«Быстрое» ЭКГ с интегральными датчиками EPIC от Plessey

На портале Унитера мы уже публиковали несколько статей по датчикам EPIC от компании Plessey Semiconductors. С их помощью можно существенно ускорить проведение ЭКГ за счет использования бесконтактной системы измерений. Если для традиционных электродов требуется нанесение геля на тело пациента, то датчики EPIC закрепляются «на сухую», а в ряде случаев могут быть помещены даже поверх одежды. Кроме того, одноотводная диаграмма ЭКГ может быть снята с помощью сенсоров, размещенных на обычном нарукавнике или на портативном приборе (Рис. 1), что позволяет выполнять профилактику множества заболеваний сердца уже на приеме у терапевта или даже дома.

Рис. 1.	Портативная система ЭКГ imPulse от компании Plessey Semiconductors.

К сожалению, кардиологические заболевания весьма распространены в нашей стране, а уровень смертности от них остается чрезвычайно высоким. По этой причине раннее обнаружение различных нарушений в работе сердца является одной из важнейших задач современной медицины. Однако до недавнего времени решение этой проблемы было затруднено по целому ряду причин. Одной из них является достаточно сложная традиционная процедура снятия ЭКГ.

Традиционная система записи ЭКГ подразумевает использование двенадцати чувствительных электродов для измерения электрических потенциалов. Так как значения регистрируемых потенциалов очень малы, то требуется обеспечить очень плотный контакт электродов к телу. Для этого пациенту приходится раздеваться, а для крепления датчиков применяется специальный гель. Таким образом, даже подготовка пациента и оборудования к проведению исследования занимают достаточно много времени. Однако и это еще не все.

После записи двенадцати кардиограмм врачу-кардиологу необходимо проанализировать каждую из них. Как показывает практика, с учетом расшифровки результатов измерений прием у такого специалиста составляет всего около 20 человек за рабочий день. Принимая во внимание высокий уровень заболеваемости среди населения, этого, конечно же, недостаточно.

Таким образом, создается патовая ситуация. С одной стороны наблюдается высокий уровень кардиологических заболеваний, что требует увеличения объемов исследований. А с другой стороны при использовании традиционных методов ЭКГ проводить масштабное обследование пациентов невозможно. Однако пути выхода из этой ситуации все-таки есть, например Plessey Semiconductors предлагает использовать бесконтактные датчики EPIC (Рис. 2).

Рис. 2.	Внешний вид датчиков EPIC от компании Plessey Semiconductors.

EPIC (Electric Potential Integrated Circuit) – бесконтактные интегральные датчики для измерения электрических потенциалов. Главными особенностями данных сенсоров являются высокая чувствительность и возможность измерения электрических потенциалов даже без прямого контакта с телом пациента. Это, во-первых, позволяет упростить процедуру подготовки человека и оборудования к ЭКГ и избавиться от проводящих гелей. Во-вторых, с помощью EPIC можно быстро снимать одноотводную ЭКГ в «потоковом режиме» даже на приеме у терапевта. Для этого потребуется пара датчиков и компактный анализатор. Примером такого законченного устройства является портативная система ЭКГ imPulse от компании Plessey Semiconductors (Рис. 1). Пациенту достаточно приложить большие пальцы рук на датчики, а остальное автоматически сделает imPulse.

Важно понимать, что такое «быстрое» ЭКГ будет, конечно же, неполным! Однако оно позволит выявить подозрения на целый ряд заболеваний, что уже немало. Таким образом, главная «фишка» датчиков EPIC, а именно бесконтактные измерения, является действительно полезным свойством.

Рассмотрим, каким образом, работают датчики EPIC. Аббревиатура EPIC буквально означает «интегральная микросхема для измерения электрических потенциалов». Конструктивно датчик представляет собой ИС, которая размещена в герметичном корпусе. Даже при прямом контакте сенсора с телом пациента измерительный электрод оказывается изолированным (Рис. 3). Датчики EPIC могут работать не только при непосредственном контакте с объектом, но и на значительном расстоянии.

