоследовательного типа лучшим образом используются, если несколько сигналов должны быть подвергнуты одинаковой цифровой обработке, например, при регистрации более одного электрокардиографического (ЭКГ) отведения. В типичном случае, относящемся к сбору информации, производится выборка поступающих в устройство входных сигналов, их коммутация и преобразование, прежде чем они будут обработаны вычислительным микропроцессорным устройством.

АЦП с преобразованием напряжения в частоту основаны на подсчитывании числа циклов интегрирования за фиксированное время. Входной аналоговый сигнал интегрируется и подается на компаратор. Когда компаратор меняет своё состояние, интегратор сбрасывается и процесс повторяется. Число циклов интегрирования пропорционально значению аналогового сигнала. К достоинствам данного метода следует отнести превосходное подавление шума, так как цифровой сигнал отображает среднее значение входного сигнала. Но применение данного метода ограничивает слишком большое время преобразования, что характерно для систем с интеграторами. В АЦП с генератором пилообразных напряжений преобразование осуществляется путем непрерывного сравнения преобразуемого сигнала с линейным опорным пилообразным сигналом с помощью компаратора. Компаратор при изменении своего состояния запускает счетчик, который считает в течение времени, пока компаратор имеет высокий логический уровень, это время пропорционально значению входного сигнала. По сравнению с последним из вышеизложенных методов, этот метод более быстродействующий, но требует очень высокой линейности источника пилообразного напряжения.

Принцип преобразования АЦП следящего типа основан на непрерывном слежении с помощью реверсивного счетчика. Код, вырабатываемый счетчиком, преобразуется в аналоговый сигнал и сравнивается с помощью компаратора. Результат сравнения управляет инкрементированием или декрементированием кода.

К последовательным АЦП относятся также АЦП интегрирующего типа. Преимущества данных АЦП следующие:

· нечувствительны к импульсным помехам;

· нечувствительны к периодическим помехам, если их период в целое число раз меньше периода интегрирования;

· являются наиболее точными: типичная точность - 4...6 десятичных знаков, что соответствует 14...20 двоичным разрядам.

При работе интегрирующих АЦП в составе МПС возможна программная реализация части измерительной процедуры, а именно второго этапа - измерения временных характеристик последовательности импульсов. Это измерение можно реализовать как чисто программно при отсчете времени по счетчику команд или циклов, так и с использованием таймеров. Однако преобразователи данного типа являются наименее быстродействующими из всех: типичное время преобразования – 1-1000 мс.

Принимая во внимание высокие показатели помехоустойчивости АЦП интегрирующего типа, а также их высокую точность, сделан вывод о целесообразности их применения в регистраторах температуры биологически активных точек.

Общая схема устройств первичной обработки информации с использованием АЦПинтегрирующего типа может быть представлена в виде, показанном на рис. 29.

Рис 29. Общая схема устройства с интегрирующим АЦП

В разработанном регистраторе температуры биологически активных точек использовалась полупроводниковая БИС АЦП КР572ПВ5, специально ориентированная на применение с жидкокристаллическими индикаторами (ЖКИ).

КР572ПВ5 выполняет функцию АЦП двойного интегрирования с автоматической коррекцией нуля и определением полярности входного сигнала. Диапазон допустимого опорного напряжения U_REF от 0,1 до 1,0 В.

Цифровой дифференциальный медицинский термометр предназначен для измерения разности температур между двумя точками на поверхности кожи человека с точностью ±0,1ºC.

Основу термометрического усилителя составляет операционный усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией сигнала и стабилизацией нуля типа 140УД24. Поскольку выходное напряжение термопары очень мало, к параметрам усилителя и АЦП предъявляются достаточно высокие требования. В частности, необходимы очень низкие значения напряжения смещения и температурного коэффициента усилителя. Для микросхемы 140УД24 они составляют, соответственно, 5 мкВ и 0,05 мкВ/ºС. Использование в регистраторе АЦП интегрирующего типа наиболее приемлемо вследствие высокой точности преобразования и хорошей помехозащищенности. Низкое быстродействие АЦП в данном случае вполне приемлемо при эксплуатации прибора.

