Realizacja kardiomonitora w systemie Windows NT

Transkrypt

1 Politechnika Łódzka Wydział Fizyki Technicznej, Informatyki i Matematyki Stosowanej Sylwester Zieliński nr indeksu: Realizacja kardiomonitora w systemie Windows NT Praca magisterska napisana w Samodzielnym Zakładzie Sieci Komputerowych pod kierunkiem dr inż. Michała Morawskiego Łódź 2000

2 Spis treści - 2 -

3 1 Wstęp

4 2 Cel pracy

5 3 Zakres pracy

6 4 Podstawowe zagadnienia elektrokardiografii 4.1 Układy odprowadzeń Odprowadzenia kończynowe dwubiegunowe Odprowadzenia jednobiegunowe kończynowe Odprowadzenia jednobiegunowe z klatki piersiowej 4.2 Normy prawidłowego zapisu EKG u dorosłych

7 5 Podstawowe problemy realizacyjne

8 6 Wzmacnianie i redukcja zakłóceń

9 7 Transmisja danych 7.1 Sterownik przetwornika firmy Advantech 7.2 Zbieranie danych z wykorzystaniem przerwań Funkcja DRV_FAIIntScanStart Funkcja DRV_FAICheck Funkcja DRV_FAITransfer Funkcja DRV_FAIStop 7.3 Wykrywanie przekłamań

10 8 Algorytm wykrywania zespołu QRS 8.1 Wprowadzenie do algorytmu 8.1 Filtr pasmowoprzepustowy Filtr dolnoprzepustowy Filtr górnoprzepustowy Przekształcanie filtrów 8.2 Pochodna 8.3 Podnoszenie sygnału do kwadratu 8.4 Całka z przesuwającym się oknem 8.5 Określenie odstępów między załamkami R

11 9 Program komputerowy 9.1 Wymagania sprzętowe 9.2 Notacja nazw zmiennych

12 10 Test kardiomonitora

13 11 Wnioski 11.1 Koszty sprzętu 11.2 Filtr pasmowoprzepustowy 11.3 Rozszerzanie możliwości Kardiomonitora

14 Literatura

15 Indeks zagadnień elektrokardiograficznych Załączniki: Wydruki plików ze specyfikacjami wybranych pakietów EKG.ADS - pakiet EKG QRS.ADS - pakiet QRS TRANSMISJA.ADS - pakiet Transmisja Instrukcja obsługi programu Kardiomonitora

16 1 Wstęp Lekarz sprzed wieku miał do dyspozycji zaledwie klika przyrządów stanowiących pomoc diagnostyczną. Opierał on swe postępowanie na stetoskopie i opukiwaniu klatki piersiowej, kilku analizach krwi i moczu oraz, na początku naszego wieku, na sfigmomanometrze - przyrządzie do pomiaru ciśnienia krwi, a także na wnikliwej obserwacji objawów klinicznych. Skutki wewnętrzne procesu chorobowego można było ocenić dopiero po śmierci poprzez badanie zwłok podczas sekcji. [] Najbardziej radykalną zmianę w ostatnim wieku stanowiło wprowadzenie rentgenodiagnostyki. Do tych wczesnych odkryć dołączył zestaw różnych technik dających lepszy wgląd w żywy organizm. Jedną z nich jest elektrokardiografia (EKG) - bezpieczna, nieinwazyjna metoda badania czynności serca. Opiera się ona na zjawisku wytwarzania przez serce impulsów elektrycznych. Impulsy te można za pomocą elektrod umieszczonych na skórze przesłać np. do oscyloskopu lub innego wyspecjalizowanego urządzenia. Analizując zapisany w ten sposób wykres czynności elektrycznej serca, można odczytać charakterystyczne zmiany, których źródłem mogą być np. zaburzenia rytmu (przewodnictwa wewnątrzsercowego) lub uszkodzenia spowodowane przez zawał serca. [] Istnieją miniaturowe aparaty EKG noszone przez 24 godziny (tzw. aparaty Holtera), które zapisują czynność serca podczas codziennych czynności pacjenta. Inne urządzenia używane są w szpitalach na oddziałach intensywnej opieki medycznej. Stosowane tam kardiomonitory (monitory serca) dają ciągły obraz czynności serca u krytycznie chorych. Aparatów EKG używa się również w przychodniach lekarskich do wykonywania rutynowych badań. W pracowniach elektrokardiograficznych zapisuje się obraz pracy serca na specjalnym papierze milimetrowym. Z takiego zapisu mogą później korzystać lekarze, by postawić diagnozę i ocenić stan pacjenta

17 2 Cel pracy Najczęściej aparaty EKG są wyspecjalizowanymi urządzeniami. Istnieje jednak możliwość zastosowania do pomiarów komputera osobistego z odpowiednią przystawką posiadającą czujniki (elektrody). Mogłoby to być dobre rozwiązanie w szczególności do zastosowań nieprofesjonalnych. Taki aparat mogłyby wykorzystywać osoby chore do przeprowadzania badań bez opuszczania mieszkania. Wyniki można by przekazywać lekarzowi na dyskietce lub nawet przez Internet. Zwykły komputer PC nie nadaje się do zastosowań profesjonalnych, gdyż czujnik mający kontakt z ciałem nie może być połączony z siecią energetyczną, by wysokie napięcie nie dostało się do ciała człowieka. (Problem ten rozwiązuje się stosując połączenie przy użyciu optoizolacji. Niektóre przetworniki analogowo-cyfrowe są w nią wyposażone. 1 ) Poza tym koszt komputera, np. notebooka, wraz z systemem operacyjnym, odpowiednią przystawką i oprogramowaniem kardiomonitora mógłby przekroczyć koszt wyspecjalizowanego urządzenia. Korzystne wydaje się zastosowanie tego rozwiązania w przypadku osób, które już posiadają komputer osobisty. Realizowany w tej pracy kardiomonitor jest więc urządzeniem do użytku domowego, dającym możliwość zapisania wyników pomiarów na dysku komputera. Stworzone podczas realizacji pracy oprogramowanie zostanie opublikowane w Internecie. 1 Niestety, przetwornik u yty w tej pracy (PCI-1710HG) nie posiada optoizolacji

18 3 Zakres pracy Część praktyczna pracy składa się z kilku etapów. Przygotowano zarówno sprzęt, jak i oprogramowanie. Potrzebne są elektrody (czujniki) umieszczane na ciele osoby badanej, które z kolei połączone będą z przetwornikiem analogowo-cyfrowym przez wzmacniacz analogowy redukujący zakłócenia. Konieczny był projekt takiego układu, który został następnie zrealizowany. Dwunastobitowy przetwornik A/C użyty w tej pracy to seryjne urządzenie firmy Advantech oznaczone symbolem PCI-1710HG będące na wyposażeniu Samodzielnego Zakładu Sieci Komputerowych. Wykonano też odpowiednie oprogramowanie działające w systemie operacyjnym Windows NT (a także w Windows 95). Program kardiomonitora napisany został w języku Ada 95. Wykorzystuje on m.in. sterowniki i biblioteki dostarczone przez producenta przetwornika A/C. Zadaniem programu jest wyświetlanie na bieżąco przebiegu sygnału EKG, z możliwością zapisania go na dysku i ponownego prześledzenia. Program sprawdza, czy otrzymane wyniki pomiarów rzeczywiście przedstawiają przebieg EKG (czy dane nie zostały przekłamane). Dodatkową możliwością programu jest określenie odstępów czasowych między kolejnymi uderzeniami serca 2 i wyliczenie na tej podstawie pulsu (inaczej tętna) osoby badanej. W zakres pracy wchodzi też wykonanie odpowiednich testów. W początkowej fazie sprzęt i oprogramowanie sprawdzane były osobno. W końcowym etapie wykonana została próba pracy całego kardiomonitora - przeprowadzone zostało badanie elektrokardiograficzne konkretnej osoby. Oto co niniejsza dokumentacja zawiera w kolejnych rozdziałach: Rozdział 4 przedstawia podstawowe zagadnienia elektrokardiografii. Opisano tam przebieg fali podstawowej krzywej EKG, układy odprowadzeń, które będą rejestrowane przez Kardiomonitor oraz normy prawidłowego zapisu EKG u osób dorosłych. Rozdział 5 przedstawia zarys czterech podstawowych problemów realizacyjnych, których rozwiązanie wchodzi w zakres pracy dyplomowej. 2 Œciœle chodzi o odleg³oœæ miêdzy kolejnymi za³amkami R (Patrz nastêpny rozdzia³ - Podstawowe zagadnienia elektrokardiografii.)

