Realizovani uređaj (elektrokardiograf/elektroencefalograf) projektovan je tako da omogućava posmatranje i snimanje EKG i EEG signala. Uređaj je malih dimenzija, lako prenosiv, ima baterijsko napajanje i može se koristiti samostalno ili se može povezati sa računarom. Rezultati analize dobijenih EEG, a naročito EKG snimaka pokazuju visok stepen tačnosti. Nedostatak realizovanog uređaja, koji je njegova osetljivost na elektromagnetne smetnje iz okoline, što može doći do izražaja u prostorijama sa većim brojem elektronskih uređaja.
Ovaj uređaj ne predstavlja profesionalni EKG/EEG uređaje za kliničku praksu, ali predstavlja izuzetan i veoma pogodan uređaj za edukativne namene. Poseduje i analogni izlaz za posmatranje signala na osciloskopu i pri tome displej ne mora biti uključen, što produžava vek baterije. Interfejs između korisnika i uređaja ostvaren je preko monohromatskog displeja (128×64 piksela) osetljivog na dodir. Postoji mogućnost podešavanja vremenske baze od 10 do 250 ms po podeoku (od 1 do 25 ms po pikselu).
Uvod
Svedoci smo neprestanog razvoja novih tehnologija i prisustva elektronskih uređaja u skoro svakoj pori svakodnevnog života, od aparata za domaćinstvo, preko prevoznih sredstava, uređaja za komunikaciju, medicinskih uređaja, primene u vojsci, masovnim medijima i na još mnogo drugih mesta. Medicinski uređaji su specifična grupa koja se u mnogome izdvaja po tome što se od njih zahteva visoka tačnost i pouzdanost ali uz što manje štetno dejstvo po čoveka. Koriste se kao pomoćna sredstva za postavljanje dijagnoze, lečenje određenih bolesti i praćenje vitalnih signala pacijenata (u koje spadaju krvni pritisak i oksigenisanost, elektrokardiogram, elektroencefalogram i slično).
EKG i EEG instrumentacija se koristi za dijagnostikovanje nekih srčanih i neuroloških problema, respektivno, kao i njihovih uzroka. EKG pomaže pri otkrivanju poremećaja funkcionisanja SA (sinusno-atrijalnog) čvora, određuje poreklo promenljivog ritma, tahikardije, bradikardije, ekstrasistole, preskoka, srčanog bloka, fibrilacije komora, fibrilacije pretkomora, otkriva usporeno provođenje električnih impulsa kroz pretkomore i komore, hipertrofiju (povećanje debljine zida) pretkomora i komora, perikarditis (upala perikarda, srčane ovojnice), ishemiju (nedovoljnu dopremu kiseonika) i infarkt miokarda.
Slika 1. Tipičan oblik EKG signala tokom jednog srčanog ciklusa
EEG se koristi u dijagnozi i diferencijalnoj dijagnozi epilepsija kod odraslih i dece, glavobolja, povreda glave, oboljenja krvnih sudova mozga, demencije, poremećaja pokreta, razvojnih poremećaja, ispitivanju toksičnosti ili zloupotrebe lekova i drugih neuroloških i psihijatrijskih oboljenja.
Na slici 1 prikazan je tipičan izgled EKG signala sa obeleženim karakterističnim talasima i intervalima, a na slici 2 prikazani su alfa, beta, teta i delta talasi normalnog EEG-a.
Slika 2. Alfa, beta, teta i delta talasi normalnog EEG-a
Realizacija uređaja – osnovni blokovi
Realizovani uređaj projektovan je tako da omogućava posmatranje i snimanje EKG i EEG signala. Na slici 3 prikazan je blok dijagram realizovanog uređaja.
Slika 3. Blok dijagram realizovanog uređaja
Elektrode uređaja su ručno pravljene kalajisanjem metalnih pločica. Ima ih tri, od kojih je jedna referentna. Predpojačavač predstavlja instrumentacioni pojačavač čije karakteristike zavise od amplitude i frekvencijskih karakteristika signala i artefakta. Pojačavač je jednostavan operacioni pojačavač koji služi za pojačavanje i prilagođenje signala instrumentu za registrovanje. Signal sa elektroda nakon pojačanja prolazi kroz filtre (niskopropusni i visokopropusni), kako bi se dobio koristan signal sa što manje smetnji. Kao komponenta za registrovanje i obradu signala koristi se mikrokontroler sa A/D konvertorom u sebi. Instrument za prikaz signala i vezu sa korisnikom je monohromatski displej osetljiv na dodir, dimenzije 128×64 piksela. Celokupan uređaja se napaja pomoću dve baterije od 9 V.
Na slici 4 prikazan je predpojačavač u konfiguraciji instrumentacionog pojačavača. Ulazi ovog kola su Input 1 i Input 2, dovedeni sa elektroda. Treća elektroda je uzemljena (referentna elektroda). Drugi blok je invertujući pojačavač (slika 5) sa promenljivim pojačanjem. Ova četiri operaciona pojačavača su smeštena na upotrebljenom čipu TL084. Nakon pojačanja, signal najpre prolazi kroz niskopropusni filtar (slika 6, levo) nakon čega se dobija EKG signal. Kako je EEG signal mnogo manje amplitude, nakon toga dolaze visokopropusni filter i pojačavač u okviru poslednjeg bloka i dobija se EEG signal (slika 6, desno). Operacioni pojačavači u ova dva bloka se nalaze u korišćenom čipu TL082.