Рис. 3.	Структура датчиков EPIC.

В данном случае нас интересует работа датчика при непосредственном контакте с пациентом. При этом для проведения измерений величина собственной емкости сенсора должна быть задана с высокой точностью. Известно, что емкость определяется как отношение заряда к напряжению:

С = Q/U.

Заряд определяется как:

Q= ε₀·ε_r·S·E,

где ε₀ — электрическая постоянная, равная 8.854·10⁻¹² Ф/м, ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость, S – площадь, E – напряженность электрического поля.

С учетом двух формул можно вывести зависимость для напряжения:

U = ε₀·ε_r·S·E/C.

Это означает, что конденсатор, помещенный в электрическое поле с напряженностью E, заряжается и формирует некоторую разность потенциалов U. Так как учесть все влияющие факторы достаточно сложно, то вместо величины площади следует ввести калибровочную величину A:

U= ε₀·ε_r·A·E/C,

Таким образом, напряжение на выходе датчика оказывается пропорциональным напряженности электрического поля. Измеряя напряжение, можно построить кардиограмму пациента.

К сожалению, абсолютные значения измеряемых сигналов чрезвычайно малы. Это приводит к тому, что к усилителю предъявляются весьма жесткие требования. Он должен иметь очень высокое входное напряжение, высокий коэффициент усиления, широкий частотный диапазон и минимальный уровень собственных шумов. Сделать это на одном усилительном каскаде практически невозможно, в том числе и из-за наличия шумов.

В датчиках EPIC входное сопротивление составляет около 10¹⁵ Ом, а паразитная входная емкость снижена до 10^–17 Ф. Такие результаты, достигнуты за счет использования экранирования и особой организации цепей обратной связи.

При использовании нескольких сенсоров EPIC дополнительное снижение шумов возможно за счет использования традиционной для ЭКГ техники заземления (в зарубежной литературе Driven Right Leg). При этом заземляющий электрод закрепляется на ноге пациента.

В настоящее время портфолио датчиков Plessey Semiconductors включает в себя несколько семейств:

• PS2525x – интегральные микросхемы датчиков электрических потенциалов в QFN-корпусе;
• PS2510х – готовые решения в виде датчика с кабелем и разъемом;
• PS2520х – датчик в виде печатной платы с распаянным сенсором, оптимизированным для целей ЭКГ;
• PS2540х – датчик в виде печатной платы с распаянным сенсором, оптимизированным для обнаружения движения удаленных объектов;
• PS2545х – интегральные микросхемы датчиков в QFN-корпусе, предназначенные для обнаружения движения удаленных объектов.

Для создания ЭКГ-электродов интерес представляют датчики PS25251, PS2510х, PS2520х (Рис. 5). При выборе конкретных моделей сенсоров следует учитывать их основные особенности: конструктивное исполнение, коэффициент усиления, диапазон рабочих частот, диапазон питающих напряжений и рабочих температур.

PS25101/ PS25102 – готовое решение в виде датчика с проводниками и DIN-разъемом. Предназначены для работы с однополярным напряжением питания 4.75…8.0 В, диапазоном частот 0.1 Гц - 10 кГц, при температурах 0…+50 °C. Главное удобство этих датчиков в том, что они представляют собой готовые приборы. Их, например, можно использовать совместно с демонстрационным набором PS25000A/ PS25001A.

PS25201A/ B – гибридные датчики для SMD-монтажа в виде печатной платы 10.5 × 10.5 мм с изолированным чувствительным электродом. Предназначены для работы с двуполярным питанием ±2.4…±5.5 В, диапазоном частот 0.2 Гц - 10 кГц, при температурах –25…+75 °C. Эти модели предназначены в первую очередь для потребительской и спортивной электроники.

PS25203B – усовершенствованная версия предыдущей модели. Имеет расширенный частотный диапазон 0.2 Гц - 20 кГц и более узкий диапазон напряжений питания ±2.4…±4.0 В.

