Ю. Балашов, Д. Козлов, А. Костин

Проектирование регистраторов электрокардиосигнала для системы дистанционного мониторинга электрокардиограмм

Для достижения адекватной полнофункциональной работоспособности людей, функционирующих в жизненно важных областях человеческой деятельности, необходимо применение соответствующих технических средств. Данные средства могут осуществлять как непосредственное обеспечение приемлемого функционирования людей, так и своевременный контроль физиологического состояния для предотвращения негативных последствий.

Разработанная телеметрическая система для дистанционного кардиомониторинга операторов атомных электростанций позволяет проводить контроль состояния сердечно-сосудистой системы (ССС) операторов в процессе их деятельности на тренажере блочного щита управления (БЩУ). Для регистрации электрокардиосигнала (ЭКС) в системе используются четыре одновременно работающих автономных регистратора. Регистраторы ЭКС позволяют проводить регистрацию ЭКС, обработку и передачу данных в режиме "реального времени" по радиоканалу на базу системы кардиомониторинга. База системы работает совместно с любым IBM-совместимым компьютером, имеющим характеристики не хуже PІІ-433/128 DIMM/5.1GB HDD/SVGA, под управлением ОС Windows 9x/NT/ME/2000/XP и установленным программным обеспечением системы. База позволяет осуществлять автоматизированный сбор поступающих данных и их передачу в ЭВМ. Полученные ЭВМ через COM- или USB-порт данные обрабатываются с помощью соответствующего программного обеспечения и выводятся на экран монитора в виде графиков, отображающих состояние ССС четырёх операторов в режиме "реального времени".

При проектировании регистратора ЭКС были сформулированы необходимые основные технические требования.

Габаритные размеры и масса регистратора не должны превышать 120x70x40 мм и 200 г, соответственно, для обеспечения удобства ношения и не скованности движений операторов. Регистратор должен обеспечивать регистрацию не менее 3-х электрокардиографических отведений с разрешающей способностью не хуже 5 мкВ. Как известно, закон изменения ЭКС во времени может считаться квазипериодическим с периодом кардиокомплексов (RR-интервалов) T_RR ~ 1-3 c. Форма эквивалентного кардиокомплекса близка к треугольной с амплитудой, лежащей в диапазоне 0-5 мВ. Полоса занимаемых кардиокомплексом частот охватывает диапазон от 0,05 до 800 Гц. Чрезмерное сужение частотного диапазона со стороны нижних частот f_н приводит к искажению сегмента ST и зубца T, но уменьшает смещение изолинии, а со стороны высоких f_в - к сглаживанию QRS-комплекса и уменьшению крутизны его склонов. С другой стороны, увеличение f_в приводит к увеличению помех от биопотенциалов мышц. Регистратор должен иметь полосу пропускания не уже Df = 0,05-100 Гц, соответствующую наиболее информативной части ЭКС. Конструкция входных узлов регистратора и узлов обработки ЭКС должна обеспечивать приемлемое качество регистрации ЭКС и его передачи на базу системы в условиях сложной электромагнитной обстановки, вызванной как внешними помехами, так и помехами от собственного модуля радиоканала.

Наличие напряжений помех, попадающих на вход усилителя ЭКС синфазно и противофазно. Помехи могут быть биологического и физического происхождения. Особенно большой уровень имеют синфазные сигналы помех напряжения сети, попадающие на объект через емкостную связь.

Помехоустойчивость регистратора ЭКС по отношению к синфазным сигналам определяется коэффициентом ослабления синфазных сигналов K_OCC = K_Д/K_C, где K_Д и K_C - коэффициенты усиления дифференциального и синфазного сигналов. Часто используется логарифмическая форма для значения K_OCC:

K_OCC = 20lg(K_Д/K_C).

Таким образом, K_OCC показывает способность усилителя различать малый дифференциальный (разностный, противофазный) сигнал на фоне большого синфазного. Легко достижимое значение K_OCC лежит в диапазоне 70-80 дБ. Дальнейшее увеличение K_OCC до 90-120 дБ требует специальных методов и усложняет конструкцию усилителя ЭКС [1].

