УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ПОЛИКАРДИОСИГНАЛОВ Российский патент 2010 года по МПК A61B5/402 A61B7/04 H04R1/46 H04R7/04 H04R17/02 

Область техники

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при регистрации и фазового анализа различных параметров низкочастотных и звуковых колебаний прекардиальной области грудной клетки.

Уровень техники

Известно устройство регистрации поликардиосигналов на основе датчика Б.С.Боженко, представляющего собой пьезоэлектрический микрофон с квадратным кристаллом из сегнетовой соли, три угла которого закреплены в корпусе, а к четвертому (свободному) - прикреплен шток, соединенный с центром воронкообразной гофрированной мембраны. Датчик подключен к усилительно-регистрируюшему устройству для регистрации электрокардиографичесхих сигналов с большой постоянной времени, имеющему два и более каналов (см. Б.С Боженко, 3.Ю.Юзбашев. Грудная хирургия. 1978. N1, с.40-43). Датчик позволяет осуществить регистрацию толчков сердца в полосе частот от 4-5 до 35-40 Гц. Однако данное устройство обладает низкой помехоустойчивостью, не позволяет производить синхронную регистрацию сейсмокардиограммы и фонокардиограммы.

Известно также устройство регистрации поликардиосигналов на основе пьезоэлектрического микрофона и преобразователя пульсовых ударов сердца (см. Авт. св. СССР N523690, A61B 5/02, 1976). Датчик имеет воздушную камеру, выполненную в виде корпуса с крышкой, в котором расположен микрофон, в центре камеры размещен преобразователь пульсовых ударов. Датчик имеет пелот из диэлектрического материала и электрокардиографический электрод, расположенный на торце пелота. При этом кабель микрофона подключен к входу фоноканала поликардиографа, преобразователь пульсовых ударов через коробку питания подключен к входу усилителя переменного тока того же поликардиографа, а электрографический электрод подключен к одному из проводов кабеля грудных отведений ЭКГ. Данное устройство позволяет в одной и той же точке грудной клетки регистрировать фонокардиограмму (ФКГ), электрокардиограмму (ЭКГ) и апекскардиограмму (АКГ). Однако регистрация фонокардиограммы возможна только на фонокардиографе с определенным входным сопротивлением. Кроме того, чувствительность данного устройства при регистрации низкочастотных колебаний прекардиальной области сердца недостаточно высока, поскольку используемый датчик является датчиком с контактным проведением и обладает достаточной инерцией.

Известно также устройство регистрации поликардиосигналов на основе сейсмокардиографического датчика СП-03, выполенного в виде широкополосного пьезоэлектрического микрофона с воздушным проведением (см. Юзбашев З.Ю. Сейсмокардиографическая диагностика приобретенных пороков. Саратов, 1989, с.95). Пьезоэлектрический микрофон имеет расположенную в корпусе воронкообразную гофрированную мембрану, центральная часть которой соединена с одним из концов пьезоэлемента, другой конец которого жестко прикреплен к корпусу. При этом датчик подключен к делителю, выходы которого соединены с каналами усилителя, подключенного к регистратору и блоку визуализации. Устройство позволяет производить одновременную регистрацию сейсмо- и фонокардиограмм (СКГ и ФКГ). Кроме того, оно допускает использование различных типов усилительных устройств, предназначенных как для кристаллического, так и динамического микрофонов.

Однако устройство не позволяет одновременно с ФКГ и СКГ регистрировать апекскардиограмму (АКГ) - кривые перемещения и виброкардиограммы (ВКГ) - кривые ускорения. Введение различного рода предусилителей в данную конструкцию не позволяет получить перечисленные характеристики без временных и фазовых искажений. Кроме того, мощность сигнала, возникающего в пьезозлементе, используемая для получения ФКГ и СКГ недостаточно высока, что затрудняет синхронную регистрацию указанных кривых у лиц с плотной грудной стенкой и глухими тонами сердца.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство по патенту Российской Федерации №2080818, A61B 5/02. Устройство содержит преобразователь в виде пьезоэлектрического микрофона, включающего гофрированную мембрану и два симметрично расположенных пьезоэлемента. Одни концы пьезоэлементов жестко соединены с корпусом преобразователя, а другие - с центральной частью гофрированной мембраны. Один из пьезоэлементов через потенциометр подключен к входу ФКГ-канала многоканального усилителя-преобразователя, а другой через делитель напряжения подключен ко входу СКГ-канала усилителя-преобразователя. Для получения апекскардиограммы сигнал с выхода усилителя СКГ-канала подается на интегратор, а для получения виброкардиограммы этот же сигнал подается на дифференцирующее устройство.