19 O pierwszym z nich - redukcji zakłóceń - można przeczytać szerzej w rozdziale 6, dotyczącym układu wzmacniacza analogowego. Rozdział 7 dotyczy transmisji danych z przetwornika do komputera i programu Kardiomonitora. Opisano tam zbieranie danych z użyciem przerwań. Kolejny rozdział (8) dotyczy algorytmu wykrywania zespołu QRS. Opisane są tam kolejne kroki realizacji tego algorytmu. Pod koniec rozdziału wyjaśniono jak został on wykorzystany do rozwiązania kolejnego podstawowego problemu realizacyjnego - określenia odstępów między sąsiednimi załamkami R. Rozdział 9 poświęcony jest programowi komputerowemu napisanemu w języku Ada 95. Opisuje on wymagania sprzętowe tego programu. W rozdziałach 10 i 11 opisano efekty testów wykonanych na Kardiomonitorze i wynikające z całości pracy wnioski. Na końcu pracy znajdują się załączniki: wydruki plików ze specyfikacjami trzech istotnych pakietów użytych w programie oraz instrukcja obsługi tegoż programu

20 IV. Podstawowe zagadnienia elektrokardiografii Elektrokardiografia to dział fizjologii zajmujący się rejestrowaniem i analizą elektrycznej czynności serca oraz metoda diagnostyczna. Badania przeprowadza się na pomocą specjalnego aparatu zwanego elektrokardiografem, który odbiera impulsy elektryczne powstające podczas cyklu pracy serca i rejestruje je w postaci graficznego zapisu elektrokardiogramu (EKG). [] Metoda ta została wynaleziona w 1903 roku przez W. Einthovena. [] Prądy czynnościowe są odbierane z różnych standaryzowanych punktów ciała. Zazwyczaj wykonuje się 12 odprowadzeń: 3 odprowadzenia kończynowe dwubiegunowe (tzw. klasyczne), 6 odprowadzeń przedsercowych jednobiegunowych i 3 odprowadzenia kończynowe jednobiegunowe. [] Badanie elektrokardiograficzne umożliwia ocenę położenia serca w klatce piersiowej, ustalenie elektrycznej osi serca oraz rozpoznanie niemiarowości, zaburzeń przewodnictwa, nieprawidłowych ognisk bodźcotwórczych, zawału serca, przerostu przedsionków lub komór. [] Elektrokardiogram (EKG) jest zapisem średniego potencjału bioelektrycznego serca uzyskanym metodą elektrokardiografii. [] Rys. 1. mv 0,5 0-0,5 odcinek PQ P odstęp PQ odstęp QT R Q S odcinek ST 0 0,2 0,4 0,6 T zespół QRS linia izoelektryczna U s

21 Rys. 1. Załamki zapisu EKG. Na krzywej EKG wyróżnia się załamki, odcinki i odstępy (Patrz rys. 1.). Załamki oznaczono umownie kolejnymi literami alfabetu: P, Q, R, S, T i U. Załamek P jest wyrazem pobudzenia przedsionków, natomiast załamki Q, R, S i T są wyrazem pobudzenia i wygasania pobudzenia komór. Załamek U nie zawsze występuje. Prawidłowy EKG składa się z załamka P odpowiadającego depolaryzacji przedsionków, izoelektrycznego odcinka PQ będącego odbiciem opóźnienia przewodzenia w obrębie węzła przedsionkowo-komorowego, zespołu QRS odpowiadającego depolaryzacji komór serca oraz odcinka ST i załamka T zależnych od, odpowiednio, powolnej i szybkiej repolaryzacji. [] Analiza EKG jest szczególnie cenna w rozpoznawaniu zaburzeń rytmu serca i zaburzeń jego ukrwienia. [] A. Układy odprowadzeń Rys. 2. Odprowadzeniem elektrokardiograficznym nazywamy układ złożony z elektrody umieszczonej w określonej okolicy ciała, galwanometru i rejestratora, przetwarzającego wahania napięcia na zapis graficzny. Wyróżniamy odprowadzenia dwubiegunowe, rejestrujące różnicę potencjałów między dwoma punktami, do których przyłożono elektrody, oraz odprowadzenia jednobiegunowe, umożliwiające zapis wahań Rys. 2. Osoba badana z podłączonymi elektrodami. Przyjęty standard kolorów elektrod na kończynach: k l k ł

22 napięcia w jednym punkcie ciała względem potencjału określonego modyfikacją Goldbergera (odprowadzenia kończynowe) lub Wilsona (odprowadzenia przedsercowe). 3 [] Wykonując badanie EKG używa się dodatkowej elektrody (tzw. neutralnej) umieszczonej na prawej nodze. Jej znaczenie jest wyjaśnione w rozdziale 6 - Wzmacnianie i redukcja zakłóceń. Rutynowy, 12-odprowadzeniowy elektrokardiogram, oparty na założeniach Einthovena, składa się z 3 odprowadzeń kończynowych dwubiegunowych, zwanych także odprowadzeniami klasycznymi, z 3 odprowadzeń kończynowych jednobiegunowych i z 6 odprowadzeń jednobiegunowych przedsercowych. W pracy przyjęto następujący system oznaczeń: U i - napięcie odprowadzenia i, V i - potencjał w punkcie i. Zgodnie z tym następujące symbole oznaczają: U I - napięcie odprowadzenia I, U II - napięcie odprowadzenia II, U III - napięcie odprowadzenia III, U avr - napięcie odprowadzenia avr (prawa ręka), U avl - napięcie odprowadzenia avl (lewa ręka), U avf - napięcie odprowadzenia avf (lewa noga), U Vi - napięcie odprowadzenia jednobiegunowego przedsercowego V i dla i=1..6, V R - potencjał prawej ręki, V L - potencjał lewej ręki, V F - potencjał lewej nogi, V Ci - potencjał punktu C i na klatce piersiowej dla i= Odprowadzenia kończynowe dwubiegunowe Odprowadzenia kończynowe dwubiegunowe oznaczamy najczęściej liczbami rzymskimi: I, II i III. Odprowadzenie I rejestruje różnicę potencjałów między prawą i lewą 3 Sposoby obliczania tych potencja³ów s¹ przedstawione w podrozdzia³ach i

23 ręką, odprowadzenie II - między prawą ręką i lewą nogą, odprowadzenie III - między lewą ręką i lewą nogą. (Patrz rys. 3) [] Dla zapewnienia dodatniego wychylenia zespołu QRS w odprowadzeniach klasycznych przyjęto, że elektroda z prawej ręki łączy się zawsze z ujemnym biegunem galwanometru, elektroda z lewej nogi - zawsze z dodatnim, a elektroda z lewej ręki - z dodatnim przy rejestracji I odprowadzenia i z ujemnym przy rejestracji odprowadzenia III. [] R - - I + L - II III Rys F Rys. 3. Schemat rejestracji odprowadzeń kończynowych dwubiegunowych. R (right) - prawa ręka L (left) - lewa ręka F (foot) - lewa noga Sygnały odprowadzeń kończynowych dwubiegunowych są oczywiście liniowo zależne i dlatego wystarczy mierzyć tylko dowolne dwa z nich. Zależność między nimi opisuje wynikające z napięciowego prawa Kirchoffa równanie (4.1). U I U II + U III = 0V (4.1) W pracy mierzone są napięcia odprowadzeń I i II. Napięcie odprowadzenia III liczone jest z wynikającego z równania (4.1) wzoru (4.2). U III = U II U I (4.2) 2. Odprowadzenia jednobiegunowe kończynowe Odprowadzenia jednobiegunowe kończynowe oznacza się symbolami: avr (prawa ręka), avl (lewa ręka) i avf (lewa noga). System zapisu tych odprowadzeń w powszechnie stosowanej obecnie modyfikacji Goldbergera przedstawia poniższy rysunek. []

