1. СОДЕРЖАНИЕ
1.ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ................................5
2.ВВЕДЕНИЕ................................................6
2.1Сердечно-сосудистые заболевания.....................8
2.2Аритмии.............................................8
2.3Анатомические основы ЭКГ...........................10
2.4Биофизические основы ЭКГ...........................13
2.5Описание основных зубцов и интервалов ЭКГ..........17
2.6Обзор существующих систем для кардиотелеметрии.....23
2.6.1Кардиоджет.......................................23
2.6.2HeartView 12L....................................23
2.6.3Сравнение технических характеристик..............23
2.7Разработка БТС.....................................25
2.8Определение назначения БТС и ее класса.............27
2.9Требования, предъявляемые к БТС....................27
2.10Связи между компонентами БТС......................27
2.11Цели и задачи.....................................29
2.12Разработка МТТ АМС для электрокардиографии с каналом
передачи данных по сети Интернет......................29
2.13Разработка структурно-функциональной схемы АМС. . . .30
2.14Разработка принципиальной схемы...................35
2.14.1Разработка блока обработки сигнала..............35
2.14.2Разработка блока усиления сигнала...............36
2.14.3Разработка блока аналоговой фильтрации..........36
2.14.4Разработка блока питания........................37
1

2. 2.15Разработка программного обеспечения для передачи
данных и обработки сигнала электрокардиографической АМС
......................................................39
2.15.1Разработка требований к ПО......................39
2.15.2Функциональные требования.......................39
2.15.3Нефункциональные требования. ...................40
2.15.4Требования предметной области...................41
2.15.5Требования к ПО.................................41
2.15.6Выбор технологий разработки.....................42
2.15.7Разработка алгоритма передачи данных............43
2.15.8Разработка базы данных..........................44
2.15.9Разработка алгоритма обработки ЭКГ сигнала......45
2.16Тестирование разработанного программного обеспечения
......................................................47
2.17Введение..........................................51
2.18Выбор и обоснование типа печатной платы...........53
2.19Выбор и обоснование класса точности...............54
2.20Выбор материала основания печатной платы..........54
2.21Компоновка, размещение и установка ЭРЭ и ИМС на
плате.................................................56
2.22Выбор и обоснование метода изготовления печатной
платы.................................................57
2.23Выбор защитного покрытия печатной платы...........59
2.24Технологический процесс сборки печатной платы.....59
2.25Анализ конструкции комплекса......................65
2.26Обоснование необходимости разработки АМС..........67
1.1Расчет размера инвестиций для проектирования и
внедрения АМС.........................................67
2

3. 2.26.1Определение стоимости и длительности КПП и ТехПП 68
2.26.2Определение затрат на оплату труда..............69
2.26.3Определение трудоёмкости работ по проектированию
АМС...................................................70
2.26.4Определение трудоемкости отдельных этапов работ по
проектированию (КПП и ТехПП) АМС......................71
2.26.5Затраты на оплату труда на этапе разработки
рабочей документации..................................71
2.26.6Определение количества исполнителей.............72
2.26.7Определение разрядов исполнителей и их заработной
платы.................................................72
2.26.8Калькуляция затрат на проектирование системы . . .73
2.26.9Определение длительности ТПП....................74
2.26.10Определение суммарной стоимости проектных работ 74
2.27Расчет стоимости производства и реализации годового
объема выпуска АМС....................................74
2.27.1Калькуляция себестоимости одной единицы продукции
......................................................74
2.27.2Затраты на комплектующие........................75
2.27.3Определение расходов на оплату труда............75
2.27.4Отчисления во внебюджетные фонды................75
2.27.5Затраты на эксплуатацию и содержание оборудования
......................................................76
2.27.6Расчет затрат на освоение новых конструкций и
организацию новых производств.........................77
2.27.7Расчет стоимости производства и реализации АМС. .77
2.27.8Анализ динамики прибыли.........................78
3

4. 2.28Анализ опасных и вредных факторов, воздействующих на
о б с л е д у е м о г о в о в р е м я п р о в е д е н и я
электрокардиографических исследований.................80
2.29Расчет освещенности в помещении для проведения
электрокардиографических исследований [38]............86
2.29.1Требования к освещению помещений................87
2.29.2Выбор типа источника света......................89
2.29.3Выбор вида светильника..........................89
2.29.4Выбор вида ламп.................................90
2.29.5Определение удельной мощности...................90
2.29.6Определение количества светильников.............90
2.29.7Определение расположения светильников...........91
2.30Утилизация сопуствующих материалов при проведении
исследований в клинических условиях...................91
2.30.1Общие правила организации системы сбора,
временного хранения и транспортирования отходов в ЛПУ. 92
2.30.2Эффективная система утилизации медицинских отходов
......................................................93
3.ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................96
4.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................97
5.ПРИЛОЖЕНИЕ А..........................................101
6.ПРИЛОЖЕНИЕ Б..........................................108
7.ПРИЛОЖЕНИЕ В..........................................119
4

5. 1. ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
АМС – автоматизированная медицинская система
АРМ – автоматизированное рабочее место
БО – биологический объект
БТС – биотехническая система
ВДТ – видеотерминал
ВОЗ – всемирная организация здравоохранения
ВЧ ПРА - высокочастотные пускорегулирующие аппараты
ДПП – двухсторонняя печатная плата
ИБС – ишемическая болезнь сердца
ИМС – интегральная микросхема
МРОТ – минимальный размер оплаты труда
МТТ – медико-технические требования
НСОТ – новая система оплаты труда
ОУ – операционный усилитель
ПК – персональный компьютер
ПмК – пейсмейкерные клетки
ПП – печатная плата
СА-узел - синоатриальный узел
СУБД – система управления базами данных
ЧСС – частота сердечных сокращений
ЭВМ – электронно-вычислительная машина
ЭДС – электродвижущая сила
ЭКГ – электрокардиография
ЭРЭ – электронный радиоэлемент
HTTP - HyperText Transfer Protocol
TCP - Transmission Control Protocol
USB – Universal Serial Bus
5

6. 2. ВВЕДЕНИЕ
Биоэлектрические процессы в организме широко используются
в медицине как источник диагностической информации о
состоянии и деятельности тканей и органов. Современная
диагностика сердечных заболеваний не может обойтись без
электрокардиографического исследования, представляющего
собой анализ зарегистрированной кривой изменения
биопотенциалов сердца.
За последние несколько лет стремительное развитие в
Европе стал получать дистанционный анализ ЭКГ. Для передачи
Э К Г и с п о л ь з у е т с я п о р т а т и в н ы й э л е к т р о к а р д и о г р а ф
(кардиопейджер). Данный аппарат способен с высокой степенью
точности улавливать биоэлектрические сигналы организма.
Кардиотелеметрия может помочь пациентам, страдающим
ишемической болезнью или стенокардией; пациентам,
перенесшим инфаркт миокарда и операцию аорто-коронарного
шунтирования; больным со злокачественными нарушениями
сердечного ритма и проводимости; больным с редкими
нарушениями ритма, которые трудно зарегистрировать при
обычном ЭКГ анализе и традиционном суточном мониторировании
ЭКГ.
С помощью такого прибора, пациент может самостоятельно
снять себе ЭКГ в домашних условиях всего за несколько минут
и посредством мобильного или стационарного телефона
передать данные в отделение функциональной диагностики.
В связи с постоянным развитием информационных технологий
появляются новые возможности для обмена информацией. Одной
из таких возможностей является глобальная сеть Интернет.
Основной целью данной работы является проектирование и
разработка АМС для электрокардиографии с каналом передачи
данных по сети Интернет. Данная система позволит
осуществлять съем ЭКГ пациентом самостоятельно в домашних
условиях и оперативно передавать данные врачу.
6