Двухтактный интегрирующий АЦП состоит из интегратора, компаратора, устройства управления, счетчика и источника опорного напряжения. В течение фиксированного интервала времени происходит интегрирование преобразуемого сигнала. По истечении этого времени счетчик переполняется, и к интегратору подключается источник опорного напряжения. Так как опорное напряжение постоянно, то время интегрирования будет пропорционально входному сигналу.

Результат преобразования АЦП двойного интегрирования представляется цифровым кодом N_X, эквивалентным среднему значению напряжения на аналоговом входе, преобразуемому за фиксированный интервал времени T_X в соответствии с выражением:

откуда T_X = U_XT₀/U_REF, где T₀ - фиксированный интервал интегрирования напряжения на аналоговом входе; T_X - интервал интегрирования U_REF; U_X - среднее значение напряжения на аналоговом входе. Число тактовых импульсов постоянной частоты f_Т.П. соответствует коду NX, как NX = U_XT₀f_Т.П./U_REF. Для КР572ПВ5 T₀ = 1000, тогда N_X = 103U_X/U_REF. Цифровая информация на выходе микросхемы представляется в специальном коде, предназначенном для непосредственного управления 3,5-декадным цифровым табло с 7-сегментными полупроводниковыми индикаторами. Диапазон входного сигнала определяется значением внешнего опорного напряжения и соотношением U_1RN = ±1,999U_REF. Текущие показания цифрового табло соответствуют 1000·(U_1RN/U_REF). Под погрешностью преобразования δ понимается разность между номинальным значением выходного кода БИС и значением, установленным после преобразования постоянного напряжения от эталонного источника.

Таким образом, АЦП двойного интегрирования хорошо подходят для точной, но медленной обработки сигналов (например, термометры, регистраторы ЭКГ, не требующие работы в режиме реального времени).

Разновидностью АЦП интегрирующего типа являются дельта-сигма и сигма-дельта АЦП (ранее назывались АЦП с уравновешиванием или балансом зарядов). Принцип дельта-сигма АЦП основан на нейтрализации среднего входного тока с помощью источника тока или заряда. Входное напряжение поступает на интегратор, выходной сигнал которого сравнивается с фиксированным напряжением. В зависимости от выходного сигнала компаратора, импульсы тока фиксированной длительности (то есть с фиксированным приростом заряда) подключаются либо к суммирующему входу, либо к земле, что позволяет поддерживать нулевой средний ток на суммирующем входе - принцип уравновешивания. Счетчик отслеживает число импульсов подключения в постоянный промежуток времени. Число подключений будет пропорционально среднему входному уровню.

В последние годы сигма-дельта архитектура широко применяется в АЦП высокого разрешения в виде СБИС.

Основным принципом сигма-дельта (Σ - ∆) АЦП является усреднение результатов измерения на большом интервале времени для уменьшения погрешности, вносимой шумами, и увеличения разрешающей способности. Σ - ∆ АЦП имеет преимущества перед другими интегрирующими АЦП (однотактного и многотактного интегрирования). Линейность характеристики Σ - ∆ АЦП выше, так как его интегратор работает в узком динамическом диапазоне, и нелинейность переходной характеристики усилителя (на котором построен интегратор) сказывается значительно меньше. Емкость конденсатора интегратора Σ - ∆ АЦП значительно меньше (десятки пФ), и конденсатор может быть изготовлен прямо на кристалле СБИС. Σ - ∆ АЦП практически не имеет внешних элементов, что существенно сокращает площадь, занимаемую им на плате, и снижает уровень шумов. Большинство интегральных сигма-дельта АЦП имеют развитую аналоговую и цифровую часть, встроенный контроллер. Это позволяет реализовать режимы автоматической установки нуля и самокалибровки полной шкалы, хранить калибровочные коэффициенты и передавать их по запросу внешнего МПУ. Σ - ∆ АЦП широко применяют в измерительных устройствах, где требуется большой динамический диапазон при низкой скорости выдачи отсчетов.