PS25204 – наиболее совершенный гибридный датчик с максимально широким частотным диапазоном 0.05 Гц - 20 кГц. Благодаря этому именно эти датчики могут применяться не только в потребительском сегменте, но и даже в серьезном медицинском оборудовании.

PS25251 – интегральный датчик в корпусном исполнении 10 × 10 мм.

Рассмотрим некоторые примеры применения перечисленных датчиков для «быстрого» ЭКГ.

Снятие ЭКГ с одой руки. Как показали исследования, пары датчиков EPIC хватает для того, чтобы снять ЭКГ. Однако они должны быть расположены соответствующим образом – в противофазе на левом предплечии (Рис. 4). Дифференциальный сигнал двух датчиков обрабатывается с помощью сигнального процессора. Результаты могут быть переданы в смартфон или умные часы. Такой вариант в первую очередь подойдет для спортсменов, так как это решение позволяет избавиться не только от геля, но и от проводов.

Рис. 4.	Взаимодействие портативной система ЭКГ и «Умных часов».

Регистрация ЭКГ на базе портативных приборов. Выше был показан портативный прибор imPulse, который использует пару датчиков EPIC. Ничто не мешает внедрить это решение в специальный планшет или смартфон (Рис. 5). Очевидно, что такие приборы будут востребованы для домашнего использования.

Рис. 5.	Использование датчиков EPIC в смартфонах.

Снятие «быстрого» ЭКГ в поликлинических условиях. Для медицинских учреждений можно использовать чуть более традиционный подход с расположением электродов на теле пациента (Рис. 6). Для этого можно использовать систему из пары датчиков с заземлением.

Рис. 6.	Бесконтактное проведение ЭКГ с помощью датчиков EPIC.

Кроме выполнения ЭКГ, датчики EPIC могут применяться и в других приложениях: медицинское оборудование (электроэнцефалография, электромиография, электроокулография); автомобильные системы безопасности (контроль состояния водителя); спортивная электроника и тренажеры (беговые дорожки, велотренажеры, портативные ЭКГ); портативная электроника (смартфоны, умные часы); системы управления (например, управление с помощью движения глаз); игровые приложения (геймпады) и др.

В заключение приходится добавить ложку дегтя. К сожалению, датчики EPIC от компании Plessey Semiconductors хотя и не имеют выраженной военной направленности, все же попали в санкционный список компонентов. Для них существуют ограничения по ввозу в Россию.

Характеристики PS25101/ PS25102:

• входное сопротивление: 20 ГОм;
• коэффициент усиления: 50 (PS25101), 10 (PS25102);
• входная емкость: 10 пФ;
• нижняя частота среза (–3 дБ): 0.1 Гц;
• верхняя частота среза (–3 дБ): 10 кГц;
• напряжение питания: 4.75…8.0 В;
• диапазон рабочих температур: 0…+50 °C;
• корпус: электрод с проводниками и DIN-разъемом.

Характеристики PS25201A/ B:

• входное сопротивление: 20 ГОм;
• коэффициент усиления: 50;
• входная емкость: 15 пФ;
• нижняя частота среза (–3 дБ): 0.2 Гц;
• верхняя частота среза (–3 дБ): 10 кГц;
• напряжение питания: ±2.4…±5.5 В;
• диапазон рабочих температур: –25…+75 °C;
• корпус: 10.5 × 10.5 мм. под поверхностный монтаж.

 Характеристики PS25251:

• входное сопротивление: 20 ГОм;
• коэффициент усиления: 50;
• входная емкость: 15 пФ;
• нижняя частота среза (–3 дБ): 0.2 Гц;
• верхняя частота среза (–3 дБ): 10 кГц;
• напряжение питания: ±2.4…±5.5 В;
• диапазон рабочих температур: –25…+75 °C;
• корпус: 10 × 10 мм, под поверхностный монтаж.

Посмотреть более подробно технические характеристики датчиков EPIC от Plessey