24 R L avl + - Rys. 3. F Rys. 3. Przykład rejestracji jednobiegunowego odprowadzenia kończynowego avl. R (right) - prawa ręka L (left) - lewa ręka F (foot) - lewa noga Znajdujące się na rys. 4 kółko łączące elektrody prawej ręki (R) i lewej nogi (F) symbolizuje średnią potencjałów tych elektrod. Jeśli przyjmie się, że lewa noga ma potencjał V F = 0V, to z poniższych związków wynika: a) Ponieważ napięcie dla odprowadzenia III jest określone różnicą potencjałów daną wzorem (4.3), potencjał lewej ręki można wyprowadzić jak widać w (4.4). U III = V F V L (4.3) V L = V F U III = 0V U III = U III (4.4) Po zastosowaniu do wyprowadzenia (4.4) wzoru (4.2) otrzymano wzór (4.5) umożliwiający obliczenie potencjału lewej ręki. V L = U I U II (4.5) b) Ponieważ napięcie dla odprowadzenia II jest określone różnicą potencjałów daną wzorem (4.6), potencjał prawej ręki można obliczyć stosując wyprowadzenie (4.7). U II = V F V R (4.6) V R = V F U II = 0V U II = U II (4.7) Mając wszystkie potrzebne potencjały kończyn (4.5) i (4.7) można wyznaczyć napięcia odprowadzeń jednobiegunowych kończynowych (4.8), (4.9) i (4.10). Dla prawej ręki: U avr = V R V L +V F 2 Dla lewej ręki: U avl = V L V R +V F 2 = U II U I U II 2 = U I U II U II = U I 2 U II 2 (4.8) = U I U II 2 (4.9)

25 Dla lewej nogi: U avf = V F V R +V L 2 = U II +U I U II 2 = U I 2 + U II (4.10) 3. Odprowadzenia jednobiegunowe z klatki piersiowej Odprowadzenia jednobiegunowe z klatki piersiowej, wprowadzone przez Wilsona, rejestruje się z następujących punktów []: punkt C 1 - IV prawe międzyżebrze przy mostku (odprowadzenie V 1 ), punkt C 2 - IV lewe międzyżebrze przy mostku (odprowadzenie V 2 ), punkt C 3 - między elektrodami z punktów C 2 i C 4 (odprowadzenie V 3 ), punkt C 4 - V lewe międzyżebrze w linii środkowej obojczykowej (odprowadzenie V 4 ), punkt C 5 - punkt przecięcia lewej linii pachowej przedniej z linią poziomą, przebiegającą przez punkt C 4 (odprowadzenie V 5 ), punkt C 6 - punkt przecięcia lewej linii pachowej środkowej z linią poziomą, przebiegającą przez punkt C 4 (odprowadzenie V 6 ). System zapisu tych odprowadzeń przedstawia poniższy rysunek. [] R L - V i + C i F Rys. 3. Rys. 3. System rejestracji jednobiegunowego odprowadzenia przedsercowego V i (i=1..6). R (right) - prawa ręka L (left) - lewa ręka F (foot) - lewa noga C i - punkt na klatce piersiowej Znajdujące się na rys. 5 kółko łączące elektrody prawej ręki (R), lewej ręki (L) i lewej nogi (F) symbolizuje średnią potencjałów tych elektrod. Aby wyznaczyć napięcia odprowadzeń przedsercowych mierzone są różnice potencjału każdego z punktów C i (i=1..6) i potencjału lewej nogi. Po uwzględnieniu wcześniejszego założenia, że potencjał lewej nogi V F = 0V, otrzymano potencjał w każdym z 6 punktów C i na klatce piersiowej co do wartości równy zmierzonemu napięciu. Napięcia odprowadzeń przedsercowych wyznacza się jako różnice potencjału w odpowiednim punkcie C i i

26 średniej potencjałów trzech kończyn (obu rąk i lewej nogi), co pokazano w wyprowadzeniu (4.11) uwzględniającym wzory (4.5) i (4.7). U Vi = V Ci V R +V L +V F 3 = V Ci U II +U I U II 3 = V Ci + 2U II U I 3 dla i=1..6 (4.11) B. Normy prawidłowego zapisu EKG u dorosłych Przy projektowaniu sprzętu i oprogramowania należy uwzględnić następujące normy zapisu EKG (czas trwania i amplitudy) []: Załamek P: czas trwania nie przekracza 0,1s, amplituda 0,2 mv. Odstęp PQ: 0,1s - 0,2s, zależy m.in. od częstości rytmu serca. Zespół QRS: czas trwania nie przekracza 0,09s, minimalna amplituda - przynajmniej 0,5 mv w jednym z odprowadzeń kończynowych dwubiegunowych. Załamek Q: czas trwania (poza odprowadzeniem avr) nie przekracza 0,03s. Załamek R: cechuje się wysoką amplitudą, przekraczającą 2,0 mv w odprowadzeniach I, II lub III; 1,1 mv - w avl; 2,6 mv w V 5, 6. Odcinek ST: w warunkach fizjologicznych przebiega w linii izoelektrycznej, bywa też uniesiony w odprowadzeniach V 1-3, przechodząc w dodatni załamek T. Odstęp QT: czas jego trwania wynosi przeważnie 0,3s - 0,4s, zależnie od płci i od częstości rytmu serca. Załamek T: w odprowadzeniach kończynowych ma kierunek zgodny z największym wychyleniem zespołu QRS, a więc przeważnie dodatni; w odprowadzeniach V 3-6 jest dodatni; w odprowadzeniach V 1-2 bywa ujemny lub płaski, lecz zawsze o głębokości zmniejszającej się w kolejnych odprowadzeniach od V 1 do V 2 (rzadko V 3 ). Załamek U: w warunkach fizjologicznych często nie występuje lub jest widoczny w postaci małego dodatniego wychylenia za załamkiem T, nigdy nie bywa ujemny. []

