<<
>>

Датчики систем телемедицины

В зависимости от решаемых задач исследования в телемедицинских системах могут регистрироваться самые разнообразные физиологические сигналы и параметры и, соответственно, использоваться различные датчики.

Биомедицинские датчики, в зависимости от типа регистрируемых сигналов, можно разделить на три большие группы (рис.30): датчики, регистрирующие биолектрическую активность, датчики различных физических величин, химические датчики.

Рисунок 30- Классификация биомедицинских датчиков

В свою очередь, датчики, относящиеся к различным группам, могут измерять один и тот же физиологический параметр. Например, измерить степень оксигенации крови можно оптическими и электрохимическими датчиками, частоту дыхания- с помощью электродов и датчиков механических величин и т.д. С точки зрения расположения относительно тела человека биомедицинские датчики можно разделить (рис.31) на бесконтактные, кожные, инвазивные и имплантируемые.

Рисунок 31- Классификация биомедицинских датчиков по расположению

относительно тела

В зависимости от областей применения биомедицинские датчики телемедицинских систем, можно разделить на две группы: датчики, используемые в составе аппаратуры в медицинских учреждениях и датчики, используемые для биотелеметрии, в частности, в системах домашнего мониторинга. Основное отличие этих групп заключается в условиях эксплуатации. В первом случае, все диагностические процедуры проводятся в соответствии с определенными методиками и под наблюдением специалистов, что позволяет минимизировать ошибки измерений. Во втором случае, особенно при наблюдении за пациентами в домашних условиях, регистрация сигналов и измерение физиологических параметров производится в условиях свободного поведения пациента, что, с учетом недостаточной квалификации пользователя, увеличивает вероятность возникновения ошибок.

Рассмотрим в качестве примера датчики второй группы. Подавляющее большинство телемедицинских систем персонального мониторинга используется для наблюдения за электрической активностью сердца. Это связанно, с одной стороны, с широким распространением сердечнососудистых заболеваний, а с другой стороны относительной простотой регистрации электрокардиосигнала (ЭКС). Для регистрации ЭКС в качестве датчиков используются кожные электроды, устанавливаемые на теле пациента. В зависимости от типа крепления различают прижимные, подкладные, присасывающиеся, клеящиеся электроды. Соответственно, конструкции электродов существенно различаются. Выбор той или иной конструкции зависит от целей применения. Так для кратковременной регистрации ЭКС обычно используются прижимные и присасывающиеся электроды, для долговременной- клеящиеся.

С точки зрения качества регистрации ЭКС основными параметрами электродов являются электродные потенциалы и сопротивление перехода электрод-кожа. Электродные потенциалы образуются в результате взаимодействия между материалом электрода и ионами электролитов тела. Разность потенциалов между электродом и электролитом тела зависит от материала электрода. Эта разность потенциалов под действием различных факторов (двигательной активности пациента, температуры, изменения геометрических параметров контакта, активности ионов) меняется во времени, что приводит дрейфу изолинии ЭКС (рис. 32).

Рисунок 32- Помеха при регистрации ЭКС из-за дрейфа электродного потенциала Сопротивление электрода зависит от многих факторов: площади электрода, частоты сигнала, качества обработки поверхности кожи. Сопротивление электрода влияет на уровень помех, при регистрации, в частности, на уровень помех от силовой сети. Кроме того, увеличение сопротивления электродов увеличивает аддитивную погрешность.

Эквивалентная схема кожного электрода включает в себя источник эдс, активное и емкостное сопротивление (рис.33).

cd

Рисунок 33- Эквивалентная схема кожного электрода Здесь Rd и Cd- эквивалентные сопротивление и емкость границы раздела электрод- кожа, Ehc- электродный контактный потенциал, Rs- сопротивление, обусловленное материалом электрода.

