Устройства съема электрокардиосигналов в кардиомониторах

Электронные функциональные узлы кардиомониторов представляют собой совокупность аппаратных средств, предназначенных для преобразования, обработки и отображения информации.

В данном случае под информацией понимается электрокардиосигнал (ЭКС) и данные его обработки в КМ на всех этапах, а также управляющие и тестирующие сигналы. Электронные функциональные узлы обеспечивают:

• -усиление ЭКС при значительных синфазных электрических помехах;
• — преобразование ЭКС в удобную для обработки форму;
• — анализ ЭКС во временной или частотной областях в реальном масштабе времени;
• — накопление и обработку данных анализа;
• — оперативное отображение и документирование ЭКС и результатов его обработки;
• -дистанционную передачу ЭКС и результатов ее обработки по каналам связи;
• — сопряжение КМ с автоматизированными системами;
• — автоматизацию процесса управления прибором;
• — самодиагностирование неисправностей.

Все устройства съема медицинской информации подразделяются на две группы: электроды и датчики (преобразователи). Электроды используются для съема электрического сигнала, реально существующего в организме, а датчик — устройство съема, реагирующее своим чувствительным элементом на воздействие измеряемой величины, а также осуществляющее преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующей обработки. Электроды для съема биопотенциалов сердца принято называть электрокардиографическими (электроды ЭКГ). Они выполняют роль контакта с поверхностью тела и таким образом замыкают электрическую цепь между генератором биопотенциалов и устройством измерения.

При автоматическом анализе ЭКС в КМ предъявляются жесткие требования к устройствам съема информации — электродам ЭКГ. От их качества зависит достоверность результатов анализа и, следовательно, степень сложности средств, применяемых для обнаружения сигнала на фоне помех. Низкое качество съема ЭКС практически не может быть скомпенсировано никакими техническими решениями. Как показало применение первых КМ, обычные пластинчатые электроды ЭКГ, широко используемые в электрокардиографии, не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям при длительном непрерывном контроле ЭКС из-за большого уровня помех при съеме.

В общем случае структуру участка контакта электрода с кожей, представим в виде, изображенном на рисунке 3.1. Металлический электрод и электролит образуют электрохимический полуэлемент. Химические реакции, протекающие между металлом и электролитом, влияют на функционирование электродов ЭКГ.

Рисунок 4 — Структура контакта электрода с кожей.

К преобразователям биоэлектрических сигналов, в данном случае к электродам ЭКГ, предъявляются следующие требования:

• -высокая точность воспроизведения формы сигнала (минимальные потери полезного сигнала на переходе «электрод-кожа» и сохранение частотной характеристики сигнала);
• -идентичность электрических и конструктивных параметров (взаимозаменяемость, возможность компенсации электрических параметров);
• — постоянство во времени функций преобразования (стабильность электрических параметров;
• -низкий уровень шумов (обеспечение необходимого соотношения «сигнал-шум»);
• -малое влияние характеристик электродов на измерительное устройство.

Исследования электрических и физических процессов, происходящих в полуэлементе съема, позволили выделить следующие факторы, влияющие на искажения ЭКС:

• — кожно-электродный импеданс;
• — электродные потенциалы (контактные и поляризованные).

Частотная характеристика ЭКС лежит в области низких частот 0,05−800 Гц. На низких частотах переходное сопротивление кожа-электрод можно считать активным, а его значение лежит в пределах от нескольких десятков кОм до единиц МОм. Хотя современные усилители на полевых транзисторах имеют входное сопротивление более 10 МОм, потери будут большими, поэтому нужно принимать меры для уменьшения межэлектродного сопротивления.

При увеличении площади электрода переходное сопротивление кожа-электрод уменьшается, но при этом увеличиваются помехи от биопотенциалов работающих мышц.