Данное устройство позволяет в одной и той же точке грудной клетки регистрировать ФКГ, СКГ и по сигналу СКГ путем его интегрирования и дифференцирования получать АКГ и ВКГ.

Однако, фактически, данное устройство имеет два идентичных канала регистрации ФКГ, а все остальные сигналы получаются за счет соответствующей обработки сигнала с использованием частотных фильтров, дифференцирующих и интегрирующих устройств.

Недостатками прототипа являются ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия в преобразователе электрода для регистрации ЭКГ, ограниченный диапазон регистрации низкочастотных составляющих СКГ, обусловленный спецификой возникновения заряда на обкладках пьезоэлемента при силовом воздействии (см., например, кн. «Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. / Под ред. У.Томпкинса, Дж.Уэбстера. - М.: Мир, 1992. - 592 с., ил.); низкая точность получения сигналов СКГ и ВКГ, обусловленная необходимостью дифференцирования зашумленных сигналов; сложность эксплуатации из-за необходимости эмпирической подборки параметров интегрирующего и дифференцирующего «элементов таким образом, чтобы, проходя через них, сигнал стал полностью идентичным классической апекскардиограмме (АКГ) и виброкардиограмме (ВКГ)» (патент РФ №2080818).

Сущность изобретения

Изобретение направлено на решение задач, устраняющих указанные выше недостатки, а именно увеличение функциональности, расширение низкочастотного диапазона регистрации СКГ, повышение точности получения сигналов СКГ и ВКГ и упрощение эксплуатации.

Действие устройства основано на реализации в преобразователе принципа комплексирования, т.е. использования нескольких измерителей кинематических величин с различными свойствами и совмещении функций некоторых элементов преобразователя.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет осуществления синхронной регистрации электро-, сейсмо-, фоно-, апекс-, виброкардиосигналов в одной и той же точке сердца, расширении динамического диапазона регистрируемых СКГ-сигналов в сторону низких частот, повышении точности и упрощении эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что в устройстве регистрации поликардиосигналов, содержащем преобразователь, выполненный в виде пьезоэлектрического микрофона, включающего корпус, входное отверстие которого закрыто упругой мембраной, интегратор, и ЭКГ-, АКГ-, ФКГ-, ВКГ-, СКГ-выходы, введены развязывающие усилители заряда и напряжения, снабженные независимыми блоками питания, а мембрана выполнена из пьезоэлектрической полимерной пленки с внешним и внутренним электродами в виде металлизированных поверхностей пленки, при этом внешний электрод связан с первым выходом преобразователя, а внутренний электрод - со вторым выходом преобразователя, к центральной части мембраны с внутренней стороны прикреплен одноосный МЭМС-акселерометр, ось чувствительности которого перпендикулярна плоскости мембраны, а выход которого связан с четвертым выходом преобразователя, в корпусе, на его задней стенке, прикреплен металлизированной поверхностью электрет, при этом металлизированная поверхность электрета является неподвижным электродом, связанным с третьим выходом преобразователя, первый выход преобразователя является ЭКГ-выходом устройства и также связан с первым входом развязывающего усилителя заряда, второй выход преобразователя подключен ко второму входу развязывающего усилителя заряда и к первому входу развязывающего усилителя напряжения, третий выход преобразователя подключен ко второму входу развязывающего усилителя напряжения, выход которого является АКГ-выходом устройства, четвертый выход преобразователя является ВКГ-выходом устройства и также связан со входом интегратора, выход которого является СКГ-выходом устройства, выход развязывающего усилителя заряда является ФКГ-выходом устройства, причем интегратор, развязывающие усилители заряда и напряжения размещены в экранированном корпусе преобразователя.

Описание графических материалов

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, на которых на фиг.1 приведена функциональная схема устройства, на фиг.2 - конструкция комбинированного преобразователя.

Пример конкретного выполнения изобретения

Устройство для регистрации поликардиосигналов рассчитано на работу совместно с вычислительным устройством, имеющим известный многоканальный блок ввода аналоговой информации с программной установкой полос пропускания (см., например, Булдакова Т.И., Коблов А.В., Суятинов С.И. Информационно-измерительный комплекс совместной регистрации и обработки биосигналов. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2008. - №6. - С.41-46).