В Σ - ∆ АЦП аналоговый сигнал квантуется с низким разрешением на частоте, превышающей максимальную частоту спектра сигнала. Используя методику передискретизации (процесса шумообразования в Σ - ∆ модуляторе) в сочетании с цифровой фильтрацией, можно значительно повысить разрядность. Для снижения эффективной скорости поступления отсчетов на выходе АЦП применяется децимация. Однобитовые Σ - ∆ АЦП обладают превосходной дифференциальной и интегральной линейностью благодаря линейности однобитового квантователя. Характерными представителями узкополосных 24-х разрядных Σ - ∆ АЦП (для промышленного применения) являются AD7711/14 фирмы ANALOG DEVICES, имеющие последовательный интерфейс и программируемый коэффициент усиления от 1 до 128. Анализируя параметры указанных АЦП, следует отметить низкую потребляемую мощность (10 мВт) микросхемы AD7714 при возможности питания от источников напряжения как +5, так и +3 В.

Использование многоразрядных Σ - ∆ АЦП в приборах регистрации биопотенциалов позволяет "передвинуть" проблемы конструирования, связанные с буферными усилителями, фильтрами и другими вспомогательными устройствами, в область высоких частот, вследствие высокой тактовой частоты (реальной частоты квантования) АЦП. Σ - ∆ архитектура допускает снижение требований к аналоговым фильтрам низкой частоты, подавляющим помехи вне рабочей полосы, ограничиваясь в большинстве случаев RC-звеном 1-го порядка. В силу принципиальных особенностей (фазовые сдвиги в цепи обратной связи) активные фильтры имеют большой уровень нелинейных искажений. Кроме того, технологический разброс номиналов пассивных компонентов не позволяет применять в многоканальных системах активные фильтры высоких порядков.

В данном случае обобщенная структура устройств первичной обработки информации применительно к регистратору ЭКС будет выглядеть как показано на рис. 30.

Рис. 30. Cтруктура устройств первичной обработки регистратора ЭКС

Разработанный автономный регистратор ЭКС включает в себя МПУ (AT89C55), энергонезависимое запоминающее устройство (DS-1646) и Σ - ∆ АЦП (AD7714).

Динамические характеристики Σ - ∆ АЦП, в отличие от других типов преобразователей, не ухудшаются в рабочей полосе частот при приближении к частоте Найквиста. Напротив, по мере приближения к верхней частоте среза внутреннего цифрового фильтра, можно наблюдать, например, улучшение коэффициента гармоник.

Программируемый коэффициент усиления без ощутимого ухудшения параметров расширяет диапазон исследуемых сигналов, что сильно влияет на точность исследования слабых сигналов. Допустим, коэффициент усиления равен 128, а напряжение максимальной шкалы - ±2,25 В. В этом случае входной сигнал с уровнем ±17,6 мВ можно собирать практически с тем же разрешением, что и ±2,25 В, - как будто к эффективной разрядности добавились дополнительные разряды (чуть меньше 8).

Преимущество дифференциальных входов на плате сбора электрокардиографической информации, по сравнению с недифференциальными, проявляется при подавлении наводимых на соединительные провода электродов синфазных помех, чей уровень может существенно превысить внутренние шумы Σ - ∆ АЦП.

Высокие показатели линейности, прекрасное подавление помех и продуктов переотражения с помощью встроенных фильтров, принцип дискретизации, не требующий применения выборок-хранения, выдвигают на передовые позиции разработки Σ - ∆ преобразователей и аппаратно-пограммных комплексов на их основе.

Область применения Σ - ∆ преобразователей включает в себя телефонию, высококачественное цифровое воспроизведение звука, виброанализ, тензометрические и гидроакустические системы. В последнее время она стремительно охватывает как ультразвуковую, так и кардиодиагностику.

