Design of Microcomputer-Based Medical Instrumentation WILLIS J. TOMPKINS and JOHN G. WEBSTER, eds. Department of Electrical and Computer Engineering University of Wisconsin — Madison Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey 1981 МИКРОКОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕДИЦИНСКИЕ СИСТЕМЫ Проектирование и применения Под редакцией У. ТОМПКИНСА, ДЖ. УЭБСТЕРА Перевод с английского под редакцией д-ра биологических наук Е. А. УМРЮХИНА Москва «Мир» 1983 ББК 34.7 М59 УДК 591.1 Г. Фурно, Д. Дас, Г. Спренгер, П. Гэдсби, М. Яниковски, X. Бахарестани, Дж. Вудбен, У. Томпкинс, С. Пог, X. Тян- драса, Ю. Ким, К. Колвэлл, А. Саакян, Н. Такор, Дж. Абен- стеин Микрокомпьютерные медицинские системы: Проектирова- М59 ние и применения. Пер. с англ. — М: Мир, 1983 — 544 с., ил. Коллективная монография американских ученых, посвященная проектирова- нию автоматизированных медицинских систем на основе микро-ЭВМ. Рассматри- ваются принципы создания и эксплуатации таких .систем, особое внимание уде- ляется методам фильтрации биомедицинских сигналов. На многочисленных при- мерах демонстрируется использование систем в клинических исследованиях. Для разработчиков медицинского оборудования, врачей и биологов. м- ББК 34.7 610:6 162—83, ч. 1 Г4103000000—236 041(01)—83 Редакция литературы по новой технике 1981 by Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J, Перевод на русский язык, «Мир», 1983 Предисловие редактора перевода Появление электронных устройств, получивших название «микропроцессоры», открыло новую эру в автоматизации про- цессов управления и обработки информации. Особый интерес к микропроцессорам обусловлен в первую очередь их сравни- тельно низкой стоимостью, малыми габаритами, надежностью в работе. Настоящая книга посвящена рассмотрению новых аспектов применения микропроцессоров в медицине. От большинства ра- бот, в которых основное внимание уделяется проблемам проек- тирования и практическому применению подобных устройств, ее отличает простота и ясность изложения. Это делает книгу доступной и для неспециалистов в области вычислительной тех- ники. По существу, она является практическим руководством по разработке, созданию и эксплуатации медицинского обору- дования на основе микро-ЭВМ и содержит не только инфор- мацию, представляющую определенный интерес для инжене- ров—разработчиков автоматизированных систем, предназна- ченных для диагностики заболеваний и их лечения, но и сведе- ния, которые могут оказаться полезными медикам для самостоятельной работы с такими системами. В книге хорошо отражена специфика применения микропро- цессоров в медицинской практике, связанная с рядом требова- ний, которым должны удовлетворять технические средства, ис- пользуемые в лечебно-диагностических учреждениях. В меди- цинской практике трудно осуществить удовлетворительное тех- ническое обслуживание применяемых приборов, а вместе с тем от качества и точности работы приборов в какой-то мере зави- сит диагностика заболевания, т. е. здоровье человека. Отсюда вытекает требование обеспечения максимальной надежности ра- боты приборов при минимальной численности высококвалифи- цированного обслуживающего персонала. Кроме того, необходи- мо, чтобы прибор был максимально прост в эксплуатации, а получаемая с его помощью информация соответствовала пред- ставлениям врача о клинико-диагностическом процессе, т. е. чтобы информация выдавалась в привычной для врача форме. »'Б Предисловие редактора перевода Не менее важными требованиями, предъявляемыми к прибо- рам, применяемым в медицине, являются малые габариты и низкая стоимость. Всем перечисленным требованиям удовлетворяют микро- компьютерные системы, в которых наряду с обычными датчи- ками, усилителями, измерительными и терапевтическими при- борами используются устройства для обработки данных, про- граммирования терапевтической процедуры, визуализации (предъявления) информации в доступной для врача форме. Достоинством книги является органическое сочетание ана- лиза особенностей лечебного и диагностического процессов, а также исследуемых в медицинской практике физиологических и биохимических процессов с изложением основных принципов проектирования (схемного и программного) микрокомпьютер- ных систем для решения задач в области медицины. Рассмот- рены примеры использования микрокомпьютерных систем и приборов практически во всех областях современной медици- ны—для анализа ЭЭГ- и ЭКГ-сигналов, в ультразвуковой и радиоизотопной диагностике, в наркозно-дыхательной аппара- туре, в приборах мониторного контроля, в устройствах для контроля психофизиологических функций, в практике лабора- торных и биохимических анализов и т. д. Особый интерес пред- ставляет подробное обсуждение разработки проекта портатив- ной микрокомпьютерной системы для длительной регистрации и анализа деятельности сердца по ЭКГ у больных, которые мо- гут передвигаться, а также находиться в условиях нормальной повседневной деятельности. При этом рассматриваются различ- ные алгоритмы выделения признаков патологии в деятельности сердца и исследуются возможности их реализации в портатив- ных микрокомпьютерных устройствах. Помимо многочисленных иллюстраций практического при- менения решений технических задач книга содержит большое число упражнений, которые позволяют читателю ориентиро- ваться в степени усвоения им изложенного материала. Учитывая быстрые темпы развития современной микропро- цессорной техники, можно с уверенностью сказать, что книга полезна не только инженерам, занимающимся разработкой медицинских приборов, но и медикам самого различного про- филя, которые уже сейчас все чаще и чаще используют в своей практике микропроцессорные системы для диагностики забо- леваний и их лечения. Перевод книги выполнен сотрудниками Научно-исследова- тельского института нормальной физиологии им. П. К. Анохи- на при АМН СССР И. В. Коваль (предисловие, гл. 1, 5, 6) и А. А. Рябчиковым (гл. 2—4). Е. Умрюхин Предисловие Эта книга, по существу, является практическим руководст- вом по разработке, созданию и эксплуатации медицинского оборудования на основе микро-ЭВМ. Она содержит не только рекомендации относительно целесообразности и эффективности использования того или иного медицинского прибора в комп- лексе с микрокомпьютером, но и информацию, которая может оказаться весьма полезной при оценке затрат и времени, не- обходимых для создания аппаратных средств и программного обеспечения. Как следует из названия книги, речь идет о медицинских микрокомпьютерных системах. Поэтому авторы сочли вполне оправданным начать изложение с описания медицинских при- боров, которые могут быть использованы для создания лечеб- но-диагностической системы на основе микро-ЭВМ. К их числу можно отнести приборы для диагностики и лечения органов ды- хания (например, монитор для регистрации апноэ и аппараты для искусственной вентиляции легких), наркозные аппараты, приборы для наблюдения за состоянием больного во время опе- рации, для измерения кровяного давления и для проведения биохимических исследований. Поскольку с помощью обычных медицинских приборов мож- но получить только аналоговый сигнал, в случае применения микро-ЭВМ такой сигнал необходимо преобразовать в цифро- вую форму. Принципы аналого-цифрового преобразования из- ложены в гл. 2. Здесь же приводятся характеристики преобра- зователей различного типа, дается полный анализ преимуществ и недостатков каждого из них, описываются схемы сопряжения преобразователей с микро-ЭВМ. Сведения относительно аналоговых фильтров и процесса проектирования рекурсивных и нерекурсивных фильтров, а так- же уравнения и таблицы для создания активных фильтров вто- рого порядка содержатся в гл. 3. В этой же главе представлены алгоритмы для дифференцирования, интегрирования и быстро- го преобразования Фурье. Предисловие Для создания микрокомпьютерной системы необходимы как аппаратные средства, так и программное обеспечение. Архи- тектура микро-ЭВМ и логика тристабильных устройств рас- сматриваются в гл. 4. При этом особое внимание уделяется ^правилам пользования прерываниями и стеками, выбору типа памяти и устройств ввода/вывода (модемов, клавиатур и дис- плеев), средств для разработки программного обеспечения (ре- дакторов, ассемблеров, компиляторов, моделирующих программ и эмуляторов). В этой же главе содержится подробная харак- теристика двух устройств—МП COSMAC и МП Z80. Первое из них представляет собой 8-разрядный микропроцессор с низ- кой потребляемой мощностью, а второе—мощный 8-разрядный микропроцессор, выполненный на одном кристалле и способ- ный проводить сложную обработку сигналов. В гл. 