27 Rys. 3. Rys. 3. Przykładowy zapis EKG wszystkich 12 odprowadzeń (szybkość: 25 mm/s)

28 I. Podstawowe problemy realizacyjne Przy realizacji pracy znaleziono rozwiązanie następujących problemów: 1. Rezystancja ciała ludzkiego jest wysoka i zmienna. Pomiar napięcia jest zatem bardzo podatny na zakłócenia, w szczególności pochodzące od sieci energetycznej. Przy zakresie sygnału EKG rzędu miliwoltów zakłócenia mogą być rzędu woltów. Potrzebny więc jest wzmacniacz analogowy o wzmocnieniu 1V / mv (1000 razy), odporny na wpływ takich zakłóceń. 2. Kolejny problem związany jest z analizą przebiegu EKG. Potrzebny jest algorytm wykrywający położenie zespołu QRS w przebiegu sygnału. Program musi na tej podstawie ustalić odległość między kolejnymi załamkami R, które fizjologicznie występują nierównomiernie. Należało więc opracować metodę zbierania wyników. Zostaną one przedstawione w postaci wykresu rozkładu tych odległości. 3. Elektrody na ciele będą przenosić napięcie do przetwornika A/C. Próbki sygnału przekazywane będą do programu Kardiomonitora. Zadbać należy o to, by były one zbierane w równych odstępach czasu. Program musi też umieć wykryć sytuację, gdy nastąpi utrata próbki i o tym poinformować. Istotnym jest założenie, że korzysta się tylko z tych danych, co do których jest pewność, że są prawdziwe. 4. Mierzonych będzie 8 sygnałów (napięcia do wyznaczenia wszystkich 6 odprowadzeń przedsercowych i napięcia 2 odprowadzeń kończynowych dwubiegunowych: I i II; napięcia pozostałych odprowadzeń można obliczyć na podstawie tych zmierzonych, korzystając ze wzorów (4.2), ( )). Częstotliwość pomiarów wynosi 500 Hz (zgodnie z zaleceniem National Institutes of Health). 4 Należało więc ustalić, jakie będą wymagania sprzętowe zapewniające odpowiednią szybkość pracy programu, by zdążył on przeliczyć otrzymane dane i uaktualnić wykres EKG na ekranie monitora. Rysowanie jest jednym z najbardziej czasochłonnych zadań. 4 W istniej¹cych kardiomonitorach stosuje siê czêstotliwoœci od 200 Hz do 1000 Hz. Im mniejsza czêstotliwoœæ, tym mniej dok³adnie s¹ odwzorowane za³amki R. Wiêksza czêstotliwoœæ nak³ada dodatkowe wymagania na sprzêt pomiarowy

29 II. Wzmacnianie i redukcja zakłóceń Rezystancja ciała ludzkiego jest wysoka i zmienna. Pomiar napięcia między punktami na ciele jest podatny na zakłócenia, w szczególności pochodzące od sieci energetycznej. Przy zakresie sygnału EKG rzędu miliwoltów zakłócenia mogą być rzędu woltów. Potrzebny więc jest wzmacniacz analogowy redukujący zakłócenia. W części praktycznej pracy przygotowano układ elektroniczny wykorzystujący układ wzmacniający AD620 (firmy Analog Device) i zaprojektowany przez jego producentów. Układ ten ma wzmocnienie 1V / mv (1000 razy). [] Na rys. 7 (na następnej stronie) przedstawiono przykład podłączenia układu do odpowiednich elektrod na ciele osoby badanej, w celu zarejestrowania odprowadzenia kończynowego dwubiegunowego I (różnica potencjałów między prawą i lewą ręką). Jak widać, układ redukujący zakłócenia wymaga podłączenia jeszcze jednej elektrody. Wynika to stąd, iż zastosowany w tym układzie wzmacniacz różnicowy działa prawidłowo pod warunkiem, że żaden z mierzonych sygnałów nie przekroczy pewnego poziomu. Ten poziom wyznacza różnica napięcia zasilającego wzmacniacz minus ok. 0,7V. Dlatego też trzeba ustalić potencjał osoby badanej, by móc w układzie wzmacniającym odjąć go od sygnału wspólnego mierzonych sygnałów. W tym właśnie celu stosuje się dodatkową elektrodę (nazwaną w j. ang. shield driver). Jest ona przymocowana do prawej nogi badanego i standardowo oznaczana kolorem czarnym. []

30 Rys. 5. Rys. 5. Przykład podłączenia układu redukującego zakłócenia

31 III. Transmisja danych Istnieje kilka metod transmisji danych z przetwornika do komputera. Przesyłanie danych z dużą szybkością jest realizowane z wykorzystaniem kanału DMA (Direct Memory Access). Znacznie wolniejsze od niego jest przesyłanie z użyciem przerwań, przy czym przerwania mogą być zgłaszane po wykonaniu pomiaru każdej próbki lub dopiero po zmierzeniu pewnej serii próbek. Przetwornik PCI-1710HG wykorzystany w pracy obsługuje wyłącznie przesyłanie danych z użyciem przerwań. Nie obsługuje on przesyłania z dużą szybkością wykorzystującego kanał DMA. To ograniczenie narzuciło metodę transmisji danych w pracy. [] A. Sterownik przetwornika firmy Advantech W pracy wykorzystano 12-bitowy przetwornik A/C oznaczony symbolem PCI- 1710HG wyprodukowany przez firmę Advantech. Urządzenie to jest na wyposażeniu Samodzielnego Zakładu Sieci Komputerowych. Maksymalna częstotliwość próbkowania przetwornika wynosi 100 khz łącznie na wszystkie kanały. Oznacza to, że gdy używanych jest 8 kanałów, można je przeglądać z maksymalną częstotliwością wyznaczoną w (7.1). f maks = 100kHz 8 = 12, 5kHz (7.1) Jak wynika z (7.1), maksymalna częstotliwość próbkowania jest znacznie większa od wymaganej w pracy (500 Hz). Do przetwornika dołączony został przez producenta 32-bitowy sterownik w postaci pliku DLL (Dynamic Link Library). Sterownik ten można używać zarówno w systemie Windows NT, jak i w Windows 95. Aby użytkownicy mogli korzystać z tego sterownika w swoich programach, producent dostarczył także bibliotekę w postaci pliku ADSAPI32.LIB, a także plik nagłówkowy w języku C (DRIVER.H). Kompilując swój program należy więc wykorzystać plik nagłówkowy i wykonać łączenie plików objektowych z importowaną biblioteką ADSAPI32.LIB w trybie łączenia statycznego. Ponieważ program Kardiomonitora został napisany w języku Ada 95, konieczne było utworzenie pakietu będącego odpowiednikiem pliku nagłówkowego DRIVER.H. Deklaracje wybranych stałych, typów i funkcji znalazły się w specyfikacji pakietu driver (plik DRIVER.ADS). W dalszej części tego rozdziału znajdują się opisy najistotniejszych funkcji i typów z tego pakietu używanych w programie Kardiomonitora. B. Zbieranie danych z wykorzystaniem przerwań

32 W pracy wykorzystano wielokanałowe zbieranie danych z użyciem przerwań. Taka metoda transmisji danych rozwiązuje kwestie poruszone w punkcie 3. rozdziału 5 zatytułowanego Podstawowe problemy realizacyjne. Zadbać należało o to, by program otrzymywał pomiary wykonane w równych odstępach czasu. Przetwornik zaprogramowano tak, by sam określał, w której chwili dokonywać pomiaru. Po zadaniu mu częstotliwości próbkowania, on sam korzystając z wewnętrznego zegara wykonuje pomiary w równych odstępach czasu. Przetwornik PCI-1710HG jest wyposażony w kolejkę FIFO o rozmiarze 4 KB. Można ją wykorzystać do gromadzenia wyników pomiarów dzięki czemu przetwornik nie musi zgłaszać przerwania po każdej próbce, ale może to uczynić dopiero po wykonaniu pewnej serii pomiarów. Niestety do wyboru są tylko dwa warianty: 1. zgłaszanie przerwań po każdej próbce, 2. zgłaszanie przerwań po wypełnieniu całej kolejki FIFO. Wyprowadzenie (7.2) pokazuje, jaki byłby okres między kolejnymi zgłoszeniami przerwań, gdyby zastosowano wariant 2. t = 4KB/2 kanal B / 8 kanalów próbek 500 próbka s = 0, 512s (7.2) Przesyłanie danych w tak dużych odstępach czasu (7.2) znacznie utrudniłoby zachowanie płynności rysowania przebiegu EKG na ekranie monitora i spowodowałoby opóźnienie przedstawionego wykresu w stosunku do rzeczywistej pracy bioelektrycznej serca. Dlatego zdecydowano o wyborze wariantu 1., by przetwornik zgłaszał przerwania po wykonaniu pomiaru każdej próbki (8 kanałów). Dane generowane przez przetwornik są wstępnie gromadzone w buforze przez sterownik. Program Kardiomonitora odbiera dane przechowywane w buforze sterownika, gdy wypełnią one pół bufora (pierwszą lub drugą połowę). W programie należało zadbać o to, by z odpowiednią częstością sprawdzać, czy pół bufora jest już zapełnione. Trzeba to robić na tyle często, by nie nastąpiło przepełnienie bufora sterownika i przez to utrata próbek. Oczywiście zwiększenie rozmiaru bufora w pewien sposób chroni przed utratą próbek przez nadpisanie nowymi przed odczytaniem poprzednich. Jednak zbyt duży bufor spowodowałby, że dane nie byłyby przesyłane z bufora sterownika do aplikacji dostatecznie często, by wykres pomiaru na ekranie monitora był rysowany płynnie. Zbyt mały bufor sterownika powoduje z kolei, że program może nie zdążyć z odbieraniem danych. O rozmiarze bufora sterownika decyduje stała probek_w_buforze

