Техника снятия экг. Электрокардиограф "сделай сам" Схема электрокардиографа с памятью и передатчиком

В настоящее время имеет место бурное развитие разнообразной медицинской техники. В том числе техники и технологий исследования организма. Идея достаточна очевидна. Мы отслеживаем при помощи приборов всевозможные характеристики организма, например, биотоки, биопотенциалы сердца, мозга, мышц, других органов. В идеале человек должен быть обвешан датчиками не хуже новогодней ёлки. Далее применяя тот или иной вид лечения, от лекарств до всевозможных физических, умствтвенных, эмоциональных, дыхательных гимнастик, меняя режим труда и отдыха, питания и так далее, следим при помощи приборов за тем, на пользу или нет те или иные воздействия на организм.
Всё это применяется не только для лечения, но и для развития физических, умственных способностей и тому подобное. Например, спортсмены, отслеживая биотоки мышц, делают выводы о пользе различных упражнений для данных мышц. Тот же принцип используется для тренировки сердечной мышцы при помощи электрокардиографов. Сейчас широко известны так называемые майнд-машины (см. ), где та или иная световая, звуковая, тактильная стимуляция призвана улучшать память, обучаемость, эмоциональный настрой человека и так далее. Для отслеживания эффективности майнд-машин применяют приборы для фиксирования энцефалограмм мозга – энцефалографы.
Другая сфера применения указанных технологий – это, так называемые, детекторы лжи см., например, .
Приборы на основе энцефалографов в настоящее время так же применяются для управления техникой (например, компьютером) что называется "силой мысли" (см., например, ).

Здесь выкладываются и обсуждаются материалы по самостоятельному изготовлению электрокардиографа и энцефалографа с минимальными затратами деталей и усилий. Изложение ведётся максимально простым языком, чтобы все эти устройства мог бы повторить и начинающий радиолюбитель даже ни разу в жизни не бравший в руки паяльник. В связи с этим здесь также выкладываются объяснения принципов работы тех или иных устройств с точки зрения практика.

Прежде всего, необходимо отметить, что всё изложенное на сайте не прошло официальную проверку на электробезопасность поэтому вы пользуетесь данной информацией на свой страх и риск. Авторы сайта снимают с себя всякую ответственность за любые прямые или косвенные последствия, в том числе и для организма, к которым может привести использование обсуждаемых на сайте приборов.

Начнём с наиболее простого – как сделать своими руками кардиограф. Далее разовьём данную схему до энцефалографа. Итак.

Электрокардиограф (или кардиограф) состоит из двух частей – аналоговой и цифровой (см. рис.1). Аналоговая часть представляет собой всего лишь усилитель с коэффициентом усиления около 1000 – он усиливает изменяющуюся во времени разность потенциалов на теле человека (которая и есть в нашем случае, по сути, электрокардиограмма) примерно в 1000 раз. Далее усиленный сигнал поступает на цифровую часть, где сигнал оцифровывается (см. про то, что такое оцифровка ) и подаётся в цифровом виде на компьютер (у нас цифровой сигнал подаётся по радиоканалу блютуз – см. ниже).

Рис.1

В итоге компьютер при помощи специальной программы расшифровывает полученный от цифровой части (у нас она реализована на основе платы Arduino – см. ниже) цифровой сигнал и отрисовывает на экране монитора график электрокардиограммы (ЭКГ).