5 приводятся примеры медицинских приборов, в кото- рых используются микропроцессоры, а в гл. 6 анализируются все этапы разработки и создания проекта конкретной медицин- ской микрокомпьютерной системы, включая конструирование аналоговых и цифровых схем, аппаратных средств микрокомпь- ютера, разработку алгоритма, реализацию программного обес- печения, проверку системы и оценку ее стоимости. Книга предназначена для инженеров, занимающихся разра- боткой медицинского оборудования, а также для тех, кто ис- пользует это оборудование в лечебных учреждениях и меди- цинских научно-исследовательских центрах. Авторы заранее благодарят читателей за возможные замеча- ния и предложения. У. Томпкинс, Дж. Уэбстер Глава 1 Приборы и аппаратура для медицинских исследований Данная глава посвящена приборам, использование которых для проведения различных медицинских исследований возмож- но и без применения микропроцессоров. Необходимость в рас- смотрении подобного рода приборов вызвана тем, что именно они, как правило, являются конструктивными элементами бо- лее сложного медицинского оборудования, предусматривающе- го использование микро-ЭВМ. ВВЕДЕНИЕ. Г. Фурно1 В наше время медицинская практика немыслима без исполь- зования лечебно-диагностических приборов. Врач, лишенный возможности пользоваться такими приборами даже в течение всего лишь суток, оказался бы в весьма затруднительном по- ложении. Это объясняется тем, что диагностическая и лечеб- ная тактика современного врача в значительной мере опреде- ляется теми данными, которые .могут быть получены с помощью различных приборов. Поэтому, прежде чем приступить к опи- санию таких приборов, рассмотрим некоторые аспекты лечеб- но-диагностического процесса и попытаемся выяснить, в какой степени и почему его эффективность стала зависеть от приме- нения соответствующих приборов и аппаратов. Медицинскую практику можно представить как многоэтап- ный многократно повторяющийся лечебно-диагностический про- цесс, целью которого является выявление симптомов заболева- ния и устранение их причин. Обычно такой процесс осуществля- ется специалистом или группой специалистов и включает сле- дующие этапы: сбор данных, анализ данных, принятие реше- ний, лечение и повторение всех или только некоторых этапов в зависимости от обстоятельств. Этап сбора данных предполагает получение максимально возможной информации о состоянии здоровья пациента. Врач сам может судить о состоянии больного только по чисто внеш- ' Gregory S. Furno. 10__Глава 1 __ ____ ним признакам заболевания, таким, как общий вид больного, состояние кожного покрова, характер кашля, локализация ран. Однако в большинстве случаев для получения информации, не- обходимой для постановки диагноза и назначения курса лече- ния, органы чувств врача оказываются недостаточно чувстви- тельными или точными. И здесь на помощь врачу приходят соответствующие медицинские приборы и аппараты, которые как бы расширяют возможности его органов чувств, а иногда и дополняют их. Это в свою очередь позволяет врачу получить более пблную картину состояния больного. Например, простей- ший медицинский прибор, а тем более сложнейшая микро- компьютерная установка для получения томограммы (КАТ), существенно расширяют возможности соответственно органов слуха и зрения. То же самое можно сказать и относительно приборов, регистрирующих биопотенциалы на поверхности те- ла или внутри его, датчиков, определяющих кислотность (рН) или парциальное давление углекислого газа (pCOg). Типичные значения основных физиологических сигналов приведены в табл. 1.1. Этап анализа данных также предусматривает широкое ис- пользование различных приборов (например, устройства, поз- воляющего в течение длительного времени анализировать сер- дечную деятельность пациента и обнаруживать ее нарушения, угрожающие его жизни; см. гл. 6). Следует отметить, что осо- бенно эффективное использование медицинской аппаратуры на данном этапе стало возможно благодаря появлению микро- компьютеров, поскольку приборы на основе микро-ЭВМ спо- собны производить сложную математическую обработку дан- ных. Кроме того, такие приборы позволяют представить боль- шой объем информации, различной степени сложности, в ясной и доступной для медицинского персонала форме, что является непременным условием для быстрого принятия необходимых решений. Что касается этапа лечения, то использование механических и электрических средств в этом случае требует специальной подготовки и знаний, иначе оно оказывается сложным или да- же практически невозможным. Поэтому прямой контроль за лечением, как и само лечение, с помощью приборов еще не по- лучили широкого распространения. Однако выполнение таких «простых заданий», как назначения лекарственных препара- тов, вполне можно доверить машине. Общая схема лечебно-диагностического комплекса показана на рис. 1.1. Источником стимулов является блок стимулятора. Преобразование сигналов-реакций в электрические сигналы осуществляется с помощью датчиков. Преобразованные сигна- лы поступают в блок обработки, предназначенный для их уси- ления, фильтрации и анализа с помощью ЭВМ, а также для 1иилици i .1Биофизические сигналы [24] Исследуемая система и мет«ды исследования Диапазон и характеристики первичных сигналов, снимаемых с помощью датчиков Сердечно-сосудистая систем» Кровяное давление Максимальный до 200 Гц, обычно до (прямой метод) 60 Гц. Границы давления: артериаль ного 40—300 мм рт. ст., венозного 0—15 мм рт. ст. Кровяное давление Аускультативные методы (метод Ко- (косвенный метод), отдельне си роткова), 30—150 Гц. Пальпаторные столическое и диастолическое критерии: 0,1—60 Гц Пульсовая волна (косвенный ме 0,1—60 Гц. Форма пульсовой волны тод) на периферических артериях аналогична форме зависимости дав ления, получаемой прямым методом, но без изолинии Плетизмограмма (объемные изме До 30 Гц рения) Частота сердечных сокращений У человека частота сердечных сокра щений составляет 45—200 ударов в 1 мин, у животных в лабораторных Оксиметрия условиях 50—600 ударов в 1 мин Максимальный 0—60 Гц, обычно ис пользуется 0—5 Гц Сердечный выброс Максимальный 0—60 Гц, обычно ис пользуется 0—5 Гц Электрокардиограмма 0,05—100 Гц; уровень сигнала 10 мкВ при регистрации ЭКГ плода и 5 мВ при регистрации ЭКГ взрос лых Система органов дыхания Скорость газообмена Частотные компоненты до 40 Гц; (пневмотахограмма) нормальный воздухообмен 250— 500 мл/с, максимальный 8 л/с Частота дыхания (определяется по записи) У человека средняя частота дыхания составляет 12—40 дых./мин, у животных в лабораторных условиях 8—60 дых./мин Дыхательный объем У взрослого человека нормальный дыхательный обмен составляет 600 мл, 6—8 л/мин Концентрация углекислого газа, Нормальный уровень углекислого га двуокиси азота или галотана в вы за 0—10% (в конце выдоха 4—6%), дыхаемом воздухе двуокиси азота 0—100%, галотана Газовый состав крови 0-3% Парциальное давление кислорода in. vivo или in vitro Обычно до 1 Гц. Нормальный уровень для давления кислорода 0— 800 мм рт. ст., гипербарический уро вень составляет 800—3000 мм рт. ст. рН, in vitro Диапазон сигнала 0—700 мВ соот Парциальное давление углекислого ветствует диапазону уровня рН Нормальный диапазон сигнала 0± газа, in vitro ±150 мВ соответствует парциально му давлению углекислого газа от 1 до 100 мм рт. ст. 12 Глава 1 Продолжение табл. 1.1. Исследуемая система и методы исследования Диапазон и характеристики первичных сигналов, снимаемых с помощью датчиков Биоэлектрические потенциалы Электроэнцефалограмма Электромиограмма (первичный сигнал) Электромиограмма (усредненный сигнал) Электроретинограмма Электронистагмограмма 'Физические характеристики Температура тела О—100 Гц, основные диагностические составляющие находятся в диапазо- не 0,5—60 Гц; нормальный уровень сигнала 15—100 мкВ 10—200 Гц, продолжительность им- пульса 0,6—20 мс Соответствует среднему уровню пер- вичного сигнала после его выпрям- ления для получения огибающей Обычно 0—20 Гц; амплитуда сигна- ла 0,5 мкВ — 1 мВ При прямом методе: 0—20 Гц, ам- плитуда сигнала 100 мкВ на 10° по- . ворота оси глаза. При косвенном ме- тоде: 0—20 Гц; сигнал получают пу- тем дифференцирования непосредст- венных показаний датчика 20—45 °С устранения помех. Затем информация передается на дисплей, записывающее устройство и в блок распределения данных и со- ответственно может быть представлена на телеэкране, записа- 'памулятор > f\ %•—--•! •я1^^ \Си Елок обработки данных Иёh5 Индикатор \ Датчики гналы Самописец \ \^ / ^Датчи ки блок распределения дантчх Блок контроля. зо. лечением J Рис. 1.1. Блок-схема лечебно-диагностического комплекса. ____________Приборы и аппаратура для медицинских исследований 13 на на бумажной ленте или на средствах долговременной памя- ти; в случае необходимости информация может быть передана на расстояние. Обработанные данные поступают в блок памя- ти и контроля за лечением. 