Напряжения противофазных помех возникает чаще всего благодаря магнитной связи или вследствие преобразования синфазной помехи в противофазную. Мерой степени преобразования синфазной помехи в противофазную является коэффициент преобразования синфазной помехи в противофазную, который представляет собой отношение результирующего напряжения противофазной помехи U_ПФ к синфазной U_СФ:

где - частота помехи; Z_И - сопротивление источника; Z_ПР - сопротивление приёмника (в наиболее часто встречающемся случае |Z_ПР|>>|Z_И|).

Коэффициент преобразования синфазной помехи в противофазную соответствует синфазному усилению A_СФ у операционных усилителей:

A_СФ = |Ú_вых|/|Ú_вх|.

Таким образом, коэффициент синфазно-противофазного затухания определяется как логарифм обратной величины коэффициента преобразования (средний коэффициент экранирования и затухания):

K_СФ.ПФ = 20lg(|Ú_СФ(w)|/|Ú_ПФ(w)|).

Напряжение помехи U_П на входных устройствах регистратора ЭКС определяется как:

U_ПФ /U_П = (Z_И + Z_ПР)/Z_ПР.

Если |Z_И|<<|Z_ПР|, то U_ПФ(w) действует как мешающее напряжение.

Полное входное сопротивление Z_ВХ = Z_ПР регистратора ЭКС должно быть не менее 3-10 МОм. При таких значениях Z_ВХ можно пренебречь потерями в передаче напряжения ЭКС и допустить разбаланс сопротивлений кожа-электрод до 5-10 кОм. Напряжение смещения на входе усилителя ЭКС не должно уменьшать значения Z_ВХ и K_OCC. Чтобы не увеличивать напряжение смещения, необходимо ограничить постоянный ток в цепи пациента, определяемый по входному току покоя, значением 0,1 мкА.

Радиопередающее устройство регистратора должно обеспечивать уверенную передачу данных по радиоканалу в радиусе 40 м. Конструкция регистратора, его элементная база и схемные решения должны предусматривать длительный непрерывный режим работы, обеспечивая высокие показатели надёжности. Входные устройства аналоговой обработки ЭКС включают в себя: аналоговый мультиплексор, инструментальный высокостабильный усилитель, микромощный высокоточный источник опорного напряжения. В схеме использован аналоговый мультиплексор U5 ADG608BR с возможностью питания от источника напряжением 3 В. Мультиплексор предназначен для использования в военной аппаратуре и медицинских системах сбора информации. Время переключения коммутаторов составляет t_ON = 75 нс (max) и t_OFF = 45 нс (max).

Электростатическая нагрузка коммутатора, изготовленного с использованием ТТЛ- и КМОП-технологий, составляет более 5000 В. В результате коммутации входов возникает обратная помеха мультиплексора. График, показывающий распределение обратной помехи на входе мультиплексора в зависимости от частоты, представлен на рис. 1 [2].

Рисунок 1. Распределение обратной помехи на входе мультиплексора в зависимости от частоты

В качестве усилителя ЭКС использовался инструментальный высокостабильный усилитель U1 INA118. Усилитель имеет малые размеры (корпус SO-8) и приемлемые технические характеристики:

• напряжение смещения - 50 мкВ (max);
• температурный дрейф - 0,5 мкВ/ºC (max);
• входной ток смещения - 5 нА (max);
• входное напряжение - ±40 В;
• ток потребления - 350 мкА;
• напряжение питания от ±1,35 до ±18 В.

Фирмой-производителем усилитель рекомендован для применения в системах сбора данных, в качестве усилителя напряжения с различных датчиков (например, термопары, электроды), в медицине - в качестве усилителя биоэлектрических сигналов [3].

На рис. 2 представлена зависимость максимального выходного напряжения усилителя от частоты.

Рисунок 2. Зависимость максимального выходного напряжения усилителя от частоты

Коэффициент усиления G устанавливается внешним резистором от 1 до 10000. Расчёт коэффициента усиления проводится по формуле:

G = 1 + 50k/R_G .

Значение 50 кОм образуется исходя из значений двух внутренних высокоточных плёночных резисторов обратной связи выходных усилительных каскадов. При внешнем резисторе R₉ = R_G = 1 кОм коэффициент усиления равен 50. При коэффициенте усиления G 100 шум в диапазоне частот от 0,1 до 10 Гц составляет 0,28 мВ, а входное сопротивление усилителя - 10¹⁰ Ом.

