RU174556U1

RU174556U1 - Biopotential Amplifier for Multichannel Electrocardiography

Info

Publication number: RU174556U1
Application number: RU2017105272U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Владимирович Давыдов; Алексей Игоревич Егоров; Павел Викторович Филимонов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью (ООО) "Элитроника"
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2017-10-19

Abstract

Полезная модель относится к технике измерений биоэлектрических сигналов организма и его частей и может быть использована в переносных многоканальных цифровых электрокардиографах, применяемых у постели больного и в машинах скорой помощи. Технический результат заключается в повышении надежности работы усилителя биопотенциалов для многоканального электрокардиографирования в реальных условиях эксплуатации. Данный технический эффект достигается, благодаря тому, что известный усилитель биопотенциалов, содержащий М входов для подключения М сигнальных электродов электрографических отведений и два входа для подключения соответственно опорного R-электрода и Right Left Driven (RLD)-электрода - N-электрода, а также М+2 фильтра нижних частот (ФНЧ), входы которых являются входами указанного усилителя биопотенциалов, при этом вход каждого ФНЧ подключен к соответствующему сигнальному электроду либо к R- или N-электроду, а также управляющий микропроцессор, универсальную интегральную схему АЦП для многоканальных электрокардиографов, включающую в себя М опорных источников тока, каждый из которых подключен к соответствующему плюсовому входу мультиплексора, а также два масштабирующих резистора, параллельно одному из которых включен конденсатор, введены М+1 высокоомный резистор, каждый из которых включен между земляной шиной и плюсовым входом мультиплексора, относящегося к соответствующему сигнальному электроду или к R-электроду, а также операционный усилитель биопотенциала R-электрода, при этом в управляющий микроконтроллер встроен дополнительно АЦП микроконтроллера, который подключен к выходу ФНЧ канала N-электрода, а выход операционного усилителя биопотенциала R-электрода соединен со вторым выводом второго из указанных масштабирующих резисторов и с общей шиной, соединяющей М минусовых входов мультиплексора друг с другом. 2 ил.The utility model relates to techniques for measuring bioelectric signals of an organism and its parts and can be used in portable multichannel digital electrocardiographs used at the patient’s bed and in ambulances. The technical result consists in increasing the reliability of the biopotentials amplifier for multichannel electrocardiography in real operating conditions. This technical effect is achieved due to the fact that the well-known biopotential amplifier contains M inputs for connecting M signal electrodes of electrographic leads and two inputs for connecting a reference R-electrode and a Right Left Driven (RLD) electrode, an N-electrode, as well as M +2 low-pass filters (LPFs), the inputs of which are inputs of the indicated biopotential amplifier, while the input of each LPF is connected to the corresponding signal electrode or to the R- or N-electrode, as well as the control microprocessor, univers the integrated ADC integrated circuit for multichannel electrocardiographs, which includes M reference current sources, each of which is connected to the corresponding plus input of the multiplexer, as well as two scaling resistors, a capacitor is connected in parallel to one of them, M + 1 high-resistance resistor is introduced, each of which is turned on between the ground bus and the positive input of the multiplexer related to the corresponding signal electrode or to the R-electrode, as well as the operational amplifier of the biopotential of the R-electrode, while directs embedded microcontroller further ADC of microcontroller which is connected to the output of the LPF N-channel electrode, and the output of the operational amplifier biopotential R-electrode is connected to a second terminal of said second scaling resistors and a common bus, connecting M minus inputs of the multiplexer to each other. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к технике измерений биоэлектрических сигналов организма и его частей и может быть использована в переносных многоканальных цифровых электрокардиографах, применяемых у постели больного и в машинах скорой помощи.The utility model relates to techniques for measuring bioelectric signals of an organism and its parts and can be used in portable multichannel digital electrocardiographs used at the patient’s bed and in ambulances.

Согласно «Медицинской энциклопедии» (dic.academic.ru) принадлежностью любого электрокардиографа являются узлы аналогового прибора - система электродов и коммутатор (селектор) отведений, обеспечивающие восприятие биопотенциалов с разных точек поверхности тела человека; усилитель биопотенциалов и регистрирующее устройство с лентопротяжным механизмом, обеспечивающим точно установленные скорости движения диаграммной ленты, на которой записывается электрокардиограмма (ЭКГ).According to the “Medical Encyclopedia” (dic.academic.ru), the accessory of any electrocardiograph is the nodes of an analog device - an electrode system and a switch (selector) of leads that ensure the perception of biopotentials from different points on the surface of the human body; an amplifier of biopotentials and a recording device with a tape drive mechanism that provides precisely set speeds for the movement of the chart tape on which an electrocardiogram (ECG) is recorded.

Обязательным элементом цифрового электрокардиографа является, кроме того, микропроцессор с запоминающими устройствами и программным обеспечением, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) усиленных биопотенциалов, монитор и пульт управления.A mandatory element of a digital electrocardiograph is, in addition, a microprocessor with storage devices and software, an analog-to-digital converter (ADC) of enhanced biopotentials, a monitor and a control panel.