1. ЛЕЧЕБНО-ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС В СЛУЧАЕ КАРДИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ В Соединенных Штатах наибольший процент смертных слу- чаев приходится на сердечно-сосудистые заболевания. Поэтому особое внимание уделяется исследованиям, проводимым с целью выяснения природы этой патологии и разработки мето- дов не только ее лечения, но и предупреждения. Основным ин- струментом подобных исследований является электрокардио- граф, так как он позволяет изучать сердечную деятельность пациента в любых условиях без проникновения непосредствен- но в область сердца, т. е. неинвазивным путем. При помощи электрокардиографа можно: — определять частоту сердечных сокращений и таким обра- зом своевременно выявлять любые нарушения ритма сердца; — обнаруживать нарушения электрической проводимости сердца (топическая диагностика), которые могут приводить к снижению его насосной функции и даже к ее полному прекра- щению; — выявлять дефекты или повреждения в сердечной мышце, вызванные хроническим или острым заболеванием. Принцип действия электрокардиографа состоит в регистра- ции электрических сигналов, возникающих при сокращении сердечной мышцы, причем величина этих сигналов характери- зует электрическую активность сердца. Для измерения сигналов используют, как минимум, два электрода, которые располагают на поверхности тела пациента. Электроды могут быть поляризующиеся и неполяризующиеся, при этом первые аналогичны конденсаторам (прохождение че- рез них постоянного тока вызывает непрерывно увеличивающе- еся падение напряжения), а вторые аналогичны сопротивлени- ям (прохождение через них постоянного тока вызывает посто- янное по величине падение напряжения). Обычно используе- мые электроды по своим характеристикам занимают промежу- точное положение между поляризующимися и неполяризую- щимися электродами. На рис. 1.2 показаны два типа электродов, которые исполь- зуются наиболее часто. Электроды первого типа представляют собой металлическую пластинку, покрытую серебром; по своим характеристикам они близки к поляризующимся электродам. Электроды второго типа представляют собой пластинку с галь- ваническим серебряным покрытием, на которое нанесен слой 014 Глава. 1 а Крепление Рис. 1.2. Электроды различного типа. а — электрод в виде металлической пластины, накладывается на запястья и лодыжкв с помощью резиновых манжеток: 1—крепление для резиновой манжетки; 2—фиксатор провода; б—электрод с пористым диском для наложения на грудную клетку: 3—пори- стый диск: 4—посеребренное крепление для провода отведения; 5 — липкий слой; 6— губка с электродной пастой; 7—крепежная пластина из хлорированного серебра: 8— пластмасса; в — электрод с углублением для защиты двойного электрического слоя. хлористого серебра (AgCl); по своим характеристикам они близки к неполяризующимся электродам. В системе металл — электролит возникает двойной электри- ческий слой (рис. 1.2,в), который обеспечивает постоянное по величине падение напряжения. Однако этот слой может быть нарушен при механических движениях кожи, что в свою оче- редь может привести к искажению электрических сигналов. Для того чтобы исключить нарушение двойного электрического слоя, на поверхности пластинки делают небольшое углубление^ которое должно соответствовать участку электрода, покрытому слоем хлористого серебра. Нормально работающее сердце генерирует электрические импульсы, создающие электрическое поле. Математически это поле может быть представлено в виде вектора определенной величины и направления. Векторное представление электриче- ских потенциалов сердца впервые было разработано известным датским физиологом Эйнтховеном: измеряя разности потенциа- лов между руками и между каждой рукой и левой ногой (т. е. Приборы и аппаратура для медицинских исследований 15 Вектор электрической оси сердца во ipponma/iiiHou плоскости Центральная терминаль • • Вильсона Рис. 1.3. Стандартная схема отведении ЭКГ. .а — треугольник Эйнтховена и форма сигналов, соответствующих определенным отведе- ниям. Предполагается, что электроды, расположенные на левой руке (ЛР), левой ноге (ЛН) и правой руке (ПР), снимают сигналы с вершины треугольника [24]; б—эквива- лентная схема усиленных униполярных отведении с конечностей. Величина потенциала, .поступающего в электрокардиограф, равна В—(А+С)/2—(2В—Л—С)/2 [24]; а—располо- жение грудных электродов. Каждое из шести отведении позволяет измерять потенциалы •по отношению к центральной терминали Вильсона [8]. вдоль каждой из сторон треугольника Эйнтховена, рис. 1.3, а), можно определить величину и направление вектора электриче- ского поля сердца. Разности потенциалов между вершинами равностороннего треугольника называют стандартными передними отведениями и обычно обозначают римскими цифрами I, II, III. Усиленные униполярные отведения позволяют измерять разности потен- циалов между одной из вершин треугольника и средними зна- чениями потенциалов на двух других вершинах (рис. 1.3,6). В случае отведении I, II, III изучается изменение вектора элек- трического поля сердца во фронтальной плоскости; в случае шести дополнительных отведении, называемых грудными, изу- 16 Глава 1 0,2 0,4 06 t.c Рис. 1.4. ЭКГ во II стандартном отве- дении здорового па- циента [8]. чается изменение вектора электрического поля сердца в попе- речной плоскости. Точки наложения электродов в грудных от- ведениях показаны на рис. 1.3, в. Средние значения потенциалов с отведении правая рука— левая рука—левая нога образуют так называемую централь- ную терминаль Вильсона. Опытному терапевту для диагности- рования любой сердечной патологии, как правило, достаточно стандартной 12-канальной записи ЭКГ, т. е. шести грудных, трех усиленных униполярных {aVR, aVF, aVL} и трех стан- дартных (I, II, III) отведении. Нормальная электрокардиограмма (ЭКГ) показана на |г рис. 1.4. Р-зубец соответствует сокращению предсердий, вы- званному электрическим импульсом, который возникает в сино- i атриальном узле и по проводящей системе сердца достигает f предсердий; Р—^-интервал соответствует возбуждению атрио- вентрикулярного узла, а Q^-S-комплекс—сокращению желу- '^ дочков; Г-зубец соответствует фазе восстановления желудочков. : ' Если возбуждение первично возникает в синоатриальном узле, ! то такой ритм называют синусовым. Патологические ритмы, об- наружение которых очень важно для диагностики заболевания и его лечения, называют аритмиями; патологически замедлен- ный ритм — синусовой брадикардией, патологически ускорен- ный ритм — тахикардией. . С помощью ЭКГ могут быть установлены различные нару- шения в проводящей системе сердца, а следовательно, и их причины. Например, увеличение Р—^-интервала означает, что произошла задержка возбуждения в атриовентрикулярном уз- ле, причиной которой является атриовентрикулярная блокада Пространствен тл ВКГ О. ПН> -о Земля О Рис. 1.5. Векторкардиограмма [8]. По системе отведении Франка сигналы проходят через буферные каскады с единичным усилением для предотвращения перегрузки сопротивлениями в нагрузочной цепи. 2—600 18 Глава 1 I степени. Более медленный собственный ритм сокращения же- лудочков свидетельствует о том, что некоторые импульсы не достигли желудочков. Это позволяет сделать вывод о наличии блокады II степени (т. е. частичной). Если ни один импульс не достигает желудочков, то мы имеем дело с блокадой III степени (т. е. полной). Для лечения такой блокады применя- ются пейсмекеры (см. гл.5). Иногда при полностью нормальной проводящей системе сердца могут наблюдаться внеочередные сокращения сердечной мышцы. Если преждевременно сокращаются предсердия, то го- ворят о появлении предсердных экстрасистол, если преждевре- менно сокращаются желудочки, то о появлении желудочковых экстрасистол. При интенсивной терапии для подсчета числа желудочковых экстрасистол в 1 мин и выбора медикаментозно- го лечения может быть использован кардиомонитор с регистра- цией ЭКГ во II стандартном отведении. Анализ электрической активности сердца может быть так- же осуществлен с помощью векторкардиограмм (ВКГ). Этот метод предусматривает получение трех электрокардиограмм (ЭКГ), отражающих изменение электрической активности серд- ца в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, при этом лю- бые две из этих ЭКГ воспроизводятся в виде изменяющегося во времени вектора электрического поля на экране осцилло- графа. Такое изображение электрического поля сердца назы- вается векторкардиограммой. Пространственная ВКГ и ее проекции в стандартных плоскостях показаны на рис. 1,5, a, a типичное расположение электродов по системе Франка — на рис. 1.5,6 (цепь сопротивлений необходима для компенсации электрической неоднородности тела человека). 