Цифровая часть схемы

Для упрощения изготовления прибора в качестве цифровой части возьмем плату типа Arduno (Ардуино) c блютузом на борту. Например, в качестве такой платы можно взять Iteaduino BT v1.1. Цена этого устройства около 1200 руб. (см., например, ). При этом особенность нашей системы в том, что цифровой сигнал будет передаваться на компьютер обязательно по каналу блютуз т.е. по радиоканалу. Таким образом, не будет никакой гальванической связи между компьютером и нашим прибором, а значит и телом пациента. Это обеспечивает отсутствие возможности попадания на тело пациента опасных напряжений, например, с корпуса компьютера, которые могут достигать до 110В (см., например, ). Поэтому ещё раз подчеркнём, в целях электробезопасности при подключении прибора к телу пациента сигнал на компьютер должен передаваться только по блютуз , эту возможность и предоставляет выбранная нами плата. Таким образом, тело пациента будет подключено к прибору, питаемому от 9В и никоем образом не связанным с источниками питания с опасным уровнем напряжения.
В итоге разработка цифровой части сводится лишь к настройке канала блютуз нашей платы, "заливке" на плату соответствующей программы (скетча) – эта программа “объясняет” Arduino с какого разъёма плата будет читать сигнал (у нас с разъёма A0) чтобы оцифровать и в каком формате этот оцифрованный сигнал будет передаваться на компьютер. Ещё будет нужна компьютерная программа, которая читает и расшифровывает данные, поставляемые платой на компьютер – на один из его программных com-портов. В итоге в железе цифровая часть проекта у нас выглядит уже вот так:

рис.2

Также целесообразно подключать его аналоговую часть к Arduino через стабилитроны и диод Шоттки – вот так:

рис.3

Здесь диод Шоттки (BAT85) и стабилитроны (BZX55C2V4) – для защиты от неправильной полярности и превышения сигналом 5В на входе Arduino. Они нужны как минимум на этапе настройки схемы, когда можно перепутать плюс с минусом и т.д. и в итоге спалить достаточно недешёвую Arduino. Также эти диоды в данном проекте важны не только с этой точки зрения (см. ниже). Если кратко, то смысл этой защиты в следующем. Диод Шоттки (BAT85), если аналоговая часть схемы пытается подать между A0 и GND положительное напряжение, имеет сопротивление близкое к бесконечности, тогда на A0 и GND благополучно поступает это самое положительное напряжение (положительная разность потенциалов) от аналоговой части. Если же аналоговая часть попытается каким-то образом подать на A0 и GND отрицательное напряжение, то диод Шоттки превращается в закоротку – резистор с сопротивлением близким к нулю. В итоге весь ток течёт через диод Шоттки, а напряжение между A0 и GND стремится к нулю. Два последовательно включённых стабилитрона (BZX55C2V4) в данной схеме, если на них подано положительное напряжение, как и диод Шоттки имеют сопротивление близкое к бесконечности, но только если это напряжение в пределах 4.5В. Если же аналоговая часть схемы попытается каким-то образом подать на A0 и GND напряжение больше 4.5В, то эти два диода также превращаются в резисторы с малым сопротивлением – практически весь ток течёт через них и таким образом напряжение между точками A0 и GND не превышает 4.5В. Подробнее о защитных диодах также можно посмотреть . Про настройку блютуза, "заливку" скетчей в Arduino и разных способах просмотра полученных данных на компьютере см. . Таким образом, то, что заняло бы времени у начинающего радиолюбителя на изготовление и настройку цифровой части минимум от 1-2 месяцев у нас, благодаря использованию Arduino, занимает максимум 3-7 дней.

Аналоговая часть схемы

Теперь переходим к аналоговой части нашей схемы. Аналоговая часть строится

Комментарии

Мария
09/09/13 16:20

Здравствуйте! Спасибо большое за информацию, которой Вы делитесь здесь. Я собираюсь сделать электроэнцефалограф, и нигде не могу найти Iteaduino BT V1.1 (ATmega 328). Скажите, можно ли вместо него использовать Iteaduino BT V1.0 (ATmega 328) или другие микроконтроллеры. И, если можно, то какие или чем это чревато. Заранее спасибо!