7. В рамках системы необходимо разработать устройство для
съема сигнала (электрокардиограф), программное обеспечение
для обмена информацией, программное обеспечение для
визуализации и облегчения анализа полученных данных.
Разработанный электрокардиограф должен удовлетворять
всем современным требованиям по: безопасности, надежности,
техническим требованиям и его себестоимость должна быть
ниже, чем у современных аналогов.
7

8. 1 МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Сердечно-сосудистые заболевания
В результате проведенных Всемирной организацией
здравоохранения исследований были получены данные,
позволяющие говорить о причинах преждевременной смерти
жителей нашей планеты. Среди многих причин была выявлена
основная – заболевания сердечно-сосудистой системы.
Ежегодно от болезней сердца умирают около 17 миллионов
человек, что составляет примерно 29 % всех случаев смерти.
Так, например, 7,2 миллионов человек умирают от ишемической
болезни сердца.
Из 17 миллионов человек, умерших за год от сердечно-
сосудистых заболеваний, в России скончалось около 1,3
миллиона. По данным Федеральной службы государственной
статистики, за 2011 год в России умерло 1437,3 человек на
100 тысяч населения [1].
Если рассматривать причины смертности, то надо сказать,
что 56,9 % пришлось на сердечно-сосудистые заболевания
(рисунок 1.1).
По подсчетам ВОЗ, к 2030 году от сердечно-сосудистых
заболеваний ежегодно будут умирать около 23,6 миллионов
человек, то есть единственной основной причиной смертности
по-прежнему будут болезни сердца.
Рисунок 1.1 - Распределение умерших по причинам смерти
2.2 Аритмии
8

9. Аритмии – одна из групп заболеваний сердечно-сосудистой
системы, требующих постоянного мониторинга.
Аритмия сердца — патологическое состояние, при котором
п р о и с х о д и т н а р у ш е н и я ч а с т о т ы , р и т м и ч н о с т и и
последовательности возбуждения и сокращения сердца. Аритмия
— любой ритм сердца, отличающийся от нормального
синусового. То есть при таком патологическом состоянии
нарушается нормальная сократительная активность сердца, что
может привести к целому ряду серьёзных осложнений. Термин
«аритмия» объединяет различные по механизму, клиническим
проявлениям и прогностическому значению нарушения
образования и проведения электрического импульса. В обычной
жизни, когда с сердцем все в порядке, человек, как правило,
не ощущает его биения, не воспринимает его ритма. А при
появлении аритмии явно чувствуются перебои, замирание
сердца либо резкое хаотическое сердцебиение.
Под влиянием одного или нескольких этиологических
факторов нарушается одна или несколько функций сердца:
 автоматизм (автоматическая генерация импульсов
кардиомиоцитами водителем ритма)
 возбудимость (способность кардиомиоцитов генерировать
потенциал действия в ответ на раздражение)
 проводимость (проведение импульса по проводящей
системе сердца)
 с о к р а т и м о с т ь ( с о к р а щ е н и е с о к р а т и т е л ь н ы х
кардиомиоцитов)
 рефрактерность (электрическая инертность КМЦ некоторое
время после проведения импульса, не допускающая возврат
проведенного импульса и наложение последующего)
 абберантность (возможность проведения импульса по
дополнительным путям проводящей системы сердца)
9

10. Так, наиболее известными механизмами нарушений
возбудимости (экстрасистолий, пароксизмальных тахикардий)
являются:
 неравномерная реполяризация миокарда
 увеличение амплитуды следовых потенциалов
 увеличение автоматизма гетеротопных очагов
В основе аритмии лежит изменение условий формирования
возбуждения сердечной мышцы или аномалия путей его
распространения. Аритмии могут быть вызваны как
функциональными нарушениями, так и тяжёлыми органическими
поражениями сердца. В некоторых случаях причиной нарушений
сердечного ритма являются врождённые особенности проводящей
системы сердца. Определённую роль в возникновении аритмии
играет состояние нервной системы. Например, психическое,
эмоциональное напряжение вызывает изменения в темпе, а
зачастую — и в ритме сердечных сокращений, в том числе, и
здоровых людей. Аритмия нередко возникает у людей с
заболеваниями центральной и вегетативной нервной системы.
Разные заболевания, сопровождающиеся нарушением
анатомической структуры сердца или происходящих в нем
обменных процессов, вызывают различные по продолжительности
и характеру виды аритмии, и установить диагноз может только
в р а ч , в ы в о д ы к о т о р о г о о с н о в ы в а ю т с я н а к л и н и к о -
электрокардиографических данных [2].
Лечение аритмий представляет собой одну из самых сложных
проблем современной кардиологии. Многие опытные кардиологи
вообще считают аритмологию наиболее сложной частью
кардиологии.
Для диагностики аритмий применяются различные методы.
Электрокардиография является самым доступным методом,
позволяющим получать ценную информацию о ритме сердца и
перенесенных заболеваниях.
2.3 Анатомические основы ЭКГ
10

11. Сердце - полный мышечный орган, разделенный продольной
перегородкой на две половины: левую артериальную и правую
венозную. Поперечная перегородка делит каждую половину
сердца на два отдела: предсердие и желудочек. Сердце
выполняет определенные функции: автоматизма, возбудимости,
проводимости и сократимости.
Автоматизм - способность проводящей системы сердца
самостоятельно вырабатывать импульсы. В наибольшей степени
функцией автоматизма обладает синусовый узел (центр
автоматизма первого порядка). В покое в нем вырабатывается
от 60 до 80 импульсов в минуту. При патологии источником
ритма может быть атриовентрикулярный узел (центр
автоматизма второго порядка), он вырабатывает от 40 до 60
импульсов в минуту. Функцией автоматизма обладает и
проводящая система желудочков (идиовентрикулярный ритм).
Однако в минуту вырабатывается всего от 20 до 50 импульсов
(центр автоматизма третьего порядка).
Возбудимость - способность сердца отвечать сокращением на
внутренние и внешние раздражители. В норме возбуждение и
сокращение сердца возникают под влиянием импульсов из
синусового узла.
Импульсы могут быть не только номотопные (из синусового
узла), но и гетеротопные (из других участков проводящей
системы сердца). Если сердечная мышца находится в состоянии
возбуждения, она не отвечает на другие импульсы (абсолютная
или относительная рефракторная фаза).
Проводимость. Возникнув в синусовом узле, импульс
распространяется ортоградно по миокарду предсердий, затем
через атриовентрикулярный узел, пучок Гиса, проводящую
систему желудочков. Внутрижелудочковая проводящая система
включает правую ножку пучка Гиса, основной ствол левой
ножки пучка Гиса и две его ветви, переднюю и заднюю, и
11