33 zdefiniowana w specyfikacji pakietu Transmisja. Jej wartość wybrano doświadczalnie. Poniżej pokazano jej definicję. probek_w_buforze: constant := 50; Wybranie urządzenia DRV_DeviceOpen Konfigurowanie urządzenia Transmisja DRV_DeviceClose Rys. 6. Rys. 6. Ogólny schemat korzystania z przetwornika. DRV_FAIIntScanStart Stop? Nie Tak DRV_FAICheck DRV_FAIStop Nie Pół bufora gotowe? Tak DRV_FAITransfer Rys

34 Rys. 7. Schemat wywołań funkcji dla wielokanałowego zbierania danych z użyciem przerwań. W dalszej części rozdziału znajdują się opisy najistotniejszych funkcji i typów używanych podczas zbierania danych z użyciem przerwań. 1. Funkcja DRV_FAIIntScanStart Podczas zbierania danych z użyciem przerwań najpierw wywoływana jest funkcja DRV_FAIIntScanStart. Służy ona inicjowaniu asynchronicznego, wielokanałowego zbierania danych z użyciem przerwań. Funkcja ta zapamiętuje parametry transmisji (m.in. kody wzmocnień dla rejestrowanych kanałów). Specyfikacja tej funkcji jest następująca: function DRV_FAIIntScanStart (ldriverhandle: in LONG; lpfaiintscanstart: in LPT_FAIIntScanStart) return LRESULT; Pierwszym parametrem tej funkcji jest uchwyt do sterownika (przypisany przez funkcję DRV_DeviceOpen), a drugim wskaźnik na rekord typu PT_FAIIntScanStart. Rekord ten jest zdefiniowany następująco: type PT_FAIIntScanStart is record TrigSrc : USHORT; SampleRate: DWORD; NumChans : USHORT; StartChan : USHORT; GainList : PUSHORT; buffer : PUSHORT; count : ULONG; cyclic : USHORT; IntrCount : USHORT; end record; type LPT_FAIIntScanStart is access all PT_FAIIntScanStart; Oto opis poszczególnych pól w typie rekordowym PT_FAIIntScanStart: [] Nazwa Kierunek Typ Zakres Opis TrigSrc wejście USHORT 0, 1 źródło przerwań: 0 - wewnętrzne, 1 - zewnętrzne SampleRate wejście DWORD zależy od sprzętu iloczyn częstotliwości próbkowania w Hz przez liczbę rejestrowanyc

35 Nazwa Kierunek Typ Zakres Opis h kanałów 5 NumChans wejście USHORT 0-n (n zależy od sprzętu) StartChan wejście USHORT 0-n (n zależy od sprzętu) GainList wejście wskaźnik na tablicę o NumChans elementach typu USHORT buffer wyjście wskaźnik na tablicę elementów typu zależy od zakresu wejścia sprzętu zależy od formatu rejestrów I/O sprzętu liczba rejestrowanyc h kanałów numer pierwszego rejestrowaneg o kanału tablica kodów wzmocnień dla rejestrowanyc h kanałów bufor danych sterownika rezerwowany przez użytkownika USHORT count wejście ULONG liczba danych w buforze 6 cyclic wejście USHORT 0, 1 tryb przeglądania danych: 0 - niecykliczne, 1 - cykliczne IntrCount wejście USHORT zależy od sprzętu licznik do przerwań (co ile danych wywoływać przerwanie) 7 Oto fragment prywatnej części specyfikacji pakietu Transmisja zawierający deklarację zmiennej powyższego typu rekordowego: wnumchl: constant := 8; -- liczba rejestrowanych kanałów againcode: array (1.. wnumchl) of aliased USHORT := (1.. wnumchl => 0); --ustawiane potem 5 Podrêcznik [, str. 241] zawiera w tym miejscu b³¹d. Czytamy w nim, e pole to jest typu floating point i zawiera okres próbkowania w sekundach. 6 Musi byæ wielokrotnoœci¹ pola NumChans. 7 Pole IntrCount dla przetwornika PCI-1710HG mo e przyjmowaæ dwie wartoœci: 1 lub FIFO_SIZE4 (2048). Dla przetworników nie posiadaj¹cych kolejki FIFO powinno byæ ustawione na wartoœæ

36 co_ile_okresow_sprawdz: constant := 5; --co ile próbek (okresów) zadanie przetwornik będzie sprawdzać, czy są nowe dane probek_w_buforze: constant := 50; --koniecznie parzysta i większa niż "co_ile_okresow_sprawdz"! ulconvnum: constant := probek_w_buforze * wnumchl; --liczba danych w buforze abuf: array (0..ulConvNum-1) of aliased USHORT := (0..ulConvNum-1 => 0); ptfaiintscanstart: aliased driver.pt_faiintscanstart := ( TrigSrc => 0, -- internal - wewnętrzne źródło przerwań SampleRate => ekg.f_skan * wnumchl, -- częstotliwość [Hz] * liczba kanałów NumChans => wnumchl, --liczba rejestrowanych kanałów StartChan => 0, --numer pierwszego rejestrowanego kanału GainList => againcode (againcode'first)'access, --kody wzmocnień buffer => abuf (abuf'first)'access, --bufor sterownika count => ulconvnum, --liczba danych w buforze cyclic => 1, -- cyclic - cykliczne przeglądanie IntrCount => 1 ); 1. Funkcja DRV_FAICheck Funkcja ta sprawdza, czy zakończone zostało zbieranie danych i zwraca aktualny stan sterownika przetwornika. Jej specyfikacja jest następująca: function DRV_FAICheck (ldriverhandle: in LONG; lpfaicheck: in LPT_FAICheck) return LRESULT; Pierwszym parametrem tej funkcji jest uchwyt do sterownika (przypisany przez funkcję DRV_DeviceOpen), a drugim wskaźnik na rekord typu PT_FAICheck. Rekord ten jest zdefiniowany następująco: type PT_FAICheck is record ActiveBuf: PUSHORT; stopped : PUSHORT; retrieved: PULONG; overrun : PUSHORT; HalfReady: PUSHORT; end record; type LPT_FAICheck is access all PT_FAICheck; Oto opis poszczególnych pól w typie rekordowym PT_FAICheck: [] Nazwa Kierunek Typ Zakres Opis ActiveBuf wyjście wskaźnik na USHORT 0, 1 który bufor został wypełniony:

37 Nazwa Kierunek Typ Zakres Opis 0 - bufor A (lub pojedynczy), 1 - bufor B stopped wyjście wskaźnik na USHORT retrieved wyjście wskaźnik na ULONG overrun wyjście wskaźnik na USHORT 0, 1 operacja: 0 - niekompletna, 1 - kompletna liczba danych umieszczonyc h w buforze 0, 1 w trybie cyklicznego przeglądania danych informuje o przepełnieniu bufora HalfReady wyjście wskaźnik na USHORT 0, 1, 2 czy pół bufora pełne: 0 - nie gotowe, 1 - pierwsza połowa, 2 - druga połowa Oto fragment prywatnej części specyfikacji pakietu Transmisja zawierający deklarację zmiennej powyższego typu rekordowego: wactivebuf: aliased USHORT; wstopped: aliased USHORT; ulretrieved: aliased ULONG; whalfready, --gotowa połowa whalfread: aliased USHORT := 0; --przeczytana połowa ptfaicheck: aliased driver.pt_faicheck := ( ActiveBuf => wactivebuf'access, --który bufor został wypełniony stopped => wstopped'access, operacja kompletna, 0 - niekompletna retrieved => ulretrieved'access, --licznik danych zachowanych w buforze overrun => woverrun'access, --czy bufor przepełniony HalfReady => whalfready'access nie gotowy, 1-1. połowa, 2-2. połowa ); 1. Funkcja DRV_FAITransfer

38 Funkcja ta przenosi dane z bufora używanego przez sterownik przetwornika do operacji gromadzenia wyników do wskazanego bufora. Oto jej specyfikacja: function DRV_FAITransfer (ldriverhandle: in LONG; lpfaitransfer: in LPT_FAITransfer) return LRESULT; Pierwszym parametrem tej funkcji jest uchwyt do sterownika (przypisany przez funkcję DRV_DeviceOpen), a drugim wskaźnik na rekord typu PT_FAITransfer. Rekord ten jest zdefiniowany następująco: type PT_FAITransfer is record ActiveBuf : USHORT; DataBuffer: LPVOID; DataType : USHORT; start : ULONG; count : ULONG; overrun : PUSHORT; end record; type LPT_FAITransfer is access all PT_FAITransfer; Oto opis poszczególnych pól w typie rekordowym PT_FAITransfer: [] Nazwa Kierunek Typ Zakres Opis ActiveBuf wejście USHORT 0, 1 z którego bufora czytać: 0 - bufor A (lub pojedynczy), 1 - bufor B DataBuffer wyjście wskaźnik na tablicę elementów typu float lub USHORT zależy od sprzętu tablica na dane przenoszone z bufora sterownika DataType wejście USHORT 0, 1 typ danych w tablicy: 0 - USHORT, 1- float start wejście ULONG pozycja w buforze źródłowym, od której zacząć kopiowanie do tablicy danych count wejście ULONG liczba danych w buforze źródłowym,

39 Nazwa Kierunek Typ Zakres Opis które mają być skopiowane do tablicy overrun wyjście wskaźnik na USHORT 0, 1 w trybie cyklicznego przeglądania danych informuje o przepełnieniu bufora Oto fragment prywatnej części specyfikacji pakietu Transmisja zawierający deklarację zmiennej powyższego typu rekordowego: auserbuf: aliased array (0..ulConvNum-1) of USHORT := (0..ulConvNum-1 =>0); woverrun: aliased USHORT := 0; ptfaitransfer: aliased driver.pt_faitransfer := ( DataBuffer => auserbuf'address, --tablica na dane ActiveBuf => 0, --pojedynczy bufor (A), 1 - Bufor B DataType => 0, --USHORT, 1 - float start => 0, --odkąd kopiować (będzie się zmieniać) count => ulconvnum / 2, --ile kopiować (w 1 turze z 2) overrun => woverrun'access --czy bufor przepełniony ); 1. Funkcja DRV_FAIStop Funkcja ta anuluje bieżącą operację zbierania danych i resetuje sprzęt oraz sterownik. Oto jej specyfikacja: function DRV_FAIStop (ldriverhandle: in LONG) return LRESULT; Parametrem tej funkcji jest uchwyt do sterownika (przypisany przez funkcję DRV_DeviceOpen). B. Wykrywanie przekłamań Program jest w stanie wykryć przepełnienia bufora sterownika, ponieważ, gdy to nastąpi, sterownik przetwornika ustawia odpowiednią zmienną (wskazywaną przez pole overrun typu rekordowego PT_FAICheck i PT_FAITransfer). Przepełnienie bufora sterownika oznacza, że utracone zostały pewne dane. Nie wiadomo jednak ile danych zostało zamazane i kontynuowanie transmisji spowodowałoby przekłamanie przebiegu sygnału EKG. Za najwłaściwsze zachowanie w przypadku przepełnienia bufora

40 autor uznał więc przerwanie wykonywania badania EKG i poinformowanie użytkownika o przyczynie takiej reakcji. Możliwa jest też sytuacja, że zmierzone napięcie nie będzie odpowiadało stanowi faktycznemu z powodu niepodłączenia odpowiedniej elektrody. Pomiar przyjmuje wtedy wartości, których w zasadzie nie można przewidzieć. Przebieg takiego sygnału nie przypomina oczywiście przebiegu sygnału EKG, dlatego można sprawdzić podłączenie elektrody korzystając z algorytmu wykrywania zespołu QRS 8. Jeśli nie uda się wykryć zespołu QRS lub otrzymany odstęp między kolejnymi załamkami R wychodzi poza założone normy, to program uznaje, że nastąpiło przekłamanie i mierzone napięcie nie pochodzi z ciała osoby badanej. Program po wykryciu takiej sytuacji przestaje analizować przebieg napięcia (wykrywać zespół QRS) w danym kanale, a w oknach odpowiednich odprowadzeń pojawia się napis Złe dane informujący o tym, że dane zostały przekłamane. Takie zachowanie programu w sytuacji przekłamania danych wynikłego z różnych powodów jest dopuszczalne ze względu na przeznaczenie programu do użytku domowego. W przypadku kardiomonitora na oddziale intensywnej opieki medycznej takie reakcje są niedopuszczalne. 8 Patrz nastêpny rozdzia³

41 II. Algorytm wykrywania zespołu QRS Do analizy przebiegu EKG potrzebny jest algorytm wykrywający położenie zespołu QRS w sygnale. Dzięki zastosowaniu go możliwe jest ustalenie odległości między kolejnymi załamkami R. Zakres częstotliwości dla sygnału EKG to od 0,05 Hz do 100 Hz. Natomiast zakres amplitudy sygnału wynosi 5 mv. [] A. Wprowadzenie do algorytmu Widmo mocy zapisanego EKG zawiera szereg komponentów. Jest tam zespół QRS, fale załamków P i T. Jest również pewna liczba artefaktów 9, takich jak artefakty mięśni, pochodzące z sieci energetycznej interferencje o częstotliwości 50 Hz i 100 Hz oraz zakłócenia i szum związane z ruchami, a także innymi urządzeniami elektronicznymi. [] Rys. 8. Rys. 3. Widmo mocy EKG. 9 Sygna³y zniekszta³caj¹ce odczyt EKG, gdy nie pochodz¹ z serca

42 Konieczne jest zlokalizowanie zespołu QRS. By to zrobić w pracy zastosowano jeden z najlepszych algorytmów jego wykrywania - algorytm Tompkinsa []. Wykrywanie zespołu QRS w czasie rzeczywistym możliwe jest dzięki wykorzystaniu opisu tego algorytmu wykonanego przez Goldmana []. Algorytm ten zawiera cztery główne kroki []: 1. Filtr pasmowoprzepustowy operujący na liczbach całkowitych wyodrębnia energię zespołu QRS w zakresie od 5 Hz do 11 Hz i tłumi artefakty oraz fale załamków P i T. Jest on zaimplementowany jako kaskada filtru dolnoprzepustowego (częstotliwość odcięcia ~11 Hz) i filtru górnoprzepustowego (dolna częstotliwość odcięcia ~5 Hz). 2. Pochodna dostarcza informacji o nachyleniu zespołu QRS. 3. Funkcja kwadratowa czyni wszystkie dane nieujemnymi i wyróżnia wyższe częstotliwości. 4. Przesuwające się okno całkujące wydobywa dodatkowe cechy zespołu QRS. W pracy przyjęto następujący system oznaczeń sygnałów cyfrowych (n-ta próbka): x (nt) - sygnał zmierzony (pierwotny), y (nt) lp - sygnał wyjściowy filtru dolnoprzepustowego (lowpass), y lp2 (nt) - sygnał wyjściowy filtru dolnoprzepustowego pierwszego rzędu (lowpass) użytego przy implementacji filtru górnoprzepustowego, y hp (nt) - sygnał wyjściowy filtru górnoprzepustowego (highpass), y (nt) poch - sygnał po różniczkowaniu (pochodna), y (nt) kw - sygnał po podniesieniu do kwadratu, y (nt) calk - sygnał po całkowaniu (wyjściowy dla całego algorytmu). B. Filtr pasmowoprzepustowy Filtr pasmowoprzepustowy operujący na liczbach całkowitych wyodrębnia energię zespołu QRS w zakresie od 5 Hz do 11 Hz i tłumi artefakty oraz fale załamków P i T. Jest on zaimplementowany jako kaskada filtru dolnoprzepustowego (częstotliwość odcięcia ~11 Hz) i filtru górnoprzepustowego (dolna częstotliwość odcięcia ~5 Hz). 1. Filtr dolnoprzepustowy

