Основы ЭКГ.
Основная функция электрокардиограммы (ЭКГ) заключается в измерении потенциалов напряжения, генерируемых по всему телу при каждом сокращении стенки сердца. ЭКГ обрабатывает эти сердечные сигналы и выводит их в виде волновых форм либо на экран, либо на принтер. Для самых простых ЭКГ это предел их функциональности, но более новые ЭКГ стремятся выйти за рамки простого предоставления волновой формы. Все чаще ЭКГ включают в себя такие функции, как хранение волновых форм, использование беспроводной связи для передачи данных и последующая обработка сигнала. Усилители, используемые в схеме обработки сигнала, имеют фундаментальное значение для реализации этих расширенных функций. На блок-схеме ЭКГ, показанной на рисунке 1, усилители выделены зеленым цветом в левом нижнем углу схемы.
Сбор сигнала:
В ЭКГ обычно используются три, пять или десять электродов для регистрации сигнала в разных точках тела. Однако при напряжении на коже от 100 мкВ до 3 мВ на каждом электроде может возникать постоянный потенциал, достигающий почти 300 мВ. Поэтому крайне важно, чтобы схема обнаружения сигнала на входном каскаде могла обнаруживать желаемое напряжение даже при очень слабом сигнале, несмотря на наличие относительно большого синфазного напряжения. Другие факторы, которые следует учитывать, включают шум, такой как помехи 50 или 60 Гц от освещения или мониторов, движения пациента и электромагнитные помехи от другого оборудования.
Учитывая крайне малую величину требуемого сигнала, для выделения сердечного сигнала из синфазного напряжения и шума, а также для обеспечения усиления сигнала необходим усилитель. На способность усилителя выделять и усиливать сигнал влияют несколько факторов, и особое внимание следует уделять подавлению синфазного сигнала, входному смещению напряжения и дрейфу смещения напряжения, а также колебаниям выходного сигнала усилителя и шуму.
Повышенная точность:
Хотя целевой сигнал обычно составляет менее одного милливольта, электроды могут иметь постоянный потенциал порядка нескольких сотен милливольт. Установка на основе инструментального усилителя позволяет подавлять любые синфазные сигналы на дифференциальных входах, будь то от электродов или синфазный шум, например, помехи 60 Гц, одновременно усиливая сердечный сигнал. Для обеспечения возможности работы усилителя как с дифференциальными входами, так и с синфазным шумом, важно учитывать коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) схемы усилителя относительно постоянного тока на разных частотах, особенно на частотах сети 50 или 60 Гц. Выбор усилителя с высоким CMRR позволит устранить больше нежелательных шумов и обеспечить более точные измерения.
Минимизация ошибки выходного сигнала:
Одна из основных функций усилителя — усиление требуемого напряжения, которое относительно невелико, что повышает разрешение схемы детектора. Из-за высокого коэффициента усиления, необходимого в приложениях ЭКГ, напряжение смещения усилителя имеет решающее значение. Любое смещение напряжения, вызванное усилителем, также будет умножено на коэффициент усиления схемы. Для сердечного сокращения, генерирующего потенциал 1 мВ на данном электроде, и при коэффициенте усиления схемы усилителя, равном 1000, выходное напряжение схемы усилителя в идеале должно составлять 1 В. Однако, если смещение на входе усилителя составляет 100 мкВ, это приведет к ошибке выходного сигнала в 100 мВ, или 10 процентов. Поэтому важно помнить, что ошибка смещения на входе усилителя относится к входу, и ее значение зависит от коэффициента усиления усилителя.
Как и все электрические компоненты, отклик усилителя зависит от времени и температуры. Это, безусловно, относится и к напряжению смещения усилителя, которое может приводить к более высокой частоте ошибок из-за дрейфа смещения. Ошибку напряжения смещения можно минимизировать, выбрав усилитель с низким дрейфом, например, с автоматической топологией обнуления, или путем периодической калибровки системы для корректировки смещения и дрейфа.
В предыдущем примере электродный потенциал в 1 мВ генерировал изменение напряжения на 1 В на выходе схемы усилителя. Для системы с одним источником питания 5 В это означало бы, что схема усилителя может точно определять напряжения от нуля до 5 мВ, при условии, что выходное напряжение усилителя может изменяться между значениями обеих шин питания. Если усилитель не обеспечивает такого изменения выходного напряжения от шины до шины, общий диапазон напряжений, которые могут быть точно определены, будет меньше, что ограничит динамический диапазон схемы обнаружения.
Шумовые ошибки:
Шум усилителя — ещё один важный фактор, который может повлиять на точность измерений ЭКГ. Шум усилителя может быть непостоянным по отношению к частоте, особенно на низких частотах, где доминирующим источником шума может быть шум типа 1/f. В приложениях ЭКГ полоса пропускания сигнала обычно составляет постоянный ток до 100 Гц, поэтому шум типа 1/f будет ещё одним источником ошибки.
Заключение:
Электрокардиографы (ЭКГ) развиваются и предлагают гораздо больше, чем просто измерение электрической активности сердца. Сегодня ЭКГ могут автономно проводить анализ сигнала, обеспечивать анализ в реальном времени и даже позволять носимым устройствам записывать электрическую активность сердца в течение длительных периодов времени. Реализация этих передовых функций зависит от точности захвата и обработки сердечных сигналов, а также от выбора и конструкции усилителя — все это критически важные факторы для точности измерений ЭКГ.