Константин
09/09/13 18:17

Здравствуйте, Мария! Сам я работал лишь с версией v1.1, однако, если посмотреть последний даташит на Iteaduino BT V1.0 ATmega 328 (ссылка на него такая: ftp://imall.iteadstudio.com/IM120411006_Iteaduino_BT/Documents/DS_IM120411006_Iteaduino_BT.pdf - эта ссылка также дана здесь в разделе про настройку Arduino), то в самом конце этого даташита дано, чем отличается Iteaduino BT v1.1 от Iteaduino BT v1.0. Там написано: Fix some description bug. Таким образом, как я понимаю, всё отличие сводится к исправлению ошибок в описании платы в даташите, а работают эти версии видимо одинаково. Кстати, на этой странице есть следующая ссылка на Интернет магазин: http://devicter.ru/goods/Iteaduino-BT-with-ATMega328P так вот, там продают именно Iteaduino BT V1.1 ATmega 328.

Мария
10/09/13 15:11

Спасибо огромное! Вы мне очень помогли! Если я разработаю на базе Вашего ЭЭГ что-нибудь стоящее для науки, то я буду обязана этим Вам))

Мария
10/09/13 16:00

Сайт, который Вы мне порекомендовали, я уже видела, но я живу в Москве, а представленные там товары - из Новорисибрска!)) Извините, ещё один вопрос: какой TL431 лучше выбирать: http://www.chipdip.ru/product/tl431acd/ http://www.chipdip.ru/product/tl431acdbzr/ http://www.chipdip.ru/product/tl431aclp-ti/ http://www.chipdip.ru/product/tl431clp/ http://www.chipdip.ru/product/tl431ilp/ http://www.chipdip.ru/product/tl431cpk/

Константин
10/09/13 20:37

Приятно, конечно, что информация на этом сайте полезна и востребована. Тем более для науки:-). Что касается TL431, то если будете собирать всё сначала на основе платы беспаечного монтажа (кстати, рекомендую начинать именно так), то без сомнения удобнее будет в корпусе TO92 – например, вот эта: http://www.chipdip.ru/product/tl431ilp/ Ну, а если сразу собираетесь паять, то могу сказать, что планарные элементы (там, где в ваших ссылках тип корпуса SO, SOT) – это довольно мелкие вещи (в даташите можете посмотреть размеры) и без соответствующего опыта паять их, например, обычным паяльником, довольно трудно (хотя, если почитать Интернет, потренироваться, то и это не такая уж большая проблема). Обычно это паяется при помощи паяльной станции. Так что и здесь рекомендую в корпусе TO92.

Сергей
24/01/14 18:03

А куда заводить \"О\" кабель? В землю закопать?

Константин
24/01/14 20:54

Здесь вы ваш вопрос продублировали - там я и ответил.

earth_man
30/04/15 17:20

Здравствуйте Константин, спасибо большое за сайт. Я никогда прежде не занимался электроникой и познания мои в этой области стремятся к нулю. Скажите, насколько возможно создать то что вы предлагаете в вашей инструкции с нулевым багажом знаний по теме? Что посоветуете почитать чтобы более мягко и без стресса войти в тему и сделать ЭКГ, ЭЭГ самому?

Константин
30/04/15 18:44

Здравствуйте, earth_man! В принципе здесь достаточно уметь измерять напряжение и ток, в пределах школы знать про то как течёт ток, знать закон Ома, также желательно прочитать на этом сайте об усилителях, про оцифровку и согласование (я это и выложил здесь чтобы у начинающих был тот необходимый минимум, который достаточен для повторения данных устройств). Ну и конечно же придётся вооружиться терпением и начинать собирать схему не сразу всю, а по шагам: собрали блок питания, проверили то ли он выдаёт, что надо, потом собираем повторитель, проверяем так ли он работает как надо и т.д. Это позволяет не только минимизировать стресс, но и даже получать положительные эмоции так как вы будете двигаться от победе к победе. Данный элемент схемы заработал - победа и при этом осознание того, что вот теперь вы не только в теории, но и на практике знаете что нужно сделать чтобы заработал тот же повторитель или как правильно подключить усилитель, а значит если понадобится то сможете использовать эти знания не только для ЭКГ или ЭЭГ, но и для реализации каких-то своих схем и так далее. Ну и конечно же желательно всё это делать на основе платы беспаечного монтажа - это очень удобно особенно для начинающих.

earth_man
30/04/15 21:54

Спасибо большое за вдохновляющий ответ. Нужно будет почитать физику за восьмой клас:), хотелось бы получше разобраться с теоретической частью, прежде чем начинать любые манипуляции.