В процессе проектирования регистратора ЭКС решался вопрос совместимости платы ввода информации со средствами цифровой обработки. Возможны два пути его решения: размещение на плате сбора данных локального интерфейса для связи с устройствами обработки данных либо непосредственное расположение всех устройств на общей плате. Конечно, наличие на плате ввода дополнительной памяти, микроЭВМ и источников опорного напряжения имеет выгодные экономические и эксплуатационные показатели, но известно, что импульсные источники питания, микросхемы статической или динамической памяти - мощные источники импульсных помех, легко распространяющихся по цепям питания. Вследствие этого помехи, наводимые на часто применяемые элементы входных фильтров, операционных усилителей и мультиплексоров, оказываются неприемлемо высокими.

Однако, в малогабаритных переносных регистраторах ЭКС разнесение платы сбора и устройств обработки информации (разнесение аналоговой и цифровой частей схемы), даже на незначительное расстояние, приводит к резкому понижению надежности устройства. Поэтому, для получения компактного высоконадежного устройства регистрации ЭКС все элементы ввода и обработки информации были размещены на одной печатной плате c использованием Σ - ∆ АЦП. Это позволило отказаться от применения дополнительных входных устройств, относительно сложных инструментальных усилителей для подавления синфазной помехи, схем выборки-хранения и мультиплексора перед входом АЦП, крупногабаритных конденсаторов с малыми токами утечки и других аналоговых устройств. Замена перечисленных устройств одной СБИС Σ - ∆ АЦП позволила создать надежный помехоустойчивый прибор, осуществляющий наиболее полную цифровую обработку ЭКС.

5.2. Проектирование современных средств регистрации биомедицинских сигналов и мониторинга:

Приоритетным направлением информатизации медицины является мониторинг здоровья населения, который представляет собой систему оперативного слежения за состоянием и изменением здоровья населения. Мониторинг является постоянно совершенствующимся механизмом получения разно уровневой информации для углубления оценки и прогноза состояния здоровья населения. Автономные медицинские измерительные приборы являются ключевым элементом в системах мониторинга различного типа. В медицинской практике широко используются такие приборы, предназначенные для контроля деятельности сердечно-сосудистой системы по электрокардиограмме (ЭКГ). Это связано с тем, что одной из основных причин смертности людей в трудоспособном возрасте являются сердечно-сосудистые заболевания. Сердечно-сосудистые заболевания лидируют среди причин смертности и инвалидизации взрослого населения экономически развитых стран мира, и имеют тенденцию к прогрессированию. По данным ВОЗ, продолжительность жизни на 50% определяется наличием заболеваний органов кровообращения. Этим обусловлена необходимость разработки и совершенствования средств мониторинга для объективной оценки и прогнозирования состояния сердечно-сосу-дистой системы.

Выделим основные принципы построения современных средств мониторинга биомедицинских сигналов на примере анализа различных подходов к построению кардиографических систем и систем прикроватного мониторинга.

Структура средств регистрации биомедицинских сигналов и мониторинга:

Качество и потенциальные возможности диагностических систем определяются ещё на этапе сбора данных, а в частности, на этапе регистрации биомедицинских сигналов. Этому вопросу необходимо уделить особое внимание при построении диагностических систем. Измерение уменьшает исходную неопределенность значения физической величины до уровня неизбежной остаточной неопределенности, определяемой погрешностью измерения. Таким образом, возможность получения вторичной информации на основе анализа зарегистрированных биоэлектрических сигналов определяется первичным потоком информации, а, следовательно, существует предел выделения диагностически полезной информации. Для дальнейшего совершенствования диагностических методик, необходим комплексный подход к совершенствованию аппаратных инструментальных средств первичного сбора данных.

На рис. 31 показана обобщённая блок-схема устройств регистрации биосигналов. Полезный сигнал снимается с биообъекта с помощью датчиков, которые выполняют преобразование в электрический сигнал. Далее сигнал усиливается и в общем случае претерпевает аналоговую обработку. Основная обработка информации осуществляется, как правило, средствами ЦОС, для чего сигнал оцифровывается с помощью АЦП. В зависимости от требуемых вычислительных ресурсов систему строят или на базе микроконтроллеров (микроконверторов), или процессорах цифровой обработки сигналов. Как правило, большинство медицинских диагностических приборов являются автономными и функциональными законченными системами. Поэтому в состав устройств, входят дополнительные вспомогательные устройства (термопринтеры, интерфейсы записи на карты памяти и т.д.), интерфейс пользователя, а также интерфейс коммуникации с другими системами и/или ПК. Большинство классических систем диагностики и мониторинга имеют именно описанную выше структуру.