1.1 Методы обработки ЭКТ-сигналов Одним из самых простых методов обработки ЭКГ-сигналов является их усиление до величины, достаточной, чтобы эти сиг- налы могли быть использованы в выходных устройствах и в других цепях лечебно-диагностического комплекса. Канал, сиг- нал которого необходимо усилить, включается путем переклю- чения селектора отведении (рис. 1.6). Усиление ЭКГ-сигналов и снижение уровня электрических помех осуществляется при помощи дифференциального усилителя, который одновременно используется и как частотно-полосовой фильтр. Необходимость в фильтрации сигналов вызвана тем, что иногда на электродах возникает сдвиг потенциала на постоянном токе, достигающий 300 мВ, что может привести к насыщению цепей усиления. Фильтрация частот ниже 0,05 Гц позволяет ликвидировать этот сдвиг напряжения и таким образом обеспечить значительное усиление изменяющегося во времени ЭКГ-сигнала. Фильтрация Приборы и аппаратура для медицинских исследований 1& ^1удикаторгантакта клжтродоб Калийроат I Электроды Цепи защиты Селектор ащуедений Усилитель Изолирующие цепи Самописцу L Рис. 1.6. Блок-схема электрокардиографа. выше 100 Гц дает возможность получить полосу пропускания усилителя, достаточную для удовлетворительного прохождения ЭКГ-сигналов. В результате значительно снижаются нежела- тельные сигналы, например электрические импульсы, вызван- ные мышечной активностью (30—2000 Гц), и обеспечивается максимальное отношение сигнал/шум. Если нижщий предел час- тот слишком завышен, а верхний слишком занижен, то наблю- даются частотные искажения ЭКГ-сигнала (рис. 1.7). Принципиальная схема простейшего усилителя изображена на рис. 1.8. Два операционных усилителя (слева) образуют дифференциальный усилитель с высоким входным импедансом. Потенциометр в 100 кОм компенсирует дисбаланс сопротивле- ний. Конденсатор емкостью 1 мкф в цепи высокочастотных фильтров разряжается при наличии нагрузки при изменении положения переключателя Si. Конденсатор емкостью 10 нФ, соединенный с сопротивлением в 150 кОм, образует низкочас- тотный фильтр. В усилителях, которые подключаются непо- средственно к телу пациента, должна быть предусмотрена цепь защиты. Наличие такой цепи позволяет исключить возможность прохождения через больного тока более 10 мкА. Помехи. Одним из важных этапов обработки ЭКГ-сигналов является уменьшение влияния помех, главным источником ко- торых является электрическая сеть. Сетевые линии, проходя- щие в стенах, полу и в потолке, точно так же, как и соедини- тельные кабели, создают электрическое и магнитное поля, при- чем первое наблюдается даже в том случае, когда провода на- ходятся под напряжением, но ток по ним не течет. Уменьшение помех, создаваемых таким электрическим полем, зависит в ос- новном от способности дифференциального усилителя ослаб- лять синфазную наводку—напряжение, возникающее в одной и той же фазе на обоих входах усилителя. Для уменьшения по- мех подобного рода усилитель должен иметь высокий входной импеданс и хорошую систему подавления синфазного сигнала (рис. 1.9 и 1.10). Кроме того, необходимо предусмотреть экра- нирование электродов и заземление экрана электрокардио- графа. Другим источником сетевых помех является электромагнит- ное поле, при изменении которого индуцируется ток в конту- 2' Рис. 1.7. Влияние частотных искажений на ЭКГ-сигнал при скорости записи 25 мм/с (слева) и 125 мм/с (справа). о. — диагностический диапазон частот 0,05—100 Гц; б — регистрация в диапазоне частот 0,5—50 Гц. В сигнале имеются низко- и высокочастотные искажения; в — регистрация в диапазоне частот 1—100 Гц. В сигнале имеются только низкочастотные искажения; г — регистрация в диапазоне частот 0,05—25 Гц. В сигнале имеются только высокочастотные искажения. f Приборы и аппаратура для медицинских исследований 21 Рис. 1.8. ЭКГ-усилитель. Усилитель имеет коэффициент усиления, ограниченный величиной 26,8 в каскадах, соеди_ ненных по постоянному току для предотвращения насыщения операционных усилителей потенциалами поляризации электродов. Каскад, соединенный по переменному току, ограничивает полосу пропускаемых частот и обеспечивает коэффициент усиления drf. pax, образованных соединительными проводами. Поскольку этот ток пропорционален напряженности магнитного поля и площади замкнутого контура, то для его уменьшения следует либо изменить расположение приборов и проводов (что, кста- ти, довольно трудно осуществить практически), либо уменьшить площадь контура (например, скручивая провода) (рис. 1.11). Помимо сетевых помех возможны также электромагнитные наводки от стоящих рядом мощных радиоустановок, телевизо- ров, радаров или диатермического оборудования. Такие поме- хи чаще всего устраняются шунтированием входов и выходов усилителя небольшими емкостями, которые представляют ма- лое сопротивление (цепь замыкается накоротко) для радио- частотных сигналов и большое сопротивление для ЭКГ-сиг- налов. Искажения ЭКГ-сигналов могут быть также связаны с сок- ращением мышц (электромиографические сигналы), нарушени- ем двойного электрического слоя, дрейфом потенциала и, есте- ственно, с изменением разности потенциалов между внутренни- ми слоями ткани и внешней поверхностью кожи при ее движе- Рис. 1.9. Возникновение наводки частотой 60 Гц за счет емкостной связи между проводами сети и входными цепями. Сеть напряжением !20В и частотой тока 60Гц Рис^ 1.10. Возникновение наводки частотой 60 Гц за счет емкостной связи между проводами сети и телом пациента. Приборы и аппаратура для медицинских исследований 25 нии. Для устранения этих причин необходимо соответственно: — свести к минимуму мышечные сокращения или как мож- но дистальнее (т. е. как можно ближе к кистям рук и ступням ног) расположить электроды; — использовать неполяризующиеся электроды и стабилизи- ровать поверхность раздела электрод—электролит; — исключить связь по постоянному току путем емкостного соединения электродов с цепями усилителя; —потереть кожу абразивным материалом. Перегрузка. Как уже отмечалось, в силу тех или иных при- чин могут возникнуть временная перегрузка и насыщение уси- лителя, что приводит к потере информации во время записи сигнала (рис. 1.12). Для устранения перегрузки современные электрокардиографы снабжены соответствующими устройства- ми, которые включаются вручную или автоматически и позво- ляют осуществить быструю разрядку конденсаторов в цепи фильтров и восстановить запись сигналов. 1.2. Способы определения частоты сердечных сокращений Самый простой способ определения частоты сердечных со- кращений состоит в подсчете пульса, прощупываемого на лу- чевой артерии запястья. При этом обычно подсчитывают число ударов сердца за определенный промежуток времени, а затем определяют число ударов в 1 мин. При определении частоты сердечных сокращений с помощью электрокардиографа под- считывают некоторые показатели ЭКГ-сигналов. Наиболее ха- рактерным показателем является острый спайк, или Q^S-комп- лекс. Согласно данным спектрального анализа ЭКГ-сигналов, большинство частот, соответствующих этому комплексу, лежит в пределах 16 Гц. Это означает, что для выделения Q^S-комп- лекса необходимо исключить Р- и Г-зубцы, высокочастотные и низкочастотные помехи, а также смещение изолинии. Усредняющий кардиотахометр. Подсчитывая число комплек- сов за определенный промежуток времени, можно определить частоту сердечных сокращений. Для этого можно воспользо- ваться усредняющим кардиотахометром. Блок-схема этого при- бора показана на рис. 1.13; когда выходной сигнал фильтра превышает заданный пороговый уровень, через пороговое уст- ройство запускается генератор импульсов постоянной ширины, которая несколько превышает ширину 0^5-комплекса (в этом случае один импульс будет соответствовать одному комплексу). Полученная серия импульсов проходит через низкочастотный фильтр, который измеряет их среднюю частоту. Для устране- ния выбросов отдельных сигналов постоянная времени фильтра ЖГ- CUfHQ/l Полосовой срильтр Пороговое устройство и генератор импульсов Низко частот-нь/и (ри^ьтр Рис. 1.13. Блок-схема усредняющего кардиотахометра. Индикатор часто/ли/ сер- дечна/х сокра- щений Контроль пределов ^астаты сер-дечнб/х со^ра-с^ен^и \ Сигнал тревоги ЭКГ-\———————1 д/гнал Полосовой (рилыпр \ Уста НОВК а 0 Ждущи тиаибр ш муль-атор Цепь запуска генератора (ПОК-товых импульсов Генератор тактовых импульсов, 1кГц Регисг Т1Р1 Регистр 2. Пороговое устройство и ждущий мультивибратор Строб Опорное напряжение \. ЦАП с i Усилит ель-npeoupasoearsw сопротивлением ^оха в напряжение частоты сердечных сокращений Я Контроль час/поты сердечных сокращении \ Сигнал mpesa^ Рис. 1.14. Блок-схема интервалометра. 