Jste zde

Jak pracuje a jak navrhnout osobní měřič EKG s DSP Freescale ?

Antonín Vojáček, 12. Listopad 2008 - 19:17

Jak EKG signál vzniká? Jak se měří EKG? Jak pracuje měřič či monitor EKG? Jak začít a co vzít v úvahu při návrhu a realizaci jednoduchého elektronického měřiče EKG s DSP? Tak na tyto otázky můžete získat odpověď v následujícím článku, který se snaží krátce a nenáročně přiblížit a osvětlit základní funkční principy a aspekty technické realizace měření EKG signálu.

Cena současných osobních zařízení pro měření a sledování elektrokardiogramů (EKG), tzv. osobní EKG monitory, v poslední době velmi klesá díky použití nových technologií implementovaných do integrovaných signálových procesorů (DSP). Mezi výrobce, kteří takový DSP vyvíjejí, patří i společnost Freescale (www.freescale.com). Osobní EKG monitor je zařízení schopné zachránit i lidský život. Takové zařízení bývá však často velmi drahé. V současné době lze díky existujícím vhodným DSP vyrobit i levnou variantu.

 

Měřič či monitor EKG slouží k měření, vizualizaci a vyhodnocení srdeční činnosti. Je založen na měření malých elektrických impulsů řídících činnost srdečního svalu, které se
snímají pomocí elektrod připevněných na vhodných místech na kůži.

Popis vzniku EKG signálu

Nejsem doktor ani zdravotník, ale myslím si, že pokud technik má pracovat s EKG signálem, bylo by dobré alespoň mít představu, jak prakticky vzniká. Případným čtenářům s lékařským vzděláním se předem omlouvám za nepřesnosti, ale snažil jsem se to popsat pro laiky a techniky.

Typický cyklus srdečního rytmu ukazují následující obrázky. Časování je následující:


 
  1. Vznikne tzv. "P vlna", která koresponduje se stahem srdeční síně (depolarizace) a plnění srdeční komory krví = Atrial Depolarization.

  2. Následuje tzv. "QRS průběh", zvaný též jako QRS kompex, který je způsoben stahem srdce a tlačením krve skrz plicní artérii do plic a skrz aorty do těla = Ventricular Depolarization.

  3. Nakonec se objeví tzv. "T vlna" a to v čase, ve kterém se srdeční komora repolarizuje pro další srdeční cyklus = Ventricular Repolarization.

 

  

Znázornění pohybu srdce při P vlně (obr. vlevo), QRS komplex a T vlně (obr. vpravo)

Typický průběh EKG signálu složený z P vlny následovaný QRS průběhem a nakonec zakončený T vlnou.

 

Návrh a struktura jednoduchého EKG měřiče / monitoru

Jak bylo popsáno výše, elektrický EKG signál vzniká díky akci nervů, které svými elektrickými impulsy ovládají (řídí funkci) pohyb srdce. Tyto napěťové signály jsou na úrovni desítek mikroV až jednotek mV a jsou tak snadno pohlceny dalším okolním šumem a statickým napětím přítomným na našem těle. Tato směsice EKG signálu a šumu je "sbírána" pomocí sond umístěných na kůži blízko srdce. Protože elektrický signál dodaný elektrodami má napětí špička-špička typicky jen okolo 1 mV, první věc, kterou je potřeba provést i u základního návrhu EKG monitoru je cca 1000x zesílení, aby byl signál použitelný pro další zpracování. Toto však není až tak jednoduché s ohledem na fakt, že lidské tělo funguje jako velká anténa "sbírající" okolní šum, včetně frekvence napájecí sítě 50 Hz. To musí být po zesílení kvalitně odfiltrováno. Naneštěstí se žádaným EKG signálem zesílí i rušení, které obsahuje a které může někdy EKG úplně pohltit. Proto je v případě lepších konstrukcí vhodnější použít na vstupu diferenční (rozdílový) zesilovač, který sám eliminuje souhlasné rušení / šum na vstupech a zesílí jen rozdílovou složku signálu dvou souhlasných napětí. Poté již nenásleduje nic jiného než převod signálu do digitální podoby pomocí A/D převodníku.