Структура современных средств диагностики и мониторинга должна обеспечивать возможность решения всё более динамически расширяющегося круга задач. При этом следует отметить, что темпы развития современных медицинских методик зачастую превышают скорость смены медицинского оборудования. Таким образом, структура современных средств мониторинга и регистрации биомедицинских сигналов должна быть гибкой, обеспечивать возможность простого расширения, масштабирования, адаптации под особенности той или иной диагностической методики. Поэтому принципы универсализации и унификации имеют первостепенное значение.

Анализируя структуру построения современных средств лидирующих производителей медицинского оборудования, необходимо отметить такую отличительную особенность построения как модульность. Модульность подразумевает построение системы из отдельных функциональных (а возможно и конструктивно завершенных) модулей, каждый из которых выполняет довольно узкую задачу сбора данных, обработки, анализа, а также возможно ряд системных и сервисных функций. Такой подход позволяет легко конфигурировать систему под нужды пользователя.

Рис. 31. Обобщённая блок-схема устройств регистрации биосигналов

Однако следует отметить, что основным недостатком данного подхода является некая избыточность в построении системы в целом, которая влечёт увеличение стоимости и габаритов. Этот недостаток компенсируется целым рядом преимуществ, которые проявляются как на стадии разработки системы, так и на стадии производства и эксплуатации. Модульность позволяет распараллелить процесс разработки на несколько направлений. Требуется учитывать значительно меньшее число влияющих друг на друга факторов и требования к отдельному модулю значительно упрощаются. На этапе производства, модульность обеспечивает независимость циклов изготовления и наладки, а также тестирования отдельных модулей. При эксплуатации модульной системы, принципиально возможно переконфигурирование целостной системы без вмешательства высококвалифицированных специалистов за счёт изменения её состава, тем самым обеспечивается лёгкая модернизация и адаптация к требованиям современных диагностических методик.

Структура модульной системы показа на рис. 32. Модульное построение системы также позволяет решить целый ряд технических проблем. Например, согласно требованиям электробезопасности необходимо обеспечить гальваническую развязку на достаточно высокое напряжение порядка 4 кВ (точное значение зависит от класса аппаратуры и методики применения). Построение конструктивно завершенных модулей с гальванически развязанным интерфейсом передачи данных позволяет эффективно решать подобные задачи.

В силу необходимости сокращения времени разработки новых средств мониторинга и диагностики, снижения затрат на всех этапах их жизненного цикла, и в связи с повышением интеллекта подобных систем, функциональная нагрузка перекладывается на программное обеспечение, оставляя за аппаратной составляющей лишь низкоуровневые операции. Преимущества такого подхода очевидны как для разработчика, так и для пользователя, который получает возможность последующей функциональной модернизации изделия без замены аппаратной части. Технологический цикл разработки и эксплуатации таких систем требует новых подходов, отвечающих новым потребностям.

Рис. 32. Структура модульной системы мониторинга

На рис. 33 приведена структурная схема модуля ввода электрокардиосигнала. Данный блок является примером модуля ввода системы мониторинга. Первичные ЭКГ потенциалы регистрируются с поверхности кожного покрова пациента согласно выбранной системе отведений. Электроды подключаются экранированным кабелем к входам модуля. Экранированный кабель используется для уменьшения влияния внешних шумов и наводок, связанных с работой различной аппаратуры. При этом следует отметить, что кабель отведений может содержать ограничительные резисторы 10-15 кОм, однако в таком случае исключается возможность использования этих же электродов для регистрации паттерна дыхания. Блок входных усилителей формирует соответствующие аналоговые электрические сигналы отведений ЭКГ (биполярных и униполярных), а также выполняют первичную аналоговую фильтрацию (ФНЧ с частотой среза ниже частоты Найквиста, ФВЧ для уменьшения дрейфа изолинии). Следует отметить, что в данном блоке используются аналоговые фильтры невысоких порядков (1-го и 2-го порядка) без жёстких требований к коэффициенту в полосе задерживания. Однако к этим фильтрам предъявляются жёсткие требования внесения минимально возможных искажений и шумов в сигнал ЭКГ. Входы модуля имеют встроенную защиту от статических разрядов и воздействия дефибриллятора, построенные на основе параметрических ограничителей на входах. Усиленный аналоговый сигнал поступает на входы сигма-дельта АЦП. Контроллер аналоговой части участвует в процессе сбора данных с АЦП и передачи их через гальванические развязки в процессор цифровой обработки сигналов, а также управляет ключами аналоговой части.