Для регистрации ЭКС в одном отведении обычно используют три электрода- два активных и один пассивный, которые подключаются кабелем к входу дифференциального усилителя. Основная задача дифференциального усилителя- усиление слабого сигнала (амплитуда ЭКС лежит в диапазоне 00.3-5 мВ) на фоне значительных синфазных помех. Типичная схема предварительного усилителя ЭКС приведена на рисунке 34.

Рисунок 34- Принципиальная схема предварительного усилителя ЭКС Усилитель построен по схеме измерительного усилителя на операционных усилителях (ОУ) DA1.1, DA1.2, DA1.3. Для активного подавления сетевой синфазной помехи в цепь отрицательной обратной связи введен драйвер нейтрального электрода собранный на ОУ DA2.1-DA2.2.

Одними из основных требований к приборам пациента, входящим в состав телемедицинской системы персонального мониторинга, являются малые габариты и потребляемая мощность. В связи с этим целесообразно для построения усилителей ЭКС использовать маломощные микросхемы с большой степенью интеграции. Одним из возможных вариантов модернизации приведенной схемы является использование измерительных усилителей в интегральном исполнении, например, таких как AD620-623 фирмы Analog Devices. Другой вариант заключается в применении специализированных микросхем усилителей биопотенциалов, которые недавно начали производить ведущие компании. Так, семейство микросхем ADS1294/6/8/4R/6R/8R фирмы Texas Instruments /31/ разработано специально для построения усилителей биопотенциалов и каждая микросхема включает в себя (рис.35) входной мультиплексор, усилители с программно регулируемым коэффициентом усиления, 24-х битный сигма-дельта АЦП, драйвер нейтрального электрода.

Управление микросхемой производится по стандартному SPI интерфейсу.

Рисунок 35- Структура ADS1298R

В микросхемах с индексом “R” дополнительно введен канал регистрации кривой дыхания. Кривая дыхания регистрируется импедансным методом, основанным на изменении сопротивления грудной клетки во время дыхания. Версии микросхем отличаются количеством каналов регистрации ЭКС и наличием канала регистрации кривой дыхания. Аналогичную микросхему ADAS1000 выпускает фирма Analog Devices.

Другим подходом, с помощью которого можно контролировать параметры сердечной деятельности и дыхания, является регистрация механических микроперемещений грудной клетки с помощью датчиков ускорения и тензодатчиков. Этот подход основан на методе баллистокардиграфии. Баллистокардиография- метод графической регистрации реактивных механических движений тела человека, обусловленных сокращениями сердца и перемещением крови в крупных артериях. На регистрируемой кривой отражаются колебания тела, вызванные систолой сердца, гидравлическим ударом крови о дугу

аорты, и элементы легочного ствола. Амплитуда волн в систолической фазе пропорциональна энергии сердечного выброса.

Основный на этом принципе прибор «Сонокард» /32/ использовался в ходе проведения медико-биологических экспериментов на Международной космической станции. Прибор включает в себя датчик-акселерометр, усилительно-преобразовательное устройство, блок памяти, контроллеры для связи с внешним компьютером и источник питания. Прибор размещается слева в верхнем кармане футболки космонавта и его датчик воспринимает микроколебания грудной стенки, связанные с работой сердца. Зарегистрированные во время сна сигналы записываются в энергонезависимую память прибора, из которой затем передаются в бортовой компьютер и далее по каналам связи на Землю. Записи сигналов, получаемые с помощью прибора «Сонокард» представляют собой результат регистрации всех вибраций, воспринимаемых акселерометром.

Выделение сигналов, обусловленных деятельностью организма, из суммарного сигнала осуществляется программными средствами. При этом определяются частота пульса, частота дыхания и двигательная активность. Особенностью метода регистрации физиологических сигналов, используемого в приборе «Сонокард» является то, что регистрация выполняется бесконтактно и не требует фиксации на теле электродов или специальных датчиков.