Одной из основных характеристик, определяющих технические и эксплуатационные возможности любого электрокардиографа является качество (надежность) съема биопотенциалов с тела пациента. Контролю этого параметра всегда уделяется повышенное внимание.One of the main characteristics that determine the technical and operational capabilities of any electrocardiograph is the quality (reliability) of removing biopotentials from the patient’s body. The control of this parameter is always given increased attention.

Известен многоканальный усилитель биосигналов, описанный в работе «Sigma-delta techniques reduce hardware count and power consumption in biomedical analog front ends». Analog dialoge 28-2, 1994, hh/6-7, содержащий электроды для съема биопотенциалов с грудной клетки пациента, электроды для съема биопотенциалов с конечностей и двенадцать инструментальных (сигнальных) усилителей. Этот прибор обеспечивает съем биопотенциалов, которые используются для формирования двенадцати общепринятых отведений ЭКГ.A multi-channel biosignal amplifier is known, which is described in Sigma-delta techniques reduce hardware count and power consumption in biomedical analog front ends. Analog dialoge 28-2, 1994, hh / 6-7, containing electrodes for collecting biopotentials from the patient’s chest, electrodes for collecting biopotentials from the limbs, and twelve instrumental (signal) amplifiers. This device provides removal of biopotentials, which are used to form twelve generally accepted ECG leads.

Его недостатком является отсутствие анализа качества установки электродов на тело пациента и оценки работоспособности каналов усиления снимаемых биопотенциалов.Its disadvantage is the lack of analysis of the quality of the installation of electrodes on the patient’s body and the assessment of the operability of amplification channels of the removed biopotentials.

Известен многоканальный усилитель биопотенциалов, который содержит электроды для снятия биопотенциалов, мультиплексор, блок управления мультиплексором, дифференциальный усилитель, модулятор, блок гальванической развязки, усилитель модулированного сигнала, генератор тактовых импульсов, демультиплексор, блок управления демультиплексором, блок анализа, блок индикации, блоки демодуляции, блок весовых цепей, блоки полосовых фильтров и блок логической обработки. Этот усилитель, в отличие от вышеупомянутого аналога, обеспечивает контроль нарушений контакта между кожей пациента и электродами для снятия биопотенциалов, а также локализацию и индикацию места нарушения контакта, часто называемого «обрывом электрода» (свидетельство на изобретение №1821136, A61B 5/05).A multi-channel biopotential amplifier is known, which contains electrodes for removing biopotentials, a multiplexer, a multiplexer control unit, a differential amplifier, a modulator, a galvanic isolation unit, a modulated signal amplifier, a clock pulse generator, a demultiplexer, a demultiplexer control unit, an analysis unit, an indication unit, demodulation units, block of weight chains, blocks of band-pass filters and block of logical processing. This amplifier, unlike the aforementioned analogue, provides control of disturbances in contact between the patient’s skin and electrodes to remove biopotentials, as well as localization and indication of the place of disturbance of contact, often called “electrode breakage” (certificate for invention No. 1821136, A61B 5/05).

Недостатком этого многоканального усилителя является сложность конструкции, большие габариты и энергопотребление, что ограничивает его практическое применение, особенно в компактных электрокардиографах с автономным питанием от аккумуляторных батарей, применяемых в машинах скорой помощи.The disadvantage of this multi-channel amplifier is the design complexity, large dimensions and power consumption, which limits its practical use, especially in compact electrocardiographs with autonomous battery power, used in ambulances.

Частично эти недостатки устраняются в многоканальном усилителе биопотенциалов по патенту RU №2148377, A61B 5/05, содержащем электроды для съема биопотенциалов, блок анализа и блок индикации, а также девять операционных усилителей, десять резистивных делителей напряжения и формирователь тестовых импульсов частотой (8-12) Гц. При этом резистивные делители с первого по восьмой включены между выходами соответственно с первого по восьмой операционных усилителей и выходом девятого операционного усилителя, выходы резистивных делителей напряжения с первого по восьмой соединены с инвертирующими входами соответственно с первого по восьмой операционных усилителей, девятый резистивный делитель напряжения включен между выходом девятого операционного усилителя и выходом десятого резистивного делителя напряжения, подключенного к выходу формирователя тестовых импульсов частотой (8-12) Гц, выход девятого делителя напряжения соединен с инвертирующим входом девятого операционного усилителя, неинвертирующие входы операционных усилителей с первого по восьмой соединены соответственно с первого по восьмой электродами для снятия биопотенциалов, неинвертирующий вход девятого операционного усилителя соединен с девятым электродом для снятия биопотенциалов с левой ноги пациента, выходы операционных усилителей с первого по восьмой соединены соответственно с первого по восьмой входами блока анализа, выход которого соединен с входом блока индикации.Partially, these shortcomings are eliminated in the multi-channel biopotential amplifier according to patent RU No. 2148377, A61B 5/05, containing electrodes for biopotential removal, an analysis unit and an indication unit, as well as nine operational amplifiers, ten resistive voltage dividers and a test pulse shaper with a frequency of (8-12 ) Hz. In this case, resistive dividers from the first to eighth are connected between the outputs from the first to eighth operational amplifiers and the output of the ninth operational amplifier, the outputs of the resistive voltage dividers from the first to eighth are connected to the inverting inputs, respectively, from the first to eighth operational amplifiers, the ninth resistive voltage divider is connected between the output of the ninth operational amplifier and the output of the tenth resistive voltage divider connected to the output of the shaper test imp pulses of frequency (8-12) Hz, the output of the ninth voltage divider is connected to the inverting input of the ninth operational amplifier, the non-inverting inputs of the operational amplifiers from the first to the eighth are connected respectively to the first to eighth electrodes for removing biopotentials, the non-inverting input of the ninth operational amplifier is connected to the ninth electrode for removal of biopotentials from the left foot of the patient, the outputs of the operational amplifiers from the first to the eighth are connected respectively to the first to eighth inputs of the analysis unit, the output for which is connected to the input of the display unit.