Ринат
16/01/16 1:34

Iteaduino BT v1.1. Интернет магазин: http://devicter.ru/goods/Iteaduino-BT-with-ATMega328P Я не смог найти. Может под другим имением, но и по картинке тоже нет.

Константин
16/01/16 9:35

Здравствуйте, Ринат! Да, посмотрел, тоже сейчас у них эту плату не обнаружил, хотя раньше покупал именно у них. Тут либо придётся искать данную плату в другом месте, либо можно купить стандартную Arduino, модуль блютуза HC-05 и подключить его к плате. В интернете есть как это сделать. Можно также в том же магазине http://devicter.ru/ купить Iteaduino IBoard V1.1 (ATmega 328) (http://devicter.ru/goods/Iteaduino-Iboard) и к ней блютуз или даже wi-fi модуль серии XBee (эта плата как раз их поддерживает). Серия XBee в этом магазине здесь: http://devicter.ru/catalog/BeeSeries

Ринат
16/01/16 20:53

Константин спасибо. Попробую поискать teaduino BT v1.1. Так как, схему придётся изменять, а я в первые в такие дебри лезу. Давно хотел иметь энцефалогрраф.

Анастасия
29/09/18 0:52

Здравствуйте, Константин. Посоветуйте, пожалуйста, где в Украине найти плату Iteaduino BT V1.1 ATmega 328.

Константин
29/09/18 12:44

Здравствуйте, Анастасия! Могу наверное только посоветовать, если нет возможности купить такую плату, то можно к обычной ардуине купить например блютуз модуль HC-05 и подружить их - в нтернете есть статьи по этому поводу. Можете вообще вместо блютуз модуля использовать wifi модуль - там так же всё очень просто подключается. Ещё вместо блютуз можно использовать различные ардуиновские радиомодули типа nRF24L01 или что-то подобное. Вообще вариантов масса как передавать сигнал с ардуино по радиоканалу - все эти разнообразные радиомодули стоят обычно копейки и очень легко подключаются к ардуино.

Важным навыком для медицинской сестры является правильная техника снятия ЭКГ (электрокардиограммы). Напомним, что электрокардиография — это методика регистрации электрических полей сердца, возникающих в процессе его деятельности. а также их получение их графического изображения на бумаге или дисплее. Электрокардиография является информативным и неинвазивным методом исследования работы сердца — удобным и ценным для пациента и лечащего врача.

Электрокардиограмма — это графическое изображение в виде кривой, полученное в процессе электрокардиографии на бумаге или дисплее. Запись ЭКГ проводится с помощью аппаратов — электрокардиографов. Любой электрокардиограф имеет:

входное устройство;
усилитель биопотенциала сердца;
регистрирующее устройство.

Медицинская сестра допускается к работе с электрокардиографом только после обучения, лучше всего по специализации « «. Регистрация ЭКГ проводится в специально приспособленном и оборудованном помещении, а также в палате у постели больного, на дому, на месте оказания медицинской помощи, в карете скорой помощи.

Кабинет ЭКГ должен быть удален от любых предполагаемых источников электрических помех. Целесообразным является экранирование кушетки: она покрывается специальным одеялом с вшитой заземленной (!) металлической сеткой.

Техника снятия ЭКГ: алгоритм

Непосредственно перед плановой регистрацией ЭКГ пациент не должен принимать пищу, курить, употреблять возбуждающие напитки (чай, кофе, «энергетики»), нагружать организм физически.

Фиксируем в необходимой документации персональные данные пациента, номер истории болезни, дату и время снятия ЭКГ.

Укладываем пациента на кушетку в положение лежа на спине. Обезжириваем те участки кожи, куда будем накладывать электроды — протираем их салфеткой, смоченной в изотоническом растворе хлорида натрия (0,9%).