Кроме того, появляется погрешность ЭКС (его формы) от неточности наложения электродов на выбранную точку тела. Для уменьшения сопротивления кожа-электрод места установки электродов должны быть обезжирены смесью спирта и эфира. После этого между электродом и кожей помещают слой специальной проводящей пасты, которая представляет собой электролит, диффундирующий в поры кожи и заполняющий свободные места под электродом при его неполном прилегании к коже. Паста сохраняет хорошую проводимость длительное время. Конструкция электрода Должна препятствовать растеканию пасты за площадь электрода. Растекание пасты увеличивает площадь электродов, что приводит к возрастанию помех.

Разброс и нестабильность переходного сопротивления кожа-электрод вызывает разбаланс входных цепей усилителя ЭКС и появление помех, источник которых сопротивление — электрическое поле сети, наведенное на объект ее проводкой.

При контакте металла с электролитом образуется электрохимический полуэлемент, который вырабатывает разность потенциалов между электродом и тканью тела — потенциал покоя, составляющий обычно 0,3−1 В.

Так как съем ЭКС осуществляется двумя электродами, то при идентичных электродах разность потенциалов между ними могла бы быть скомпенсирована, но практически достигнуть полной компенсации не удается. Оставшаяся разность потенциалов между ними может достигать 0,1−0,4 В и изменяет свое значение во времени. Потенциал покоя превышает полезный сигнал в сотни раз. При движениях пациента происходит смещение электродов, двойное электрический слой у поверхности раздела фаз с электронной и ионной проводимостью мгновенно разрушается, создавая скачки электродного потенциала, лежащие в полосе ЭКС. Скачки потенциала являются причиной помех (артефактов), часто вызывающих ошибки в диагностике аритмий кардиомониторами. Другим источником помех являются потенциалы поляризации, возникающие при протекании даже незначительного (10^-7 А) тока через границу раздела двух фаз.

При обычном электрокардиографическом исследовании, которое ведется в покое и длится несколько минут, а расшифровка ЭКГ производится кардиологом, помех при съеме ЭКГ можно избежать. При длительном автоматическом анализе ЭКГ невозможно, исключить двигательную активность больного и КМ из-за помех будет давать большое число ошибок, уменьшить которое можно с помощью специальных электродов.

Задача качественного съема ЭКС при длительном контроле решается по нескольким направлениям:

• — поиск материалов для электродов с малой разностью потенциалов системы электрод — проводящая паста-электрод;
• — разработка составов проводящих паст, уменьшающих электродные потенциалы и сохраняющих свои свойства длительное время;
• -совершенствование конструкций электродов и методов их крепления на теле больного.

Было предложено много различных типов электродов ЭКГ, различающихся принципом передачи сигнала (металлические, емкостные, резистивно-емкостные, резистивные); уровнем напряжения поляризации (неполяризующиеся, слабополяризующиеся); конструкцией (плавающие, гибкие, чашечные, игольчатые) и возможностью повторного использования (одноразовые и многоразовые).

Исследования различных материалов для электродов показали, что наименьшей поляризацией обладают хлорсеребряные электроды, состоящие из серебра и хлорида серебра. Такое соединение получают электролитическим путем, а в качестве электролита в проводящей пасте используются ионы хлорида. Хлорсеребряные электроды получили наибольшее распространение; их выпускают одноразового и многоразового применения (рисунок 3.2).

Рисунок 5 — Электрод ЭКТ для кардиомониторов.

Одноразовые электроды предпочтительнее, так как они всегда готовы к применению и имеют большую клеящую поверхность, исключающую смещение электрода. Разность потенциалов двух электродов системы «электрод — паста — электрод» не превышает 3−5 мВ, межэлектродное сопротивление — 500 Ом, скорость изменения разности потенциалов — 2 мкВ/с. Время готовности 1−2 мин.

Напряжение шума электродов не более 30 мкВ. Чтобы предотвратить повреждения кожных покровов, желательно каждые сутки переклеивать электроды на соседние участки тела.