Однако все указанные устройства относятся к тому поколению электрокардиографических приборов, когда еще отсутствовали достаточно дешевые и высокопроизводительные средства цифровой вычислительной техники, позволяющие осуществлять автоматическое управление основными узлами электрокардиографа: автоматически регулировать усиление (масштаб) записи, определять максимальные и минимальные значения регистрируемых параметров ЭКГ, вычитать измеренную величину напряжения наводки из электрокардиографического сигнала без искажений последнего, сводить к минимуму артефактные смещения изолинии и т.п. Многоканальные электрокардиографы этого поколения использовались, главным образом, в стационарах.However, all of these devices belong to the generation of electrocardiographic devices, when there were still relatively cheap and high-performance digital computing devices that could automatically control the main nodes of the electrocardiograph: automatically adjust the recording gain (scale), determine the maximum and minimum values of the recorded ECG parameters, and subtract the measured the magnitude of the pickup voltage from the electrocardiographic signal without distortion him, to minimize artifact displacement of the contour, etc. Multichannel electrocardiographs of this generation were used mainly in hospitals.

Бурное развитие цифровой вычислительной техники, в частности, появление на рынке микроэлектроники высокопроизводительных многоканальных многоразрядных АЦП, сенсорных жидкокристаллических экранов и универсальных интегральных микросхем со встроенными усилителями с программируемым коэффициентом усиления, цифровыми программируемыми блоками управления и стандартными интерфейсами позволило перейти к созданию нового поколения цифровых многоканальных переносных электрокардиографов с автономным питанием, характеризующихся большими функциональными возможностями, высокими эргономическими характеристиками и очень низким потреблением.The rapid development of digital computing technology, in particular, the appearance on the microelectronics market of high-performance multi-channel multi-bit ADCs, touch-sensitive liquid crystal screens and universal integrated circuits with built-in amplifiers with programmable gain, digital programmable control units and standard interfaces has allowed the transition to the creation of a new generation of digital multi-channel portable electrocardiographs self-powered characterized by large functionality, high ergonomic characteristics and very low consumption.

К этому классу приборов относится, в частности, линейка портативных многоканальных электрокардиографов «АЛЬТОН», серийно выпускаемых компанией-заявителем. Эти цифровые электрокардиографы широко используются в настоящее время в поликлиниках и стационарах, а также в службе скорой помощи (www.altomedika.ru). Их недостатки начали проявляться по мере ужесточения нормативных требований к медицинским приборам, при использовании которых необходимо осуществлять непосредственный контакт с телом пациента - к так называемым ME изделиям и ME системам (ГОСТ Р МЭК 60601-1-2-2014, ГОСТ Р МЭК 601-2-25-2016).This class of devices includes, in particular, the ALTON line of portable multi-channel electrocardiographs, commercially available by the applicant company. These digital electrocardiographs are currently widely used in clinics and hospitals, as well as in the ambulance service (www.altomedika.ru). Their shortcomings began to appear as regulatory requirements for medical devices became stricter, when using them it is necessary to make direct contact with the patient’s body - to the so-called ME products and ME systems (GOST R IEC 60601-1-2-2014, GOST R IEC 601-2 -25-2016).

Указанные требования были учтены при создании переносного многоканального электрокардиографа Е-104 (www.altomedika.ru), позволяющего автоматически измерять основные амплитудно-временные параметры ЭКГ (более 100) у пациентов всех возрастов. Усилитель биопотенциалов в этом устройстве, выбранном в качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения, выполнен на универсальной интегральной схеме для электрокардиографов с 8-канальным 24-разрядным АЦП Front-End компании Texas Instruments, США (www.ti.com). Структурная схема ближайшего аналога приведена в комплекте документации на демонстрационный образец применения этого изделия в многоканальном электрографировании («Руководство пользователя ADS1298ECG-FE Demonstration Kit»-sbaul71d.pdf). Как и в большинстве современных многоканальных усилителей биопотенциалов для многоканальных цифровых электрокардиографов в нем предусмотрена возможность контроля параметров недопустимого ухода параметров инструментальных (сигнальных) каналов электрографирования и канала нейтрального электрода - выявления аварийной ситуации «обрыв N-электрода» (SBAS459K -JANUARY 2010-REVISED AUGUST 2015, 9.3.1.7.5 «RLD Lead-off», p. 41).These requirements were taken into account when creating the portable multi-channel E-104 electrocardiograph (www.altomedika.ru), which automatically measures the main amplitude-time parameters of the ECG (more than 100) in patients of all ages. The biopotential amplifier in this device, selected as the closest analogue of the proposed technical solution, is made on a universal integrated circuit for electrocardiographs with an 8-channel 24-bit ADC Front-End from Texas Instruments, USA (www.ti.com). The block diagram of the closest analogue is given in the documentation for a demo sample of the use of this product in multichannel electrography (“ADS1298ECG-FE Demonstration Kit User Guide” -sbaul71d.pdf). As in most modern multichannel biopotential amplifiers for multichannel digital electrocardiographs, it provides the ability to control the parameters of unacceptable departure of the parameters of the instrumental (signal) channels of the electrography and the channel of the neutral electrode - to detect the emergency situation “N-electrode breakage” (SBAS459K-JANUARY 2010-REVISED AUGUST 2015 9.3.1.7.5 “RLD Lead-off”, p. 41).