Устройство содержит преобразователь 1, развязывающий усилитель заряда 2, развязывающий усилитель напряжения 3, интегратор 4, независимые блоки питания 5 и 6. При этом первый выход преобразователя 1 подключен к первому входу развязывающего усилителя заряда 2 и одновременно является ЭКГ-выходом устройства регистрации поликардиосигналов, второй выход преобразователя 1 подключен ко второму входу развязывающего усилителя заряда 2 и к первому входу развязывающего усилителя напряжения 3, третий выход преобразователя 1 подключен ко второму входу развязывающего усилителя напряжения 3, выход которого является АКГ-выходом устройства регистрации поликардиосигналов, выход развязывающего усилителя заряда 2 является ФКГ-выходом устройства регистрации поликардиосигналов, четвертый выход преобразователя 1 является ВКГ-выходом устройства регистрации поликардиосигналов и одновременно связан с входом интегратора 4, выход интегратора 4 является СКГ-выходом устройства регистрации поликардиосигналов, независимый блок питания 5 подключен к усилителю заряда 2, независимый блок питания 6 подключен к усилителю 3. Выходы устройства регистрации поликардиосигналов связаны с соответствующими входами блока ввода аналоговой информации 7.

Преобразователь 1 представляет собой (см. фиг.2) корпус 8, входное отверстие которого закрыто мембраной, изготовленной из пьезоэлектрической полимерной пленки 10 с внешним 9 и внутренним 11 электродами в виде металлизированных поверхностей пьезоэлектрической полимерной пленки 10. К внутренней поверхности мембраны прикреплен одноосный МЭМС-акселерометр 12. В корпусе преобразователя к его задней стенке прикреплен своей металлизированной поверхностью 14 электрет 13, который имеет центральное отверстие, где размещаются контактные проводники, не показанные на фиг.2, внешний электрод 9 мембраны связан с первым выходом преобразователя, внутренний электрод 11 мембраны связан со вторым выходом преобразователя, металлизированная поверхность 14 электрета 13 связана с третьим выходом преобразователя, выход МЭМС-акселерометра 12 связан с четвертым выходом преобразователя. Предпочтительным является размещение развязывающих усилителей 2 и 3 и интегратора в экранированном корпусе устройства регистрации поликардиосигналов.

Устройство работает следующим образом. Устройство регистрации поликардиосигналов закрепляется на груди с помощью резинового ремня, который позволяет установить необходимую величину прижатия устройства к поверхности грудной клетки. Под влиянием вибраций, передающихся через грудную клетку от работающего сердца, происходят колебания мембраны, выполняющей роль пьезоэлектрического микрофона. Вследствие прямого пьезоэффекта сигнал с металлизированных поверхностей - внешнего электрода 9 и внутреннего электрода 11 подается на вход развязывающего усилителя заряда 2, который питается от источника питания 5. Выход усилителя заряда 2 является каналом сигнала ФКГ, который для дальнейшей обработки подается на ФКГ-вход блока ввода аналоговой информации 7. Внешний электрод 9 мембраны является также активным электродом для снятия сигнала ЭКГ. Сигнал с внешнего электрода 9 подается на ЭКГ-вход блока 7. Ускорения мембраны регистрируются прикрепленным к ней МЭМС-акселерометром 12. Выходной сигнал МЭМС-акселерометра 12 подается на ВКГ-вход блока ввода аналоговой информации 7 и на интегратор 4. С выхода интегратора 4 сигнал подается на СКГ-вход блока ввода аналоговой информации 7. Внутренний электрод 11 колеблющейся мембраны выполняет роль подвижной обкладки электретного микрофона, образованного неподвижно закрепленным электретом 13 с металлизированной поверхностью 14 и внутренним электродом 11. Вследствие колебаний мембраны и, следовательно, внутреннего электрода 11 изменяется емкость между внутренним электродом 11 и металлизированной поверхностью 14. Из-за постоянного внутреннего электростатического поля, созданного электретом 13, изменяется напряжение между внутренним электродом 11 и металлизированной поверхностью 14. Величина напряжения пропорциональна перемещению мембраны.

Реализация чувствительного элемента, регистрирующего перемещение мембраны, на принципах функционирования электретного микрофона позволяет расширить рабочий диапазон в сторону нижних частот. Сигнал с внутреннего электрода 11 и металлизированной поверхности 14 подается на развязывающий усилитель напряжения 3 с полевыми транзисторами на входе, которые на чертеже не показаны. Выходной сигнал усилителя 3 подается на АКГ-вход канала ввода аналоговых данных 7. Возможно, с целью уменьшения влияния наводок, разместить оба развязывающих усилителя 2 и 3 и интегратор 4 в экранированном корпусе преобразователя 1. Развязывающие усилители 2 и 3 используются для развязывания различных сигналов, снимаемых с одних и тех же электродов. Они запитываются от независимых источников питания 5 и 6.

