Практические аспекты телемедицины. Аппаратная база семейного врача.

 

Изменение действующей модели системы охраны здоровья в стране, требует нового подхода к аппаратному обеспечению практикующего врача. Предлагаемая модель работы семейного врача, предъявляет несколько существенных требований к используемой им диагностической технике. Можно выделить основные:

1. Техника должна обеспечивать оперативную постановку диагноза пациенту.

2. Техника должна способствовать получению сторонней консультации, независимо от места локализации пациента.

3. Техника должна быть мобильной, удобной в эксплуатации и находиться в нижней части ценового сегмента.

Будем рассматривать способы реализации этих требований для систем холтеровской регистрации ЭКГ пациента как наиболее эффективного метода диагностики проблем вариабельности ЧСС.

Врач должен иметь возможность немедленно оценить состояние пациента. То есть, визуализация записываемой ЭКГ - обязательная опция программно - аппаратного комплекса. Наивно полагать, что необходимость носить с собой на вызов ноутбук, вызовет прилив энтузиазма у нашего пользователя. С другой стороны, миниатюрный дисплей интегрированный в прибор, резко повышает его стоимость, и не может обеспечить разумных требований к разрешению кардиограммы. Остается один приемлемый вариант - смартфон либо планшет, работающий под управлением OS Android и коммутируемый с прибором посредством Блютуз интерфейса. (Wi-Fi не подходит, в связи с его высокой энергоемкостью).

Возможность получения оперативной консультации от специалиста, опять же определяется двумя моментами - возможностью немедленно сбросить файл с проблемным участком записи консультанту, и открытость программного обеспечения, позволяющая консультанту просмотреть сброшенный файл. По первому моменту - обеспечить оперативную доставку файла записи может только мобильный интернет, что возвращает нас к варианту использования смартфона. Что касается открытости программы - короткие фрагменты записи (до 30 мин) должны обрабатываться программой вне защит , аппаратных ключей и пр. (На мой взгляд, аппаратные ключи вообще не приемлемы для данного сегмента медицинской техники). ;

Программное обеспечение для обработки суточной записи ЭКГ достаточно ресурсоемкое, и может быть запущено только на ПК под управлением OS Windows. В случае приема пациента в клинике либо в частном кабинете, программно-аппаратное обеспечение должно позволить реализовать все возможности прибора, используя исключительно персональный компьютер. То есть, программное обеспечение диагностического комплекса должно состоять из трех частей:

1. Программа обработки и анализа под OS Windows.

2. Программа - монитор , для контроля наложения электродов и визуализации ЭКГ в режиме реального времени, создания файлов записи и работы с ними, под OS Windows.

3. Программа - монитор , для контроля наложения электродов, визуализации ЭКГ в режиме реального времени, передаче файла записи в сеть мобильного Интернета под OS Android.

Устройства с iOS (Apple) не могут быть использованы в связи с их дороговизной и специфическим подходом к работе с пользователем.

Исходя из всего, вышеизложенного, мы разработали семейство холтеровских регистраторов ЭКГ/ЭЭГ включающих в себя:

 

1. SuganECGmono - 1 дифференциальный канал, без референтного электрода, блютуз, µSD карта, Li-Po аккумулятор, суточная запись, минимальная стоимость.

 

2. SuganECG3 - 3 дифференциальный канал, референтный электрод , блютуз, µSD карта, Li-Po аккумулятор, суточная запись, акселерометр для контроля положения тела и активности пациента.

 

3. SuganEEG16 - 16 каналов EEG+1канал ECG, референтный электрод , стимулятор, блютуз, µSD карта, 2*AA батарея либо аккумулятор, суточная запись,

возможность видеосъемки.

 

4. SuganEEG8 - 8 каналов EEG, референтный электрод , стимулятор, блютуз, µSD карта, Li-Po аккумулятор, суточная запись, возможность видеосъемки, минимальная стоимость.

 

 

Все предлагаемые Вашему вниманию проекты - коммерческие. Реализуются как проекты в целом, так и отдельно приборы и программы.

 

Разработка ЭКГ и ЭЭГ систем для суточного мониторинга – это направление, которым я занимаюсь с 2007 года. Область работы чрезвычайно специфична, так как помимо корректного сбора и накопления информации стоит задача интерпретации полученных результатов, причем эта задача требует привлечения специалистов в целом ряде областей, как врачей, так и математиков. В данной работе я буду рассматривать схемотехнические решения аппарата для суточного мониторинга электрокардиограммы пациента.