Накладываем электроды: 4 пластинчатых — на нижние трети внутренней поверхности голеней и предплечий, а на грудь — грудные электроды, снабженные присосками-грушами. При одноканальной записи используют 1 грудной электрод, при многоканальной — несколько.

К каждому электроду присоединяем провода определенного цвета, идущие от электрокардиографа. Общепринятая маркировка проводов электрокардиографа:

красный — правая рука;
желтый — левая рука;
зеленый — левая нога;
черный — правая нога (заземление пациента);
белый — грудной электрод.

При регистрации ЭКГ в 6 грудных отведениях при наличии шестиканального электрокардиографа используют следующую маркировку наконечников:

красный — для подключения к электроду V1;
желтый — к V2;
зеленый к V3;
коричневый — к V4;
черный — к V5;
синий или фиолетовый — к V6.

Чаще всего ЭКГ регистрируют в 12 отведениях:

3 стандартных (двухполюсных) отведения (I, II, III);
3 усиленных однополюсных отведения;
6 грудных отведений.

Стандартные (двухполюсные) отведения ЭКГ

Регистрация стандартных отведений от конечностей проводится при попарном подключении электродов:

I стандартное отведение — левая рука (+) и правая рука (-);
II стандартное отведение — левая нога(+) и правая рука (-);
III стандартное отведение — левая нога (+) и левая нога (-).

Электроды накладываются на левой руке, правой руке и левой ноге (смотрите маркировку на рисунке). На правую ногу накладывается 4-й электрод для подключения к заземляющему проводу.

Формирование трех стандартных электрокардиографических отведений от конечностей. Внизу - треугольник Эйнтховена, каждая сторона которого является осью того или иного стандартного отведения

Усиленные однополюсные отведения от конечностей

Однополюсные отведения характеризуются наличием только одного активного — положительного — электрода, отрицательный электрод индифферентен и представляет собой «объединенный электрод Гольберга», который образуется при соединении через дополнительное сопротивление двух конечностей.

Усиленные однополюсные отведения имеют следующие обозначения:

aVR — отведение от правой руки;
aVL — от левой руки;
aVF — от левой ноги.

Формирование трех усиленных однополюсных отведений от конечностей. Внизу - треугольник Эйнтховена и расположение осей трех усиленных однополюсных отведений от конечностей.

Грудные отведения

Грудные отведения в ЭКГ являются однополюсными. Активный электрод присоединяется к положительному полюсу электрокардиографа, а объединенный от конечностей тройной индифферентный электрод — к отрицательному полюсу аппарата. Грудные отведения принято обозначать буквой V:

V1 — активный электрод располагают в IV межреберье у правого края грудины;
V2 — в IV межреберье у левого края грудины;
V3 — между IV и V межреберьями по левой окологрудинной линии;
V4 — в V межреберье по левой среднеключичной линии;
V5 — в V межреберье по передней подмышечной линии;
V6 — и V межреберье по средней подмышечной линии.

Выбор усиления электрокардиографа

При подборе усиления каждого канала электрокардиографа необходимо, чтобы напряжение в 1 mV вызывало отклонение гальванометра и регистрирующей системы в 10 мм. В положении переключателя отведений «0» регулируют усиление аппарата и регистрируют калибровочный милливольт. При слишком большой амплитуде зубцов (1 mV = 5 мм) можно уменьшить усиление, при малой (1 mV = 15-20 мм) — увеличить.

Регистрация ЭКГ

Запись электрокардиограммы проводится при спокойном дыхании пациента. Сначала — в I, II, III стандартных отведениях, далее — в усиленных однополюсных отведениях от конечностей (aVR, aVL, aVF), затем — в грудных отведениях V1. V2, V3, V4, V5, V6. В каждом из отведений следует регистрировать не менее 4-х сердечных циклов.

