Тестовые генераторы и имитаторы электрофизиологических сигналов

Для проверки работоспособности электрофизиологических каналов медицинских изделий часто используются устройства, формирующие входные сигналы специальной формы. При этом используются:

1. Стандартные формы сигналов (гармонические и меандры) для измерения параметров трактов усиления;

2. Сигналы, эквивалентные формам электрофизиологических сигналов для оценки работы алгоритмов распознавания и обработки.

 

Стандартные формы сигналов чаще всего получают, используя функциональные лабораторные генераторы (Г3-109, Г6-26 и т.д.).

Для синтеза электрофизиологических сигналов (ЭФС) применяют программируемые функциональные генераторы ЭФС или компьютерные платы с цифровыми преобразователями и соответствующим программным обеспечением.

С точки зрения методических и схемотехнических решений наибольший интерес представляют собой генераторы и имитаторы электрофизиологических сигналов.

Программируемые имитаторы позволяют генерировать различные типы ЭФС как в норме, так и в патологии, что позволяет оценивать также характеристики программного обеспечения медицинской техники как точность измерения ЭФС, специфичность и чувствительность алгоритмов классификации и др., что не возможно осуществить с помощью генераторов стандартных форм сигналов.

Особенности технической реализации программируемых имитаторов рассмотрим на примере имитаторов электрокардиосигналов, которые согласно современным требованиям должны реализовывать следующие функции:

1. Многоканальную генерацию гармонических сигналов с частотным диапазоном от 0,5 до 500 Гц (±1%), размахом от 0,03 до 5 мВ;

2. Одноканальную генерацию гармонического сигнала 50, 60 Гц (±1%), размахом 20 В (±1%) (имитация сетевой помехи для проверки коэффициента ослабления синфазного сигнала);

3. Выдачу постоянного напряжения ±300 мВ ±1% на каждый электрокардиографический канал независимо от основного тестового и испытательного сигналов (проверка реакции на напряжение поляризации электродов);

4. Многоканальную генерацию сигналов прямоугольной формы с частотным диапазоном от 0,5 до 500 Гц (±1%) размахом от 0,03 до 5 мВ (±1%);

5. Генерацию одиночного импульса прямоугольной формы с регулируемой длительностью от 1 до 10 с с размахом от 0,03 до 5 мВ(±1%);

6. Генерацию сигнала прямоугольной формы с частотным диапазоном от 0,03 до 5 мВ (±1%) с регулируемой длительностью от 20 до 200 мс;

7. Генерацию смеси сигналов гармоничной и прямоугольной форм (для проверки нелинейности амплитудно-частотных характеристик и эффективной ширины записи электрокардиограмм);

8. Воспроизведение испытательных сигналов.

Кроме того, международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендует использовать наборы стандартных ЭКГ-сигналов из атласа Общих стандартов электрокардиографии с базой около 1220 коротких записей, полученных от 12-и и 15- канальных ЭКС, оцифрованных с частотами 0,5 и 1 кГц с разрешением 1мкВ. В эту базу входят калибровочные ЭКС, ЭКС здоровых людей, ЭКС с сетевой помехой и артефактами, ЭКС с различными типами аритмий, ЭКС с заднестеночными и переднестеночными инфарктами и т.д.

Эти записи рекомендуется использовать для тестирования современных интерпретирующих электрокардиографов.

В качестве конкретного примера рассмотрим структурную схему программируемого имитатора электрокардиосигналов типа «Кардитест», разработанного московским государственным институтом электронной техники (г. Зеленоград) (рис 2.10). [8]

 

 

Рис. 2.10.Структура программируемого имитатора ˝Кардитестт˝.

 

В этой схеме применен микроконтроллер (МК) типа АТ 90 S8515, решающий задачи: обмена с ПЭВМ через двунаправленный последовательный интерфейс с гальванической развязкой (ДПИ), подключаемый к порту типа RS 232; загрузки и считывания оцифрованных значений тестовых и испытательных сигналов из программируемого запоминающего устройства с последовательным интерфейсом (ПЗУ) типа АТ 45ВВ081/161; управление 7 – строчным жидкокристаллическим индикатором (ЖКИ) по 16 символов на строку; считывание команд и данных с энкодера (ЭК); выдача информации в выходные каскады, состоящие из трёх 4-х канальных 12-ти разрядных цифроаналоговых преобразователей с последовательным интерфейсом (ЦАП) типа MAX5253, девятиканального аналогового фильтра низких частот третьего порядка на операционных усилителях типа ОР491 (ФНЧ), пассивного аттенюатора на прецизионных делителях напряжения (АТ).

Питание имитатора осуществляется от элемента типа АА(1,5В) через схему преобразователя напряжения (ПН) построенного на микросхеме типа MAX660. Кроме того, для ЦАП формируется опорное напряжение источником опорного напряжения (ИОН).

Для обеспечения требуемой точности формирования тестируемых сигналов (±1%) в схеме дополнительно задействован генератор для запуска ЦАП (ГЗЦАП).

Имитатор ˝Кардитест˝ формирует все перечисленные выше сигналы и, кроме того, он может генерировать нормальные и патологические фрагменты ЭКГ, которые могут быть занесены в ПЗУ или сформированы специальным программным обеспечением ПЭВМ.