Обращаю Ваше внимание на то, что ни при каких условиях тело пациента не может находиться под потенциалом ПК, такая возможность должна быть исключена на уровне конструктивных и схемных решений прибора

 

При разработке аппарата для суточного мониторинга ЭКГ (далее – регистратора),  необходимо обеспечить ряд обязательных технических требований. Прежде всего, это отсутствие гальванической связи между пациентом и персональным компьютером, который используется для визуализации текущей кардиограммы, считывания суточной записи и обработке накопленных результатов.

Кроме этого, необходимо обеспечить высокую скорость передачи данных в режиме ЭКГ монитора,  малое время считывания накопленных данных, низкое энергопотребление прибора.

Для эффективной работы регистратора в режиме монитора ЭКГ, поток данных сжимается посредством ADPCM алгоритма и передается в ПК по интерфейсу Bluetooth.

Для считывания несжатых накопленных данных из памяти регистратора используется интерфейс USB.

Для снижения энергопотребления регистратора в режиме накопления данных осуществляется отключение модуля  Bluetooth от источника питания регистратора.

Для выполнения требования гальванической развязки регистратора с пациентом применены следующие технические решения:

  1. Для передачи ЭКГ в режиме монитора используется беспроводной интерфейс Bluetooth.
  2. При считывании данных, накопленных во внутренней памяти регистратора (SDCard)  посредством USB интерфейса, кабель USB подключается к тому же разъему, к которому подключаются кабеля электродов для снятия ЭКГ. То есть, невозможно одновременное соединение регистратора с ПК посредством USB кабеля и пациентом, посредством кабелей электродов.

 

Аналоговая часть схемы регистратора.

 

   Аналоговая часть регистратора построена по классической схеме, и состоит из трех дифференциальных каналов и канала референтного сигнала, используемого также для подавления сетевой помехи. Аналоговые входы защищены диодными цепочками. Я использую диодные сборки BAW199, которые характеризуются малыми токами утечки и достаточно хорошими временными характеристиками. Наличие входных повторителей, кроме оптимизации КСС, позволяет корректно формировать суммарный сигнал для канала референтного электрода. Выходной активный фильтр формирует полосу пропускания канала и позволяет решить вопрос  с подавлением частоты Найквиста.

 

 

Рис.1 Принципиальная схема аналоговой части регистратора.

 

Потенциал средней точки для работы усилителей (DAC0) -  формируется нулевым ЦАП процессора. Первый ЦАП  (DAC1) используется для формирования тестовых и калибровочных сигналов для настройки и  проверки работоспособности регистратора. Вывод CONN_TYPE (8 вывод разъема DB15), служит тестовым входом для определения типа подключенного кабеля. У кабеля с электродами он закорочен в ответной части разъема перемычкой на землю, а у кабеля для считывания данных по USB -  на DAC0 через резистор R1. В кабеле для считывания по USB, в ответной части разъема, расположены делители, позволяющие подавать   сигналы, формируемые DAC1 на входы усилителей регистратора. Процессор U2 периодически, в процессе работы измеряет напряжение на выводе CONN_TYPE, и в зависимости от результата, делает заключение что:

  1. К разъему не подключен ни один из кабелей (максимальное напряжение за счет резистора R15 подтянутого к VDD).
  2. Подключен кабель с электродами (минимальное напряжение за счет перемычки на землю в ответной части разъема).
  3. Подключен кабель для считывания данных по USB (среднее из возможных напряжений за счет перемычки на DAC0 через R1 в ответной части разъема).

В первом случае, процессор U2 переходит в режим остановки, что позволяет минимизировать бессмысленное энергопотребление прибора. Во втором случае, регистратор продолжает штатно выполнять предварительно заданный режим работы. В третьем случае, процессор U2 измеряет напряжение на выводе VBUS.

Если это напряжение равно 5V (то есть, интерфейс USB активирован, процессор U2 производит принудительный сброс процессора U7, а сам переходит в режим остановки).  Если напряжение на выводе VBUS равно 0, то есть, разъем USB подключен,  но сам интерфейс не активирован, процессор U2 переходит в режим симуляции (разрешается формирование тестовых и калибровочных сигналов посредством DAC1).

Вывод ALARM_SW применяется для идентификации плохого самочувствия пациента в модифицированном кабеле электродов с кнопкой плохого самочувствия пациента.

 

Цифровая часть схемы регистратора.