Рис. 33. Структурная схема модуля ввода электрокардиосигнала

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) является базовым принципом для разработки функциональной структуры современных многоканальных диагностических систем. Качество ЦОС в значительной мере определяется качеством аналого-цифрового преобразования (АЦП), которое, в свою очередь, в значительной мере зависит от качества выделения электрического сигнала. Для выделения электрического сигнала обычно используют различного рода преобразователи, а также ряд специфичных усилителей-формирователей (в частности, построенных на основе инструментальных усилителей) и аналоговую фильтрацию.

Современная компонентная база предоставляет широкий выбор ИС АЦП. На рис. 34 приведены наиболее применяемые типы АЦП в зависимости от требуемой разрядности преобразовании и частоты дискретизации. Наиболее широким классом в настоящее время является класс АЦП последовательного приближения, применение которых лежит в области широкого круга задач, не требующих высокой разрядности (до 16-17 бит) и не требующих оцифровывания высокочастотных сигналов. Среди лидирующих фирм производителей АЦП следует отметить компании Analog Devices, Texas Instruments, Linear Technology. Фирма Analog Devices выпустила новую ИС AD7680, которая представляет собой 16-разрядный АЦП последовательного приближения с 15-разрядным кодом без пропусков в корпусе SOT-23 с 6 выводами. Это первый промышленный 16-разрядный АЦП последовательного приближения в этом малогабаритном корпусе. Обладая высокой пропускной способностью (100000 циклов/с) и используя передовые методы разработки для достижения низкого уровня рассеивания мощности (обычно 3 мВт при 3 В и 15 мВт при 5 В), этот преобразователь является новейшим пополнением семейства 16-разрядных АЦПпоследовательного приближения PulSAR™, выпускаемого Analog Devices Inc. (ADI). АЦП параллельного и конвейерного типа находят применение в довольно узком классе задач в области сбора биомедицинских сигналов, таких как УЗ сканеры, оцифровка видеоизображений, рентгеновской технике и т.д.

Рис. 34.Применяемость различных типов АЦП в зависимости от эффективной разрядности и частоты дискретизации

С развитием технологии производства сверхбольших интегральных схем появилась доступная элементная база, реализующая принцип сигма-дельта (Σ-Δ) аналого-цифрового преобразования в одной микросхеме. Сигма-дельта АЦП обладает высоким разрешением (более 14 разрядов). Технология сигма-дельта АЦП базируется на принципах цифровой фильтрации сигналов, что позволяет снизить требования к аналоговой фильтрации сигналов и значительно упростить аналоговую аппаратную часть системы.

На рис. 35 приведена структура аналогового тракта на основе АЦП последовательного приближения. В связи с требованиями по электробезопасности и электрозащите согласно стандарту International Standard IEC/EN 601 входы защищены от разрядов электродифибриллятора. Как правило, информационные входные измеряемые сигналы являются дифференциальными. Поэтому при разработке и конструировании следует уделять особенное внимание симметричности входных цепей. Информационный сигнал, как правило, формируется инструментальным усилителем. На структурной схеме показан инструментальный усилитель Analog Devices AD8220. В многоканальных ЭКГ мониторах используются входные усилители с высокими характеристиками и минимальными размерами. Усилитель AD8220 выпускается в корпусе 8-MSOP. Его размеры вдвое меньше размеров ближайших аналогов. Rail-to-rail выход обеспечивает максимальный коэффициент усиления при однополярном напряжении питания. Усилитель имеет малую потребляемую мощность при одно- и двухполярном напряжении питания.