В качестве второго прибора рассмотрим комбинированный прибор генерации сигналов для тестирования электроэнцефалографов и электрокардиографов типа «Нейротест 7А». [9]

Прибор этого типа имеет следующие основные характеристики:

- 9 видов тестовыхсигналов (2 стандартных и 7 специальных);

- амплитудавыходного сигнала ± 1,25, 0,63 или 0,31В; устанавливается пользователем;

- задание частоты повторения периода сигнала (диапазонызависят от выбранного типа сигнала);

- погрешность по амплитуде не более 1,2%;

- точность установки частоты не менее 99,8%;

- выходное сопротивление не более 110 Ом ± 5%;

- выход сигналасинхронизации, совместимый с транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ) по уровням;

- питание от гальванического элемента типоразмера ААА; ток потребления не более 14 мА; длительность работы от одного элемента питания не менее 100 ч; индикация разряда батареи; автоматическое выключение прибора;

Прибор «Нейротест 7А» обеспечивает генерацию стандартных тестовых сигналов:

1. Гармонический – синусоида. Частотаизменения от 0,5 до 99 Гц. Применяется для определения неравномерности амплитудно-частотных характеристик, согласно [0].

2. Прямоугольной формы — меандр. Частота изменения от 0 до 99 Гц. Применяется для оценки относительной погрешности измерения интервалов времени.

«Нейротест 7А» синтезирует также следующие специальные сигналы:

1. ЭКГ в норме во II стандартном отведении. Период следования от 0,5 до 1,6 с.

2. Имитация R-зубца (рис. 2.11). Частота следования от 30 до 300 периодов в минуту. Применяется для проверки алгоритма детектора частоты сердечных сокращений.

3. Сигнал проверки алгоритма подавления Т-волны (рис.2.12) [0].Частота следования от 30 до 300 периодов в минуту.

4. Сигнал, соответствующий зрительным вызванным потенциалам на реверсивный шахматный паттерн у здорового испытуемого(рис.2.13). Частота следования периодов от 0,5 до 1,6 Гц.

Рис.2.11. Осциллограмма сигнала имитации R-зубца.

 

Рис.2.12. Осциллограмма сигнала проверки алгоритма подавления Т-волны.

 

Рис.2.13. Осциллограмма сигнала, соответствующего зрительным вызванным потенциалам на реверсивный шахматный паттерн у здорового испытуемого.

 

5. Сигнал,соответствующий зрительным вызванным потенциалам на вспышечный паттерн у здорового испытуемого [0] (рис.2.14).Частота следования периодов от 0,5 до 1,6 Гц.

6. Чередование сигналов 4 и 5. Частота следования импульсов от 0,5до 1,6 Гц.

7. Сигнал, соответствующий фибрилляции желудочков (рис.2.15). Является периодически повторяющимся фрагментом записи 8201 базы данных АНА длительностью 8 с.

Рис.2.14. Осциллограмма сигнала, соответствующего зрительным вызванным потенциалам на вспышечный паттерн у здорового испытуемого.

Рис. 2.15. Осциллограмма сигнала, соответствующего фибрилляции желудочков.

 

Прибор выполнен на основе 16-ти разрядного микроконтроллера (МК) (рис. 2.16).

 

Рис. 2.16. Структурная схема прибора «Нейротест 7А».

 

Режимы работы отображаются на 6 – символьном жидкокристаллическом индикаторе. Представлены информация о типе выбранного сигнала, значения частоты повторения (в некоторых режимах значение периода), информация об амплитуде, состоянии элемента питания, а также спецсимвол об отмене режима автовыключения. Управление осуществляется с помощью кнопок. Одна из них предназначена для включения-выключения прибора, а три другие служат для выбора типа, частоты и амплитуды требуемого сигнала. В генератор встроен монотонный звуковой сигнализатор.

Выходной сигнал генератора выдается через штыревой разъем размером 2,5 мм. Синхронно с началом каждого периода через другой штыревой разъем размером 3,5 мм выдается импульс ТТЛ уровня длительностью 3 мс. Этот синхронизирующий импульс может быть полезен при оценке алгоритмов накопления, применяемых, например, в ЭЭГ-методе вызванных потенциалов.

При включении прибор автоматически переходит в состояние, в котором находился до выключения — устанавливаются вид тестового сигнала, частота и амплитуда. Это позволяет не настраивать каждый раз генератор при проведении однотипных испытаний. Если ни одна из кнопок не была нажата в течение 10 мин, то после нескольких звуковых сигналов прибор автоматически выключается. Существует режим непрерывной работы, который активизируется специальной комбинацией кнопок при включении.

По последовательному интерфейсу в качестве ведущего устройства МК взаимодействует с АЦП. Клавиатура, индикатор и звуковой сигнализатор непосредственно управляются микроконтроллером. Сигнал с ЦАП подается на выходные буферы, построенные на операционных усилителях (УО) и защищенные от статического электричества.

Питание осуществляется от гальванического элемента типо размера ААА.Повышающий интегральный преобразователь бустерного типа с внешней индуктивностью обеспечивает два выходных напряжения: 3,3 В для питания основной части схемы и 6 В для формирования ТТЛ-уровней сигнала синхронизации.

Для подключения прибора «Нейротест 7А» к медицинским устройствам необходимы специальные адаптеры, которые представляют собой пассивные делители напряжения, снабженные соответствующими разъемами.