12. заканчивается волокнами Пуркинье, которые передают импульс
на клетки сократительного миокарда [1].
Рисунок 1.1 – Сердце человека
12

13. 2.4 Биофизические основы ЭКГ
В электрофизиологическом отношении клеткам миокарда
свойственны три чередующихся состояния: покой, или
п о л я р и з а ц и я , в о з б у ж д е н и е , и л и д е п о л я р и з а ц и я , и
восстановление потенциала покоя, или реполяризация. Каждое
из них связано с ритмичной перезарядкой внутри- и
внеклеточной среды вследствие чрез-мембранной миграции
ионов К+, Nа+, Са++, и Сl-. Будучи строго упорядоченной,
она создает конкретную ионную основу трансмембранного
потенциала в разные фазы электрической эволюции клетки
(трансмембранный потенциал измеренный в милливольтах - ток
между наружной и внутренней сторонами клеточных мембран,
которые всегда имеют противоположный по знаку заряд).
По с к о л ь к у н а п р а к т и к е от в е д е н и е т о к о в с е р д ца
осуществляется с поверхности тела, для регистрации доступны
лишь те электрические явления, которые проистекают на
внешней стороне мембран миокардиоцитов. Они интересуют нас
в первую очередь.
В покое все клеточные мембраны поляризованы таким
образом, что их наружная сторона, а значит, поверхность
одиночных мышечных волокон и миокарда в целом заряжены
положительно, т.е. - разность потенциалов как непременное
условие появления тока отсутствует.
Деполяризация, или активация клетки под влиянием
электрического импульса, приводит к перезарядке мембран:
внешняя сторона возбужденного участка (клетки, волокна,
всего миокарда) приобретает отрицательный заряд. Его
появление и стремительное распространение, сопровождающееся
нейтрализацией положительного заряда покоя, создает
разность потенциалов и формирует электродвижущую силу - ток
деполяризации. По завершении деполяризации разность
потенциалов исчезает, так как вся поверхность миокарда
становится электроположительной.
13

14. Сущность реполяризации заключается в восстановлении
исходного потенциала (потенциал покоя) и готовности к
о ч е р е д н о м у в о з б у ж д е н и ю , т . е . в в о с с т а н о в л е н и и
положительного заряда внешней стороны клеточных мембран.
Постепенное замещение им отрицательного заряда вновь
создает ЭДС - на этот раз ток реполяризации.
С учётом законов физики, де - и реполяризация являют
собой типичные примеры диполя, который подразумевает
сосуществование и перемещение двух равных по величине, но
разных по знаку зарядов, находящихся на бесконечно малом
расстоянии друг от друга.
Под влиянием импульса возбуждения в сердце начинает
функционировать бесчисленное количество микродиполей
одиночных мышечных волокон - элементарных источников ЭДС.
Суммируясь, они образуют все более укрупняющиеся
макродиполи отдельных фрагментов миокарда, камер сердца и в
конечном итоге образуют единый сердечный диполь и ЭДС всего
сердца.
Свойством генерировать электрический импульс возбуждения
наделены специализированные, так называемые пейсмекерные
клетки проводящей системы сердца. Способность к
самоактивации, известная под названием автоматизма,
принципиально отличает их от сократительных клеток
миокарда. Последние, обладая возбудимостью, активизируются
только под влиянием импульсов, исходящих из ПмК.
Наивысший автоматизм присущ синоатриальному узлу, который
подавляя более низкие автоматические потенции подлежащих
ПК, в норме выступает в качестве водителя ритма или центра
автоматизма I порядка. Нижерасположенные ПмК - в
предсердиях, атриовентрикулярном соединении и желудочках -
выступают как пассивные проводники возбуждения. В
физиологическом смысле они являются резервными источниками
14

15. импульсообразования, или центрами автоматизма II и III
порядка.
Стартовав в СА-узле, импульс возбуждения активирует
вначале правое, затем левое предсердия и после небольшой
задержки в атриовентрикулярном соединении по системе Гиса
передается желудочкам. На их территории раньше всего
деполяризуется межжелудочковая перегородка, причем первыми
получают отрицательный заряд ее отделы, обращенные к левому
желудочку. Следовательно, возбуждение охватывает
перегородку слева направо. Далее электрический импульс
достигает стенок желудочков. Их деполяризация начинается с
внутренней субэндокардиальной области, где ветвятся
терминалы проводящей системы - волокна Пуркинье, и
распространяется к эпикарду (рисунок 1.2). Таким образом,
возбуждение стенок желудочков происходит в направлении
изнутри кнаружи.
Рисунок 1.2 - Фазы деполяризации желудочка
В целом прослеживается следующая генеральная тенденция
деполяризации миокарда - сверху вниз и справа налево. После
окончания деполяризации, в финале которой происходит
сокращение желудочков, начинается процесс реполяризации
(рисунок 1.3) [2].
15

16. Рисунок 1.3 - Процессы деполяризации и реполяризации
камер сердца
16

17. 2.5 Описание основных зубцов и интервалов ЭКГ
Прохождение импульса по проводящей системе сердца
графически записывается по вертикали в виде пиков —
подъемов и спадов кривой линии. Эти пики принято называть
зубцами электрокардиограммы и обозначать латинскими буквами
P, Q, R, S и T.
Помимо регистрации зубцов, на электрокардиограмме по
горизонтали записывается время, в течение которого ипульс
проходит по определенным отделам сердца. Отрезок на
электрокардиограмме, измеренный по своей продолжительности
во времени (в секундах), называют интервалом (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 – Лента ЭКГ: зубцы и интервалы
Электрический потенциал, выйдя за пределы синусового
узла, охватывает возбуждением прежде всего правое
предсердие, в котором находится синусовый узел.
Так на ЭКГ записывается пик возбуждения правого
предсердия.
17

18. Рисунок 1.5 – Пик возбуждения правого предсердия
Далее, по проводящей системе предсердий, а именно по
межпредсердному пучку Бахмана, электроимпульс переходит на
левое предсердие и возбуждает его. Этот процесс
отображается на ЭКГ пиком возбуждения левого предсердия.
Его возбуждение начинается в то время, когда правое
предсердие уже охвачено возбуждением (рисунок 1.6).
Рисунок 1.6 – Пик возбуждения левого предсердия
О т о б р а ж а я в о з б у ж д е н и я о б о и х п р е д с е р д и й ,
электрокардиографический аппарат суммирует оба пика
возбуждения и записывает графически на ленте зубец Р.
18

