Проект "Разработка портативного монитора сердечного ритма"

Индивидуальный проект по окружающему миру в 4 классе посвящен разработке портативного монитора сердечного ритма человека и сочетает основы биологии с элементами технического творчества.

Автор проекта создает упрощённую модель устройства, которое показывает, как меняется пульс при разных нагрузках. В процессе работы над проектом ученик изучает строение сердца и значение контроля пульса для здоровья, знакомится с простыми датчиками и схемами, позволяющими фиксировать ритм сердцебиения.

В ходе исследовательской работы над проектом о портативном мониторе сердечного ритма ученик 4 класса учится соединять детали, проверять цепи и устранять мелкие неполадки. Итогом проекта становится действующий макет монитора и его презентация. Представленный проект помогает школьникам понять связь науки, техники и заботы о собственном здоровье.

Оглавление

Аннотация
Введение

1. Теория и реализация устройства
2. Практическая часть

Заключение
Список литературы
Приложения

В исследовательской работе представлена разработка портативного монитора сердечного ритма на основе модуля электрокардиографии AD8232. Рассмотрены физиологические основы формирования электрической активности сердца и структура электрокардиографического сигнала, включающего P-волну, QRS-комплекс и T-волну.

Разработана аппаратная часть устройства, включающая систему электродов, модуль AD8232 и микроконтроллер с функцией аналого-цифрового преобразования и беспроводной передачи данных. В результате работы создано устройство, обеспечивающее регистрацию и визуализацию ЭКГ-сигнала в реальном времени с возможностью автоматического анализа ритма сердца. Разработанный монитор предназначен для учебно-исследовательских целей и демонстрирует принципы построения современных биомедицинских измерительных систем.

Ключевые слова: электрокардиография, AD8232, портативный монитор, частота сердечных сокращений, вариабельность сердечного ритма, цифровая фильтрация сигнала.

Цель работы - создание устройства, способного регистрировать электрическую активность сердца, обрабатывать полученные сигналы и определять частоту сердечных сокращений в реальном времени.

Задачи:

1. Изучить физиологические основы формирования ЭКГ;
2. Исследовать принцип работы модуля AD8232;
3. Разработать схему подключения устройства; реализовать алгоритм обработки сигнала и вычисления сердечного ритма;
4. Провести тестирование и анализ полученных результатов.

Гипотеза. Можно создать своё собственное устройство, которое может «слышать» сердце, рисовать его график и считать пульс в реальном времени.

Предмет исследования: аппаратные средства(датчики, электроды), алгоритмы обработки сигнала и передачи данных.

Объект исследования: процессы непрерывной регистрации электрической активности сердца и монитора состояния сердечно-сосудистой системы в условиях повседневной активности человека.

Методы исследования: метод зрительного восприятия информации (работа с познавательной литературой, с интернет-источниками, тестирование, анализ и обобщение информации)

Сердечно-сосудистые заболевания остаются одной из наиболее распространённых причин ухудшения здоровья населения во всём мире. Одним из показателей состояния сердечно-сосудистой системы является частота и ритм сердечных сокращений. Контроль сердечного ритма выявляет нарушения, оценивает физическую нагрузку и отслеживает общее состояние организма.

Сердце человека работает благодаря электрическим импульсам, которые возникают в клетках и распространяются по миокарду, вызывая его сокращение. Регистрация этих электрических сигналов осуществляется методом электрокардиографии (ЭКГ). Электрокардиограмма представляет собой графическое отображение электрической активности сердца во времени и широко применяется в медицинской практике для диагностики различных заболеваний.

Современные технологии микроэлектроники дают возможность создавать компактные и доступные устройства для регистрации биосигналов. Это открывает разработки портативных мониторов сердечного ритма, которые могут использоваться вне медицинских учреждений в домашних условиях, во время занятий спортом или учебных экспериментов.

В данной работе рассматривается разработка портативного монитора сердечного ритма на основе модуля ЭКГ AD8232. Целью проекта является создание устройства, способного регистрировать электрическую активность сердца, обрабатывать полученные сигналы и определять частоту сердечных сокращений в реальном времени.

Для достижения поставленной цели необходимо исследовать принцип работы модуля AD8232, разработать схему подключения устройства; реализовать алгоритм обработки сигнала и вычисления сердечного ритма, провести тестирование и анализ полученных результатов. Разработка подобного устройства позволит наглядно продемонстрировать взаимосвязь биологии, физики и электроники.

Сердце представляет собой мышечный орган, способный к самовозбуждению благодаря наличию клеток водителей ритма. Основным источником электрических импульсов в норме является синусовый (синоартериальной) узел (рис 1) , расположенный в правом предсердии.
Приложение 1. Рисунок 1 – Проводящая система сердца

Он генерирует электрические сигналы, которые распространяются по предсердиям, затем проходят через предсердно-желудочковый (атриовентрикулярный) узел и далее по проводящей системе желудочков Приложение 2. Рисунок 2 – Проводящая система сердца

Распространение электрического импульса вызывает последовательное сокращение сердечной мышцы. В процессе деполяризации и реполяризации клеток миокарда на поверхности тела возникают слабые электрические потенциалы, которые могут быть зарегистрированы с помощью электродов. Таким образом, каждое сердечное сокращение сопровождается электрическим сигналом, который несёт информацию о частоте и правильности работы сердца.

Метод регистрации электрической активности сердца называется электрокардиографией. При этом на поверхность тела устанавливаются электроды, фиксирующие разность потенциалов между различными участками. Полученный сигнал усиливается и отображается в виде графика электрокардиограммы (ЭКГ).

На стандартной ЭКГ различают несколько характерных элементов: P-волна, которая отражает возбуждение предсердий; QRS-комплекс, который соответствует возбуждению желудочков; T-волна, которая характеризует процесс восстановления (реполяризации) желудочков. Приложение 3 Рисунок 3 – Осциллограмма сигнала ЭКГ

Электрокардиограмма представляет собой квазипериодический биосигнал, отражающий циклическую электрическую активность сердца. В соответствии с современными подходами к анализу ЭКГ, сигнал рассматривается как последовательность повторяющихся кардиоциклов, каждый из которых содержит информативные морфологические элементы.

Типичный кардиоцикл включает следующие компоненты: P-волна отражает деполяризацию предсердий амплитуда до 0,25 мВ, продолжительность: 0,08-0,10 с форма обычно плавная и закруглённая. Интервал PR xхарактеризует проведение импульса через атриовентрикулярный узел. Продолжительность 0,12-0,20 с. QRS-комплекс отражает деполяризацию желудочков. Наиболее высокоамплитудная часть сигнала продолжительность 0,06-0,10 с зубец R, который служит для вычисления частоты сердечных сокращений. T-волна соответствует реполяризации желудочков. Форма более сглаженная по сравнению с QRS-комплексом.

При регистрации ЭКГ в портативных устройствах наблюдаются искажения сигнала связанные с дрейфом изолинии и возникают они из-за дыхания или движения электродов. Проявляется как медленное смещение сигнала вверх и вниз. Дальше идут мышечные артефакты. Это высокочастотные шумы, вызванные сокращением скелетных мышц. Затем сетевые наводки, которые взывают регулярные синусоидальные колебания, связанные с электросетью.

Согласно методикам, описанным в литературе [1], перед вычислением сердечного ритма сигнал проходит этапы полосовой фильтрации (примерно 0,5-40 Гц), подавления сетевой частоты, цифровой обработки для повышения точности детекции R-пиков. Таким образом, анализ формы осциллограмм является ключевым при создании системы измерения сердечного ритма.
Частота сердечных сокращений (ЧСС) рассчитывается по формуле:

где TRR – интервал времени между двумя последовательными зубцами R (в секундах).
Сигнал ЭКГ имеет очень малую амплитуду обычно от 0,5 до 5 мВ. Поэтому для получения качественного сигнала требуется его усиление, фильтрация низкочастотных и высокочастотных помех, защита от сетевых наводок. Эти задачи решаются с помощью специализированных микросхем, таких как AD8232 [2].

Рассмотрим принцип работы портативного монитора сердечного ритма и представим ход работы в виде последовательности этапов. Сначала необходимо снять биопотенциал с поверхности тела с помощью трёх электродов регистрируется разность потенциалов (рис.3) Приложение 4. Рисунок 4 – Схема подключения электродов

RA – правый электрод. LA – левый электрод; RL – референтной (земляной) электрод. Подключение к микроконтроллеру осуществляется следующим образом: OUT → аналоговый вход A0; 3.3V → питание; GND → общий провод; LO+ и LO– → контроль отрыва электродов. Такое подключение обеспечивает регистрацию одного канала ЭКГ, достаточного для определения частоты сердечных сокращений.