Ближайший аналог содержит восемь входов для подключения восьми сигнальных электродов электрографических отведений и два входа для подключения соответственно опорного R-электрода и Right Left Driven (RLD)-электрода (N-электрода), а также десять фильтров нижних частот (ФНЧ), входы которых являются указанными входами усилителя биопотенциалов, каждый из которых выполнен с возможностью подключения соответствующего сигнального электрода, R- или N-электрода. Усилитель содержит также управляющий микропроцессор, масштабирующие резисторы, параллельно одному из которых подключен конденсатор, а также основной элемент - универсальную интегральную схему АЦП для многоканальных электрокардиографов - ECG AF-E. Вышеупомянутая универсальная интегральная схема включает в себя 8 опорных источников тока, подключенных к соответствующим входам мультиплексора, 8 из которых служат для подсоединения сигнальных электродов, а другие 8 соединены общей шиной друг с другом и подключены к R-электроду. Ближайший аналог включает в себя, кроме того, встроенный операционный усилитель биопотенциала N-электрода и 8 сигнальных каналов, каждый из которых подключен к соответствующему выходу мультиплексора и содержит последовательно соединенные сигнальный усилитель и встроенный АЦП, выход которого подключен к соответствующему сигнальному входу блока управления, связанного с помощью последовательного интерфейса с управляющим микропроцессором. Вышеупомянутые масштабирующий резистор и конденсатор включены параллельно минусовому входу и выходу операционного усилителя биопотенциалов N-электрода, один из входов которого подключен к земляной шине, а один из выводов масштабирующего резистора подключен к другому входу указанного операционного усилителя. Вход каждого ФНЧ подключен к соответствующему сигнальному электроду, а выход этого ФНЧ соединен с соответствующим сигнальным входом мультиплексора. Выход же ФНЧ, подключенного к N-электроду, соединен с выходом операционного усилителя биопотенциала N-электрода.The closest analogue contains eight inputs for connecting eight signal electrodes of electrographic leads and two inputs for connecting a reference R-electrode and Right Left Driven (RLD) -electrode (N-electrode), as well as ten low-pass filters (LPF), the inputs of which are the indicated inputs of the biopotential amplifier, each of which is configured to connect a corresponding signal electrode, an R- or N-electrode. The amplifier also contains a control microprocessor, scaling resistors, in parallel with one of which a capacitor is connected, as well as the main element - a universal integrated circuit ADC for multi-channel electrocardiographs - ECG AF-E. The above-mentioned universal integrated circuit includes 8 reference current sources connected to the corresponding inputs of the multiplexer, 8 of which are used to connect the signal electrodes, and the other 8 are connected by a common bus to each other and connected to the R-electrode. The closest analogue includes, in addition, the built-in operational amplifier of the N-electrode biopotential and 8 signal channels, each of which is connected to the corresponding output of the multiplexer and contains a signal amplifier and a built-in ADC in series, the output of which is connected to the corresponding signal input of the control unit connected using a serial interface with a microprocessor control. The aforementioned scaling resistor and capacitor are connected parallel to the negative input and output of the operational amplifier of the biopotentials of the N-electrode, one of the inputs of which is connected to the ground bus, and one of the terminals of the scaling resistor is connected to the other input of the specified operational amplifier. The input of each low-pass filter is connected to the corresponding signal electrode, and the output of this low-pass filter is connected to the corresponding signal input of the multiplexer. The output of the low-pass filter connected to the N-electrode is connected to the output of the operational amplifier of the biopotential of the N-electrode.

