УДК 616.12-073.97-71

Носимое устройство для длительного кардиомониторинга на основе емкостных биосенсоров и эластичных межсоединений

Горлов Николай Сергеевич – аспирант Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники»

Погодин Владислав Романович – магистр Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники»

Лазба Филипп Борисович – магистрант Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники»

Аннотация: Устройства длительного непрерывного кардиомониторинга используются для выявления сердечно-сосудистых заболеваний. Они расширяют диагностические возможности стационарных электрокардиографов и могут отслеживать функционирование сердца в динамике длительное время. Разработана носимая система кардиомониторинга, регистрирующая 12 стандартных отведений электрокардиограммы. Измерение биопотенциалов человека с поверхности кожи осуществляется группой емкостных сенсоров, подключаемых эластичными межсоединениями к обрабатывающему устройству. Приведены описание конструкции, работы функциональных узлов системы и результаты моделирования.

Ключевые слова: кардиомониторинг, электрокардиограмма, носимая электроника, емкостной датчик, эластичные межсоединения, биопотенциалы человека.

Введение

На сегодняшний день огромное количество людей страдают от сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ), а возраст людей, подверженных им, становится все меньше. Своевременное выявление и лечение ССЗ могут значительно увеличить среднюю продолжительность жизни людей.

Современная электрокардиография является основным и давно проверенным способом исследования и диагностики сердечно-сосудистой системы человека, предполагающим измерение разности потенциалов (отведения) между различными нательными точками пациента посредством наложения специальных медицинских электродов. На рынке представлено много систем Холтер-ЭКГ, но все они имеют ряд недостатков, не позволяющих добиться одновременно высокого качества показаний и удобства использования.

Разработанное устройство предназначено для проведения длительного кардиомониторинга и, что позволяет выявить нарушения сердечного ритма, имеющие «преходящий» характер, чего не достичь классическим методом регистрации электрокардиограммы (ЭКГ). Регистрация 12 стандартных отведений ЭКГ позволяет достоверно распознавать ишемию в различных отделах сердца и определять локализацию желудочковых аритмий, возникающих в любой момент жизни. Это позволит осуществлять своевременное выявление и лечение ССЗ, что поспособствует увеличению средней продолжительности жизни людей.

Конструкция эластичных межсоединений

Измерение электрокардиограммы требует расположения электродов в разных точках грудного отдела, поэтому разрабатываемая система включает в себя группу емкостных биосенсоров, расположенных на определенном расстоянии от устройства обработки, и соединенных с ним с помощью эластичных шлейфов.

При формировании эластичных межсоединений в связи с непластичной природой металлов требуется особая структура проводников [1-2]. В случае, когда соединения выполнены из твердых металлов, геометрия проводников должна быть изогнутой. Были выбраны несколько форм из проанализированных источников, а также предложены альтернативные формы [3-7].

Оценка формы проводников проводилась на основе возникающих в слое металла напряжениях, когда проводник растягивается по оси «Х». В результате моделирования (рисунок 1) были определены точки с наибольшими напряжениями, которые могут привести к возникновению разрывов в металле.

Рисунок 1. Возникающие напряжения (Па) в проводниках различной формы при растяжении по оси «X».

Проведенные исследования позволили определить наиболее подходящую форму из рассмотренных форм с механической точки зрения. Для использования в проекте была выбрана подковообразная форма проводников в виде скругленных меандров, т.к. она имеет наименьшие напряжения, возникающие в слое металла при продольных растяжениях по оси «Х».

Выбранная форма проводника представлена на рисунке 2, геометрические параметры в таблице 1. Основные механические параметры конструкции – ­­­угол θ, радиус R и ширина проводника W.

Таблица 1. Геометрические параметры проводников в виде скругленных меандров.

Параметр	Ед. изм.	Значение
Количество параллельных дорожек на эластичном межсоединении	ед.	4
Шаг параллельных дорожек (d)	мм	1,5
Ширина дорожки меандра (w)	мм	0,1
Угол меандра (ɵ)	°	45
Радиус меандра (R)	мм	0,35
Период меандра (р)	мм	1
Толщина эластичного материала	мм	0,7

Рисунок 2. Выбранный дизайн проводников в виде скругленных меандров.