19. Рисунок 1.7 – Зубец P
Таким образом, зубец Р представляет собой суммационное
отображение прохождения синусового импульса по проводящей
системе предсердий и поочередное возбуждение сначала
правого (восходящее колено зубца Р), а затем левого
(нисходящее колено зубца Р) предсердий.
Одновременно с возбуждением предсердий импульс, выходящий
из синусового узла, направляется по нижней веточке пучка
Бахмана к атриовентрикулярному (предсердножелудочковому)
соединению. В нем происходит физиологическая задержка
импульса (замедление скорости его проведения). Проходя по
атриовентрикулярному соединению, электрический импульс не
вызывает возбуждения прилежащих слоев, поэтому на
электрокардиограмме пики возбуждения не записываются.
Регистрирующий электрод вычерчивает при этом прямую линию,
называемую изоэлектрической линией.
Оценить прохождение импульса по атриовентрикулярному
соединению можно во времени (за сколько секунд импульс
проходит это соединение). Так получается интервал P-Q
(рисунок 1.7).
19

20. Рисунок 1.7 – Интервал P-Q
Продолжая свой путь по проводящей системе сердца,
электрический импульс достигает проводящих путей
желудочков, представленных пучком Гиса, проходит по этому
пучку, возбуждая при этом миокард желудочков.
Этот процесс отображается на электрокардиограмме
формированием (записью) желудочкового комплекса QRS.
Следует отметить, что желудочки сердца возбуждаются в
определенной последовательности.
Сначала, в течение 0,03 с возбуждается межжелудочковая
перегородка. Процесс ее возбуждения приводит к формированию
на кривой ЭКГ зубца Q.
Рисунок 1.8 – Возбуждение межжелудочковой перегородки
(зубец Q)
20

21. Затем возбуждается верхушка сердца и прилегающие к ней
области. Так на ЭКГ появляется зубец R. Время возбуждения
верхушки в среднем равно 0,05 с (рисунок 1.9).
Рисунок 1.9 – возбуждение верхушки сердца (зубец R)
И в последнюю очередь возбуждается основание сердца.
Следствием этого процесса является регистрация на ЭКГ зубца
S (рисунок 1.10). Продолжительность возбуждения основания
сердца составляет около 0,02 с.
Рисунок 1.10 – Возбуждение основания сердца (зубец S)
Охватив возбуждением желудочки, импульс, начавший путь из
синусового узла, угасает, потому что клетки микарда не
могут долго "оставаться возбужденными. В них начинаются
процессы восстановления своего первоначального состояния,
бывшего до возбуждения.
21

22. Процессы угасания возбуждения и восстановление исходного
состояния миокардиоцитов также регистрируются на ЭКГ.
Процессы реполяризации отображаются графически на ЭКГ
отрезком S—Т и зубцом Т (рисунок 1.11) [5].
Рисунок 1.11 – Процессы возбуждения и реполяризации
миокарда
22

23. 2 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
2.6 Обзор существующих систем для кардиотелеметрии
2.6.1 Кардиоджет
Электрокардиограф представляет из себя устройство по
размеру не более компьютерной мыши.
С помощью «Кардиоджет» пациент, почувствовав первые
признаки недомогания, может самостоятельно записать
полноценную электрокардиограмму. Используя любой телефон
- мобильный или станционарный, в любой точке мира,
электрокардиограмма передается в кардиотелеметрический
центр [6].
Особенности:
– Диапазон рабочих частот: от 0,05 до 100 Гц;
– Диапазон регистрируемых напряжений: от 0,03 до 5 мВ;
– Количество отведений: 12;
– Габаритные размеры: 120х75х65 мм;
– Масса: 230 г;
– Общее время снятие ЭКГ не более 60 сек;
– Питание: 3В (2 батарейки типа АА);
2.6.2 HeartView 12L
HeartView позволяет передавать полные данные ЭКГ из
любого места и в любое время. Записанное ЭКГ передается по
телефону через акустическое соединение к принимающей
станции. Так же присутствует цифровой вариант передачи
данных [7].
Особенности:
– Диапазон рабочих частот: от 0,05 до 150 Гц;
– Диапазон регистрируемых напряжений: от 0,03 до 5 мВ;
– Количество отведений: 12;
– Габаритные размеры: 120х60х25 мм;
– Масса: 180 г;
2.6.3 Сравнение технических характеристик
23

24. Таблица 2.1 - Сравнение существующих электрокардиографов.
Электрокардиограф Кардиоджет HeartView 12L
Регистрация данных 12 отведений 12 отведений
Диапазон частот, Гц от 0,05 до 100 от 0,05 до 150
Габаритные размеры, мм 120х75х65 120х60х25
Масса, г 230 180
Способ передачи данных По телефону
По телефону и по
сети Интернет
Диапазон напряжений, мВ от 0,03 до 5 от 0,03 до 5
Цена, р ~ 24 000 ~ 40 000
24

25. 2.7 Разработка БТС
Синтез БТС начинается с формирования целей и задач,
решаемых системой. При синтезе БТС необходимо учесть три
основных принципа: принцип целеполагания, адекватности и
идентификации [8].
a) Принцип целеполагания
Синтез БТС начинается с формирования целей и задач,
решаемых системой. Под целевой функцией для рассматриваемой
БТС будем понимать медицинские требования описанные в
м е д и к о - т е х н и ч е с к и х т р е б о в а н и я х , к о т о р ы е б у д у т
сформулированы далее.
b) Принцип идентификации
Этот принцип требует единства информационных и
управляющих сигналов, с помощью которых производится
вещественный, энергетический или информационный метаболизм
внутри БТС. При этом необходимо наличие дискретной обратной
связи через врача-оператора.
c) Принцип адекватности
Для БТС диагностического типа требуется выполнение
условия минимума потока энтропии в БО со стороны
технического звена. Это означает, что техническая система
должна вносить минимально возможные искажения в значения
оцениваемых параметров биообъекта, т.е. минимально
возможные систематические и случайные ошибки.
Адекватность воздействия предполагает взаимное
согласование параметров и характеристик технических и
биологических элементов. Единство информационной среды
означает однородность информационных потоков, циркулирующих
в системе.
Параметры взаимодействующих с объектом полей не должны
превышать физиологический диапазон (адаптацию биообъекта).
Если параметры взаимодействующих полей превысят предел
адаптации, то возможен переход биообъекта в патологическое
25

26. состояние. Если же параметры биообъекта превысят адаптацию
технических элементов, то БТС не способна правильно понять
и в ы б р а т ь т а к т и к у . Т . е . а д а п т а ц и я д о л ж н а б ы т ь
двухконтурная.
В данной работе речь идёт о диагностической системе,
поэтому в данном случае следует говорить о том, что
воздействие на биологические ткани не должно нарушать
биологическую интактность объекта измерений, т.е. не должно
оказывать стимулирующий эффект на кожные структуры,
приводящие к изменению состояния объекта.
26