Рис. 35.Структура аналогового тракта на основе АЦП последовательного приближения

Использование многоразрядных Σ-Δ АЦП в приборах регистрации биопотенциалов позволяет «передвинуть» проблемы конструирования, связанные с буферными усилителями, фильтрами и другими вспомогательными устройствами, в область высоких частот, вследствие высокой тактовой частоты (реальной частоты квантования) АЦП. Σ-Δ архитектура допускает снижение требований к аналоговым фильтрам низкой частоты, подавляющим помехи вне рабочей полосы, ограничиваясь, в большинстве случаев, RC-звеном 1-го порядка. Активные фильтры высоких порядков за счёт нелинейности ФЧХ вносят большой уровень фазовых искажений в сигнал, искажая форму сигнала, что может привести к ошибкам при диагностике. Кроме того, технологический разброс номиналов пассивных компонентов не позволяет применять в многоканальных системах активные фильтры высоких порядков. На примере ИС сигма-дельта АЦП фирмы Analog Devices AD7731 видно, что сигма-дельта АЦП являются достаточно функ-циональным компонентом системы сбора данных, включая на кристалле тактовый генератор, мультиплексор, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, собственно сигма-дельта модулятор, цифровой фильтр, цифровой фильтр 2-ой ступени, цифровую интерфейсную часть.

Обобщённая структура аналогового тракта на основе сигма-дельта АЦПпоказана на рис. 36 и имеет ряд принципиальных отличий от систем построенных на базе АЦП последовательного приближения. Прежде всего следует, отметить тот факт, что применение метода последовательного опроса каналов не находит широкого применения при использовании сигма-дельта АЦП в силу достаточно большого времени, требуемого для получения корректных данных на выходе АЦП после скачкообразного изменения сигнала на входе при переключении мультиплексора. Следовательно, при построении многоканальных систем сбора биомедицинских сигналов (каковыми является большинство медицинских диагностических систем) приходится применять многоканальные сигма-дельта АЦП и/или использовать несколько синхронизированных ИС АЦП. Одним из передовых решений является ИС фирмы Texas Instruments AD1278. ИС включает в себя 8 независимых каналов реализованных на той же базе, что и одноканального АЦП AD1271, 8 цифровых фильтров, интерфейс SPI и Frame Sync, а также управляющую логику. Разрядность сигма-дельта АЦП 24 бита, а частота дискретизации выходных отсчётов до 128 кГц, при этом все каналы могут работать одновременно. Также легко решается проблема синхронизации выборок по большому числу каналов, а также синхронизации работы нескольких ИС при необходимости с помощью вывода SYNC. Сигма дельта модулятор 6-го порядка стабилизированный входом с переключающимися конденсаторами позволяет получить низкий уровень шумов (8.5 мкВ) и дрейфа (0.8 мкВ/°C).

Рис. 36. Структура аналогового тракта на основе сигма-дельта

Динамические характеристики Σ-Δ АЦП, в отличие от других типов преобразователей, не ухудшаются в рабочей полосе частот при приближении к частоте Найквиста. Напротив, по мере приближения к верхней частоте среза внутреннего цифрового фильтра, можно наблюдать, например, улучшение коэффициента гармоник.

Преимущество дифференциальных входов на плате сбора электрокардиографической информации, по сравнению с недифференциальными, проявляется при подавлении наводимых на соединительные провода электродов синфазных помех, уровень которых может существенно превысить внутренние шумы Σ-Δ АЦП.

Высокие показатели линейности, прекрасное подавление помех и артефактов наложения с помощью встроенных фильтров, принцип дискретизации, не требующий применения схем выборки-хранения, выдвигают на передовые позиции разработки аппаратно-программных комплексов на основе Σ-Δ преобразователей.

Таким образом, наиболее распространённым и оправданным в системах мониторинга является применение современных АЦП последовательного приближения с интегрированным мультиплексором. Перспективным является применение многоканальных ИС сигма-дельта АЦП в системах диагностики и мониторинга с расширенными диагностическими возможностями, при этом аналоговая обработка значительно упрощается и может быть реализована на 2-3 ИС [10-11].