Принцип работы системы

На рисунке 3 представлена структурная схема системы кардиомониторинга. Принцип работы разработанной системы длительного кардиомониторинга выглядит следующим образом: десять емкостных сенсоров [8], расположенных в области грудной клетки человека, фиксируют изменения электрических потенциалов с поверхности кожи. На уровне данного датчика реализован каскад усилителей, обеспечивающих фильтрацию от внешних шумов и последующее усиление выходного сигнала в 50 раз.

Через эластичные межсоединения выходные усиленные сигналы с емкостных сенсоров поступают в устройство обработки, которое в свою очередь состоит

из двух модулей.

Модуль питания предназначен для формирования вторичного питания, необходимого для функционирования всех основных узлов системы, а также для подзарядки встроенной литий-полимерной аккумуляторной батареи (АКБ) емкостью 800 мА·ч.

Рисунок 3. Структурная схема системы кардиомониторинга.

Заряд АКБ осуществляется подключением внешнего источника питания через разъем Micro-USB, который также обеспечивает передачу данных ЭКГ с блока обработки данных на персональный компьютер по протоколу USB 2.0. Для повышения ресурса работы АКБ предусмотрены узлы защиты от статического разряда, контроля остановки подачи внешнего питания при полном заряде АКБ и переразряда в случаях долгого простоя.

Модуль обработки является основным вычислительным ядром всей системы кардиомониторинга. Сигналы с биосенсоров через входной фильтрующий каскад поступают на входы 8-ми канального сигма-дельта АЦП, который, дифференцируя сигналы друг относительно друга, формирует 12 стандартных отведений электрокардиограммы, данные о которых передаются в дальнейшем на микроконтроллер по протоколу SPI. Параллельно этому с помощью МЭМС акселерометра ведется регистрация и положения пользователя в текущий момент времени для сопоставления с данными об отведениях, что повысит ценность получаемой информации.

Основную управляющую функцию в модуле обработки выполняет именно микроконтроллер. Он управляет питанием всех основных узлов системы, выполняет цифровую обработку сигналов с сигма-дельта АЦП, упаковку и передачу пакета данных об ЭКГ на внешнюю энергонезависимую память (карту microSD). Для взаимодействия с пользователем предусмотрена индикации, сигнализирующая о текущем состоянии работы изделия, состоянии аккумулятора, ошибках в работе и т.д.

В модуле обработки реализовано несколько способов передачи данных ЭКГ на внешние устройства: по USB кабелю, подключаемому к персональному компьютеру, на внешнем носителе информации (MicroSD карте) или беспроводным сопряжением с мобильными устройствами по Bluetooth.

Конструкция устройства

На рисунке 4 представлена разработанная конструкция системы кардиомониторинга. Каждый модуль блока обработки находится в отдельном корпусе, состоящем из основания и верхней крышки. В корпусе модуля обработки предусмотрены вырезы под разъемы эластичных межсоединений с емкостных сенсоров и разъем MicroSD карты. В корпусе модуля питания предусмотрены вырезы под разъем Micro-USB. Соединение двух модулей между собой осуществляется с помощью направляющих фиксаторов и центральной защелки. Электрическое соединение обеспечивают подпружиненные контакты (Pogo Pins), вырезы под которые предусмотрены в корпусах обоих модулей. Итоговые габариты устройства обработки данных составляют 60х55х9.3 мм. Фрагмент конструкции эластичного межсоединения, подсоединенного к емкостному биосенсору представлен на рисунке 5.

Рисунок 4. Конструкция системы кардиомониторинга.

Рисунок 5. Фрагмент конструкции эластичного межсоединения, подсоединенного к емкостному биосенсору.

Моделирование конструкции на тепловыделение

Был проведен тепловой анализ блока обработки в штатном режиме, в котором осуществляется питание всех основных узлов системы от литий-полимерной АКБ (рисунок 6).

Рисунок 6. Тепловое поле модуля обработки.

Для модуля питания был проведен тепловой анализ наихудшего варианта использования и, следовательно, наибольшего нагрева разработанного изделия – в режиме одновременной работы устройства и заряда АКБ (рисунок 7, 8).