43 Wzór (8.1) opisuje transmitancję filtru dolnoprzepustowego drugiego rzędu przy częstotliwości próbkowania 200 Hz. [] H lp (z) = (1 z 6 ) 2 (1 z 1)2 (8.1) Filtr ten ma częstotliwość odcięcia w przybliżeniu równą 11 Hz, a jego wzmocnienie wynosi 36. Wzór (8.2) przestawia natomiast transmitancję filtru dolnoprzepustowego o tej samej częstotliwości odcięcia (~11 Hz) przy częstotliwości próbkowania 500 Hz. [] H lp (z) = (1 z 15 ) 2 1 z 2 z 3+z 5 (8.2) 100 Amplituda 50 0 Rys Numer próbki Rys. 5. Przykładowy sygnał EKG. (Amplituda 102 = 0,5 mv; okres między próbkami: 2 ms; czas trwania: 800 ms. Kolejne rysunki (12-16) pokazują zmiany tego sygnału po przejściu kolejnych etapów algorytmu.)

44 Amplituda Rys Numer próbki Rys. 6. Przykład pokazujący efekt działania (wyjście) filtru dolnoprzepustowego. (Sygnał wzmocniony 36 razy. Porównaj z sygnałem wejściowym na rys. 11.) Z transmitancji (8.2) wynika związek (8.3) dla sygnałów cyfrowych. [] y lp (nt) =y lp (nt 2T)+y lp (nt 3T) y lp (nt + 5T) + x(nt) 2x(nT 15T)+x(nT 30T) (8.3) 2. Filtr górnoprzepustowy Filtr górnoprzepustowy jest zaimplementowany jako różnica układu opóźniającego i filtru dolnoprzepustowego pierwszego rzędu. Jego transmitancja przy częstotliwości próbkowania 200 Hz dana jest wzorem (8.4). [] H (z) hp = z 16 32(1 z 1) 1 z 32 (8.4) Dolna częstotliwość odcięcia filtru wynosi w przybliżeniu 5 Hz, a wzmocnienie 1. Transmitancja analogicznego filtru górnoprzepustowego (częstotliwość odcięcia ~5 Hz) przy częstotliwości próbkowania 500 Hz dana jest wzorem (8.5). [] H (z) hp = z 40 1 z 80 32(1 1 2 z z 3 ) (8.5) Z transmitancji (8.5) wynikają następujące związki dla sygnałów cyfrowych []: związek (8.6) dotyczący wyjścia filtru dolnoprzepustowego pierwszego rzędu i związek (8.7) określający wyjście filtru górnoprzepustowego (po przejściu przez układ opóźniający)

45 y lp2 (nt) = y lp2 (nt 2T)+y lp2 (nt 3T) 2 + y lp (nt) y lp (nt 80T) 36 (8.6) Amplituda Numer próbki Rys. 11. Rys. 11. Przykład pokazujący efekt działania (wyjście) całego filtru pasmowoprzepustowego. (Porównaj z sygnałem wyjściowym filtru dolnoprzepustowego na rys. 12.) y hp (nt) =y lp (nt 40T) y lp2 (nt) 32 (8.7) Ponieważ sygnał wyjściowy filtru dolnoprzepustowego (8.3) jest wzmocniony 36 razy, dlatego w równaniu (8.6) jest on dzielony przez 36, aby uzyskać poziom sygnału pierwotnie zmierzonego. 3. Przekształcanie filtrów Gdyby potrzebny był filtr dolnoprzepustowy (lub górnoprzepustowy) o tej samej częstotliwości odcięcia, ale przy innej częstotliwości próbkowania, należałoby przekształcić filtr o nieskończonej odpowiedzi impulsowej (NOI) w filtr o pożądanej charakterystyce. W tym celu należy zastąpić z 1 w transmitancji filtru odpowiednim wyrażeniem. Przy przekształcaniu filtru dolnoprzepustowego o pulsacji granicznej p w filtr dolnoprzepustowy o pulsacji granicznej p stosuje się wzór (8.8), gdzie współczynnik α wyznaczamy ze wzoru (8.9). [] z 1 = Z 1 1 Z 1 (8.8)

46 = sin p p 2 sin p p 2 (8.9) Aby wyznaczyć pulsacje graniczne, należy skorzystać ze związku (8.10) pomiędzy pulsacją analogową i cyfrową dla przekształcenia biliniowego, [] = 2arctan( T 2 ) (8.10) gdzie: ω - pulsacja cyfrowa, Ω - pulsacja analogowa, T - okres. Na przykład dla częstotliwości granicznej f D = 11Hz pulsacja analogowa wynosi: D = 2 f D = 22 [s 1 ] (8.11), a dla częstotliwości granicznej f G = 5Hz pulsacja analogowa wynosi: G = 2 f G = 10 [s 1 ] (8.12). C. Pochodna Różniczkowanie dostarczy informacji o nachyleniu zespołu QRS. Transmitancję dla różniczkowania przedstawia wzór (8.13). [] H poch (z) = 0, 1(2 + z 1 z 3 2z 4 ) (8.13) Z transmitancji (8.13) wynika związek (8.14) dla sygnałów cyfrowych, przy czym ze względu na niską wartość sygnału zastosowano większy współczynnik (). [] y (nt) poch = 1 3 2y hp ( nt) + y hp (nt T) y hp (nt 3T) 2y hp (nt 4T) (8.14)

47 Amplituda Numer próbki Rys. 12. Rys. 12. Przykład pokazujący przebieg sygnału po przefiltrowaniu i różniczkowaniu. (Porównaj z sygnałem przed różniczkowaniem na rys. 13.) D. Podnoszenie sygnału do kwadratu Równanie dla funkcji kwadratowej przedstawia wzór (8.15). [] y kw (nt) = y poch (nt) 2 (8.15) Amplituda Numer próbki Rys. 13. Rys. 13. Przykład pokazujący przebieg sygnału po przefiltrowaniu, różniczkowaniu i podniesieniu do kwadratu. (Porównaj z sygnałem przed podniesieniem do kwadratu na rys. 14.) E. Całka z przesuwającym się oknem