 

Цифровая часть регистратора проектировалась на базе процессоров C8051F041 и C8051F340.Выбор первого, связан с наличием встроенного усилителя,используемого при выборе необходимого коэффициента усиления сигнала ЭКГ. На схемное решение цифровой части регистратора существенное влияние оказал следующий момент. Мне не удалось перевести модуль LMX9838 (U3) в режим пониженного энергопотребления. При любых комбинациях уровня сигналов на его входах он упорно потреблял 1.5-2 мА тока. Поэтому, я вынужден был принудительно отключать питание модуля  U3 в режиме накопления данных. Это привело к тому, что внутренние подтягивающие резисторы выводов процессоров U2 и U7 при конфигурировании процессоров были отключены, большинство выводов отконфигурировано как выходы с открытым коллектором, появились внешние подтягивающие резисторы, причем выводы модуля LMX9838 (U3) подтягивались к напряжению, коммутируемому через транзистор T1.

 Транзистор T2 в нетривиальном включении, предохраняет прибор от переполюсовки выводов батареек либо аккумуляторов при установке их в отсек корпуса регистратора. Для защиты выводов USB интерфейса применена сборка SP0503 (стандартное решение, применяемое SILICON LABS в программаторе  USB DEBUG ADAPTER).

 Подтягивающие резисторы на выводы интерфейса JTAG процессора U2 можно и не ставить, но у меня есть печальный опыт, когда в результате пробоя именно этих выводов, несколько процессоров вышли из строя  (правда, это касалось другого устройства, и других процессоров).

 По входу V_BAT процессор U2 периодически контролирует напряжение источника питания. Когда пользователь вставляет в корпус прибора источник питания (батарейки либо аккумуляторы), регистратор, после процедуры установки конфигурации, автоматически переходит в режим остановки. Это сделано для оптимизации энергопотребления прибора. Нажатием кнопки SW2 регистратор переводится в рабочий режим. Из рабочего режима регистратор можно вывести только путем извлечением источников питания из отсека корпуса (либо при полном разряде источников питания). Таким вот образом у пациента нет возможности  случайно остановить текущую запись кардиограммы в память регистратора.         

Далее проводится процедура идентификации подключенного кабеля, и в случае ее успешного завершения (нужный кабель подключен) на модуль Bluetooth подается напряжение питания. Если, в течение 5 минут регистратор не обнаружил активное Bluetooth соединение с ПК , питание с модуля Bluetooth снимается. Нажатие кнопки SW1 вызывает реинициализацию модуля Bluetooth. Светодиоды VD1 и VD2 подсвечивают нажатие кнопок  SW1 и SW2.

 

 

Рис.2 Принципиальная схема цифровой части регистратора .

 

При подключении кабеля USB с активированным интерфейсом  (напряжение на выводе VBUS равно 5V)  процессор U2 сбрасывает процессор U7 и сам переходит в режим остановки. Процессор U7 по сбросу проводит процедуру конфигурирования и измеряет напряжение на выводе VBUS. Убедившись, что оно равно 5V процессор U7 активирует свой встроенный USB-контроллер, проводит инициализацию SDCard, и ожидает команды от ПК на начало передачи данных, содержащихся в памяти регистратора. По окончанию передачи данных, процессор U7 переходит в режим остановки. Повторная процедура считывания инициируется нажатием кнопки SW2.

Есть два режима работы регистратора, режим монитора, и режим накопления данных. В первом режиме, отличающимся высоким энергопотреблением, активирован модуль Bluetooth, данные кардиограммы оцифровываются, сжимаются при помощи ADPCM алгоритма и передаются в ПК посредством  Bluetooth интерфейса. При этом также возможна запись во внутреннюю память несжатых данных. Во втором режиме модуль Bluetooth отключен, энергопотребление оптимально, несжатые данные накапливаются в памяти регистратора.

К выходу CEX0  подключен  бузер. Регистратор сопровождает звуковыми сигналами ряд событий: переход в активный режим, нажатие кнопки, инициализация SDCard, подключение USB кабеля.

 

Программа просмотра и анализа холтеровских записей кардиограмм « HeartReview».

 

 

 

 

 

СКАЧАТЬ TRIAL ВЕРСИЮ ПРОГРАММЫ

 

СКАЧАТЬ ДЕМОНСТРАЦИОННУЮ ЗАПИСЬ ЭКГ

 

 

Прибор для суточного мониторинга ЭКГ « SuganECGmono».

 

 

 

 

Прибор для суточного мониторинга ЭКГ « SuganECG3 ».

 

 

 

   Выложено на сайт     WWW.SUGAN.COM.UA     07.10.2010. Дополнено 15.04.18

   ® SUGAN

   Все права на материалы, размещенные на сайте, охраняются в соответствии с законодательством Украины.

 

Locations of visitors to this page