27. 2.8 Определение назначения БТС и ее класса
БТС, разрабатываемая в данной работе, предполагает
проведения диагностических исследований для оценки
функционального состояния человека. Таким образом, система
относится к классу диагностических систем.
Схема, определяющая местоположение данной БТС в
иерархическом древе классов техники показана на рисунке 2.1
[9]:
Рисунок 2.1 - Местоположение БТС в древе классов
2.9 Требования, предъявляемые к БТС
На основе структуры строения биообъекта, а также его
электрических свойств сформулируем основные требования к
БТС. Разрабатываемая БТС предназначена диагностики
се рд е чн о -с о су д ис т ых з а бо л ев а ни й . С и ст е ма д о лж на
обеспечивать измерение ЭКГ, а также хранение, передачу и
обработку полученных данных.
Требования, предъявляемые к блоку измерения ЭКГ:
Полоса частот измеряемого биосигнала: от 0,05 до 100 Гц
Динамический диапазон биосигнала: от 0 до 20 мВ
Требования, предъявляемые к блоку передачи данных:
Протокол передачи: TCP/IP
Частота передаваемого сигнала: от 0,05 до 50 Гц
Связь с компьютером: по каналу USB
2.10 Связи между компонентами БТС
Схема БТС отражает взаимодействие всех составляющих её
частей.
Для создания БТС необходимо выбрать связи, посредством
которых будут соединены компоненты БТС. Существует
несколько видов связей:
27

28. – энергетические;
– информационные;
– вещественные;
– смешанные.
В данной БТС электрод, блок аналоговой обработки сигнала
и блок цифровой обработки сигнала образуют измерительный
преобразователь, который регистрирует и преобразовывает
сигнал с БО (энергетическая связь), а затем передает уже
цифровой электрический сигнал через преобразователь
интерфейсов на компьютер (информационная связь). Далее
компьютер через систему передачи данных отправляет данные
на удаленный сервер, где происходит сохранение и обработка
исходного сигнала. После этого данные поступают на
компьютер врача-оператора, где происходит визуализация
данных через программное обеспечение.
Структурная схема БТС представлена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Схема БТС
28

29. 2.11 Цели и задачи
Основной задачей разрабатываемой системы является
измерение и передача сигнала ЭКГ по общедоступному каналу
связи. В качестве подобного канала была выбрана глобальная
сеть Интернет. Данный выбор обусловлен широкой доступностью
канала для общественности и большими техническими
возможностями сети для обмена информацией.
Так как данная сеть является сетью общего пользования, то
возникает задача шифрования передаваемой информации, для
предотвращения возможности утечки конфиденциальных данных.
Для обмена данными необходимо разработать программное
обеспечение, блок приема данных на удаленном компьютере и
блок передачи данных для компьютера на который происходит
съем.
Для анализа данных необходимо разработать алгоритм и
программное обеспечение, которое позволит производить
анализ в режиме реального времени или анализ сохраненных
данных сигнала.
Для хранения информации об исходных сигналах,
проанализированных сигналах, устройствах и пациентов
необходимо разработать базу данных.
В качестве устройства для съема должен быть разработан
портативный электрокардиограф.
2.12 Разработка МТТ АМС для электрокардиографии с
каналом передачи данных по сети Интернет
Разработанные МТТ приведены в приложении А [10].
29

30. 3 КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
2.13 Разработка структурно-функциональной схемы АМС
Проектируемое устройство должно обеспечивать измерение
электрической активности сердечной мышцы.
Одним из требований к АМС является её компактность,
питание от персонального компьютера. Данное требование
накладывает ограничение на все элементы АМС по питания,
т . к . п о р т USB современного компьютера обеспечивает
напряжение 5 В при максимальном токе потребления 500 мА. В
связи с этим, все элементы ограничиваются по питанию
пределом +5 В.
На рисунке 3.1 представлена предлагаемая функциональная
схема проектируемого устройства.
Рисунок 3.1 – Структурно-функциональная схема
проектируемого устройства
30

31. Проанализируем отдельно каждый её блок:
а) Система электродных датчиков
АМС предназначена для измерения электрических потенциалов
с поверхности тела человека. Частотный диапазон измеряемых
сигналов находится в диапазоне от 0.1 до 100 Гц. От
электродов требуется высокая стабильность их характеристик
во времени. В соответствии с этим выбираются одноразовые
серебряно-хлорсеребряные электроды. Так как для данных
электродов потенциал поляризации в целом стабилен в течение
длительного времени, то в последствии он может быть легко
удален при помощи фильтрации постоянной составляющей
измеряемого напряжения [11].
б) Инструментальный усилитель
Амплитуда входного сигнала сверху ограничена 20 мВ. Для
увеличения точности измерений и удобства анализа требуется
усиление. Кроме того, данный блок должен обеспечивать
согласование биообъекта и АМС по сопротивлению. Данное
условие диктует наличие высокого входного сопротивления у
усилителя, малые входные токи.
в) Блок фильтрации
Разработка данной АМС предполагает широкое использование
цифровой фильтрации при обработке измеренного сигнала.
Одной из причин такого подхода является тот факт, что нет
точных рамок на частотный диапазон входного сигнала. От
блока фильтрации требуется, в основном, подавление
аддитивных помех от промышленной сети.
г) Аналогово-цифровой преобразователь
31

32. Данный блок осуществляет оцифровку входного аналогового
сигнала для последующей передачи на ПК и обработки. Единым
требованием для всей АМС является высокая точность
измерений. Для обеспечения высокой точности требуется АЦП с
большой разрядностью. В то же время, измеряемый сигнал
является низкочастотным. Поэтому в структуре АМС можно
использовать сигма-дельта АЦП. Преимуществом данного выбора
является большая разрядность данных устройств (до 24 бит).
Низкая верхняя граничная частота входного сигнала позволяет
при частоте АЦП около 1 МГц значительно снизить помехи
квантования и увеличить эффективную разрядность цифрового
сигнала на выходе АЦП.
д) Микроконтроллер
АМС должна подключаться к персональному компьютеру. Для
передачи данных от АЦП к ПК требуется микроконтроллер. Так
же в его задачи входит управление АЦП. Прочих требований к
микроконтроллеру не предъявляется, что означает возможность
использования как можно более простых и малопотребляющих
представителей данного семейства микроэлектронных
устройств. В результате выбор можно ограничить 8-битными
микроконтроллерами.
е) Преобразователь COM – USB
Данный компонент должен осуществлять сопряжение
микроконтроллера с персональным компьютером.
ж) Блок питания
Да н н ы й э л е м е н т А М С о б е сп е ч и в а е т э н е р г и е й в се
вышеописанные компоненты. Исходя из требований к питанию от
ПК: 5В, данный блок должен обеспечивать преобразование
данного напряжения в соответствующие напряжения питания для
всех элементов, стабилизацию этих выходов. Одним из важных
32