27 Приборы и аппаратура для медицинских исследований Электрод 1 О э—i ^cmwHUK глока. ^кГц Полосовой (рильтр 50 кГц Пороговый Сигнал т pesos и Низко-част о т -ный филами 150Гц, ЭКГ'-у си ли гель i——————i 1——————— i Электрод ? Рис. 1.15. Блок-схема системы, используемой в кардиомониторе для обнару- жения повышенного сопротивления или плохого контакта электродов. должна составлять 5—15 с, что соответствует длительности не- скольких ударов сердца. С выхода сигнал поступает на стре- лочный индикатор, отградуированный в количестве ударов в 1 мин. Большинство кардиотахометров снабжено системами тревоги для предупреждения о том, что частота сердечных со- кращений стала выше или ниже заданного уровня. Интервалометр. Время между двумя последовательными со- кращениями сердца (или величину, ему обратную,—мгновенное значение частоты сердечных сокращений) можно измерить при помощи интервалометра. Схема такого прибора показана на рис. 1.14. Пороговое устройство запускает первый ждущий муль- тивибратор. По заднему фронту того же импульса запускается второй ждущий мультивибратор. Посредством этих сигна- лов осуществляется запоминание в регистре 2 числа импульсов, генерируемых со стабильной частотой 1 кГц и поступающих в регистр за время между двумя последовательными QRS- комплексами. Число импульсов дает время между двумя со- кращениями, которое обратно пропорционально числу ударов в единицу времени, или частоте сердечных сокращений. По- скольку ток с цифро-аналогового преобразователя с перемен- ным сопротивлением обратно пропорционален сопротивлению (i=VIR), то он прямо пропорционален частоте сердечных со- кращений. Следовательно, если с помощью соответствующего индикатора определить ток, то таким образом можно будет определить и частоту сердечных сокращений. От этой же цепи может включаться система тревоги либо с помощью аналогово- го компаратора, следящего за выходом преобразователя, либо с помощью цифрового компаратора, сравнивающего цифровой выход регистра 2 с заранее заданным уровнем. Интервалометры реагируют на изменение частоты сердеч- ных сокращений намного быстрее, чем усредняющие кардиота- хометры, поскольку в первом случае частота сердечных сокра- щений определяется для каждого сокращения. Однако для 28 Глава 1 Cb Рис. 1.16. а — типичный ЭКГ-сигнал плода, полученный с помощью электродов, наложенных на живот матери ;[19]; б — материнская ЭКГ; в — ЭК.Г плода. П — Q.RS-комплекс плода, М — QRS -комплекс матери. Элехтпрооы, paJ^eu(p'H-нь'е наживете матери /7+ М ———^> Усилитель П+М———>• And/so г о вы ц юча-^б п Усилитель перекл те М Самописец Грудные М Усилитель Порсговьт детектор злектродь! Рис. 1.17. Блок-схема системы для выделения ЭКГ плода [19]. простого наблюдения за отклонением этого показателя можно обойтись и усредняющим кардиотахометром. Система контроля контактов. Для осуществления контроля за качеством контакта электродов с поверхностью тела боль- ного можно использовать систему, схема которой изображена на рис. 1.15. Принцип действия такой системы состоит в сле- дующем. Через электроды проходит ток величиной несколько миллиампер и частотой 50 кГц. Если контакт плохой или вовсе отсутствует, то напряжение в генераторе возрастает. Ток от ге- нератора не представляет опасности для больного, так как чув- ствительность возбудимых тканей организма человека к току частотой 50 кГц крайне низкая. При любом увеличении напря- жения в генераторе, связанном с повышением сопротивления электродов, включается пороговый детектор и подается сигнал тревоги. Система памяти. Одним из способов обработки сигналов яв- ляется использование петель памяти, хранящей непрерывную запись ЭКГ-сигнала, сделанную за 15 с до ее прерывания. При сигнале тревоги такая система включается автоматически и ____________Приборы и аппаратура для медицинских исследований 29 воспроизводит ЭКГ-сигнал, который был записан за 15 с до появления сигнала тревоги. Подобная система реализуется ли- бо с помощью магнитной ленты с длительностью записи 15 с, либо с помощью цифрового регистра сдвига. Несмотря на не- сомненные достоинства и простоту систем магнитной записи, на практике обычно пользуются цифровыми системами, так как при этом исключаются проблемы, связанные с обслуживанием магнитной ленты. Система записи ЭКГ плода. Основная трудность, возникаю- щая при обработке ЭКГ-сигналов плода, связана с тем, что на электрокардиограмму плода накладывается материнская электрокардиограмма (рис. 1.16). Эта трудность может быть. преодолена с помощью системы, схематически изображенной на рис. 1.17. 1.3. Визуализация и регистрация информации Одним -из наиболее распространенных средств записи ин- формации являются самописцы, снабженные специальными перьями, наполненными чернилами. При движении перо остав- ляет чернильный след на градуированной бумажной ленте. В некоторых самописцах используются перья с подогревом: такое перо, соприкасаясь с термочувствительной бумагой, так- же оставляет на ней след. Применяются самописцы, в которых система записи предусматривает повышенное давление чернил, Это позволяет избежать проблем, связанных с закупоркой перьев. Другим часто используемым средством визуализации ин- формации является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). В этом случае форма ЭКГ-сигнала высвечивается на экране такого дисплея, причем яркость линий, отображающих форму сигна- ла, со временем убывает. В случае дисплея затухающего типа довольно трудно исследовать полную форму физиологическо- го сигнала, так как большая часть предыдущего сигнала успе- вает погаснуть до появления следующего сигнала. Поэтому, как правило, применяются дисплеи незатухающего типа. В дисплее такого типа предусмотрена электронная память в сочетании с: цифровыми и аналоговыми схемами для запоминания и вос- произведения полного сигнала. Регистрация сигнала в данном случае напоминает запись сигнала с помощью перьевых само- писцев: самое последнее значение измеряемого сигнала ото- бражается на правой части экрана, а сигналы, появившиеся ранее, сдвигаются в левую часть экрана. Для того чтобы изо- бражение сигнала не исчезало, производится его частое вос- становление (обычно 256 или 512 раз в 1 с). С такой же часто- той считывается воспроизводимый электрический сигнал, и каждое его значение преобразуется в цифровую форму с по- мощью аналого-цифрового преобразователя (см. гл. 2). В ре- 30 Глава 1 зультате этого каждая последующая развертка сигнала на эк- ране дисплея сопровождается появлением одного нового зна- чения (которое откладывается в памяти) и выводом одного старого значения сигнала. Обычно по всей длине развертки от одного края экрана до другого его края укладывается 1024 значений сигнала. В незатухающих дисплеях наиболее часто используется па- мять в виде регистра с циклическим сдвигом. Вначале в регистр заносится самое последнее значение сигнала, и на экране спра- ва налево начинается развертывание сигнала. В каждом такте производится сдвиг значения сигнала на 1 разряд (т. е. на 1/1024 часть экрана), и в зависимости от величины сигнала определяется вертикальное отклонение луча на экране трубки. После того как самое старое значение сигнала воспроизведет- ся в левой части экрана, луч гаснет и возвращается в правую часть. За время, в течение которого луч перебрасывается в ле- вый край экрана трубки, поступающее с аналого-цифрового преобразователя новое значение сигнала записывается в тот разряд регистра сдвига, где хранилось самое старшее значе- ние. После этого последовательность воспроизведения сигнала повторяется, начиная с самого последнего значения в правой части экрана. Поскольку при каждой развертке сигнала его каждое хранимое значение становится на один цикл старше (на одно положение дальше от самого последнего значения в регистре), изображение начинает медленно перемещаться по экрану. При ширине экрана 10 см, регистре сдвига на 1024 зна- чения и при частоте отсчета 256 или 512 Гц скорость воспроиз- ведения будет составлять соответственно 25 или 50 мм/с. Предусмотрена возможность «заморозить» дисплей в любое время без обновления в течение периода, когда луч уходит за экран, переводя сдвиговый регистр на одно положение вправо (т. е. к значению, с которого начиналась развертка). Посколь- ку при этом каждая последующая