С выхода усилителя кардиосигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера MSP430, где проходит дальнейшую обработку. Семейство микроконтроллеров MSP430 специально разработано для применения в устройствах со сверхмалым потреблением и автономным питанием. Использование MSP430F149 фирмы Texas Instruments позволило снизить энергопотребление регистратора и значительно уменьшить его размеры.

Помимо большего объёма FLASH-памяти, микроконтроллеры MSP430 имеют 8-канальный АЦП с разрешением 12 бит и временем преобразования 10 мкс, включающий в себя источник опорного напряжения 1,5 или 2,5 В и температурный датчик. Модуль АЦП функционирует независимо от центрального процессора, имеет собственную буферную память и регистры [4,5].

Электропитание всей схемы регистратора ЭКС осуществляется от трёх аккумуляторов GP180AAHC-B 2BP ёмкостью 1800 мАч, что хватает на 90 часов непрерывной работы прибора. Стабилизация напряжения питания осуществляется двумя микромощными стабилизаторами напряжения, имеющими широкий диапазон рабочего напряжения (от 2,0 до 10 В) и высокую точность выходного напряжения.

Приёмопередающие устройства регистраторов построены с использованием высокочастотных (ВЧ) модулей на базе ИС BCC418 [6,7]. Основные характеристики модуля следующие:

• размер блока - 27x27x5 мм;
• ВЧ согласованный вход и выход 50 Ом;
• напряжение питания - 2,5...3,4 В;
• 4-проводная I/O шина управления;
• скорость передачи - 9,6 Кбит (19,2 кБод в коде Manchester).

Приёмопередатчик BCC418 работает на частоте 433,92 MГц. Диапазон 430-450 МГц разрешён для свободного гражданского использования. В состав BCC418 входят синтезатор частоты (PLL) и усилитель мощности. Синтезатор частоты состоит из управляемого напряжением генератора (VCO), кварцевого генератора, двойного модуля предварительного делителя частоты, программируемого делителя частоты и фазового детектора. На рис. 3 представлено схемное решение генератора VCO.

Рисунок 3. Схема генератора VCO

Генератор имеет внешний резонатор и варактор. Резонатор состоит из катушки индуктивности L1, параллельно включенных конденсаторов (C13+C14) и внутренней ёмкости варактора D1. Емкость варактора уменьшается с увеличением входного напряжения. Следовательно, с увеличением входного напряжения увеличивается и частота VCO. Выходную мощность также можно регулировать подстройкой конденсатора С14.

Один из самых критичных блоков микросхемы - кварцевый генератор. Схемное решение кварцевого генератора с навесными компонентами для частоты 10 МГц и входной ёмкости кристалла 15 пФ показывается на рис. 4.

Рисунок 4. Схема кварцевого генератора с навесными компонентами для частоты 10 МГц и входной ёмкости кристалла 15 пФ

Подстройка частоты осуществляется конденсатором C20. Дрейф частоты генератора измеряется в ppm. Общая разность ppm - Df(ppm) между частотой радиоканала и дрейфованной частотой определяется как

Df(ppm) = S_TDT + nDt,

где S_T - общий температурный коэффициент частоты генератора (зависящий от компонентов и кварцевого резонатора) измеряемый в ppm/ºС; DT - отклонение от начальной температуры; n - старение в ppm/год; Dt - время в годах с момента предыдущих настроек приёмопередатчика.

При Df(Гц) = Df(ppm)f_RF больше девиации частоты кодирования демодулятор будет не способен декодировать данные.

Блок передачи микросхемы из усилителя мощности класса AB. Максимальная выходная мощность усилителя равна примерно 12 дБ (16 мВ), она достигается при выходном сопротивлении 100 Ом и напряжении питания 2,8 В. Изменение выходной мощности с шагом 3 дБ осуществляется программно. Для получения достаточной амплитуды выходного сигнала существует буферный усилитель между VCO и усилителем мощности с усилением в 10 дБ.

Блок приёма включает в себя входной усилитель с усилением в 25 дБ при частоте 434 МГц. Для смешения усилитель имеет петлю обратной связи по постоянному току. Стабилизация тока осуществляется внешним конденсатором.