Как можно заключить из представленного, при необходимых знаниях и навыках техника снятия ЭКГ не должна представлять для медицинской сестры никаких сложностей. Предлагаем для закрепления прочитанного посмотреть видео

Бродя по интернету, часто натыкаешься на изобретения "домашних мастеров" - то прибор для ионизации воды, то лампу кварцевую "своими руками". Но чтоб карманный электрокардиограф, да еще- собственными руками...

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 . 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 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» : 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 , 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 . 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 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 ~ 0.25 сек).

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 . 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.

Еще одним методом получения информации о работе сердца является электрокардиография, который представляет собой недорогой метод инструментальной диагностики сердца, позволяющий проверить его работу и определить нарушения в ней. Для этой цели компанией разработана микросхема AD8232 . AD8232 представляет собой интегрированный блок обработки сигнала для ЭКГ и других биопотенциальных задач. Микросхема предназначена для получения, усиления и фильтрации слабых биопотенциальных сигналов в условиях сильных помех.

Основные характеристики AD8232:

Низкое потребление тока: 170 мкА
Напряжение питание: однополярное от 2 до 3,5 В
Rail to Rail выходной сигнал
Количество электродов: 2 или 3
Количество отведений ЭКГ: 1
Встроенный фильтр ВЧ помех
2-полюсный фильтр высоких частот
3-полюсный фильтр низких частот
Коэффициент ослабления синфазного сигнала: 80 дБ
Детектор контакта электродов
Выходной сигнал: аналоговый

На основе данной микросхемы в продаже присутствуют модули , удобные для изучения и использования, в комплект входит не только плата с AD8232 и обвязкой, но и набор электродов в зависимости от комплектации .

Схема модуля:

Для получения кардиограммы электроды прикрепляются на грудь и конечности (в зависимости от выбранного отведения), с которых снимаются сигналы электрической активности сердца.

Электрическая система сердца управляет генерацией и распространением электрических сигналов по сердечной мышце, в результате чего сердце периодически сокращается и расслабляется, перекачивая кровь. В процессе цикла работы сердца происходит упорядоченный процесс деполяризации. Деполяризация – это резкое изменение электрического состояния клетки, когда отрицательный внутренний заряд клетки становится на короткое время положительным. В сердце деполяризация начинается в специализированных клетках водителя сердечного ритма в синусно-предсердном узле. Далее волна возбуждения распространяется через атриовентикулярный (предсердно-желудочковый) узел вниз к пучку Гиса, переходя в волокна Пуркинье и далее приводит к сокращению желудочков. В отличие от других нервных клеток, которые неспособны генерировать электрический сигнал в автоколебательном режиме, клетки синусно-предсердного узла способны создавать ритмичный электрический сигнал без внешнего воздействия. Точнее, внешние воздействия (например, физическая нагрузка) влияют только на частоту колебаний, но не нужны для запуска этого «генератора». При этом происходит периодическая деполяризация и реполяризация клеток водителя ритма. В электрокардиостимуляторе также имеется генератор стабильной частоты, выполняющий роль синусно-предсердного узла. Мембраны живых клеток действуют как конденсаторы. Из-за того, что процессы в клетках электрохимические, а не электрические, деполяризация и реполяризация в них происходят намного медленнее, чем в конденсаторе той же емкости.

Расположенные на теле пациента электроды обнаруживают небольшие изменения потенциалов на коже, которые возникают вследствие деполяризации сердечной мышцы при каждом ее сокращении.

Таким образом, на основе AD8232 можно строить портативные устройства для мониторинга за здоровьем сердечной системы (ЭКГ, кардиомониторы и др.). А кроме этого данная микросхема пригодна для использования получения данных о сокращениях других мышц, что потенциально дает возможность использовать ее в бионике и протезировании. В этом случае необходимо подключать электроды к мышцам, активность которых контролируется.

Выбирая микроконтроллеры STM32 для портативных устройств рационально использовать микроконтроллеры серии L с низким потреблением тока для увеличения времени работы от аккумулятора. В нашем случае для ознакомления используется STM32F1.