Далее произвести аналоговую обработку сигнала и осуществить передачу сигнала на аппаратную часть Приложение 5. Рисунок 5 – Аппаратная часть монитора сердечного ритма
Аналоговый сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) микроконтроллера и передается по радиоканалу на программно-аппаратный комплекс. Программно осуществляется детекция R-пиков, вычисление интервалов R-R, расчёт частоты сердечных сокращений и т.д.

На рисунке 6 представлен интерфейс программы, разработанной для визуализации и анализа сигнала электрокардиограммы (ЭКГ) в реальном времени. Приложение 6. Рисунок 6 – Результаты работы программы: а – процесс получения сигнала; б – получение одиночного импульса ЭКГ; в – окно диагностики интегральных параметров.

В окне отображается сам сигнал и результат обработки данных с датчика AD8232. Сигнал очищен от сетевых помех и высокочастотного шума, видны характерные зубцы ЭКГ, соответствующие работе сердца. Отображается изменение частоты сердечных сокращений (ЧСС) во времени, а нижняя панель содержит текстовый блок с детальной диагностикой.

Программа автоматически анализирует ритм сердца, который определяется как синусовый (нормальный), что означает правильное возникновение импульсов в естественном водителе ритма. В случае отклонений программа способна распознавать такие состояния, как тахикардия, брадикардия, экстрасистолы, фибрилляция предсердий и блокады. Частоту сердечных сокращений. В данном примере она составляет 84 удара в минуту. Экстрасистолы – преждевременные сокращения сердца. В данном случае их количество равно нулю, нарушение ритма отсутствует.

Фибрилляцию предсердий (AFib) – опасное состояние, требующее наблюдения кардиолога. На представленном графике фибрилляция не обнаружена. Средний RR-интервал время между ударами сердца. Вариабельность сердечного ритма (ВСР) – показатель, отражающий адаптационные возможности организма. Спектральный анализ LF/HF для оценки баланса вегетативной нервной системы: LF (0,04-0,15 Гц) – отражает активность симпатического отдела (мобилизация, стресс). HF (0,15-0,4 Гц) – связан с парасимпатическим отделом (расслабление, восстановление).

Таким образом, разработанный монитор позволяет наблюдать за электрической активностью сердца в реальном времени и проводить углублённый анализ функционального состояния организма, включая оценку уровня стресса, восстановления и адаптационных резервов. Программа может быть полезна для образовательных целей.

В ходе выполнения данной исследовательской работы была реализована разработка портативного монитора сердечного ритма. В процессе исследования были изучены физиологические основы электрической активности сердца, принципы регистрации электрокардиограммы и методы обработки ЭКГ-сигнала. В теоретической части рассмотрена структура кардиоцикла, проанализированы основные элементы ЭКГ (P-волна, QRS-комплекс, T-волна), а также особенности регистрации слабых биопотенциалов в условиях помех. Особое внимание уделено методам выделения R-пиков как ключевому этапу вычисления частоты сердечных сокращений.

В практической части индивидуального проекта была разработана схема подключения модуля AD8232 к микроконтроллеру, реализован алгоритм цифровой обработки сигнала и расчёта ЧСС на основе интервалов R-R. Разработанный портативный монитор не предназначен для медицинской диагностики, он показывает принципы работы современных биомедицинских измерительных систем. Практическая значимость проекта заключается в том, что он объединяет знания из области биологии, физики, электроники и программирования, способствуя формированию междисциплинарного подхода к решению инженерных задач.

Таким образом, поставленная цель работы достигнута, а разработанное устройство успешно выполняет функцию портативного монитора сердечного ритма в рамках учебно-исследовательского проекта.

1. Clifford G. D. et al. Advanced methods and tools for ECG data analysis. – Boston : Artech house, 2006. – Т. 10.
2. Prasad A. S., Kavanashree N. ECG monitoring system using AD8232 sensor //2019 International Conference on Communication and Electronics Systems (ICCES). – IEEE, 2019. – С. 976-980.

Рисунок 1 – Проводящая система сердца

Рисунок 2 – Проводящая система сердца

Рисунок 3 – Осциллограмма сигнала ЭКГ

Рисунок 4 – Схема подключения электродов

Рисунок 5 – Аппаратная часть монитора сердечного ритма