развертка идентична пре- дыдущей, форма воспроизводимого сигнала не меняется. В некоторых воспроизводящих устройствах в качестве ин- дикатора сердечных сокращений или сигнализатора тревоги применяется звук. При выборе устройств со звуковой сигнали- зацией следует учитывать такие факторы, как степень воздей- ствия звукового сигнала на больных и возможность спутать данный сигнал с другими звуковыми сигналами, поступающими на пост медицинской сестры. Светоиндикаторы, используемые для воспроизведения ин- формации о состоянии больного, должны быть легко различи- мыми и не должны размещаться слишком близко друг к другу. Передача информации может осуществляться по телефон- ным каналам, линиям радиосвязи и по специально предназна- ченным для этого линиям связи. Приборы и аппаратура для медицинских исследований 31 Передача информации по радио называется радиотелемет- рией. С помощью миниатюрного радиопередатчика информация о состоянии больного направляется в приемное устройство,. расположенное в пределах палаты (в этом случае больной рас- полагает большой свободой передвижения). Линии связи, специально предназначенные для передачи цифровых данных, могут, например, соединять прикроватный монитор с центральным монитором или с постом медицинской сестры в блоке интенсивной терапии. Такие линии могут быть последовательными, т. е. передача информации производится по одной паре линий, или параллельными, т. е. большое коли- чество битов передается одновременно по нескольким парал- лельным линиям. Выбор типа передачи информации зависит от ее объема и степени важности. 2. ЛЕЧЕБНО-ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС В СЛУЧАЕ ИССЛЕДОВАНИИ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ Д. Дас1 В данном разделе дается описание приборов, с помощью» которых можно измерять поток воздуха, объем, концентрацию- газов и частоту дыхания, а также описание аппаратов для ...•-••"•••... искусственной вентиляции лег- ких, используемых при лечении органов дыхания. Анатомическое строение си- стемы органов дыхания чело- века изображено на рис. 1.18. Эта система служит для снаб- жения клеток организма кис- лородом и удаления из них уг- лекислого газа. Вдыхаемый воздух, проходя через носовые проходы, глотку, трахею и бронхи, поступает в альвеолы, где посредством простой диф- фузии происходит газообмен с циркулирующей кровью. 2.1. Измерение давления в воздухоносных путях Для измерения динамичес- кого давления наиболее удоб- ными являются датчики диаф- рагмального типа, имеющие ' Dhruba P. Das. Рис. 1.18. Анатомическое строение ор- ганов дыхания [12]. /—глотка; 2—гортань; 3 — трахея; 4— бронхи; 5 — плевра; 6 — легкие; 7 — диа- фрагма. 32 Глава 1 Отверстие Рис. 1.19. Датчик давления диаф- рагмального типа. достаточно большой размер и позволяющие регистрировать давление порядка нескольких сантиметров водяного столба (рис. 1.19). Одна сторона датчи- ка обращена в сторону воздухо- носных путей, а другая, как пра- вило, соприкасается с воздухом атмосферы, за исключением тех случаев, когда необходимо изме- рить давление между двумя раз- личными точками дыхательной системы. Движения диафрагмы воспринимаются либо тензодат- чиком, либо дифференциальным преобразователем. Верхний предел частот такой системы обычно находится в диапазоне около 40 Гц. 2.2. Измерители скорости воздушного потока Такие приборы должны измерять скорость воздушного по- тока при вдохе и выдохе и должны обладать пониженным аэро- динамическим сопротивлением, чтобы не оказывать заметного' влияния на акт дыхания. Кроме того, они должны выдерживать высокое давление в воздухоносных путях, создаваемое при вспомогательной вентиляции легких. Калибровка прибора не должна зависеть от изменений температуры и газового состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Мертвое пространство должно иметь небольшой объем, чтобы исключить повторное использование выдыхаемого воздуха. Измерители скорости воз- душного потока подразделяются на три типа. Устройства, основанные на изменении температуры, чувстви- тельного элемента датчика. В струю воздуха помещается на- гретый провод или термистор. При увеличении скорости пото- ка происходит конвекционное охлаждение, в результате кото- рого понижается температура чувствительного элемента датчи- ка. Изменение сопротивления термистора, вызванное этим ох- лаждением, связано со скоростью воздушного потока. Посколь- ку эффект охлаждения не зависит от направления воздушного потока, подобное устройство пригодно только для измерения скорости однонаправленного потока. Устройства, основанные на определении дифференциально- го давления. Принцип действия подобных устройств основан на изменении давления в воздушном потоке при наличии аэроди- намического сопротивления этому потоку. Такие устройства применяются довольно часто, так как имеют почти линейные характеристики и позволяют производить измерения с приемле- мой точностью. Чтобы обеспечить ламинарность потока, ис- пользуют резистивные элементы либо в виде набора капилляр- Приборы и аппаратура для медицинских исследований 33 а 6 Рис. 1.20. Пневмотахометр с резистивным элементом в виде экрана (а) и капиллярных трубочек или каналов (б). I — отверстия по периметру трубки; 2 — экран из проволочной сетки; 3 — плотно приле- гающие каналы. ных трубочек (трубки Пито и Вентури), либо в виде каналов (Флейшева головка), размещенных вдоль оси потока (рис. 1.20). Самым точным клиническим измерителем скорости воздушного потока является пневмотахометр Флейша [2]. Для определения дифференциального давления при исполь- зовании резистивных элементов обоих типов можно проделать по одному отверстию (клапану) с каждой стороны проволоч- ной сетки или трубочек. В таких пневмотахометрах скорость воздушного потока определяется как Q—А.Р/7?, где АР—паде- ние давления на участке аэродинамического сопротивления. При этом предполагается, что R остается постоянным. На са- мом деле сопротивление может значительно возрастать в ре- зультате накопления конденсированных водяных паров, содер- жащихся в выдыхаемом воздухе. Для устранения этого недо- статка осуществляют нагрев элемента пневмотахометра. Одна- ко при нагревании элемента изменяется температура воздуха и соответственно калибровка датчика. Пневмотахометры рас- считаны если не на однородный, то хотя бы на неизмененный воздушный поток в области, прилегающей к каждой стороне резистивного элемента. Расположение отверстий для определе- ния дифференциального давления и конфигурация трубочек являются решающими факторами, от которых зависит соот- ношение падения давления в потоке. Это следует иметь в виду, когда речь идет об альтернирующих и (или) высокочастотных дыхательных паттернах. Ультразвуковые измерители скорости воздушного потока. Принцип действия таких приборов состоит в следующем. Аку- стические волны, идущие по току воздуха, достигают приемно- го пьезоэлектрического датчика быстрее, чем волны, идущие 3—600 34 Глава I против него. С помощью ультразвуковых измерителей определя- ется скорость распространения звуковых колебаний между дву- мя преобразователями по току воздуха и против него. Преоб- разователи могут располагаться вдоль воздушного потока [2] или под углом к нему (Statham Instruments SP 5004). Приме- нение этих устройств ограничено из-за дрейфа изолинии. 2.3. Измерение объема легких Основными показателями состояния дыхательной системы являются объем легких в различных фазах дыхания и абсолют- ный объем легких (рис. 1.21). Общая емкость легких составля- ет около 5—6 л. После спокойного выдоха в легких остается воздух; объем, занимаемый этим воздухом, называют функцио- нальным остаточным объемом. После усиленного выдоха в лег- ких также остается воздух, количество которого называется остаточным объемом. Объем воздуха, входящего в легкие и вы- ходящего из них за каждый цикл дыхания, называют дыха- тельным объемом; он составляет около 0,5 л. Другими показа- телями состояния дыхательной системы являются объем вдо- ха, резервный объем выдоха, жизненная емкость легких. Наи- более широко используется метод измерения медленных коле- баний объема легких путем инструментального интегрирования показателей скорости воздушного потока. Устройство, предназ- наченное для этой цели, получило название «спирометр» (ста- тическая спирометрия). Колокол, изображенный на рис. 1.22, напоминает перевернутый ковш, статически уравновешиваемый в воде противовесом. Применение натронной извести и резино- вых клапанов позволяет предотвратить накопление углекислого газа при повторном вдохе. Изменению объема легких при ды^- хании соответствует изменение объема внутри изолированной