В основе схемы лежит микроконтроллер STM32F103C8T6, для индикации используется TFT LCD дисплей ILI9341 с интерфейсом SPI. Схема питается от 5 вольт (можно использовать Power Bank), до необходимого уровня напряжение питания понижается с помощью стабилизатора напряжения AMS1117 3v3 или любого другого стабилизатора напряжения с нужными параметрами. Кроме дисплея в качестве индикатора сердцебиения используется бузер со встроенным генератором. При появлении пика удара сердца на время этого пика включается бузер.

Программа микроконтроллера имеет два меню: основное меню, где на дисплее строится кардиограмма и отображается частота сердечных сокращений и меню настроек, где можно задать коэффициенты для отображения кардиограммы по высоте и по ширине, а также задать порог счета сердечных сокращений. Последний параметр задается относительно окна кардиограммы от 0 до 200 – это порог, в который входят только пики ударов сердца. Настройки сохраняются в flash памяти микроконтроллера. Для надежности используется последняя страница памяти, чтобы наверняка не пересекать память, в которую записана программа микроконтроллера. Для управления меню используется три кнопки S2-S4. Кнопка S2 переключает меню, а кнопки S3 и S4 регулируют настройки. Значения настроек здесь достаточно абстрактны и привязаны к коду. Первая настройка задает время задержки между измерениями АЦП и построением графика, то есть чем больше задержка, тем больше времени нужно на заполнение экрана и тем более сжат график. Вторая настройка задает коэффициент, который делит измеренное значение АЦП - при максимальном значении 4095 делим на 20 и получаем 204,75, то есть практически весь размах значений мы укладываем в 200 пикселей экрана, отведенного под график. Изменением этого коэффициента можно увеличивать или уменьшать график по оси Y. Последняя настройка задает порог с учетом второй настройки для определения пика. Выходя за это значение программа понимает когда произошел удар сердца. Между Этими пиками фиксируется время, по которому рассчитывается частота сердечных сокращений.

В программе присутствует визуализация отклонения ЧСС (частоты сердечных сокращений), если она слишком маленькая или слишком большая график ЭКГ на дисплее начинает отрисовываться красным цветом. Модуль MOD1 это рассматриваемый модуль на основе AD8232 . Частота сердечных сокращений вычисляется как среднее значение пяти последних измерений.

Три электрода, входящих в комплект, подключаются к модулю через разъем и сами электроды крепятся на теле человека. В моем случае желтый электрод соответствует RL (правая нога), красный RA (правая рука), зеленый LA (левая рука). Так же соответственно электроды крепятся и на груди. Эти контакты электродов на модуле так же продублированы в виде контактов, к которым можно подключать свои провода с электродами. При использовании проводов из комплекта обязательно стоит прозвонить контакты, чтобы убедиться, что они соответствуют цветам, что не всегда встречается. Круглые электроды, которые входят в комплект являются одноразовыми. После их использование клейкость резко ухудшается, а гель в середине для получения надежного контакта с кожей высыхает. После первых экспериментов не стоит спешить их выбрасывать, для продолжения экспериментов достаточно смочить гель водой (я воду немного подсаливал), тогда он станет снова вязким, клейким и токопроводящим. Такие электроды самые дешевые и простые, при желании можно найти в продаже многоразовые электроды без клейких элементов, работающие как присоски. Но даже в этом случае нужно использовать специальный гель для надежного контакта электрода с кожей. Самым простым вариантом электрода может быть металлическая пластинка или шайба (монета), смоченная в соленой воде, подключенная к модулю AD8232. Такой вариант электрода максимально бюджетный и не сгодится для продолжительного использования - при высыхании воды контакт начнет ухудшаться, что приведет к ухудшению результатов измерения.