Недостатком ближайшего аналога является то, что правильность функционирования канала N-электрода может быть проверена только при отключении этого канала - «Determine if the RLD electrode is connected in the ADS129x by powered down the RLD amplifier». Такое техническое решение не позволяет зафиксировать аварийную ситуацию «обрыв N-электрода» в процессе съема биопотенциалов, что существенно снижает надежность работы прибора в реальных условиях, поскольку может привести к ошибкам при регистрации ЭКГ.The disadvantage of the closest analogue is that the correct functioning of the channel of the N-electrode can only be checked by disconnecting this channel - "Determine if the RLD electrode is connected in the ADS129x by powered down the RLD amplifier". This technical solution does not allow to fix the emergency situation, “breakage of the N-electrode” in the process of removing biopotentials, which significantly reduces the reliability of the device in real conditions, as it can lead to errors during ECG recording.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанного недостатка путем обеспечения возможности обнаружения тревожной ситуации «обрыв N-электрода» в процессе электрокардиографирования пациента. Ожидаемый технический результат заключается, таким образом, в повышении надежности работы усилителя биопотенциалов (а следовательно, и электрокардиографа в целом) в реальных условиях эксплуатации.The proposed technical solution is aimed at eliminating this drawback by providing the possibility of detecting an alarming situation, "break N-electrode" in the process of electrocardiography of the patient. The expected technical result, therefore, is to increase the reliability of the biopotential amplifier (and therefore the electrocardiograph as a whole) in real operating conditions.

Получить этот технический результат планируется, благодаря тому, что известный усилитель биопотенциалов для многоканального электрокардиографа, содержащий в общем случае М входов для подключения М сигнальных электродов электрографических отведений и два входа для подключения соответственно опорного R-электрода и Right Left Driven (RLD)-электрода (N-электрода), а также M+2 ФНЧ, каждый из которых выполнен с возможностью подключения, соответствующего сигнального электрода либо R- или N-электрода, а также управляющий микропроцессор, универсальную интегральную схему АЦП для многоканальных электрокардиографов, два масштабирующих резистора, параллельно одному из которых включен конденсатор, при этом вышеупомянутая универсальная интегральная схема включает в себя М опорных источников тока, подключенных к соответствующим входам для подсоединения сигнальных электродов, встроенный операционный усилитель, мультиплексор с 2М входами, М из которых соединены общей шиной друг с другом, и М выходами, каждый из которых через последовательно соединенные сигнальный усилитель и встроенный АЦП подключен к соответствующему сигнальному входу блока управления, связанного с помощью последовательного интерфейса с управляющим микропроцессором, вышеупомянутые масштабирующий резистор и конденсатор включены параллельно одному из входов и выходу операционного усилителя, другой вход которого подключен к земляной шине, один из выводов масштабирующего резистора подключен ко входу вышеупомянутого операционного усилителя, выход каждого ФНЧ, подключенного к соответствующему сигнальному электроду, соединен с соответствующим сигнальным входом мультиплексора, а выход ФНЧ, подключенного к N-электроду, соединен с выходом встроенного операционного усилителя, введены М+1 высокоомный резистор, каждый из которых включен между земляной шиной и выходом ФНЧ канала соответствующего сигнального электрода и канала биопотенциала R-электрода, а также операционный усилитель биопотенциала R-электрода, а в управляющий микроконтроллер встроен АЦП микроконтроллера, который подключен к выходу ФНЧ канала N-электрода, при этом выход операционного усилителя биопотенциала R-электрода соединен с общей шиной, соединяющей М сигнальных минусовых входов мультиплексора, и со вторым выводом масштабирующего резистора.This technical result is planned to be obtained due to the fact that the well-known biopotential amplifier for a multi-channel electrocardiograph contains, in the general case, M inputs for connecting M signal electrodes of electrographic leads and two inputs for connecting a reference R electrode and a Right Left Driven (RLD) electrode, respectively ( N-electrode), as well as M + 2 low-pass filters, each of which is configured to connect a corresponding signal electrode or an R- or N-electrode, as well as a control microprocessor, a universal interface the ADC circuit for multichannel electrocardiographs, two scaling resistors, a capacitor is connected in parallel with one of which, the aforementioned universal integrated circuit includes M reference current sources connected to the corresponding inputs for connecting the signal electrodes, an integrated operational amplifier, a multiplexer with 2M inputs, M of which are connected by a common bus to each other, and M outputs, each of which through a series-connected signal amplifier and built-in ADC connected to the corresponding signal input of the control unit connected via a serial interface to the control microprocessor, the aforementioned scaling resistor and capacitor are connected in parallel to one of the inputs and the output of the operational amplifier, the other input of which is connected to the ground bus, one of the terminals of the scaling resistor is connected to the input of the aforementioned operational amplifier, the output of each low-pass filter connected to the corresponding signal electrode is connected to the corresponding signal the input of the multiplexer, and the output of the low-pass filter connected to the N-electrode is connected to the output of the built-in operational amplifier, M + 1 high-resistance resistor is introduced, each of which is connected between the ground bus and the output of the low-pass channel of the corresponding signal electrode and the biopotential channel of the R-electrode, as well as an operational amplifier of the R-electrode biopotential, and an ADC of the microcontroller is integrated in the control microcontroller, which is connected to the output of the low-pass channel of the N-electrode, while the output of the operational amplifier of the R-electrode biopotential is connected with a common bus connecting the M signal negative inputs of the multiplexer, and with the second output of the scaling resistor.

Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1 и фиг. 2. Для конкретности на рисунках представлены схемы усилителя биопотенциалов с восьмью сигнальными электродами на базе универсальной интегральной схемы 8-канального АЦП для многоканальных электрокардиографов.The essence of the utility model is illustrated in FIG. 1 and FIG. 2. For specificity, the figures show the biopotential amplifier circuit with eight signal electrodes based on the universal integrated circuit of an 8-channel ADC for multi-channel electrocardiographs.

