Разработка автономного устройства длительного ЭКГ-мониторирования

Заболевания сердечно-сосудистой системы наиболее распространенная причина высокой смертности [1]. Развитие этих заболеваний можно предупредить, если своевременно их диагностировать и контролировать их развитие.

Статья представляет собой руководство по разработке устройства, которое позволяет выявить заболевания сердца на ранней стадии, в тех случаях, когда холтеровские мониторы не в состоянии заметить отклонения, в силу того, что снимают сигнал в течение 1–2 сут. Далее будет рассмотрена практическая реализация автономного носимого устройства длительного ЭКГ-мониторирования.

Устройство

Предлагаемое решение представляет из себя устройство в виде гибкого пластыря, которое клеится в области грудной клетки. Оно производит непрерывную запись ЭКГ-сигнала в одном отведении в течение 10 дней. Полученный ЭКГ-сигнал предварительно обрабатывается и, при необходимости, передается в реальном времени через интернет для дальнейшего автоматического анализа и просмотра кардиологом.

Устройство должно соответствовать следующим критериям:

• •    длительность автономной работы не менее 10 сут. Это необходимо для выявления некоторых типов аритмии, которые редко проявляются;

• •    запись формы аналогового сигнала ЭКГ в одном отведении с частотой дискретизации не менее 1000 Гц и разрядностью 10 бит;

• •    запись данных о физической активности пользователя. Необходимо для выявления корреляции работы сердечно-сосудистой системы и физической активности [2];

• •    низкая себестоимость;

• •    малые габариты устройства и масса.

Согласно вышеперечисленным критериям была подобрана радиоэлектронная база. Предлагаемые Устройство длительного ЭКГ-мониторирования состоит из следующих узлов:

• •    интегральный модуль снятия ЭКГ в одном отведении;

• •    микроконтроллер;

• •    FLASH-память;

• •    датчик ускорения;

• •    Bluetooth LE интегральная схема;

• •    LDO-регулятор или малошумящий DC-DC-преобразователь;

• •    Li-Pol аккумулятор, 200…300 мА·ч.

В качестве интегрального модуля снятия ЭКГ в одном отведении предлагается применить специализированную микросхему от Analog Devices – AD8232, вход которой реализован на малошумящих инструментальных усилителях. Суммарный ток потребления не превышает 170 мкА [3] (потребляемая энергия за час 0,17 мА·ч, за 10 дней – 40,8мА·ч), что важно для автономного устройства.

Для получения минимальных искажений полоса частот входного сигнала ограничена фильтром верхних частот (ФВЧ) с частотой среза f –3 дБ = 0,5 Гц и фильтром низких частот (ФНЧ) с частотой среза f –3 дБ = 40Гц. Внешний вид АЧХ входной цепи представлен на рис. 1.

Рис. 1. АЧХ входной аналоговой цепи снятия ЭКГ

В качестве микроконтроллера выбран доступный ATmega328, с током потребления менее 1 мкА в спящем режиме.

В качестве модуля памяти используется nor-FLASH-память серии n25q от Micron, подключенная к микроконтроллеру по последовательному интерфейсу Serial Peripheral Interface (SPI).

Физическая активность пользователя, а также его положение определяются по данным с трехосевого датчика ускорения

MMA8451Q, обеспечивающего высокую точность (до 14 бит на ось) и скорость (до 800 Гц частота дискретизации) получения данных об ускорении, при малом энергопотреблении: 24 мкА в режиме пониженного энергопотребления при частоте дискретизации 100 Гц.

В качестве Bluetooth Low Energy (BLE)-чипа используется распространенный nRF8001 от Nordic Semiconductor с выходной мощностью –18…0 дБм и чувствительностью –87 дБм [4]. Он управляется и взаимодействует с микроконтроллером по последовательной шине SPI.

Принцип работы устройства

Устройство приклеивается в области грудной клетки, используются три электрода: два электрода служат для непосредственного снятия сигнала, а третий (центральный) для подавления синфазных помех.

После включения устройства происходит настройка портов ввода/вывода микроконтроллера, а также происходит инициализация внутренней периферии самого микроконтроллера: I2C, SPI, ADC. Затем происходит программный сброс внешней периферии: акселерометра, интегральной микросхемы снятия ЭКГ, Bluetooth LE чипа и FLASH-памяти. Подключение к смартфону возможно в любой момент работы устройства. Не зависимо от этого, данные всегда записываются во внутреннюю память.

После этого устройство переходит в режим сбора и сохранения информации, программа микроконтроллера реализует цикличный алгоритм, в ходе выполнения которого идет непрерывный опрос микросхемы снятия ЭКГ, датчика ускорения, а затем по мере накопления происходит сохранения полученных данных во FLASH-память и, если соединение по Bluetooth LE было установлено, также происходит передача данных на смартфон.

Краткие сообщения

Рис. 2. Внешний вид печатной платы устройства

В устройстве реализована возможность сохранения временных меток. Например, пользователь может путем нажатия на кнопку зафиксировать момент, когда он почувствовал боль в грудной клетке или его самочувствие резко ухудшилось. Это событие будет зафиксировано, и врач при анализе обратит внимание на этот временной участок для выявления причины и анализа корреляции с физической активность в этом промежутке времени.

Все компоненты смонтированы на двухслойной печатной плате размером 22 × 37 мм (рис. 2).

Заключение

Были рассмотрены основные аспекты разработки носимого автономного устройства длительного ЭКГ-мониторирования, а также предложена радиоэлементная база для разработки устройства, удовлетворяющего поставленным критериям.