33. компонентов блока питания должен быть источник опорного
напряжения для АЦП.
Таким образом, устройство должно обеспечивать стабильный
уровень выходного напряжения с определенной амплитудой и
требуемым диапазоном частоты с определённым периодом
времени.
з) Интерфейс сопряжения
Данный интерфейс необходим для передачи данных от
устройства съема к рабочей станции. Главное требование –
обеспечение сохранности и неизменности данных при передаче.
и) Сетевой интерфейс
Данный компонент необходим для передачи полученных данных
по сетям общего пользования. Требованием к сетевому
интерфейсу является стабильность канала передачи данных и
минимальная скорость передачи данных порядка 1 мб/с.
к) Интерфейс визуализации
Компонент, предоставляющий визуальное отображение
измеренных или обработанных данных. Интерфейс должен дать
возможность быстро получить необходимые данные и работать
на любом устройстве с возможностью выхода в интернет.
л) Модуль регистрации сигнала
Модуль осуществляет прием сигнала от устройства и
сохранение его в базу данных на сервере. Единственным
требованием к данному модулю является обеспечение
сохранности целостности и неизменности данных.
м) Модуль обработки сигнала
Модуль необходим для проведения первичного анализа
сигнала и сохранения результатов в базу данных. Модуль
33

34. должен обеспечивать высокую точность анализа и не нарушать
сохранность исходных данных.
н) Модуль контроля подключения
Модуль необходим для предотвращения несанкционированного
доступа к серверу и для поддержания постоянного соединения
с прибором во время приема данных.
о) База данных сигналов и результатов их обработки
Предназначена для хранения полученных данных в исходном
виде и обработанных данных. Основными требованиями к базе
являются защита от несанкционированного доступа, искажения
или уничтожения данных. Помимо основных требований база
д о л ж н а п р е д о с т а в л я т ь в о з м о ж н о с т ь м н о г о к р а т н о г о
использования данных и быстрого поиска информации по
запросам.
п) База данных врачей и пациентов
Предназначена для хранения данных о врачах, пациентах и
привязках врача к пациенту.
р) Модуль авторизации
Модуль авторизации необходим для ограничения доступа к
медицинским данным. Авторизация персонала должна
происходить посредством цифровых сертификатов, которые
обеспечат максимальную безопасность и исключат возможность
утечки данных.
с) Интерфейс управления
Интерфейс управления необходим для предоставлению
оператору возможности взаимодействия с устройством съема
данных и анализа уже полученных данных.
34

35. 2.14 Разработка принципиальной схемы
2.14.1 Разработка блока обработки сигнала
Для достижения максимальной точности обработки
измеряемого биосигнала требуется использований аналого-
цифровых преобразователей с максимально возможно большим
к о л и ч е с т в о м р а з р я д о в . В н а с т о я щ е е в р е м я ш и р о к о
распространены сигма-дельта АЦП. Другим критерием выбора
является портативность системы. Наиболее удобными в
использовании являются 24-битные АЦП. Компания Texas
Instruments предлагает на рынок группу микроконтроллеров
семейства MSP430, оснащенных интегрированными сигма-дельта
АЦП. При этом возможна их полностью независимая работа,
подключение к различным тактовым генераторам. Отличительной
стороной семейства MSP430 является низкая стоимость, крайне
низкое энергопотребление при любых режимах работы. В
качестве основы блока обработки сигнала АМС для ЭГГ
предлагается использовать микроконтроллер MSP430AFE253
[12], оснащенного 3 24-битными сигма-дельта АЦП.
Сигма-дельта АЦП осуществляет преобразование входного
аналогового сигнала в диапазоне от 0 до ± Uоп (опорное
напряжение). Проведем расчет точности обработки входного
сигнала.
Младший значащий разряд:
(3.1)
Погрешность:
(3.2)
В итоге: δ=. С учетом максимального значения измеряемого
сигнала (20 мВ) получим количество используемых разрядов:
(3.3)
Ne = 18 бит.
Назначение микроконтроллера в схеме устройства –
обработка сигнала АЦП для последующей передачи данных в
35

36. персональный компьютер через USB соединение. Для коммутации
USB-порта и микроконтроллера используется микросхема FTDI
FT232R [13]. Номиналы всех конденсаторов, подключаемые к
микросхемам блока цифровой обработки сигнала, выбираются в
соответствии с паспортными данными элементов.
2.14.2 Разработка блока усиления сигнала
В соответствии с техническим заданием диапазон входного
сигнала: до 20 мВ. Современные достижения в области
микроэлектроники позволяют использовать в качестве
инструментального и согласующего усилителя единую
микросхему. В данном случае одним из основных требований к
ОУ будет требование высокого входного сопротивления (не
менее 1 ГОм), малого напряжения смещения, малой
потребляемой мощности.
Данным требованиям удовлетворяет ОУ INA 118 [14].
Таблица 3.1 - Характеристики INA 118
На п ря ж ен и е с м е ще н ия , не
25
более, мкВ
Входной ток, не более, нА 10
Входное сопротивление, не
10
менее, Гом
Коэффициент усиления данного операционного усилителя
рассчитывается по формуле:
(3.4)
Выберем в качестве номинала резистора, задающего
коэффициент усиления 2.2 кОм. Расчет по формуле дает нам
результат К = 23.7.
С учетом новых данных пересчитаем значение эффективной
разрядности по формуле (3.3), получаем Ne =23 бит.
2.14.3 Разработка блока аналоговой фильтрации
36

37. Одной из особенностей измерений практически любого
биоэлектрического сигнала является существование на входе
синфазной помехи с частотой 50 Гц. Подавления гармоник в
спектре, превышающих частоту дискретизации входного сигнала
так же является средством борьбы с таким явлением как
перенос спектра. Кроме того, наличие аналогового фильтра
ФНЧ требуется для С учетом того что верхняя частота сигнала
ЭКГ – 150 Гц, в качестве аналогового фильтра может быть
выбрана схема RC - фильтра наименьшего, первого порядка.
Одним из недостатков данного схемотехнического решения
является чрезмерно широкая переходная область АЧХ фильтра.
В качестве фильтра, выберем RC фильтр с частотой среза
150 Гц. В качестве конденсатора для фильтра выберем
конденсатор емкостью 10 мкФ. Частота среза для данного
фильтра:
(3.5)
Тогда номинал резистора будет рассчитываться:
(3.6)
По результатам расчета получим R≈1,1 кОм. Выберем
резистор номиналом 1 кОм, так как высокая точность
полученной АЧХ не требуется.
В состав данного фильтра нижних частот так же входит ОУ.
Таким образом, фильтр является активным. ОУ используется в
качестве повторителя напряжения, и согласования
сопротивлений блоков. Для данных целей лучше всего
использовать rail-to-rail операционные усилители. В
качестве такого элемента предлагается использовать ОУ марки
OPA 4350 [15] (4 ОУ OPA350 в одном корпусе).
2.14.4 Разработка блока питания
В соответствие с медико-техническими требованиями питание
устройства осуществляется от персонального компьютера через
порт USB. Технические характеристики протокола USB:
37