Для реализации метода бесконтактной баллистокардиографии удобно использовать в качестве датчиков ускорения микроэлектромеханические (MEMS) акселерометры, например, такие как ADXL350 фирмы Analog Devices /33/. Акселерометр ADXL350 позволяет измерять ускорение по трем координатам, в диапазоне температур от -40°C до +85°C. В акселерометр ADXL350 встроен 13разрядный аналогово-цифровой преобразователь с возможностью выбора диапазона измерений (±1g, 2g, 4g или 8g), что позволяет передавать цифровые данные в микроконтролле по последовательной шине SPI. ADXL350 выпускаются в 16-контактных корпусах размерами 3 x 4 x 1,2 мм. Структурная схема акселерометра приведена на рисунке 36.

Рисунок 36- Структурная схема акселерометра ADXL350 Для регистрации параметров сердечной деятельности и дыхания можно также использовать тензодатчики, смонтированные на нагрудном поясе. Так в /34/ предложен пояс для регистрации дыхания и частоты сердечных сокращений, где для измерений используется PVDF пленочный датчик (рис.37).

Рисунок 37- Система для регистрации параметров сердечной деятельности и

дыхания с PVDF датчиком

Другими контролируемыми физиологическими параметрами в телемедицинских системах персонального мониторинга являются двигательная активность, температура, артериальное давление, содержание глюкозы в крови. Измерение двигательной активности можно проводить с помощью датчиков, применяемых в бесконтактной баллистокардиографии, например, акселерометров. Для измерения

температуры удобно использовать интегральные датчики. Подобные датчики производятся различными ведущими фирмами. Так, прецизионный температурный датчик ADT7420 дает возможность получить разрешение до 0.0078 градусов Цельсия в диапазоне от -20 до 105 градусов с погрешностью 0.25 градусов. При уменьшении диапазона измерения до диапазона температур тела человека погрешность можно существенно снизить. Датчик имеет встроенное 16- ти разрядное АЦП и сопрягается с микроконтроллерами по шине I2C.

Для измерения параметров артериального давления и содержания глюкозы в крови применяются стандартные медицинские приборы. Например, в /35/ для измерения параметров артериального давления используется монитор Omron НЕМ-609, а для ввода значений измеренного давления в прибор персонального мониторинга- цифровая клавиатура.

4.

<< | >>
Источник: Конюхов В.Н.. Основы телемедицинских систем. 2012

Еще по теме Датчики систем телемедицины:

  1. 5.4. РАДИОТЕЛЕМЕТРИЯ И МОНИТОРИНГ
  2. ОГЛАВЛЕНИЕ
  3. Технические средства телемедицинских систем.
  4. Датчики систем телемедицины
- Акушерство и гинекология - Анатомия - Андрология - Биология - Болезни уха, горла и носа - Валеология - Ветеринария - Внутренние болезни - Военно-полевая медицина - Восстановительная медицина - Гастроэнтерология и гепатология - Гематология - Геронтология, гериатрия - Гигиена и санэпидконтроль - Дерматология - Диетология - Здравоохранение - Иммунология и аллергология - Интенсивная терапия, анестезиология и реанимация - Инфекционные заболевания - Информационные технологии в медицине - История медицины - Кардиология - Клинические методы диагностики - Кожные и венерические болезни - Комплементарная медицина - Лучевая диагностика, лучевая терапия - Маммология - Медицина катастроф - Медицинская паразитология - Медицинская этика - Медицинские приборы - Медицинское право - Наследственные болезни - Неврология и нейрохирургия - Нефрология - Онкология - Организация системы здравоохранения - Оториноларингология - Офтальмология - Патофизиология - Педиатрия - Приборы медицинского назначения - Психиатрия - Психология - Пульмонология - Стоматология - Судебная медицина - Токсикология - Травматология - Фармакология и фармацевтика - Физиология - Фтизиатрия - Хирургия - Эмбриология и гистология - Эпидемиология -