Для прохождения полученного сигнала предельная частота отсечки усилителя должна быть достаточно высокой. Минимальная частота отсечки определяется как:

f_Cvin = f_DEV + Baudrate/2,

где Baudrate - скорость пересылки данных в бодах; f_DEV - частота девиации.

Для частоты девиации f_DEV = 30 кГц и скорости пересылки данных 20 кбод, минимальное значение частоты отсечки составляет 40 кГц.

Частота девиации может измениться от минимального собственного значения до минимального собственного значения, сложенного с двойным изменением частоты Df:

f`_Cmin = 2Df + f_DEVmin + Baudrate/2.

Уход частоты в 20 ppm соответствует 8680 Гц при 434 МГц. Для скорости пересылки данных 20 кбод частота девиации должна быть выше 28,68 кГц. Следовательно, минимальная частота отсечки составляет 47,36 кГц.

Для обеспечения приемлемой передачи данных по радиоканалу от регистраторов к базе системы, в регистраторах использовалась микрополосковая антенна.

Микрополосковая (в зарубежной литературе patch - печатная) антенна представляет собой металлический проводник той или иной формы, расположенный над заземлённой подложкой [8].

Проектирование микрополосковой антенны следует начинать с оценки её размеров, определяемых заданным частотным диапазоном. Длину антенны можно оценить по следующей простой формуле:

где f_r - заданная резонансная частота, e - относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки. Формула не принимает во внимание влияние ширины и толщины подложки антенны на резонансную частоту, но это влияние обычно незначительное. Формула отражает физическую природу печатной антенны как полуволнового резонатора, который сформирован в пространстве между верхним проводником и земляной платой антенны. Например, на частоте f_r = 433 МГц и = 1 (воздух) из формулы имеем А = 346 мм. Антенна с таким размером слишком большая для использования в приборе.

Длина антенны может быть уменьшена по крайней мере в 2 раза (при работе на той же частоте), если один её конец заземлить. В этом случае получится так называемая инвертированная F-антенна (PIFA), которая представляет собой четвертьволновый резонатор, один конец которого заземлён, а другой открыт (холостой ход). PIFA возбуждается коаксиальным кабелем в точке, где входное сопротивление антенны близко к 50 Ом. Таким образом, длина PIFA может быть приблизительно оценена как:

Для антенны, настроенной на ту же самую частоту f_r = 433 МГц и = 1, как в вышеупомянутом примере, мы получаем = 173 мм. В нашем случае размер a необходимо уменьшить минимум до 120 мм, что достигается благодаря эффекту краевого ближнего поля, сосредоточенного у открытого конца резонатора. Преимущество малого размера антенны PIFA достигается и за счёт уменьшения её излучательной способности (излучает только один край), к тому же разрабатываемая антенна узкополосна. Для сохранения эффективности излучения микрополосковой антенны при уменьшении её размеров, в микрополосковом проводнике прорезается щелевая линия. Она формирует характеристики антенны на собственной частоте, но изменяет их на смежной частоте. Анализ ближнего поля в такой антенне показывает, что в щели происходит концентрация электромагнитной энергии, а путь тока, протекающего по проводнику, увеличивается, что ведёт к снижению частоты, по сравнению с антенной без щели. Наличие щели играет большую роль в формировании диаграммы направленности и частотной характеристики антенны. С известным приближением можно считать эту щель несимметричной щелевой линией, концентрирующей продольный магнитный ток. Известно, что замедление основной волны в щелевой линии определяется формулой:

где - длина волны в свободном пространстве, µ и - относительная магнитная и диэлектрическая проницаемости среды или её части. Эта формула позволяет оценить резонансную длину щели в общем случае магнито-диэлектрической подложки микрополосковой антенны с учётом замедления волны в эквивалентной щелевой линии.

Ширина плоской антенны b - менее важный параметр, чем длина, и может быть выбрана из конструктивных или эстетических соображений совместимости с размером проектируемого регистратора.

Высоту h положения PIFA антенны над плоскостью земли рекомендуется выбирать по формуле:

h = 0,04.

В регистраторе ЭКС использовалась конфигурация микрополосковой антенны, применяемой в сотовых телефонах Nokia3310 стандарта GSM900/1800.