Slika 4. Šema primenjenog predpojačavača
Slika 5. Invertujući pojačavač sa promenljivim pojačanjem
Slika 6. Implementirani niskopropusni i visokopropusni filtri u cilju izdvajanja EKG odnosno EEG signala
Treba napomenuti da opisani pojačavači i filtri imaju simetrično napajanje (Vc = 9 V, Ve = -9 V), stoga je potrebno dobijeni signal pre povezivanja na analogni ulaz mikrokontrolera prilagoditi samom kontroleru. Ovu funkciju obavlja jedan operacioni pojačavač koji ulazni signal u opsegu od -9 V do +9 V pretvara u signal u opsegu od 0 V do 5 V.
Moguće je izvršiti podelu konstrukcije ovog uređaja i na analogni i digitalni deo, pri čemu bi digitalnom delu uređaja pripadali mikrokontroler i displej osetljiv na dodir, uz koji ide i jedno pomoćno kolo za njegovo upravljanje.
Centralna komponenta digitalnog dela je 40-pinski mikrokontroler dsPIC30F4013. Osnovne karakteristike ovog kontrolera su: 48KB programska memorija, 2KB RAM, 1KB EEPROM, 12 bitni analogno-digitalni konvertor, 13 analognih ulaza (po potrebi mogu biti i digitalni), ISP programiranje, serijska UART komunikacija, serijska I2C komunikacija itd. Kako kontroler poseduje A/D konvertor obrada podataka dobijenih sa elektroda znatno je olakšana. ISP programiranje i serijska UART komunikacija omogućava jednostavno programiranje kontrolera i proveru ispravnosti rada sistema (debagovanje). Njegova uloga je da izvrši A/D konverziju dobijenog signala i da ga na odgovarajući način ispisuje na displeju, proračunava puls na osnovu broja Rzubaca (slika 1) u jedinici vremena, prosleđuje odgovarajuće signale na računar (ako je računar priključen) i izvršava naredbe koje je korisnik zadao dodirom na displej.
Za prikaz EKG i EEG signala koristi se 20-pinski monohromatski displej (128×64 piksela). Interfejs između mikrokontrolera i displeja ostvaren je preko 14 linija (6 kontrolnih i 8 linija za podatke). Kolo za očitavanje pritisnutog mesta na displeju prikazano je na slici 7. Preko monohromatskog displeja je postavljena rezistivna folija. Kada se pritisne displej, folija se ponaša kao naponski razdelnik. Ukoliko se folija napaja po vertikali tada se očitava Y koordinata, a ukoliko se napaja po horizontali očitava se X koordinata pritisnutog mesta. Naizmeničnim setovanjem, odnosno resetovanjem, upravljačkih signala DRIVE A i DRIVE B, dobijaju se koordinate pritisnutih mesta. Treba napomenuti da je za svaki displej i rezistivnu foliju neophodno izvršiti preciznu kalibraciju.
Slika 7. Kolo za očitavanje pritisnutog mesta na displeju
Komunikacija sa računarom je ostvarena preko kola prikazanog na slici 8. Centralna komponenta je kolo MAX232 koje u osnovi predstavlja prilagodni stepen naponskih nivoa između računara i kontrolera. Na ovaj način, uz odgovarajući softver, moguć je prikaz EKG i EEG signala i na računaru.
Slika 8. Šema kola za serijsku komunikaciju sa računarom
Opis funkcionalnosti uređaja
Elektronski deo uređaja je montiran u crnu plastičnu kutiju na koju su spolja povezane elektrode, kao što se može videti na slici 9. Na kutiji se (sa zadnje strane) nalaze i priključci za povezivanje sa računarom i osciloskopom. Na prednjoj strani uređaja nalaze se dva prekidača – jedan prekidač služi za uključenje displeja, tačnije digitalnog dela uređaja, a drugi uključuje analogni deo. Postoje i dve zelene LED za indikaciju uključenog stanja ova dva dela. Na prednjoj strani uređaja se takođe nalazi i konektor za priključenje elektroda i preklopnik za izbor EEG, odnosno EKG signala.
Slika 9. Spoljašnji izgled kompletnog uređaja
Uređaj se uključuje postavljanjem oba prekidača na prednjoj strani u položaj označen sa „ON“. U slučaju da korisnik želi da posmatra signale na osciloskopu može da uključi samo analogni deo, tj. prekidač označen sa ECG/EEG, kako displej ne bi nepotrebno radio i trošio bateriju. Preklopnik na prednjoj strani se postavlja u odgovarajući položaj, u skladu sa time da li se želi meriti ECG ili EEG signal. Ovo nije neophodno učiniti na početku, već je moguće i u toku samog merenja. Ako je uključen i displej, na njemu se nakon logoa institucije (FTNa) pojavljuje glavni meni, prikazan na slici 10.