На фиг. 1 показана общая структурная схема указанного усилителя биопотенциалов.In FIG. 1 shows a general block diagram of a biopotential enhancer.

На фиг. 2 приведена структурная схема ключевого элемента общей схемы - универсальной интегральной схемы 8-канального АЦП для многоканальных электрокардиографов.In FIG. Figure 2 shows the block diagram of a key element of the general circuit - the universal integrated circuit of an 8-channel ADC for multi-channel electrocardiographs.

На рисунках использованы следующие обозначения: 1 - универсальная интегральная схема АЦП для многоканальных электрокардиографов; 2 - мультиплексор; 3 - опорные источники тока; 4 - блок управления; 5 - сигнальный усилитель; 6 - сигнальный АЦП; 7 - операционный усилитель биопотенциала R-электрода; 8 - операционный усилитель биопотенциала N-электрода; 9 - АЦП микроконтроллера; 10 - управляющий микроконтроллер; 11 - последовательный интерфейс; 12 - ФНЧ, R1-R9 - высокоомные резисторы; R10, R11 - масштабирующие резисторы.The following notation is used in the figures: 1 - universal ADC integrated circuit for multichannel electrocardiographs; 2 - multiplexer; 3 - reference current sources; 4 - control unit; 5 - signal amplifier; 6 - signal ADC; 7 - operational amplifier biopotential R-electrode; 8 - operational amplifier biopotential N-electrode; 9 - ADC of the microcontroller; 10 - control microcontroller; 11 - serial interface; 12 - low-pass filter, R1-R9 - high-resistance resistors; R10, R11 - scaling resistors.

Рассматриваемый на рисунках усилитель биопотенциалов для многоканального электрокардиографирования содержит восемь входов для подключения восьми сигнальных электродов электрокардиографических отведений и два входа для подключения соответственно опорного R-электрода и Right Left Driven (RLD)-элeктpoдa (N-электрода), а также десять ФНЧ 12, входы которых являются указанными входами усилителя биопотенциалов, каждый из которых выполнен с возможностью подключения соответствующего сигнального электрода, R- или N-электрода, а также управляющий микропроцессор 10, универсальную интегральную схему 1 АЦП для многоканальных электрокардиографов, масштабирующий резистор R11 с конденсатором и другой масштабирующий резистор R10, при этом вышеупомянутая универсальная интегральная схема 1 включает в себя восемь опорных источников 3 тока, подключенных к соответствующим сигнальным входам мультиплексора 2, а также операционный усилитель 7 потенциала R-электрода, при этом восемь минусовых входов мультиплексора 2 соединены общей шиной друг с другом, а каждый из восьми выходов мультиплексора 2 через последовательно соединенные сигнальный усилитель 5 и сигнальный АЦП 6 подключен к соответствующему сигнальному входу блока 4 управления, связанного с помощью последовательного интерфейса 11 с управляющим микропроцессором 9, вышеупомянутые масштабирующий резистор R11 и конденсатор включены параллельно одному из входов и выходу операционного усилителя 7 биопотенциала N-электрода, другой вход которого подключен к земляной шине. Один из выводов другого масштабирующего резистора R10 подключен ко входу операционного усилителя 8 потенциала N-электрода, выход каждого ФНЧ 12, подключенного к соответствующему сигнальному электроду соединен с соответствующим плюсовым сигнальным входом мультиплексора 2. Рассматриваемый усилитель биопотенциалов содержит также девять высокоомных резисторов R1-R9, каждый из которых включен между земляной шиной и выходом ФНЧ 12 в канале каждого сигнального электрода и в канале R-электрода, а также операционный усилитель 7 биопотенциала R-электрода. В управляющий микроконтроллер 10 встроен АЦП 9 микроконтроллера, вход которого подключен к выходу ФНЧ 12, установленного в канале N-электрода, при этом выход операционного усилителя 7 биопотенциала R-электрода соединен со вторым выводом масштабирующего резистора R10 и с общей шиной, соединяющей 8 минусовых входов мультиплексора 2 друг с другом.The biopotential amplifier for multichannel electrocardiography considered in the figures contains eight inputs for connecting eight signal electrodes of electrocardiographic leads and two inputs for connecting a reference R electrode and a Right Left Driven (RLD) electrode (N electrode), as well as ten low-pass filters 12, inputs which are the specified inputs of the biopotential amplifier, each of which is configured to connect the corresponding signal electrode, R- or N-electrode, as well as the control microprocess Essor 10, a universal ADC integrated circuit 1 for multi-channel electrocardiographs, a scaling resistor R11 with a capacitor and another scaling resistor R10, while the aforementioned universal integrated circuit 1 includes eight reference current sources 3 connected to the corresponding signal inputs of multiplexer 2, as well as an operational an amplifier 7 of the potential of the R-electrode, while the eight negative inputs of the multiplexer 2 are connected by a common bus to each other, and each of the eight outputs of the multiplexer 2 through the last The signal amplifier 5 and the signal ADC 6 are connected to the corresponding signal input of the control unit 4 connected via a serial interface 11 to the control microprocessor 9, the aforementioned scaling resistor R11 and the capacitor are connected in parallel to one of the inputs and the output of the operational amplifier 7 of the N-electrode biopotential, the other input of which is connected to the earth bus. One of the outputs of the other scaling resistor R10 is connected to the input of the operational amplifier 8 of the N-electrode potential, the output of each low-pass filter 12 connected to the corresponding signal electrode is connected to the corresponding positive signal input of the multiplexer 2. The considered biopotential amplifier also contains nine high-resistance resistors R1-R9, each of which is connected between the ground bus and the output of the low-pass filter 12 in the channel of each signal electrode and in the channel of the R-electrode, as well as the operational amplifier 7 of the biopotential R-elec ode. An ADC 9 of the microcontroller is integrated in the control microcontroller 10, the input of which is connected to the output of the low-pass filter 12 installed in the channel of the N-electrode, while the output of the operational amplifier 7 of the biopotential of the R-electrode is connected to the second output of the scaling resistor R10 and to a common bus connecting 8 minus inputs multiplexer 2 with each other.

