ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ГЕНЕРАТОРА СИГНАЛА ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММЫ (ЭКГ) НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА STM32

  • А.М. Рагеб Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
  • Р.Е. Вавилов Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Ключевые слова: Электрокардиография, ЭКГ, генератор эталонных сигналов, электрокардиограмма, микропроцессорное устройство, микроконтроллер, С/C программирование, PWM, прямой цифровой синтез, DDS, Фазовая автоподстройка частоты, ФАПЧ, ЦАП, STM32

Аннотация

Первая запись Эйнтховена об электрокардиограмме (ЭКГ), выпущенная в 1904 году, будет свидетельствовать о том, что электрокардиограмма станет одним из наиболее ценных диагностических инструментов в медицине. В наш век сложных технологий визуа-лизации коронарной ангиографии такого рода технологии используются в диагностике и лечении ишемической болезни сердца. В этой связи очень важно вести учет формы волны и электрокардиограммы с помощью записывающего оборудования. В работе рассмотрена проблема разработки генератора эталонных сигналов электрокардиографии на базе мик-роконтроллеров (МК) семейства STM32. Задачами исследования является подготовка ма-тематического описания сигналов на основе пакета MATLAB для последующей передачи данных сигналов на отладочную плату МК. Предлагается аппаратное решение для созда-ния программируемого генератора сигналов для многоканального электрокардиографа с использованием микроконтроллера STM32F407VGT6. Данный микроконтроллер семейства STM32 применяется для реализации метода прямого цифрового синтеза. Созданный гене-ратор может быть использован как часть системы для контроля технического состояния многоканальных ЭКГ-аппаратов без необходимости участия человека или дополнительных затрат на тестирование. Отличительной особенностью разработанного генератора является высокая точность воспроизведения формы ЭКГ-сигнала без увеличения аппаратных средств и технической сложности. Система может использоваться для формирования других тестовых сигналов, таких как, например, синусоидальные, прямоугольные и другие сигналы в соответствии с необходимыми потребностями. Применение данного генератора сигналов ЭКГ имеет ряд преимуществ, в числе которых стоит отметить возможность формирования сигналов специальной и произвольной форм с высокой точностью и стабильностью из одного опорного колебания, наличие цифрового интерфейса с микроконтроллерным управлением частотой и фазой выходного сигнала, а также воспроизведение сигналов ЭКГ без необходимости применения дорогостоящих методов.