Blokové schéma jednoduchého měřiče EKG z DSP Freescale

Kvalita EKG signálu však nezávisí jen na úrovni okolního rušení, ale závisí i na přesném umístění snímacích elektrod. Toto se řeší a kompenzuje použitím více elektrod na různých místech. Jejich počet limituje počtu kanálů A/D převodníku, které jsou k dispozici (každá sonda vyžaduje jeden kanál). Například pokud se pro konstrukci jednoduchého levného EKG monitoru využije signálový procesor Freescale DSP56F803/5, který má v sobě již integrovaný 8kanálový A/D převodník, takže v maximálně by bylo možné použít 8 elektrod. Protože však v níže nastíněné konstrukci se jeden A/D vstup využívá pro připojení na telefonní linku přes SLIC (Subscriber Line Interface Circuit). Zbývajících 7 vstupů tak lze využít na připojení elektrod. Pro jednoduché informativní měření, které se předpokládá u osobního měřice EKG, pak postačují i jen 3 elektrody. Tento počet se také snadněji instaluje. Dva vzorky jsou odebírány sekvenčně, zatímco třetí je pak vzorkován nepřetržitě. Maximální vzorkovací frekvence 800 kHz a 12bitové rozlišení uvedeného A/D převodníku pak pro účely měření EKG plně postačuje, protože při běžné vzorkovací frekvenci EKG signálu 500 Hz vzniká dostatek času na provádění časově multiplexovaného vzorkování.

Základní neupravený EKG signál obsahuje šum, hlavně síťový kmitočet 50 Hz

Proč však zrovna vzorkovací frekvence 500 Hz je dostatečná? Zde se vychází z poznatku, že nejrychlejší výchylka v EKG je ve 20 ms úseku QRS průběhu. Ten je nutný celý zachytit pro potřeby následujícího vyhodnocení. Pak při vzorkování frekvenci 500 Hz, tedy vzorkovací periodě okolo 2 ms, se navzorkuje alespoň 10 vzorků QRS průběhu, což v praxi již stačí pro dostatečně kvalitní záznam, zobrazení či pro účely vyhodnocení porovnáním. Zároveň QRS průběh, hlavně R impuls, lze dobře použít i pro zjištění / změření srdečního tepu, který je v případě i digitálního vyhodnocení důležitý. Proto je také nutné dostatečně přesně "trefit špičku" impulsu.

Základní požadavky na zpracování EKG signálu v DSP a posloupnost funkcí, které by měly být provedeny.

 

Zpracování a vyhodnocení EKG

Navzorkovaný a digitalizovaný signál je následně ukládán do paměti. V tomto směru například realizace EKG monitoru společností Freescale používá techniky dvojitého bufferování. Jeden buffer slouží pro ukládání dat, zatímco druhý buffer je určen pro zpracování signálu.

Po zpracování signálu se následně provádí filtrování, detekování na abnormality a případně komprese dat. Pro návrh filtrů se vychází z faktu, že tepová frekvence je 60 až 200 tepů za minutu, tedy hlavní frekvenční oblast je okolo 3 až 4 Hz, a je nutné hlavně odfiltrovat rušení sítě 50 Hz a stejnosměrnou složku, která driftuje s teplotou. V EKG měřicích / monitorech se běžně využívá posloupnost alespoň tří následujících filtrů:

  • Úzkopásmový filtr (tzv. Notch filter) na frekvenci 50 Hz
  • FIR filtr typu dolní propust s mezním kmitočtem 30 až 35 Hz pro odstranění interference od svalů
  • Filtr typu horní propust s mezním kmitočtem 0.5 Hz pro kompenzování driftu.

 

FIR filtr typu dolnofrekvenční propust (obrázek vlevo) a IIR filtr typu horní propust (obrázek vpravo)

Filtry jsou realizovány jako plně číslicové, tedy jde o "virtuální filtry" realizované softwarově v DSP pomocí speciálních algoritmů. Proto také instrukční soubory signálových procesorů, jako je například Freescale DSP56F803/5, jsou již plně přizpůsobeny pro potřeby digitální filtrace, takže každý z výše uvedených filtrů lze implementovat jednoduše a efektivně. Po filtraci již tedy máme "čistý" signál vhodný pro přenos, záznam, zobrazení, tisk nebo u složitějších EKG zařízení i rovnou k elektronickému vyhodnocení.

Vyfiltrovaný EKG signál (zbavený rušení od síťového kmitočtu) s typickým průběhem

Při vyhodnocení EKG se vychází z faktu, že jej lze jednoduše popsat jako periodicky se opakující pulsní signál s širokým rozsahem různých odchylek, které se však vždy objeví, když tělo postihne ta či ona nemoc. "Odchylky od normálu" již byly pozorováním dost zdokumentovány a jsou popsány v lékařské literatuře. K jednoduchému vyhodnocení EKG je tedy nutné měřit / zjišťovat rozdíly mezi aktuálně naměřenými průběhy a referenčním EKG signály, které jsou upraveny do měřítka aktuální periody tlukotu srdce (srdečního tepu). To je tedy předtím nutné určit z naměřeného signálu měřením periody opakujících se QRS komplexů. Tato diagnostická metoda však není schopna klasifikovat typ poruchy či onemocnění. To zatím bohužel umí jen zkušený lékař a i ten si někdy není jistý. Výstup z přístroje pak může být ve dvou formách:

  • Informace zda je osoba zdravá nebo nemocná
  • Kontinuální indikace stupně onemocnění

K určení / klasifikaci konkrétního onemocnění, například infarktu či arytmie musí být vzata v úvahu další kritétia, jako je tvar pulsů či vlny či přítomnost a četnost dalších parazitních pulsů. Vzhledem k tomu, že teoretický počet instrukcí na jednu EKG periodu je 40 MIPS / 500 Hz / 4 kanály = cca 26 000 a instrukční soubor je přizpůsobený na číslicové zpracování signálu (digital signal processing), existuje zde dostatečná výkonová rezerva k případnému doplňku v podobě vytvoření klasifikace onemocnění.