Slika 10. Prikaz glavnog menija na displeju
Odabir se vrši prostim dodirom željenog pravougaonika. To je moguće učiniti i prstom, ali zbog preciznosti je bolje koristiti olovku, ali takvu da nije dovoljno oštra da ošteti displej. Za započinjanje merenja potrebno je izabrati „Start measurement“. Tada se pojavljuje podmeni kao na slici 11.
Slika 11. Podmeni nakon odabira opcije „Start measurment“
Ako se odabere „CANCEL“ korisnik se vraća na glavni meni. Ako korisnik nije upoznat sa načinom pravilnog postavljanja elektroda, potrebno je da izabere „here“ (slika 11). Tada se pojavljuje grafički prikaz kao na slici 12 na kojoj je nacrtan način postavljanja elektroda, kako za merenje EKG (ECG), tako i za merenje EEG signala.
Slika 12. Grafička pomoć oko načina postavljanja elektroda
Elektrode bi trebalo postaviti direktno na kožu i držati ih tako da se ne pomeraju, ali ne treba ih pritiskati prejako. Kada su elektrode pravilno postavljene, dodirom na „BACK“ korisnik se vraća na meni sa slike 11. Ako su elektrode postavljene može se otpočeti sa merenjem, biranjem opcije „START“. Tada će na displeju početi iscrtavanje signala u vremenu, uz prikaz broja otkucaja srca u minuti (beats per minute), kao na slici 13 i svetlucanjem plave LED pored displeja u skladu sa ritmom otkucaja srca.
Slika 13. Ilustracija grafičkog prikaza merenog EKG signala
Ako se želi prekinuti sa merenjem, korisnik treba da dodirne bilo koji deo ekrana, pri čemu se zaustavlja iscrtavanje signala i u novom podmeniju neophodno je izabrati opciju „END“. Nakon ovoga korisnik se vraća u glavni meni. Takođe, postoji i opcija za podešavanje vremenske baze. Po uključenju uređaja podešeno je 100 ms/div (milisekundi po podeoku), slika 13. Vremenska baza se može podešavati u opsegu od 10 ms/div do 250 ms/div. Na sličan način funkcionišu i opcije „Record measurement“, za snimanje signala, i „Load measurement“, za prikaz prethodno snimljenog i zapamćenog signala.
Prednosti i nedostaci realizovanog uređaja
Prednosti ovog uređaja su što je lako prenosiv, ne zahteva mrežno napajanje i vrlo je jednostavan za upotrebu, jer ne zahteva upotrebu bilo kakvih tastera (niti čitanje komplikovanih uputstva za rukovanje). Pored signala, na displeju se može videti i izmereni broj otkucaja srca u minuti, koji dodatno signalizira i plava LED pored displeja. Dok se vrši iscrtavanje signala, pritiskom (dodirom) bilo kog dela displeja, slika će biti zamrznuta i tada se može pažljivo posmatrati i analizirati izmereni signal. Od nekih dodatnih opcija uređaj omogućava prikaz nulte linije (na taj način se može videti koji delovi signala su pozitivni, a koji negativni), prikaz podeoka na vertikalnoj osi, kao i prikaz vremenske ose, pri čemu se može menjati dužina podeoka, tj. vremensko trajanje jednog podeoka. Pogodnosti su i mogućnost posmatranja signala na osciloskopu (kako bi se dobilo preciznije očitavanje signala) i to bez potrebe uključenja displeja (čime se produžava radni vek baterije), kao i mogućnost posmatranja signala na računaru. Ako korisnik želi, moguće je snimiti izmereni EKG/EEG signal u memoriju mikrokontrolera, koji će tu ostati sačuvan i nakon isključenja uređaja.
Nedostatak ovog uređaja, predstavlja kratak vek baterije koja napaja digitalni deo, zbog velike potrošnje displeja, a i pristup baterijama radi njihove zamene se može jednostavnije realizovati. Još jedan nedostatak predstavljenog uređaja je njegova osetljivost na elektromagnetne smetnje iz okoline, jer uređaj nije specijalno oklopljen. Ovo bi posebno došlo do izražaja u prostorijama sa većim brojem elektronskih uređaja na bliskom rastojanju.
Zaključak
U ovom radu je predstavljena realizacija prenosnog uređaja za brzo snimanje EKG/EEG signala uz upotrebu displeja osetljivog na dodir (touch screen). Iako rezultati analize dobijenih EEG, a naročito EKG snimaka pokazuju visok stepen tačnosti, ovaj uređaj se ne može svrstati u profesionalne EKG/EEG uređaje za kliničku praksu, ali predstavlja izuzetan i veoma pogodan uređaj za edukativne namene, što je i bio osnovni cilj autora ovog uređaja.
Autori: Jovan Bajić, Ranko Milovanović, Goran Stojanović, Fakultet Tehničkih Nauka – Novi Sad, Katedra za elektroniku