Задание необходимой полосы пропускания для каждого сигнала осуществляется путем настройки соответствующих фильтров в блоке ввода аналоговой информации 7, который связан с вычислительным устройством.

Таким образом, с помощью единого преобразователи воспроизводятся различные стороны механической деятельности исследуемого желудочка сердца, что дает возможность их комплексного анализа.

Предлагаемое устройство обеспечивает синхронную запись с одной и той же точки грудной стенки без фазовых и временных сдвигов различных параметров механической деятельности сердца - АКГ, СКГ, ВКГ, а также звуковых проявлений указанной деятельности - ФКГ. Возможна комбинация любых перечисленных кривых или их раздельная регистрация в зависимости от задач исследования. Предлагаемая конструкция избавляет от необходимости использования нескольких датчиков - пульсового, сейсмокардиографического, акселерометрического и микрофона. Обеспечивает комплексность и автоматизацию обследования, экономит рабочее время врача по сравнению с устройствами, реализующими раздельные записи кривых деятельности сердца. Синхронная регистрация повышает информативность результатов и облегчает их расшифровку.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для измерения поликардиосигналов. Устройство содержит преобразователь, выполненный в виде пьезоэлектрического микрофона, включающего корпус, входное отверстие которого закрыто упругой мембраной, и интегратор. Мембрана выполнена из пьезоэлектрической полимерной пленки с внешним и внутренним электродами в виде металлизированных поверхностей пленки. Внешний электрод связан с первым выходом преобразователя, а внутренний электрод - со вторым выходом преобразователя. К центральной части мембраны с внутренней стороны прикреплен одноосный МЭМС-акселерометр, выход которого связан с четвертым выходом преобразователя. В корпусе преобразователя, на его задней стенке, прикреплен своей металлизированной поверхностью электрет, металлизированной поверхностью связанный с третьим выходом преобразователя. Первый выход преобразователя является ЭКГ-выходом устройства и также связан с первым входом развязывающего усилителя заряда. Второй выход преобразователя подключен ко второму входу развязывающего усилителя заряда, и к первому входу развязывающего усилителя напряжения. Третий выход преобразователя подключен ко второму входу развязывающего усилителя напряжения, выход которого является АКГ-выходом устройства. Четвертый выход преобразователя является ВКГ-выходом устройства и также связан со входом интегратора, выход которого является СКГ-выходом устройства. Выход развязывающего усилителя заряда является ФКГ-выходом устройства. Развязывающие усилители заряда и напряжения снабжены независимыми блоками питания. Изобретение позволяет повысить точность регистрации поликардиосигналов, а также осуществлять совместную регистрацию в одной и той же точке грудной клетки одним преобразователем сигналов ЭКГ, СКГ, АКГ, ВКГ и ФКГ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство регистрации поликардиосигналов, содержащее преобразователь, выполненный в виде пьезоэлектрического микрофона, включающего корпус, входное отверстие которого закрыто упругой мембраной, интегратор и ЭКГ-, АКГ-, ФКГ-, ВКГ-, СКГ-выходы, отличающееся тем, что мембрана выполнена из пьезоэлектрической полимерной пленки с внешним и внутренним электродами в виде металлизированных поверхностей пленки, при этом внешний электрод связан с первым выходом преобразователя, а внутренний электрод - со вторым выходом преобразователя, к центральной части мембраны с внутренней стороны прикреплен одноосный МЭМС-акселерометр, ось чувствительности которого перпендикулярна плоскости мембраны, выход которого связан с четвертым выходом преобразователя, в корпусе преобразователя, к его задней стенке, прикреплен своей металлизированной поверхностью электрет, при этом металлизированная поверхность электрета является неподвижным электродом, связанным с третьим выходом преобразователя, первый выход преобразователя является ЭКГ-выходом устройства и также связан с первым входом развязывающего усилителя заряда, второй выход преобразователя подключен ко второму входу развязывающего усилителя заряда и к первому входу развязывающего усилителя напряжения, третий выход преобразователя подключен ко второму входу развязывающего усилителя напряжения, выход которого является АКГ-выходом устройства, четвертый выход преобразователя является ВКГ-выходом устройства и также связан со входом интегратора, выход которого является СКГ-выходом устройства, выход развязывающего усилителя заряда является ФКГ-выходом устройства, развязывающие усилители заряда и напряжения снабжены независимыми блоками питания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что интегратор, развязывающие усилители заряда и напряжения размещены в экранированном корпусе преобразователя