Vyseparovaný QRS komplex z EKG signálu pomocí FIR filtru typu horní propust s mezním kmitočtem 2 Hz

K ověření či konzultaci onemocnění s doktorem či fyzioterpeutem může sloužit vyslání určité části signálu pomocí modemu či po Ethernet síti. DSP může být například připojeno k telefonní lince prostřednictvím SLIC modemu, kde jeden vývod interního A/D převodníku je použit jako vstup a externí D/A převodník jaký analogový výstup. Ten může být k DSP připojen pomocí SPI. Provoz modemu je pak realizován softwarově přímo samotným DSP. Samozřejmě lze přes SPI realizovat i dnes modernější síťovou Ethernetovou komunikaci či bezdrátový přenos přes WiFi, Bluetooth či ZigBee.

Program celého EKG monitoru naprogramovaný v jazyku C by měl mít strukturu zobrazenou na následujícím obrázku. Jednotlivé úlohy (tasks) spolu navzájem komunikují prostřednictvím semaforů (funkce semaphore), kde jsou globální stavové proměnné chráněny před neustálou změnou v průběhu komunikace. Funkce modemu a základních DSP algoritmů jsou komponenty poskytované Freescalem.

Volba vhodného DSP

Předpokládáme, že maximální frekvenci EKG je 3 tlukoty srdce za sekundu a 3kanálové zpracování se vzorkovací frekvencí 500 Hz. To znamená, že je požadováno zpracování 1500 vzorků za sekundu a detekce 9 pulsů za sekundu. S použitím IIR filtru (Infinite Impulse Response filter) tvořeného strukturou se 6 bikvady je potřeba pro předzpracování požadován výkon okolo 0.18 MIPS. Detekce tvaru pulsů pomocí korelace s 128bodovým referenčním vektorem a opakováním této operace 10 typů pulsů je potřeba 3 tlukoty * 3 kanály * 10 referencí = 90 výpočtů korelací o 128 prvcích / 128 prvkový vektory reprezentuje cca 1.6 MIPS potřebného výkonu. Ve zkratce lze napsat, že výkon 3 MIPS je potřebný pro základní vyhodnocení EKG s ohledem na výkonovou rezervu pro změnu časového měřítka referenčních vektorů průběhů pulsů. Přídavný software pro zajištění komunikace / přenosu signálů, například pro implementaci softwaru pro softwarový modem dle V.22bis, je nutné počítat s přídavným výkonem cca 6 MIPS a s modemem dle V.32bis okolo 15 MIPS.

Návrhové varianty

Celý EKG monitor může být navržen v několika variantách:

  • levná varianta bez komunikace a externí pamětí s vyhodnocením v reálném čase
  • plná varianta s klávesnicí, displejem, komunikací a externí pamětí pro uložení EKG

Řešení s externí pamětí musí být založeno na DSP56F805, protože víceúčelové vstupy/výstupy (GPIO) jsou u DSP56F803 sdíleny s externí adresovou sběrnicí. GPIO vývody jsou použity pro klávesnici, LED signalizaci a případně pro displej. Klávesnice nebo displej mohou být také připojeny přes sériové komunikační rozhraní SCI. K poskytnutí připojení k osobnímu počítači lze také SCI využít pro realizaci RS-232 či USB rozhraní. Funkčnost navržené aplikace lze vyzkoušet na vývojových deskách Freescale, například DSP56F805EVM nebo DSP56F803EVM. Tyto desky obsahují veškerý požadovaný hardware včetně analogových vstupů, vstupů na zesilovače pro připojení elektrod a výstupy pro SLIC.

 

Vhodné DPS pro realizaci základního EKG monitoru je DSP56F505 společnosti Freescale

Vývojový kit Freescale DSP56F805EVM, který svojí výbavou umožňuje si realizovat takový jednoduchý měřič EKG

Závěr

Tento článek neměl za cíl čtenáři přednést na podnose přesnou realizaci konstrukce EKG měřiče, ale spíše odhalit pro mnoho lidí záhadný princip měřiče EKG a pro vývojáře nastínit směr, jakým se při konstrukci podobného zařízení vydat a na jaká úskalí se zaměřit. Pro konstrukci zařízení lze například využít integrované obvody společnosti Freescale, nebo celé vývojové desky s DSP, kde si lze mnoho věcí vyzkoušet bez pájení a konstrukce plošných spojů.

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: