Биосигнал PI, доступная система измерения ЭКГ и дыхания с открытым исходным кодом

3.1. Встроенная платформа

За последнее десятилетие развитие микроэлектроники предоставило меньшие, более быстрые и более доступные вычислительные платформы. Поскольку гибкость является основным ограничением для Biosignal PI, выбранная встроенная платформа должна обеспечивать возможность модульной разработки аппаратного и программного обеспечения. Модульная разработка оборудования может осуществляться с помощью систем на основе микроконтроллеров, как это делается в проектах Arduino [11]. Однако системы, основанные на операционных системах, таких как Linux, могут обеспечить более высокую степень гибкости и, следовательно, более благоприятны для такого рода разработки по сравнению с разработкой микропрограмм для микроконтроллеров. Представлено несколько компактных одноплатных компьютеров, которые стали популярными за последние пять лет, например. Raspberry PI (RPI) и BeagleBone Black. RPI [12] - одноплатный компьютер размером с кредитную карту с процессором ARM - был выбран для этого проекта, см. Рисунок 1. RPI разработан Raspberry Foundation. Основными причинами выбора RPI перед конкурентами были доступная цена и активное сообщество разработчиков ПО с открытым исходным кодом с огромным количеством проектов, щитов и руководств.

RPI выпускается в трех моделях; A, B и недавно B +. Все модели используют одинаковые CPU и GPU, разница в размере RAM и портах. Первоначально он был разработан как доступный компактный компьютер, поддерживающий студентов в изучении информатики. Однако наличие порта ввода / вывода общего назначения (GPIO) сделало его популярной платформой для разработки многих встраиваемых проектов. Модель B, используемая в этом проекте, имеет порт Ethernet, два порта USB и один порт HDMI, аудио- и видеовыходы; и он имеет процессор с тактовой частотой 700 МГц, графический процессор, 512 МБ оперативной памяти и слот для SD-карты. RPI поддерживает несколько дистрибутивов Linux, например, Raspbian; Дистрибутив на основе Debian, оптимизированный для оборудования Raspberry PI. Поскольку он работает в операционной системе Linux, язык программирования никоим образом не ограничен, но Python, C / C ++ и Java являются одними из наиболее популярных в сообществе RPI. В последнее время RPI также поддерживается Simulink, который открывает новые способы изучения концепций встроенного программирования без кодирования [13]. Легко настроить легкий веб-сервер, например Lighttpd и Apache, сервер базы данных, например, SQLite, MySQL для конкретных приложений.

3.2. Аналоговый интерфейс электрокардиограммы и торакального биоимпеданса

Как упоминалось ранее, система мониторинга ЭКГ и дыхания выбрана в качестве первого примера при разработке Biosignal PI. Дыхание можно регистрировать путем измерения биоимпеданса, то есть путем подачи небольшого тока через грудную клетку и затем измерения соответствующего падения напряжения. Во время вдоха грудная клетка расширяется, и по мере того, как воздух заполняет легкие, биоимпеданс увеличивается по мере увеличения проводящей поверхности для тока. На выдохе биоимпеданс снова уменьшается [14]. Регистрация ЭКГ и торакального биоимпеданса может осуществляться с помощью нескольких подходов, от использования только дискретных электронных компонентов до полностью интегрированных аналоговых интерфейсов. Интегрированные внешние интерфейсы не только уменьшают размер и энергопотребление, но также предоставляют широкий спектр дополнительных функций, таких как обнаружение проводов и соответствие медицинским стандартам, таким как AAMI EC11, AAMI EC38, IEC 60601-1, IEC 60601-2- 25, МЭК 60601-2-27 и МЭК 60601-2-51. Основными конкурентами для внешних интерфейсов ЭКГ являются ADAS1000-X от Analog Devices [15] и ADS129X от Texas Instruments [16]. Обе серии имеют практически сравнимые характеристики. ADS1298 может обеспечить восемь каналов сигналов ЭКГ в одном чипе, что хорошо для разработки более компактного и немного более дешевого устройства ЭКГ с 12 отведениями по сравнению с ADA1000, которое имеет максимум пять каналов. Тем не менее, в этой работе был выбран ADAS1000 (ADAS), главным образом потому, что ADS1298R доступен только в пакете NFBGA. Для создания прототипа решающее значение может иметь ручной монтаж, а с упаковкой LQFP ADAS гораздо проще обращаться, чем с упаковкой NFBGA.

ADAS может обеспечивать частоту дискретизации до 128 кГц и подходит для портативных устройств с батарейным питанием, прикроватного наблюдения за пациентом, портативной телеметрии и домашних систем наблюдения. Чипы ADAS могут использоваться в групповом режиме для предоставления большего количества каналов ЭКГ [15]. В этой работе используется один / два ADAS1000BSTZ - то есть пятиканальная версия, которая включает все функции - в качестве ведущего и дополнительного ведомого для обеспечения ЭКГ с 8–12 отведениями в версиях A и B, соответственно. В качестве альтернативы можно использовать более доступную версию ADAS1000-2BSTZ в качестве ведомого чипа. Чип используется с 64-контактным корпусом LQFP, см. Рис. 2. Следует отметить, что пайка корпуса LQFP64 вручную является относительно сложной задачей и требует определенного опыта и высокого уровня навыков пайки.

Обычно для ЭКГ с 12 отведениями используются девять электродов и привод правой ноги (RLD). Три электрода, подключенные к конечностям; правая рука (RA), левая рука (LA) и левая нога (LL), а также остальные шесть электродов, обозначенные V1-V6, расположены в четко определенных местах на груди. В таблице 1 представлен состав типичной системы ЭКГ с 12 отведениями. Расчет отведений aVR, aVL и aVF не выполняется ADAS, они должны быть рассчитаны как часть последующей обработки. Каналы V1 и V2 можно настроить для работы в качестве входа ЭКГ или вспомогательного входа для выполнения других измерений.