Все показанные на рисунках элементы доступны на открытом рынке электронных компонентов. Поэтому предлагаемое устройство обеспечивает возможность его серийного производства на существующей элементной базе.All items shown in the figures are available on the open market for electronic components. Therefore, the proposed device provides the possibility of mass production on the existing elemental base.

Выявление «обрыва N-электрода» в предлагаемом усилителе биопотенциалов для многоканального электрокардиографирования происходит следующим образом.The detection of "breakage of the N-electrode" in the proposed biopotential amplifier for multichannel electrocardiography is as follows.

Рассмотрим процедуру обнаружения «обрыва N-электрода» на примере показанного на рисунках 8-канального усилителя биопотенциалов (фиг. 1) с 8-канальной 24-разрядной интегральной схемой АЦП ADS1298R типа ECGAF-E фирмы Texas Instruments (далее - микросхемы), структура построения которой показана на фиг. 2Consider the procedure for detecting an “N-electrode break” using the example of the 8-channel biopotential amplifier shown in the figures (Fig. 1) with an 8-channel 24-bit ADC1298R ADC integrated circuit type ECGAF-E from Texas Instruments (hereinafter referred to as microcircuits), construction structure which is shown in FIG. 2

Как показано на этом рисунке, в состав указанной микросхемы входят установленный на входе мультиплексор 2, к восьми плюсовым входам которого подключены сигнальные электроды L, F, C1, …C6 и опорные источники 3 тока, а восемь минусовых входов соединены друг с другом общей шиной, на которой формируется опорный биопотенциал. Мультиплексор 2 позволяет передавать сигнал с каждого из своих входов на соответствующий выход, который является входом канала отведения. При этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов с блока 4 управления. Мультиплексор 2 формирует по заданной программе сигналы отведений, которые усиливаются с помощью установленных в каждом канале отведений сигнальных усилителей 5 и подвергаются аналого-цифровому преобразованию в сигнальном АЦП 6 этого канала.As shown in this figure, the specified microcircuit includes a multiplexer 2 installed at the input, to the eight positive inputs of which the signal electrodes L, F, C1, ... C6 and reference current sources 3 are connected, and eight negative inputs are connected to each other by a common bus, on which the supporting biopotential is formed. Multiplexer 2 allows you to transmit a signal from each of its inputs to the corresponding output, which is the input of the channel assignment. In this case, the desired input is selected by applying the appropriate combination of control signals from the control unit 4. Multiplexer 2 generates lead signals according to a given program, which are amplified by signal amplifiers 5 installed in each lead channel and are subjected to analog-to-digital conversion in the signal ADC 6 of this channel.

В процессе работы из встроенных в микросхему 1 опорных источников 3 постоянного тока в каждый из 8 каналов съема ЭКГ (фиг. 1) направляется постоянный ток величиной - 6 нА.During operation, direct current of 6 nA is sent from each of the reference sources of direct current 3 built into the microcircuit 1 into each of the 8 ECG removal channels (Fig. 1).

Этот ток умножается на количество подключенных сигнальных электродов. При этом на высокоомных резисторах R1-R9 возникает падение напряжения Uп величиной приблизительно от -30 мВ до -53 мВ.This current is multiplied by the number of connected signal electrodes. At the same time, on the high-resistor resistors R1-R9, a voltage drop Up of approximately -30 mV to -53 mV occurs.