38. максимальное напряжение – +5 В, ток – не более 500 мА. Для
работы микроконтроллера требуется напряжение в диапазон от
1,8 до 3,3 В. Для работы операционных усилителей требуется
биполярный источник питания +-2,5 В. Для получения
инверсного напряжения используется инвертор напряжения
MAX1044. Номиналы конденсаторов выбираются в соответствие с
паспортом MAX1044 [16].
Для функционирования АЦП требуется наличие источника
опорного напряжения. В данном случае используется
внутренний источник опорного напряжения на 1.2 В
(MSP430AFE253).
Для питания микроконтроллера используется уровень
напряжения +3,3 В.
38

39. 2.15 Разработка программного обеспечения для передачи
данных и обработки сигнала электрокардиографической АМС
2.15.1 Разработка требований к ПО
Описание функциональных возможностей и ограничений,
накладываемых на программную систему, называется
требованиями к этой системе, а сам процесс формирования,
анализа, документирования и проверки этих функциональных
возможностей и ограничений — разработкой требований [17,
18].
Термин требования (к программной системе) может
трактоваться по-разному. В некоторых случаях под
требованиями понимаются высокоуровневые обобщенные
утверждения о функциональных возможностях и ограничениях
системы. Другая крайняя ситуация — детализированное
математическое формальное описание системных функций.
Требования к программной системе часто классифицируются
как функциональные, нефункциональные и требования
предметной области.
2.15.2 Функциональные требования
Это перечень сервисов, которые должна выполнять система,
причем должно быть указано, как система реагирует на те или
иные входные данные, как она ведет себя в определенных
ситуациях и т.д. В некоторых случаях указывается, что
система не должна делать. Эти требования описывают
поведение системы и сервисы (функции), которые она
выполняет, и зависят от типа разрабатываемой системы и от
потребностей пользователей. Если функциональные требования
оформлены как пользовательские, они, как правило, описывают
системы в обобщенном виде. В противоположность этому
функциональные требования, оформленные как системные,
описывают систему максимально подробно, включая ее входные
и выходные данные, исключения и т.д.
39

40. 2.15.3 Нефункциональные требования.
Описывают характеристики системы и ее окружения, а не
поведение системы. Здесь также может быть приведен перечень
ограничений, накладываемых на действия и функции,
выполняемые системой. Они включают временные ограничения,
ограничения на процесс разработки системы, стандарты и т.д.
Как следует из названия, нефункциональные требования не
связаны непосредственно с функциями, выполняемыми системой.
Они связаны с такими интеграционными свойствами системы,
как надежность, время ответа или размер системы. Кроме
того, нефункциональные требования могут определять
ограничения на систему, например на пропускную способность
устройств ввода-вывода, или форматы данных, используемых в
системном интерфейсе.
Многие нефункциональные требования относятся к системе в
целом, а не к отдельным ее средствам. Это означает, что они
более значимы и критичны, чем отдельные функциональные
требования. Ошибка, допущенная в функциональном требовании,
может снизить качество системы, ошибка в нефункциональных
требованиях может сделать систему неработоспособной.
Вместе с тем нефункциональные требования могут относиться
не только к самой программной системе: одни могут
относиться к технологическому процессу создания ПО, другие
— содержать перечень стандартов качества, накладываемых на
п р о ц е с с р а з р а б о т к и . К р о м е т о г о , в с п е ц и ф и к а ц и и
нефункциональных требований может быть указано, что
проектирование системы должно выполняться только
определенными CASE-средствами, и приведено описание
процесса проектирования, которому необходимо следовать.
Нефункциональные требования отображают пользовательские
потребности; при этом они основываются на бюджетных
ограничениях, учитывают организационные возможности
40

41. компании-разработчика и возможность взаимодействия
разрабатываемой системы с другими программными и
вычислительными системами, а также такие внешние факторы,
как правила техники безопасности, законодательство о защите
интеллектуальной собственности и т.п. [17]
2.15.4 Требования предметной области.
Характеризуют ту предметную область, где будет
эксплуатироваться система. Эти требования могут быть
функциональными и нефункциональными.
2.15.5 Требования к ПО
Функциональные и нефункциональные требования к
программному обеспечению приведены в таблице 3.1.
Таблица 3 – Требования к ПО
Группа
Требование
требований
Функциональные  Обеспечение процесса получения
информации с аппаратной части;
 Анализ полученных данных;
 Визуализация принятых данных в
режиме реального времени;
 Сохранение исходных данных;
 Сохранение проанализированных
данных;
 Контроль подключения прибора;
 Поддержка большого количества
одновременно подключенных устройств;
Продолжение таблицы 3.1
Нефункциональные  З а щ и т а и н ф о р м а ц и и о т
несанкционированного доступа должна
обеспечиваться в соответствии с ГОСТ
41

42. Р ИСО/МЭК 15408-2002;
 И н т е р ф е й с п е р е д а ч и д а н н ы х
устройства к компьютеру должен
соответствовать спецификации USB 2.0;
 Удобство отображения данных на
любых устройствах с доступом к сети
Интернет
2.15.6 Выбор технологий разработки
На основе требований, предъявленных к ПО, необходимо
выбрать технологию разработки таким образом, чтобы была
возможность поддерживать большое количество одновременных
подключений при минимальных затратах серверной мощности.
В следствии этого для реализации серверной части
программного обеспечения был выбран язык программирования
nodejs (серверный java script). Данная технология, по
проведенным экспериментам позволяет поддерживать до
миллиона одновременных подключений при низких затратах
памяти (примерно 10кб на одно подключение) и процессорной
мощности [19].
Так же данная технология позволяет держать и TCP/IP
Socket и HTTP сервера одновременно в рамках одной
реализации программы и совершать обмен данными между ними.
Для реализации алгоритма обработки данных на сервере, был
выбран язык PHP.
Язык программирования РНР является универсальным, широко
используемым открытым языком для разработки сценариев [20].
Особенности языка PHP:
– Быстродействие
– Открытость. Открытость РНР позволяет программистам
модифицировать программное обеспечение, добавлять или
42

43. изменять его функциональность, необходимую для решения
конкретных задач.
– Универсальность. PHP можно использовать под управлением
разных операционных систем, включая Linux, Windows, Mac OS
и большинство систем семейства Unix.
– Настраиваемость. РНР обеспечивает достаточный контроль
над окружением, позволяя уменьшить вероятность ошибок.
– Безопасность.
2.15.7 Разработка алгоритма передачи данных
Назначение разрабатываемого алгоритма – обеспечение
передачи данных на сервер и приема управляющих сигналов,
для обеспечения постоянного контроля устройства съёма
данных (электрокардиограф).
Описание работы алгоритма передачи данных:
Данные с пациента попадают на портативное устройство
(ноутбук), далее по сети Интернет или локальной сети
передаются на рабочий сервер по протоколу TCP/IP. При этом
каждое устройство создает отдельный сокет на отдельном
порту клиента. При подключении клиента TCP/IP – сервер
вызывает событие, которое добавляет клиента в общий массив
текущих подключений и отправляет ему пакет, содержащий
информацию об успешном подключении устройства. После этого
сервер готов к приему данных с устройства.
При получении данных от клиента, TCP-сервер вызывает
событие, которое отправляет полученные данные на HTTP-
сервер и выводит их в режиме реального времени в браузер
врача и сохраняет в базу данных.
По окончанию съема данных, TCP–сервер отсылает пакет о
закрытии соединения, удаляет из массива подключенных
клиентов устройство и вызывает событие, которое отправляет
на HTTP – сервер новый массив клиентов.
43