камеры, что в свою очередь приводит к перемещению колоко- ла. Следовательно, перемещение колокола прямо пропорцио- нально изменению объема легких, которое чаще всего регист- рируется непосредственно с помощью кимографа. Для даль- нейшей обработки сигнала и его воспроизведения часто ис- пользуют потенциометр. Выходные электрические сигналы мо- гут быть поданы прямо на самописец. Приборы, с помощью которых можно определять дыхатель- ную активность, называются пневмографами, а получаемая та- ким образом информация— пневмограммами. В зависимости от типа используемого пневмографа могут быть измерены та- кие параметры, как изменения размера и импеданс грудной клетки, температура вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, а также получены электромиограммы с межреберных мышц. При работе с термисторным пневмографом термодатчик по- мещают в ноздри больного, что может его раздражать. Пнев- Приборы и аппаратура для медицинских исследований 35 Время Рис. 1.21. Объемные показатели дыхания. мографы, основанные на изменении натяжения и сопротивле- ния соответствующих датчиков, позволяют определять коле- бания в длине ленты, опоясывающей грудную клетку. Однако движения тела вызывают пространственные смещения ленты, не относящиеся к изменению объема легких, что обусловливает появление нежелательных сигналов. Чаще всего используют им- педансные пневмографы, так как в этом случае можно не только исключить нежелательные сигналы, но одновременно можно снимать и электрокардиограмму. Импедансный пневмограф. С помощью данного прибора можно определять только относительные изменения объема легких. Во время вдоха ткань легкого заполняется воздухом, в результате чего ее сопротивление увеличивается. При этом дли- на окружности грудной клетки также увеличивается. Оба этих фактора способствуют повышению импеданса грудной клетки, что и фиксируется специальными датчиками (электродами). Если через грудную клетку пропускать низкочастотный ток, то это может вызвать удар током. Ток умеренной силы (0,3 мА) частотой выше 20 кГц не ощущается больным и не опасен, поэтому обычно используются токи частотой от 50 до 100 кГц. В качестве демодулятора может быть использован простой диодный детектор. Однако более предпочтительной яв- ляется система с фазочувствительным детектором, поскольку она позволяет снизить шумы и сетевые наводки. Па выходе де- 3« 534Приложение няются 8-разрядные, а не 16-разрядные микропроцессоры и, кроме того, фирма DEC является единственным производите- лем платы процессора LSI 11. Система включает плату цент- рального процессора LSI 11 (DEC), ОЗУ емкостью 56 Кбайт (Mostek), 16-канальный АЦ-преобразователь и 2-канальный ЦА-преобразователь, программно-управляемый счетчик реаль- ного времени (модель 600—LSI 11 фирмы Adac), две платы интерфейса последовательного ввода/вывода RS232, два нако- пителя с гибким диском с двойной плотностью (AED6200), графический терминал (Tektronix 4006) и устройство вывода графиков на печать (Tektronix 4631). Устройство LSI 11 является микропроцессором, который полностью эмулирует набор команд мини-ЭВМ DEC PDP 11/40. Несмотря на различие аппаратной части и структуры шин, устройство LSI 11 полностью программно совместимо с мини-ЭВМ, DEC PDP 11/40. Однако быстродействие устрой- ства составляет всего лишь 20% быстродействия мини-ЭВМ PDP 11/40. (Более поздняя модель микропроцессора фирмы DEC—LSI 11/23 не только программно совместима с мини- ЭВМ DEC PDP 11/34, но и обладает примерно таким же бы- стродействием.) Операционная система RT11 сходна с операционной систе- мой СРМ. Выбор лабораторной микрокомпьютерной системы должен осуществляться с учетом следующих факторов: — функций, которые должна выполнять система, т. е. бу- дет ли микро-ЭВМ использоваться как исследовательский ин- струмент или как контроллер, либо она будет использоваться для обработки данных или выполнения лабораторных вычис- лений; — требований, предъявляемых к аппаратной части, т. е. какие устройства необходимо приобрести (кристаллы, комп- лекты, эмуляторы, тестовые устройства, микропрограммируе- мые микропроцессорные системы); — требований, предъявляемых к программному обеспече- нию (мониторы, ассемблеры, кросс-ассемблеры, компиляторы, интерпретаторы, моделирующие программы); — требований, предъявляемых к обслуживанию аппарат- ной части (логическое проектирование, создание платы, сопря- жение, отладка, .необходимость в специалисте-электронщике); — стоимости разработки системы (всей системы, аппарат- ной части, тестового оборудования, программного обеспечения, количество чел.-ч на проектирование, разработку и отладку аппаратной части); — затрат, связанных с приобретением соответствующей документации, обучением пользователя, а также стоимости технического сопровождения и ремонта. Предметный указатель Автоанализаторы 16 Адресация 226 — двойная косвенная 269 — избыточная 226 — индексированная 269 — косвенная 269 — непосредственная 270 — неявная с использованием акку- мулятора 268 — относительная 270 — прямая 269 — с использованием сверхоператив- ных регистров 269 Аккумулятор 268 Алгоритм CORTE 488 Алгоритм обнаружения аритмии 441 Алгоритмы 168 — сокращения объема данных 478 Алфавитно-цифровое представле- ние—код ASCII 264 Анализатор 64 — газового состава крови 64 — центрифужный 62 Аналоговая система 501 Аналоговые мультиплексоры 94 — схемы 458 Аналоговый интегратор 148 Аналоговый метод дифференцирова- ния 137 Аналого-цифровая система 69 Аналого-цифровое преобразование данных 69 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 69, 84 — — параллельный 85 — — с последовательной аппрокси- мацией 89 — — — двухтактным интегрирова- нием 86 — — следящий 87 Апноэ 36 Аритмия 16 Арифметико-логические устройства (АЛУ) 178 Асистолия 441 Ассемблер 297, 298, 300 Байт 202 Барботажный метод 47 Бардикардия 16, 440 Бигамия 442 Биполярные приборы 179 Бит 202 Большие интегральные схемы (БИС) 178 Буферизация 224 Быстродействие 183 Векторкардиограмма 18 Возвратно-поступательная схема ды- хания 80 Выборка по принципу совпадения 203 — линейная 203 преобразова- Генератор дискретного ния Фурье 251 Гибкие диски 244 Датчики 69 Двоично-десятичный код 264 «Дейзи цепочки» 195 Детектор максимального и минималь- ного значений сигнала 65 — /?-зубца 453, 459 Детектор плохого качества электро- дов 453 536 Предметный указатель Дисплеи 29, 257 — алфавитно-цифровые 257 — затухающие 29 — индикаторы 257 — незатухающие 29 Измерители скорости воздушного по- тока 32 — — — — основанные на измерении температуры чувствительного эле- мента датчика 32 — — — — — на определении диф- ференциального давления 32 — — — — ультразвуковые 33 Интерфейс 261, 451 Интерфейс для телетайпа 240 — RS-232C 241 Информация 29 — визуализация 29, 471 — передача 30 — регистрация 29 Испарители 45 Источники питания 455 Кардиомонитор 433 — портативный 451 — с регистрацией ЭКГ во II стан- дартном отведении 18 — усредняющий 25 Кассеты 244 — магнитофонные 244 — с цифровой записью 245 Кимограф 34 Коды 71 — биполярные 72 — двоичные 72 — дополнительные 72 — обратные 75 — обычные двоичные 71 — прямые двоичные 74 — смещенные двоичные 73 Клавиатуры 255, 292 — кодируемые 255 — матричные 255 — некодируемые 255 Колориметр 59 Контроллер шины 233 Контуры для подачи дыхательной смеси 48 Коэффициент объединения по входу 183 — разветвления по выходу 184 Лечебно-диагностический комплекс 10 — — в случае исследований органов дыхания 31 — — - кровяного давления 54 — — — — — головного мозга 52 — — — — кардиологических иссле- дований 13 Линии связи 31 — — параллельные 31 — — последовательные 31 Маркер 236 Масс-спектрометр 39 Метод наименьших квадратов 122 — измерения кровяного давления 54 — Ньютона 167 — производной 167 Методы измерения кровяного давле- ния 54 — — — — непрямые 56 — — — — — прямые 54 — наблюдения за сердечным ритмом 437 — регистрация ЭКГ-сигналов 53 Микропроцесор 177, 4456 Микро-ЭВМ 177 Модем 237 Модульные гибридные схемы 96 Монитор передвижной прикроватный 31 — Холтера 438 Мониторы для наблюдения за состоя- нием больного во время операции 45 МОП-приборы 179 Обслуживание прерывания 192 Объем легких 34 — — дыхательный 34 — — остаточный 34 — — функциональный остаточный 34 Оперативные запоминающие устрой- ства (ОЗУ) 212 — — — динамические 213, 220 — — — полупроводниковые 212 — — — статические 213, 218 Память 222, 454 — большой емкости 244 — на магнитных доменах 223 — полупроводниковая 301 — последовательная 222 Передаточная функция 111 Переключение 252 Пневмограмма 34 Пневмограф 34 — импульсный 35 Предметный указатель 537 Полная компенсаторная пауза 442 Помехи 185 Пороговое напряжение 183 Порты