Таким образом, средства сбора данных являются определяющим фактором, который потенциально ограничивает возможности диагностической системы в целом.

Модульная структура современных средств диагностики и мониторинга позволяет значительно ускорить процесс разработки целостной системы за счёт распараллеливания процесса разработки, даёт возможность легко адаптировать конфигурацию системы, изменяя набор модулей, а также улучшить характеристики отдельных каналов системы за счёт уменьшения взаимного влияния.

Комплексный подход к проектированию средств мониторинга и биомедицинских сигналов позволяет значительно упростить аппаратное обеспечение системы и улучшить её характеристики в целом за счёт оптимального распределение задач между аппаратными и программными средствами.

5.3. Обоснование структуры входных цепей 12-канального электрокардиографа:

Входные цепи ЭКГ должны усиливать довольно слабый сигнал в диапазоне напряжений 0,5-5 мВ в сочетании с постоянной составляющей величиной до ±300мВ, которая возникает при контакте электрода с кожей, плюс синфазная составляющая величиной до 1 В между электродами и общим проводом. Полоса частот, подлежащая обработке и анализу, составляет от 0,05 до 100 Гц.

Используемые отведения:

Отведения по Эйнтховену:

где L, R, F - потенциалы левой, правой руки и левой ноги соответственно.

Усиленные отведения по Гольдбергеру:

Грудные отведения по Вильсону:

где Ci - точка на поверхности грудной клетки, i = 1..6 [3].

Таким образом, вместо непосредственного снятия усиленных отведений и III отведения Эйнтховена можно восстановить их программным способом, выразив их через I и II отведения Эйнтховена.

На рис. 37 представлена типовая структура одноканального ЭКГ.

Рис.37. Типовая структура одноканального ЭКГ с АЦП низкого разрешения

Использование современных высокопроизводительных многоканальных сигма-дельта АЦП высокого разрешения с быстрым переключением каналов позволяет существенно упростить схемотехнику измерительных каналов ЭКГ. Полученная структура представлена на рис. 39.

Рис.38. Структура измерительного канала ЭКГ с сигма-дельта АЦП

Учитывая уменьшение непосредственно снимаемых отведений с 12 до 8 за счет восстановления 4 каналов программно, а также используя высокопроизводительный сигма-дельта АЦП высокого разрешения можно получить структуру входных цепей 12-канального ЭКГ, представленную на рисунке 3.

Рис.39. Предлагаемая структура входных цепей 12-канального ЭКГ

Предложенная структура входных цепей 12-канального ЭКГ благодаря использованию высокопроизводительного многоканального сигма-дельта АЦП высокого разрешения характеризуется достаточно простой схемотехникой. Кроме того, обеспечивается одновременное снятие всех 12 стандартных отведений, что является залогом получения наиболее полной картины о состоянии пациента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В современной клинике используется большое количество приборов для проведения диагностики. Создание любой компьютерной диагностической системы порождает целый ряд проблем связанных с правильным построением аппаратуры, с созданием эффективного программного обеспечения, особенностями эксплуатации оборудования. Однако, основные вопросы при проектировании всегда в первую очередь касаются обоснования выбора адекватных физиологических моделей, принятия методов регистрации и обработки биоэлектрических сигналов. Особое внимание следует уделять построению аппаратных средств системы. Это в первую очередь использование современных схемных решений при разработке малошумящих усилителей биопотенциалов с хорошим подавлением синфазных помех и применение прецизионных аналого-цифровых преобразователей. Знание этих проблем позволяет принимать обоснованные технические решения на этапе постановки задачи проектирования и является гарантией успешной реализации проекта в целом.

В пособии изложены основные сведения по построению высокоэффективных усилителей биопотенциалов и аналого-цифровых преобразователей. Понятно, что ограниченный объем не позволил авторам затронуть многие аспекты проблемы. Однако, большой библиографический указатель поможет читателю в самостоятельном изучении проблемы.