44. Алгоритм предусматривает возможность подключения большого
количества устройств одновременно, так как каждое
устройство работает независимо от других.
В алгоритме предусмотрена привязка пациента к врачу и
устройства к пациенту, это обеспечивает сохранность данных
(предоставление данных только лечащему врачу) и
предоставление информации об устройстве, на котором данные
снимались.
2.15.8 Разработка базы данных
Основное требование к базе данных – скорость работы и
удобство управления данными. Для окончательной реализации
алгоритма решено использовать не реляционную БД, так как
она может обеспечить необходимую скорость работы с данными
и их сохранность.
На этапе разработки решено использовать реляционную базу
данных для облегчения отладки и тестирования программного
обеспечения.
На сегодняшний день существует множество различных систем
управления баз данных, таких как Interbase, Firebird, DB2,
Oracle, MySQL, Microsoft SQL Server и т.д. Они могут
различаться по множеству параметров, например, по
т р е б о в а н и ю к м о щ н о с т и П К , п о н а л и ч и ю с р е д с т в
администрирования, возможности интеграции с веб-
приложениями, наличию встроенных средств разработки и т.д.
Далее рассмотрены основные характеристики некоторых СУБД
[12]. Из всех существующих СУБД для сравнения выберем 4:
Interbase, MySQL, MsSQL Server, Oracle, Microsoft Access.
Системные требования к для рассматриваемых СУБД и их
стоимость приведены в таблице 3.2.
Таблица 5.1 - Системные требования и стоимость для
рассматриваемых СУБД
Название Процессор Дисковое Стоимость
44

45. СУБД пространство
InterBase Низкие До 100 Мб Средняя
Microsoft
Высокие Около 2 Гб Высокая
SQL Server
Microsoft
Access
Средние Около 300 Мб Средняя
MySQL Низкие Около 50 Мб Низкая
Oracle Высокие Около 2 Гб Высокая
После анализа выше приведенных данных по критериям цены,
безопасности и функциональности была выбрана СУБД MySQL.
Концептуальная и даталогическая модели базы данных
представлены на листе графического материала.
2.15.9 Разработка алгоритма обработки ЭКГ сигнала
а) Взятие первой производной ЭКГ сигнала.
Так как исходный сигнал представляет собой дискретные
отсчеты изменяющейся во времени физической величины (сигнал
ЭКГ), то производную следует рассчитывать так же в
дискретной форме. Существует четыре варианта расчета
производной:
 «Производная справа» -
(3.7)
 «Производная слева» -
(3.8)
 «Центральная производная» -
(3.9)
 «Сглаженная производная» -
(3.10)
Где , ecg – массив точек сигнала ЭКГ, fдискр. – частота
дискретизации сигнала, i – номер отсчета.
45

46. Для наиболее точного определения положения R-зубца лучше
использовать формулы с (3.7) по (3.9). В случае низкой
частоты дискретизации сигнала формула (3.9) может
определять неверные значения в области экстремумов. Расчеты
результатов формулам (3.7) и (3.8) идентичны, разница – в
смещении графика производной на 1 отсчет либо влево либо
вправо.
В реализуемом алгоритме предполагается использование
формулы (3.7) для определения производной ЭКГ сигнала.
б) Определение периода рефрактерности
Задаем период рефрактерности 300мс. Этот период
определяет количество отсчетов, игнорируемое программой,
после нахождения каждого QRS комплекса. Значение в 300 мс
определяет верхнюю границу рассчитываемой ЧСС. Для значения
в 300 мс верхняя граница равняется 200 ударам в минуту.
Пересчет периода рефрактерности из мс в отсчеты:
(3.11)
Г д е , fдискр – частота дискретизации сигнала, Pреф –
период рефрактерности в миллисекундах.
в) Подсчет количества QRS комплексов
Находим максимальное значение производной исследуемого
сигнала на первых 3 секундах. Определяем первоначальный
порог нахождения R-зубца как уровень, отличающийся от
максимального значения производной на 20%.
Сравниваем текущее значение производной сигнала с
рассчитанным порогом, при попадании значения производной
«корридор» порога, считаем QRS комплекс найденным. Каждые 3
секунды выставляем новый порог нахождения R-зубца для того,
46

47. чтобы исключить возможные принятия артефактов за QRS
комплексы.
г) Расчет ЧСС
Расчет ЧСС производится по следующей формуле:
(3.12)
Где HR – ЧСС, QRScount – количество QRS комплексов всего
сигнала, time – время снятия сигнала.
Полученное значения округляется.
д) Расчет положения R зубцов
При выявлении QRS комплекса для нахождения R зубца
необходимо найти ближайшую точку смены знака производной.
При нахождении данной точки производим проверку вхождения
значения ЭКГ в данной точке в коридор среднего значения
массива всех найденных ранее точек с погрешностью в 20%.
2.16 Т е с т и р о в а н и е р а з р а б о т а н н о г о п р о г р а м м н о г о
обеспечения
На основе разработанных алгоритмов было написано
программное обеспечение для отправки измеренных данных на
сервер и возможности их последующей обработки. Интерфейс
программы визуализации данных представлен на рисунках с 3.2
по 3.5. Исходный код программы представлен в приложении Б.
47

48. исунок 3.2 – Визуальный интерфейс программы обработки
сигнала ЭКГ
На рисунке 3.2 представлен сигнал ЭКГ в нормальном
состоянии с артефактом, обработка сигнала программой
выявила все 72 QRS комплекса и точно определила положение
всех 72 R зубцов.
Рисунок 3.3 – Обработка сигнала ЭКГ в нормальном состоянии
48

49. На рисунке 3.3 представлена обработка ЭКГ сигнала в
нормальном состоянии, программа выявила все 67 QRS
комплексов и точно определила положение всех 67 R зубцов.
Рисунок 3.4 – Обработка сигнала ЭКГ с помехой 50 Гц
На рисунке 3.4 представлена обработка ЭКГ сигнала в
нормальном состоянии с помехой 50 Гц, программа выявила 60
из 62 QRS комплексов и точно определила положение 59 R
зубцов.
Рисунок 3.5 - Обработка сигнала ЭКГ с дрейфом изолинии
(дыхание) и помехой 50 Гц
49

50. На рисунке 3.5 представлена обработка ЭКГ сигнала с
дрейфом изолинии и помехой 50 Гц, программа выявила все 66
QRS комплексов и точно определила положение 64 R зубцов.
Из приведенных выше результатов видно, что реализованный
алгоритм успешно позволяет рассчитывать ЧСС в условиях
стандартных помех при измерениях ЭКГ (наводка 50 Гц и
артефакты дыхания пациента), игнорируя большинство
возможных артефактов. При определении положения R зубцов
точность снижается с появлением помех.
50