48 W przypadku pewnych nieprawidłowości zespołu QRS, nachylenie fali załamka R może nie być wystarczającym kryterium do wykrycia zespołu QRS. Wtedy dodatkowych informacji dostarcza całkowanie sygnału dane wzorem (8.16), gdzie N jest liczbą próbek przesuwającego się okna. [] y (nt) calk = 1 N[y kw (nt (N 1)T)+y kw (nt (N 2)T)+ +y (nt) kw ] (8.16) 150 Amplituda Rys Numer próbki Rys. 14. Przykład pokazujący efekt działania (wyjście) całego algorytmu wykrywania zespołu QRS. (Porównaj z sygnałem przed całkowaniem (rys. 15) i sygnałem zmierzonym (rys. 11).) Liczbę N wybiera się w zależności od częstotliwości próbkowania i maksymalnej możliwej szerokości zespołu QRS. W tym przypadku dla 500 próbek na sekundę i szerokości okna równej 150 ms [], N wynosi 75. F. Określenie odstępów między załamkami R Dzięki zastosowaniu związków dla sygnałów cyfrowych (8.3), (8.6), (8.7), (8.14), (8.15) i (8.16) z sygnału pierwotnego otrzymuje się nieujemny sygnał, który osiąga maksimum w miejscach odpowiadających wystąpieniu zespołu QRS. Dla pozostałych fragmentów sygnału pierwotnego, sygnał wyjściowy jest bliski zeru. Otrzymany sygnał (8.16) jest opóźniony w stosunku do pierwotnego. Jego maksimum występuje ok. 0,2s po pojawieniu się załamka R. Ponieważ opóźnienie filtrów jest stałe, więc licząc odstępy

49 między kolejnymi punktami maksimum sygnału wyjściowego, otrzymuje się w przybliżeniu 10 odstępy między kolejnymi załamkami R. Odstępy w czasie (okresy) między kolejnymi załamkami R są wyznaczane i zapamiętywane z dokładnością 0,01s. W specyfikacji pakietu QRS zadeklarowana jest tablica azalamkir przechowująca liczbę wystąpień określonych okresów. Oznacza to, że program zapamiętuje np. ile razy odstęp wynosił w przybliżeniu 0,99s, ile razy 1,00s, ile razy 1,01s itd. (o 0,01s większe i mniejsze w granicach założonej normy). Przedział możliwych do zapamiętania odstępów określają stałe odstep_r_min i odstep_r_max (zdefiniowane w specyfikacji pakietu QRS). Wyznaczają one normy odstępów między kolejnymi załamkami R (odpowiednio minimalny i maksymalny odstęp). Oto deklaracja powyższej tablicy: type odstep_r is range odstep_r_min..odstep_r_max; azalamkir: array (odprowadzenie, odstep_r) of Natural; 10 OpóŸnienie maksimum sygna³u wyjœciowego w stosunku do miejsca wyst¹pienia za³amka R w znikomym stopniu zale y te od nachylenia (pochodnej sygna³u) zespo³u QRS

50 czekaj na maksimum > min_max jest maksimum? Tak Nie bieżąca wart. < min_max? Nie Tak pierwsze maksimum? Tak Nie oblicz odtęp od poprzedniego maksimum Rys. 9. Rys. 9. Schemat blokowy obliczania odstępów między kolejnymi punktami maksimum. Stała min_max (zdefiniowana w specyfikacji pakietu QRS) jest minimalną wartością maksimum odpowiadającego wystąpieniu zespołu QRS. Jej wartość została dobrana doświadczalnie, tak by program poprawnie wykrywał zespół QRS, w którym amplituda załamka R wynosi co najmniej 0,5 mv. Wartość stałej min_max wynosi 100 (podczas gdy wartość sygnału o napięciu 0,5 mv wynosi 102). Poniżej znajduje się fragment zadania filtr z pakietu QRS. Jego celem jest: określenie odstępu między kolejnymi punktami maksimum sygnału wyjściowego, sprawdzenie, czy odstęp mieści się w granicach założonej normy, zapamiętanie wyniku pomiaru w tablicy azalamkir,

51 wyznaczenie pulsu, najczęściej rejestrowanego pulsu i najczęściej rejestrowanego odstępu między załamkami R. wsp: constant float := float (To_Duration(okres_T) * 100.0); (...) petla_for: for o in odprowadzenie loop if not dane_ekg.sa_dane (o) or amax (o).bzledane then goto koniec_petli_for; end if; if Natural (wsp * float (dane_qrs.pozycja - amax (o).poz)) > odstep_r_max then zle_dane (o); goto koniec_petli_for; end if; dane_qrs.pokaz (p, o, dane_qrs.pozycja); if p > amax (o).wart then amax (o).nast_poz := dane_qrs.pozycja; amax (o).wart := p; amax (o).bjest := true; end if; if amax (o).bjest and p < min_max then --było maksimum i wartość funkcji zmalała poniżej "min_max" if amax (o).poz /= nr_probki'first then --jeśli nie pierwsze maksimum dt := Natural (wsp * float (amax(o).nast_poz - amax(o).poz)); --odstęp między nowym maksimum a poprzednim w ssek if dt < odstep_r_min then zle_dane (o); goto koniec_petli_for; end if; amax (o).puls := 6000 / dt; ssek/dt = 1 min/dt azalamkir (o, odstep_r(dt)) := azalamkir (o,odstep_r(dt))+1; if azalamkir (o, odstep_r(dt)) > azalamkir(o,amax(o).max_dt) --jeśli nowy najczęstszy okres then amax (o).max_dt := odstep_r (dt); amax (o).max_puls := amax (o).puls; end if; --wyznaczenie fali podstawowej: (...) end if; amax (o).poz := amax (o).nast_poz; amax (o).wart := min_max; amax (o).bjest := false; if bdzwiek and o = I then b := Win32.WinUser.MessageBeep (16#FFFFFFFF#); --beep

52 end if; end if; <<koniec_petli_for>> null; end loop petla_for;

53 III. Program komputerowy Główna procedura programu w języku Ada 95 nazywa się Kardiomonitor i znajduje się w pliku KARDIOMONITOR.ADB. A. Wymagania sprzętowe Wydajność programu testowano w systemie Windows NT, na komputerze z procesorem Intel Celeron 300 MHz i 64 MB pamięci RAM. Na komputerze tym był zainstalowany przetwornik PCI-1710HG. W czasie rejestrowania EKG Menedżer programów wykazywał ok. 30% wykorzystanie procesora przez program Kardiomonitora. Program był wtedy w stanie płynnie odrysowywać okna wszystkich 12 odprowadzeń. Jednak jakakolwiek próba uruchomienia innej aplikacji podczas rejestrowania powodowała niewydolność Kardiomonitora i przerwanie rejestrowania. Nie stwierdzono natomiast żadnych problemów z wydajnością komputera podczas odtwarzania. Program był też testowany w systemie Windows 95, na komputerze z procesorem AMD K5 100 MHz i 48 MB pamięci RAM, ale bez zainstalowanego przetwornika. Sprawdzane było odtwarzanie wcześniej zarejestrowanych pomiarów. Podczas odtwarzania pomiaru wszystkich 12 odprowadzeń oceniana była płynność rysowania przebiegów w oknach. Ustalono, że program uruchomiony na tym komputerze filtrując wszystkie 12 odprowadzeń jest w stanie naprawdę płynnie odrysowywać ok. 5 okien odprowadzeń. Można zaakceptować sposób odrysowywania jeszcze aż do 8 okien, jednak program nie był w stanie odrysować wszystkich 12 odprowadzeń. Ponieważ nie jest konieczne, aby program był w stanie odrysowywać na raz wszystkie odprowadzenia, można przyjąć, że komputer, na którym wykonano testy, jest na pograniczu wymagań sprzętowych programu Kardiomonitora. Program zaraz po uruchomieniu potrzebuje ok. 2,5 MB pamięci RAM. Wyprowadzenie (9.1) pokazuje zajętość pamięci przez dane 1s badania EKG. RAM= 1s 500Hz 12odpr. 4 B = 24000B odpr. (9.1) Na zapamiętanie próbki 1 odprowadzenia potrzeba 2B (SHORT), kolejne 2B (USHORT) potrzebne są, by zapamiętać wartość pomiaru po przefiltrowaniu. W sumie więc każda próbka pojedynczego odprowadzenia zajmuje w pamięci komputera 4B