Модуль AD8232 имеет детектор подключения электродов – контакты L+ и L- выдают логическую единиц, если электроды не подключены и логический ноль, если подключены. На экране дисплея это отображается символами L+ и L-. Если их цвет зеленый, значит электроды подключены, если красный – отключены. Наличие шума на графике ЭКГ может быть связано с такими нюансами как контакт электродов и их верное расположение на теле, наличие дефектов в проводах электродов и их повреждение. В отличии от оптических датчиков, движения тела при измерении дают намного меньшие искажения графика на экране, но все же дают, так как при движении напряжения других мышц тела, расположенных близко к электроду, также дают некоторые импульсы.

Данная схема не исключает использования других датчиков с аналоговым выходом, например, затрагиваемых ранее . Достаточно выводы PA1 и PA2 микроконтроллера подключить к земле или питанию, чтобы символы на дисплее не моргали.

P.S. Данное устройство не может быть применено для самостоятельно диагностики, только квалифицированный врач может делать какие-либо заключения о здоровье. Данное устройство создавалось только в познавательных и ознакомительных целях.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
IC1	МК STM32	STM32F103C8	1		В блокнот
VR1	Линейный регулятор	AMS1117-3.3	1		В блокнот
MOD1	Модуль ЭКГ	AD8232	1		В блокнот
HG1	TFT LCD	ILI9341	1		В блокнот
Z1	Кварц	8 МГц	1		В блокнот
HL1	Светодиод		1		В блокнот
EP1	Бузер	5В	1	Со встроенным генератором	В блокнот
S1-S4	Тактовая кнопка		4		В блокнот
C1, C2	Конденсатор	22 пФ	2

Принципиальная схема кардиографа приведена на рис. 1.

Рис 1 - Принципиальная схема простого кардиографа

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» : 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.

Рис 2 - Механизм последовательной записи файлов на SD-карту

Рис. 3 - Простой преобразователь ТТЛ – RS-232

Рис. 4 - Функциональная замена DA3 AD623

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

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

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).

Рис. 6 - Пример исходного кардиосигнала

1. Барановский А.Л. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ. М.: Радио и связь, 1993. – 248 с.
2. Авербух В. Инструментальные усилители. Схемотехника, 2001. – № 1. – С. 26.
3. Гордейчук А.П. Система "активной земли" в электрокардиографах. – Петербургский журнал электроники, 2005. – №2. – C. 37.
4. http://www.sdcard.org/developers/tech/sdcard/pls/Simplified_Physical_Layer_Spec.pdf
5. Терехин Ю. Музыкальный звонок с картой MMC. Радио, 2009. – №9. – С. 24-27.
6. http://www.ftdichip.com/Documents/DataSheets/DS_FT232R.pdf
7. Сизенцева Г.П. - Методическое пособие по электрокардиографии (в помощь медицинской сестре). – М.: Издательство НЦССХ им. Бакулева РАМН, 1998. – 68 с.

Скачать исходники, прошивки, ПО и др. файлы к проекту вы можете ниже

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Мой блокнот
	Рис. 1
DD1	МК PIC 8-бит	PIC16F873	1	В блокнот
DA1, DA2	ОУ	КР1446УД1	2	В блокнот
DA3	Инструментальный усилитель	AD623	1	В блокнот
BK1	Датчик температуры	DS1621	1	В блокнот
BK2	Акселерометр	MMA7455LT	1	В блокнот
VD1	Диод	КД522А	1	В блокнот
С1, С2	Конденсатор	0.22 мкФ	2	В блокнот
С3	Конденсатор	2.2 мкФ	1	В блокнот
С4, С6, С8	Конденсатор	0.1 мкФ	3	В блокнот
С5, С7	Электролитический конденсатор	1000 мкФ	2	В блокнот
R1, R2, R4	Резистор	20 кОм	3	В блокнот
R3	Резистор	720 кОм	1	В блокнот
R5, R9, R11, R13-R15	Резистор	300 Ом	6	В блокнот
R6, R7	Резистор	150 кОм	2	В блокнот
R8, R10	Резистор	4.7 кОм	2	В блокнот
R12	Резистор	150 Ом	1	В блокнот
R16	Резистор	10 Ом	1