ввода и вывода 228 Постоянные запоминающие устрой- ства (ПЗУ) 206 Потенциометр 64 Правило Симпсона 153 — трапеции 182 Преобразование Фурье 156 — — быстрое 150 — — дискретное 156 — — непрерывное 156 z-преобразование 107 Преобразователь напряжения в ча- стоту (ПНЧ) 88 — с последовательной аппроксимаци- ей 88 Прерывание 191 — векторное 184 — маскированное 191 — многоуровневое 192 — — немаскированное 191 — одноуровневое 192 — перекрещивающееся 196 — приоритет 195 Приборы с зарядовой связью 202 Пробел 236 Программное обеспечение 261 Производная 136, 137 Прямой доступ к памяти 197 Прямоточная схема вентиляции 49 Радиотелеметрия 31 Разряд 58 — младший значащий 70 — переноса 268 — старший значащий 71 Реагент 58 Регистратор команд 266 — режима 197 — счета записей 197 Редактор 297 — адресный 192 Сектор 246 Сердечный выброс 154 — ритм 16 — — синусовый 16 Сигналы тревоги 125, 471, 499 Система контроля контактов 28 — — памяти 28 — — записи ЭКГ плода 29 «Сонные веретена» 52 Состояние с высоким значением им- педанса 187 Спектрометр 40 — абсорбционный 40 — эмиссионный 41 Способы определения частоты сер- дечных сокращений 25 Структура микропроцессора 181 Схема слежения-хранения 75 Тактовые импульсы 188 Тахикардия 16, 440 Телефонная связь 453 Технология изготовления больших интегральных схем 178 Тонометр 58 Транзистор 205 — биполярный полевой 205 Трек 247 Тригеминия 442 Тристабильные устройства 187 Указатели памяти 265 Указатель данных 268 — стека 267 Универсальный асинхронный приемо- передатчик (УАПП) 238 Усилители 94 Условные переходы 267 — — со стираемыми связями 206 — — с плавкими связями 206 Устройства параллельного ввода/вы- вода 234 — последовательного ввода/вывода 235 Фаза парадоксального сна 52 Фильтры 99 — аналоговые 99 — Баттерворта 101 — более высокого порядка 100 — заграждающие (режекторные) 105 — нерекурсивные 111 — низкочастотные второго порядка 103 — рекурсивные 111 — скользящего среднего 119 — Хэннинга 121 — цифровые 100 Фибриляция желудочков 441 Флажки 184 — аппаратные 237 — внешние 237 — вспомогательные или полуперено- са 283 — обычного переноса 283 538 Предметный указатель Флюорометр 60 Фотометр 59 Хроматограф 40 — газовый 40 Шина 177 — адресная 177, 187 — данных 177, 187 — интерфейса 232 — мультиплексная 188 — управления 177, 187 Центральная терминаль Вильсона 16 Центральный процессор (ЦП) 177 Цикл команд 266 Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 69, 80 Цифро-аналоговое преобразование данных 69 Цифровой интегратор 150 Цифровые интегральные схемы 456 Частота считывания данных 76 — нормализованная 113 — отсчетов 113 Шифратор 92, 232 — осевой 92 Электроды 13, 458 — неполяризующиеся 13 — поляризующиеся 13 Электрокардиограмма (ЭКГ) 16 — нормальная 16 Электрокардиограф 13 — Кларка 65 Экстрасистолический феномен R+T 442 Экстрасистолы 18 — желудочковые 18, 441 — предсердные 18, 443 Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) 52 ЭЭГ-сигналы 52 — методы регистрации 52 — — обработки 54 ЭКГ-усилитель 459 Оглавление Предисловие редактора перевода ........... 5 Предисловие ................ 7 .ГЛАВА 1. ПРИБОРЫ И АППАРАТУРА ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ИС- СЛЕДОВАНИИ ............ 9 Введение ................ 9 1. Лечебно-диагностический комплекс в случае кардиологических исследований .............. 13 2. Лечебно-диагностический комплекс в случае исследований орга- нов дыхания .............. 31 3. Наркозные аппараты и мониторы для наблюдения за состоянием больного во время операций .......... 45 4. Лечебно-диагностический комплекс в случае исследований голов- ного мозга ............... 52 5. Лечебно-диагностический комплекс для исследований кровяного давления. Г. Фурно' ............ 54 6. Лечебно-диагностический комплекс в случае лабораторно-клини- ческих исследований ............ 58 Литература ................ 65 Упражнения ................ 66 Глава 2. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕ- ОБРАЗОВАНИЯ ДАННЫХ ......... 69 1. Основные принципы преобразования данных ..... 69 2. Цифро-аналоговые преобразователи ........ 80 3. Аналого-цифровые преобразователи ........ 84 4. Другие устройства аналого-цифровых систем ..... 94 5. Преобразователи на интегральных схемах ...... 96 Литература ................ 97 Упражнения ................ 97 Глава 3. АППАРАТНАЯ И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОБРА- БОТКИ ДАННЫХ (СИГНАЛОВ) ........ 99 1. Фильтры ................ 99 2. Производная .............. 136 3. Интегрирование ............. 148 4. Преобразования Фурье ............ 156 « 540 Оглавление______________________________________ 5. Определение экстремальных значений сигнала ..... 164 Литература ................ 173 Упражнения ................ 174 Глава 4. УСТРОЙСТВО МИКРО-ЭВМ ......... 177 1. Основы архитектуры микро-ЭВМ ......... 177 2. Структуры микропроцессора .......... 181 3. Запоминающие устройства ........... 200 4. Устройства ввода/вывода ........... 223 5. Программное обеспечение ........... 261 6. Типы микропроцессоров ........... 301 Литература ................ 317 Упражнения ................ 318 Глава 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОКОМПЬЮТЕРОВ В МЕДИЦИ- НЕ ................ 324 1. Основные принципы обработки сигналов с помощью микропро- цессоров ................ 324 2. Прием и передача ЭКГ-сигналов на расстоянии ..... 341 3. Системы для непрерывного наблюдения за физиологическими показателями ................ 348 4. Микропроцессорные системы для исследования органов дыхания 363 5. Микрокомпьютерные систему для подачи наркоза .... 368 6. Непрерывный контроль физиологических показателей .... 373 7. Автоматизированные методы анализа электроэнцефалограмм . 374 8. Микрокомпьютерные системы для измерения кровяного давления 379 9. Автоматизированные системы определения биохимических пока- зателей ................ 385 10. Автоматические системы для диагностики патологии органов чувств и ее компенсации ............ 391 11. Приборы для обучения людей с патологией нервной системы и для общения с ними ............. 396 12. Ультразвуковая диагностика .......... 404 13. Пейсмекеры ............... 406 14. Анализ изображений с помощью микропроцессоров .... 408 15. Стимуляторы ............... 411 16. Протезы ................ 414 17. Микропроцесорные системы специального назначения . . . 421 Литература ................ 429 Упражнения ................ 434 Глава 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОРТАТИВНОЙ СИСТЕМЫ АВТО- МАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЭКГ ........ 437 1. Существующие методы наблюдения за сердечным ритмом . .. 437 2. Требования, предъявляемые к аппаратным средствам и программ- ному обеспечению ............. 439 3. Выбор основных элементов системы ........ 443 4. Блок-схема системы ............. 451 5. Выбор аппаратных средств ........... 455 6. Аналоговые схемы ............. 458 7. Разработка микропомпьютера .......... 466 8. Алгоритм сокращения объема данных ........ 478 9. Разработка программного обеспечения ........ 485 10. Проверка системы ............. 500 11. Оценка проекта .............. 504 Оглавление 541 Литература ................ 507 Упражнения ................ 508 Словарь терминов .............. 512 Приложение А ................ 519 Приложение Б ................ 52& Приложение В ................ 521 Приложение Г ................. 522 Приложение Д ................ 523 Предметный указатель ............... 535 УВАЖАЕМЫЙ ЧИТАТЕЛЬ! Ваши замечания о содержании книги, ее оформлении, качестве перевода и другие про- сим присылать по адресу: 129820, Москва, И-110, ГСП, 1-й Рижский пер., д. 2, издатель- ство «Мир». Грегори Фурно, Друба Дас, Гэри Спренгер, П. Гэдсби, М. Яниковски, X. Бахарестани, Дж. Вудбен, У. Томпкинс, С. Пог, X. Тяндраса, Ю. Ким, К. Колвэлл, А. Саакян, Н. Такор, Дж. Абенстейн МИКРОКОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕДИЦИНСКИЕ СИСТЕМЫ. Проектирование и применения Научный редактор Т. П. Сапожкова Младший научный редактор Л. С. Сысоева Художник В. А. Александров Художественный редактор Л. Е. Безрученко» Технический редактор М. А. Страшнова Корректор В. И. Постнова ИБ № 3739 Сдано в набор 26.10.82. Подписано к печати 17.02.83. Формат SI^O'/n. Бумага типографская N» 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Объем 17 бум. л. Усл. печ. л. 34. Усл. кр.-отт. 34. Уч.-изд. л. 35,51. Изд. № 20/2001. Тираж 7000 экз. Зак. 600. Цена 3 р. 80 к. 129820, Москва, И-110, ГСП, 1-й Рижский пер., д. 2, издательство «Мир». Московская типография № 11 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, 113105, Нагатинская ул., д. 1.