Когда N электрод не подсоединен к пациенту (ситуация «обрыв N-электрода»), напряжение Uп увеличивается в 40 раз с помощью операционного усилителя 7 R-электрода, масштабирующих резисторов R10, R11 и операционного усилителя 8 N-электрода, встроенного в микросхему 1 (фиг. 2). Результирующее постоянное напряжение величиной около 1,2 В поступает на АЦП 9 микроконтроллера, встроенного в управляющий микроконтроллер 10, который связан последовательным интерфейсом 11 с блоком управления 4. В результате чего (после сравнения с пороговым значением, которое задается в управляющей программе) управляющий микроконтроллер 10 принимает решение об индикации «обрыва N электрода».When the N electrode is not connected to the patient (the situation is “N-electrode breakage”), the voltage Uп is increased by 40 times with the help of the operational amplifier 7 of the R-electrode, the scaling resistors R10, R11 and the operational amplifier 8 of the N-electrode integrated in the chip 1 ( Fig. 2). The resulting constant voltage of about 1.2 V is supplied to the ADC 9 of the microcontroller integrated in the control microcontroller 10, which is connected by a serial interface 11 to the control unit 4. As a result (after comparison with the threshold value that is set in the control program), the control microcontroller 10 makes a decision on the indication of “breakage of the N electrode”.

Когда N электрод подсоединен к пациенту, через него в тело пациента течет ток, компенсирующий сумму постоянных токов с сигнальных электродов L, F, С1…С6. Этот ток составляет не более 60 нА, что вызывает падение напряжения на высокоомных резисторах R1-R9, включенных на выходах соответствующих ФНЧ 12 (в сумме 50 кОм), не более 3 мВ. Это позволяет управляющему микроконтроллеру 10 принять решение о том, что N электрод подключен.When the N electrode is connected to the patient, a current flows through it into the patient’s body, compensating for the sum of the constant currents from the signal electrodes L, F, C1 ... C6. This current is not more than 60 nA, which causes a voltage drop across the high-resistance resistors R1-R9, included at the outputs of the corresponding low-pass filters 12 (totaling 50 kΩ), not more than 3 mV. This allows the control microcontroller 10 to decide that the N electrode is connected.

Выбор порогового значения постоянного напряжения на N электроде, при котором происходит индикация «обрыва N электрода», делается исходя из качества наложения N электрода на тело пациента, которое можно считать достаточным для штатного съема ЭКГ. Экспериментально было выбрано значение порогового напряжения 1,0 В. Проведенные на предприятии-заявителе заводские испытания подтвердили эффективность предложенного технического решения.The choice of the threshold value of the constant voltage at the N electrode, at which the indication of “breakage of the N electrode” occurs, is based on the quality of the N electrode being applied to the patient’s body, which can be considered sufficient for regular ECG removal. The threshold voltage value of 1.0 V was selected experimentally. Factory tests carried out at the applicant enterprise confirmed the effectiveness of the proposed technical solution.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить ожидаемый технический результат, заключающийся в повышении надежности работы усилителя биопотенциалов для многоканального электрокардиографирования, а следовательно, и надежности правильного функционирования цифрового электрокардиографа, в состав которого он входит, благодаря обеспечению возможности обнаружения тревожной ситуации «обрыв N-электрода» в процессе многоканального съема биопотенциалов с тела пациента.Thus, the proposed technical solution allows to obtain the expected technical result, which consists in increasing the reliability of the biopotentials amplifier for multichannel electrocardiography, and therefore, the reliability of the correct functioning of the digital electrocardiograph, which it is part of, due to the possibility of detecting an alarm situation "breakage of the N-electrode »In the process of multichannel removal of biopotentials from the patient’s body.

Claims

A biopotential amplifier for a multi-channel electrocardiograph containing M inputs for connecting M signal electrodes of electrographic leads and two inputs for connecting a reference R electrode and a Right Left Driven (RLD) electrode, an N electrode, as well as (M + 2) low-pass filters (LPF), the inputs of which are indicated (M + 2) inputs of the biopotential amplifier, as well as a control microcontroller, a universal integrated circuit of an analog-to-digital converter (ADC) for multi-channel electrocardiographs, I scale two resistors, parallel to the first of which a capacitor is connected, while the above-mentioned universal integrated circuit includes M reference current sources, each of which is connected to the corresponding plus input of the multiplexer, which serves to connect the corresponding signal electrode, an operational amplifier of the N-electrode biopotential, while The M negative inputs of the multiplexer are connected by a common bus to each other, and each of the M outputs is through a lead channel, consisting of a series-connected signal a single amplifier and a signal ADC, connected to the corresponding signal input of the control unit connected via a serial interface to the control microcontroller, one of the aforementioned scaling resistors and a capacitor are connected in parallel to one of the inputs and the output of the operational amplifier of the N-electrode biopotential, the other input of which is connected to the ground bus, one of the terminals of the other scaling resistor is connected to the output of the operational amplifier of the N-electrode biopotential, the output of each low-pass filter, sub connected to the corresponding signal electrode is connected to the corresponding positive input of the multiplexer, and the output of the low-pass filter connected to the N-electrode is connected to the output of the operational amplifier of the biopotential of the N-electrode, characterized in that M + 1 high-resistance resistor, each of which is included between the ground bus and

the positive input of the multiplexer related to the corresponding signal electrode or the R-electrode, as well as the operational amplifier of the R-electrode biopotential, while the microcontroller has an integrated ADC of the microcontroller, which is connected to the output of the low-pass filter of the N-electrode channel, and the output of the R-biopotential operational amplifier the electrode is connected to the second terminal of the second scaling resistor and to a common bus connecting the M negative inputs of the multiplexer to each other.