Внешний вид плоской антенны, расположенной над платой регистратора, показан на рис. 5.

Рисунок 5. Внешний вид плоской антенны, расположенной над платой регистратора

Все электрорадиоэлементы регистратора размещены на одной ПП. На ПП также расположены разъёмы для подключения прибора к компьютеру и зарядному устройству, кнопка включения/выключения, разъёмы для подключения аккумуляторов и антенны. Для удобства замены аккумуляторов они размещены в батарейном отсеке. Все узлы помещены в корпус из ударопрочного пластика размерами 120x70x40 мм. Исходя из соображений безопасности здоровья, необходимо уменьшать долю СВЧ-энергии, поглощаемой телом человека (или уменьшать параметр SAR - Specific Absorption Rate). Для этого ближнее поле микрополосковой антенны регистратора перераспределено так, чтобы вывести тело оператора из области его наибольшей концентрации. После наложения электродов регистратор располагается на операторе БЩУ нижней стороной к телу в целях наименьшего воздействия нежелательного электромагнитного излучения на организм человека.

Настоящее время характеризуется широким внедрением микропроцессорных средств как в электронные устройства управляющих систем атомных электростанций (АЭС), так и в отдельные комплексы обеспечения необходимого контроля. В связи с этим, для учёта повышенных требований по электромагнитной совместимости технических средств (ЭМС) потребовалось изменение подходов к проектированию радиосистем АЭС [9].

На сегодня единственным нормативным документом, регламентирующим организацию радиосвязи на АЭС, являются Методические указания по проектированию резервной внутриобъектной радиосвязи. Решение сформулированных в них и выдвигаемых практикой управления технологическими процессами задач наиболее полно осуществляется применением современных систем радиотелефонной связи и радиопоиска (РП). Распространение нового поколения радиосредств и средств контроля, управления АЭС и др. привело к возрастанию роли планирования защиты от электромагнитных полей и обеспечения ЭМС радиоэлектронных средств, электронных изделий, аппаратуры и оборудования АЭС. Связано это прежде всего с широким внедрением в системы контроля и управления (СКУ) АЭС современной микропроцессорной техники, в которой даже исполнительные устройства могут быть выполнены на элементах, чувствительных к радиоизлучению. Для обеспечения в этих условиях функционирования средств СКУ и защиты их от внешних электромагнитных воздействий основная часть зданий энергоблока АЭС выполняется по I категории молниезащиты (по МЭК 61312-1), а также экранируется. Проектирование радиосистем при этом имеет свои особенности и требует сбалансированного учёта информационных потребностей и невмешательства в работу средств СКУ, обладающих более высоким приоритетом для обеспечения безопасности АЭС.

Разработанная телеметрическая система для дистанционного кардиомониторинга АЭС отвечает требованиям невмешательства в работу средств СКУ в силу малой мощности приёмопередатчиков 1 мВт и используемой радиочастоты 433 МГц.

Литература

1. Шваб Адольф. Электромагнитная совместимость. Пер. с нем. В.Д. Мазина и С.А. Спектора. Под ред. И.П. Кужекина. М.: Энергоатомиздат, 1995. 480 c.
2. Analog Devices. 3V/5V, 4/8 Channel High Performance Analog Multiplexers ADG608/ADG609. 1995. P. 12.
3. Burr-Brown. Precision, Low Power Instrumentation Amplifier INA118. 1994. P. 11.
4. Texas Instruments. MSP430x13x, MSP430x14x Mixed Signal microcontroller. 2000. P. 65.
5. Средства проектирования устройств на основе микроконтроллеров MSP430 / А.А. Бритов, В.В. Глухенький, А.Н. Макеенок, С.В. Хлебников // Электронные компоненты и системы. 1999. № 3.
6. BlueChip Communication. BCC 418 RF Block Product Guide v1.3 RFB433. 2000. P. 8.
7. BlueChip Communication. BCC418 UHF transceiver. 2000. P. 15.
8. Калиничев В., Курушин А. Микрополосковые антенны сотовых телефонов // Chip News. 2001. № 7. С. 6-12.
9. Канаев К.А., Серебрянников Е.В. Особенности проектирования систем радиосвязи АЭС с учетом электромагнитной совместимости // Информост. 2000. № 3.