Рисунок 7. Тепловое поле основания с печатной платой (ПП) модуля питания.

Рисунок 8. Тепловое поле модуля питания.

Несмотря на достаточный нагрев микросхемы, осуществляющей заряд АКБ, внешнее воздействие окружающей среды с температурой в 22 °С и хорошее распределение тепла по поверхности ПП и корпуса полностью нивелируют нагрев микросхемы заряда, тем самым температура корпуса блока обработки остается близкой к температуре окружающей среды. Результаты теплового анализа блока обработки подтверждают, что исследуемая система практически не имеет нагрева и отвечает требуемым нормам.

Моделирование программной фильтрации

Основными шумами в ЭКГ сигнале являются: дрейф изолинии, шумы электросетей, помехи от работы мышц и различные высокочастотные (ВЧ) помехи. Для выделения полезного сигнала ЭКГ необходима следующая схема фильтрации: ФВЧ для устранения ВЧ шумов, при сохранении информации полезного сигнала; ПЗФ для устранения шума электросети; ФНЧ для устранения дрейфа изолинии из-за НЧ помех. Описанная система схематически изображена на рисунке 9.

Рисунок 9. Схема фильтрации.

На рисунке 10 показаны оригинальный сигнал, сигнал с подмешанными шумами и результат прохождения сигнала с шумами через каждый этап фильтрации. Таким образом, после прохождения всех этапов фильтрации, удается выделить полезный сигнал ЭКГ и убрать шумы.

Рисунок 10. Иллюстрация влияния разнородных шумов на сигнал ЭКГ и результат их фильтрации.

Работа выполнена при финансовой поддержке ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».

Список литературы

1. Design and Fabrication of Elastic Interconnections for Stretchable Electronic Circuits / D. Brosteaux, F. Axisa, M. Gonzalez, J. Vanfleteren // IEEE Electron Device Letters. – 2007. – Vol. 28, № 7. – P. 552–554.
2. Горлов, Н. С. Эластичные основания и межсоединения в носимой биоэлектронике и перспективы их применения / Н. С. Горлов, Д. В. Вертянов, С. П. Тимошенков // Интеллектуальные системы и микросистемная техника: Сборник трудов научно-практической конференции. – Кабардино-Балкария: НИУ "МИЭТ", 2022. – С. 112-118.
3. Пат. WO 086416 A1, H05K 1/00. Stretchable Electronic Device / J. Vanfleteren, F. Bossuyt, F. Axisa; заявитель и патентообладатель IMEC, UNIVERSITEIT GENT, J. Vanfleteren, F. Bossuyt, F. Axisa; заявл. 29.01.10; опубл. 05.08.10. – 61 с.
4. Пат. WO 018255 A1, H05K 1/02, H01L 23/00. Stretchable electronics and hybrid integration method for fabricating the same / Z. Yuan, J. Kang, X. Guan [и др.]; заявитель и патентообладатель SHENZHEN ROYOLE TECH-NOLOGIES CO. LTD.; заявл. 28.06.19; опубл. 23.01.20. – 37 с.
5. Пат. США US 0358849 A1, H01L 23/528, H01L 23/532. Flexible interconnects, systems, and uses thereof / J. S. Jur, M. Yokus, R. Foote [и др.]; заявитель и патентообладатель North Carolina State University; заявл. 06.06.16; опубл. 08.12.16. – 59 с.
6. Пат. США US 0243204 A1, A61N 1/04. Stretchable polymer-based electronic device / M. N. Maghribi, P. A. Krulevitch, J. C. Davidson [и др.]; заявитель и патентообладатель Lawrence Livermore National Security; заявл. 16.04.04; опубл. 02.12.04. – 13 с.
7. Research of the Constructions of Conductors on Flexible Carriers / N. Ponomarev, D. Vertyanov, V. Nikolaev, S. Timoshenkov // IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering. – 2018. – P. 1626–1628.
8. Горлов, Н. С. Емкостной биосенсор для измерения электрических потенциалов / Н. С. Горлов, Д. В. Вертянов, С. П. Тимошенков // Наноиндустрия. – 2022. – Т. 15. – № S8-2 (113). – С. 429-436.