Литература

1. Internet-portal PhysioNet [PhysioNet Internet portal]. Available at: https://www.physionet.org.
2. Kravchuk A.S., Manaenkov V.I. Razrabotka funktsional'nogo generatora signalov na osnove pryamogo tsifrovogo sinteza [Development of a functional signal generator based on direct digital synthesis], Radioelektronnye i komp'yuternye sistemy [Radio-electronic and computer systems], 2007, No. 4, pp. 32-36.
3. Materialy po uchebnoy distsipline "Mikroprotsessornaya tekhnika" [Materials on the academic discipline "Microprocessor technology"]. Available at: https://www.bsuir.by/m/12_100229_ 1_118497.zip.
4. Glukhov A.Yu., Neginskiy I.V. TSifrovoy sinkhronnyy izmeritel' poverkhnostnogo impedansa [Digital synchro meter of the surface impedance], Inzhenernyy vestnik Dona [Engineering journal of Don], 2012, No. 2, pp. 108-115.
5. Tyurin V.A. Metod pryamogo tsifrovogo sinteza v generatorakh signalov spetsial'noy formy SFG-2110 i AKIP-3410/3: uchebno-metodicheskoe posobie [Method of direct digital synthesis in signal generators of special form SFG-2110 and AKIP-3410/3: training manual]. Kazan': Kazanskiy federal'nyy universitet, 2015, 74 p.
6. Mel'nikov G.S. Elektronnyy uchebnyy kurs «Programmirovanie mikrokontrollerov STM. Laboratornyy praktikum» [Electronic training course " Programming of STM microcontrollers. La-boratory practice"], Tr. Pyatnadtsatoy Vserossiyskoy konferentsii studencheskikh nauchno-issledovatel'skikh inkubatorov. Tomsk, 17-19 maya 2018 g. [Proceedings of the Fifteenth all-Russian conference of student research incubators. Tomsk, may 17-19, 2018], pp. 299-305.
7. Han Y., Meng L. Design of Data Transfer Module Based on STM32 in Monitoring System of Cold Chain Transportation, Fifth International Conference on Instrumentation and Measure-ment, Computer, Communication and Control, 2015, pp. 78-81.
8. Peng K., Liu X., Huang P. Study on the wireless energy supply system in the implantable car-diac pacemaker, Sixth International Conference on Intelligent Systems Design and Engineer-ing Applications, 2015, pp. 770-780.
9. Merfi E., Sletteri K. Pryamoy tsifrovoy sintez (DDS) v testovom, izmeritel'nom i kommunikatsionnom oborudovanii [Direct digital synthesis (DDS) in test, measurement and com-munication equipment], Komponenty i tekhnologii [Components and technologies], 2006, No. 8.
10. Library 36-DAC Signal generator for STM32F4. Available at: https://stm32f4-discovery.net/ 2014/09/library-36-dac-signal-generator-stm32f4.
11. Knyaz'kov A.V., Sapunov E.V., Svetlov A.V. Preobrazovatel' intervalov vremeni v kod [Con-verter of time intervals to code], Izmerenie. Monitoring. Upravlenie. Kontrol' [Measurement. Monitoring. Management. Monitoring], 2017, No. 1 (19), pp. 11-20.
12. Peng K., Liu X., Huang P. Study on the wireless energy supply system in the implantable car-diac pacemaker, Sixth International Conference on Intelligent Systems Design and Engineer-ing Applications, 2015, pp. 770-780.
13. Podmaster'ev K.V., Egorov B.A., Kozyura A.V., Yakovenko M.V. Programma dlya avtomatizatsii metrologicheskoy poverki elektrokardioapparatury: svidetel'stvo o gos. registratsii programmy dlya EVM 2009613815 [Program for automation of metrological verification of electrocardio equipment: certificate of state registration of computer programs 2009613815]; the applicant and copyright holder is Oryol state technical University. No. 2009612260; declared on 18.05.09; registered on 16.07.09.
14. Egorov B.A., Kozyura A.V., Podmaster'ev K.V., Semin A.A., Yakovenko M.V. Perspektivy avtomatizatsii metrologicheskoy poverki elektrokardioapparatury [Prospects for automation of met-rological verification of electrocardio equipment], Izvestiya OrelGTU. Seriya «Fundamental'nye i prikladnye problemy tekhniki i tekhnologii» [zvestiya OrelGTU. Series "Fundamental and applied problems of engineering and technology"], 2008, No. 4-2/272(550), pp. 69-77.
15. Generator signalov na baze Arduino Uno R3 [Signal generator based on Arduino Uno R3]. Available at: http://www.minitech.com.ua/index.php?route=product/product&product_id=123.
16. Moore J. Biomedical technology and devises. Handbook, ed. by J. Moore. CRC Press LLC, 2004, pp. 744-751.
17. Fu T.H. et al. Heart rate extraction from photoplethysmogram waveform using wavelet multi-resolution analysis, Journal of medical and biological engineering, 2008, Vol. 28 (4), pp. 229-232.
18. My Controller. STM32 Воспроизведение звука. Настройка периферии + первый звук. Available at: http://mycontroller.ru/old_site/stm32-vosproizvedenie-zvuka-nastroyka-dac/default.htm (accessed 09 January 2019).
19. Kovacs P. ECG signal generator based on geometrical features. Annales Universitatis Scientiarum Budapestinensis de Rolando Eotvos Nominatae, Sectio Computatorica, 2012, Vol. 37, pp. 247-260.
20. Vaysman M.V., Prilutskiy D.A., Selyshev S.V. Algoritm sinteza imitatsionnikh elektrokardiosignalov dlia ispitania tsifrovikh elektrokardiografov, Elektronika, 2000, No. 4, pp. 21-24.
21. Jokic S. Delic V., Peric Z., Krco S., Sakac D. Efficient ECG Modeling using Polynomial Func-tions, Electronics and Electrical Engineering, 2011, No. 4 (110), pp. 121-124.
Опубликован
2020-06-29
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ II. ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА И ЗДОРОВЬЕ ЛЮДЕЙ