КОМПЛЕКС РЕЄСТРАЦІЇ ТА ОБРОБКИ БІОПОТЕНЦІАЛІВ

НА БАЗІ МІКРОКОНТРОЛЕРА

Реєстрація та аналіз електричних полів, що генеруються під час роботи серця та м’язів, є потужними методами інструментальної діагностики, що дозволяють отримати важливу інформацію про функціональний стан органів та систем [1,2]. Тому актуальною задачею є покращення точності та максимальна автоматизація електрокардіографічних (ЕКГ) та електроміографічних (ЕМГ) досліджень на базі сучасної мікропроцесорної техніки.

Задача даної роботи полягала у створенні мікроконтролерного пристрою для реєстрації біопотенціалів, зокрема ЕКГ та ЕМГ сигналів, а також у розробці програмно-апаратного комплексу для фільтрації та обробки отриманих сигналів.

Вимірювальна система для вирішення поставленої задачі мала містити такі головні компоненти: електроди та блок підсилення вхідного сигналу; блок фільтрації та формування сигналу; аналогово-цифровий перетворювач; мікроконтролерний пристрій для формування та передачі пакетів даних; комп’ютер із спеціальним програмним забезпеченням реєстрації та аналізу отриманих даних.

Для реєстрації біопотенціалів (ЕКГ та ЕМГ сигналів) та їх подальшого перетворення у цифровий формат застосовано модуль OPEN ECG/EMG [3], який має вхідний роз’єм для пасивних або активних електродів (один модуль має три входи: два сигнальні та референтний електроди), надає можливість калібрувати вхідний сигнал, не потребує додаткового джерела живлення та є відкритим проектом з широкими можливостями для програмування. Головними функціональними блоками модуля є диференціальний блок підсилення вхідних сигналів відносно «нульового» каналу, який надає можливість вмикати режим вимірювання відносно середини робочого діапазону модуля; блок фільтрації сигналів; блок формування сигналів; вихідний регістр.

Модуль під’єднується до платформи Arduino за допомогою конекторів, що повністю сумісні із розташуванням входів/виходів Arduino. Дані обробляються за допомогою АЦП Arduino із розрядністю 10 біт та передаються до комп’ютера за допомогою COM-порту.

Платформа Arduino з вбудованим мікроконтролером і середовищем розробки з програмним інтерфейсом API для мікроконтролерів у даній вимірювальній системі дуже спрощує процес роботи та надає низку переваг перед іншими платформами програмування, насамперед, за рахунок надійності та доступності, відкритості архітектури та програмного коду, зручності й простоти мови програмування [4]. Пристрій програмується через USB без використання програматорів, завдяки вбудованому у контролер завантажувачу та драйверу USB-інтерфейсу. Мікроконтролер обробляє вхідні дані з модуля OPEN ECG/EMG, які надходять до COM-порту як 17-байтні пакети із швидкістю 115200 кбіт/с. Дані передаються у вигляді пакетів зі структурою: 2 байти – синхроімпульси, 1 байт – покажчик версії протоколу, 1 байт – номер пакету, 12 байтів для відповідних 2-байтових значень з кожного з 6 каналів, 1 байт – «байт стану» (його нульове значення дозволяє вважати пристрій вимкненим).

Розроблений на базі модуля OPEN ECG/EMG та платформи Arduino пристрій реєстрації біопотенціалів показано на рис. 1.

Рис.1. Зовнішній вигляд пристрою реєстрації біопотенціалів

Подальшу обробку отриманих сигналів за функціональністю можна умовно розділити на два етапи: по-перше, попередня обробка, видалення артефактів, видалення високочастотної складової і, по-друге, функціональний аналіз. Така обробка здійснюється програмно за допомогою потужного інструменту із шумозаглушення та аналізу Biomedical Toolkit у середовищі LabView, яке є відкритою системою програмування та надає розробнику і користувачеві доступні функціонально ідентичні системи програмування для різних операційних систем [5-7].

Віртуальні прилади LabView також дозволяють усунути дрейф нульового рівня сигналу, або так званої ізолінії, що зазвичай виникає через дихання людини з частотою від 0,15 до 0,3 Гц. Такий дрейф можна видалити за допомогою фільтру верхніх частот або з використанням wavelet-перетворення, яке є ефективним способом забезпечення фільтрації низькочастотних коливань сигналу. У роботі для усунення базового блукання ізолінії використано фільтр верхніх частот Кайзера FIR.

Саме використання технології віртуальних приладів LabView дозволяє надійно та ефективно перетворити набір вимірювальних датчиків біопотенціалів та стандартний персональний комп'ютер на багатофункціональний вимірювально-обчислювальний комплекс. На рис.2 наведено приклад зареєстрованих біопотенціалів після їх обробки та візуалізації у програмному середовищі LabView.

Описание: http://i1141.photobucket.com/albums/n584/jyviko/Example03.jpg

Рис 2. Приклад біопотенціалів, оброблених у середовищі LabView

Експериментальні випробування комплексу показали, що він дозволяє отримувати біопотенціали із оцінкою головних функціонально важливих параметрів ЕКГ та ЕМГ, тому здатен виявити патології або дисфункції у роботі функціональних систем. Обмеження у точності вимірювань можна подолати додаванням додаткових апаратних каскадів фільтрації, а залежність від зовнішніх завад та шумів електромагнітного походження – спеціальним шумозахисним корпусом.

Важливою перевагою комплексу є те, що він працює як у режимі реального часу, так і у режимі запису та подальшого аналізу даних у будь-який момент часу, оскільки існує можливість зберігати результати у текстовому форматі. Порівняно з крупними діагностичними системами розроблений комплекс є портативним та компактним, зручним та простим у користування, а також має низьку собівартість, яку можна ще зменшити заміною у схемі платформи Arduino на окремий мікроконтролерний пристрій.

Література

1. Николаев С.Г. Практикум по клинической электромиографии.– Иваново, 2003.

2. Баевский Р.М. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиологических систем: методические рекомендации. – М., 2002.

3. Shield-EKG-EMG. Вio-feedback shield user’s manual. Revision D. – Designed by OLIMEX Ltd, 2013.

4. Соммер У. Программирование микроконтроллернык плат Arduino Freeduino, 2012.

5. LabView для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора / Ю.К. Евдокимов, В.Р.Линдваль, Г.И. Щербаков. – М., 2007.

6. LabVIEW для новичков и специалистов / Л.И.Пейч, Д.А.Точилин, Б.П.Поллак. – М., 2004.

7. LabVIEW 7 Express. Вводный курс. – М., 2003.