I Saša Kos Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Diplomsko delo Maribor, september 2011

II Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa Študent: Saša Kos Študijski program: VS Računalništvo in informatika Smer: Logika in sistemi Mentor: prof. dr. Damjan Zazula, izvolitveno področje: računalništvo Somentor: doc. dr. Boris Cigale, izvolitveno področje: računalništvo Maribor, september 2011

IV ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Damjanu Zazuli za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem somentorju doc. dr. Borisu Cigaletu. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij.

V Merjenje nestandardnih odvodov signalov EKG Ključne besede: elektrokardiograf, elektrokardiogram (EKG), standardni odvodi EKG, mikrokrmilnik ADS1298, nestandardne meritve signalov EKG UDK: 004.3/.4:[621.39.08:616.12-073.7](043.2) Povzetek V diplomski nalogi predstavljamo programsko in strojno rešitev za nestandardno merjenje elektrokardiografskih (EKG) signalov. Z opisano rešitvijo želimo preveriti, ali je možno hitrejše, preprostejše in nemoteče merjenje EKG-signalov z manjšim številom elektrod, ki so v smislu klinične prakse postavljene na nestandardnih mestih (npr. prstih). Zasnova strojne opreme temelji na treh delih. Prvi predstavlja vezje ADS1298 proizvajalca Texas Instruments, ki opravlja funkcijo zajemanja in ojačenja analognega EKG-signala ter analogno-digitalno (AD) pretvorbo. Drugi je mikrokrmilnik PIC32MX proizvajalca Microchip, ki skrbi za krmiljenje vezja ADS1298 in prenos podatkov preko vmesnika USB na osebni računalnik. Tretji del je osebni računalnik, kjer se podatki obdelajo in shranijo. Programska rešitev je sestavljena iz dveh delov, in sicer kode za mikrokrmilnik PIC32MX, ki skrbi za komunikacijo z ADS1298 in osebnim računalnikom, ter programske opreme na osebnem računalniku, ki skrbi za izris EKGsignala ter obdelavo in shranjevanje podatkov. Z opisano rešitvijo smo uspeli zanesljivo izmeriti EKG-signal z dvema elektrodama, ki sta nameščeni na nestandardnih odjemnih mestih, npr. na prstih rok. Cilj nemotečega in hitrega merjenja je dosežen delno, saj pri krajših razdaljah med elektrodama in kratkotrajnih stikih meritve niso bile zelo zanesljive.

VI Opisano rešitev bi bilo možno izboljšati z izdelavo analognega nizkošumnega predojačevalnika, boljšega algoritma za filtriranje signala ter uporabo kakovostnejših elektrod.

VII Non-standard measurment of ECG signals Key words: electrocardiograph, electrocardiogram (ECG), standard ECG leads, microcontroller ADS1298, non-standard measurements of ECG signals UDC: 004.3/.4:[621.39.08:616.12-073.7](043.2) Abstract This diploma thesis presents a hardware and software solution for non-standard measurements of electrocardiographic (ECG) signals. The purpose of proposed design is to assess the feasibility of measuring the ECG signals faster, easier, unobtrusive and with less electrodes that are placed at non-standard locations compared to established clinical practice. Hardware consists of three parts: semiconductor circuit ADS1298, made by Texas Instruments, is responsible for acquisition, amplification, and digitalization of analog ECG-signals. Second part is microcontroller PIC32MX, made by Microchip. It is responsible for management of ADS1298 and data transfer through USB interface to a personal computer. Third part is personal computer where acquired data is processed and stored. Software solution consists of two parts: a code that is responsible for communication with ADS1298 and is executed inside microcontroller PIC32MX, and software at the personal computer level to visualize ECG signals, and process and store the acquired data. Presented solution enabled reliable measurement of ECG-signals, when two electrodes were placed at non-standard locations, such as fingers of both arms. The goal of less obtrusive and faster measurments was partially achieved, because measurements were

VIII not very reliable when distances between electrodes were short or contacts with electrodes were of short duration. The solution could be enhanced by constructing a low-noise preamplifier, by designing better algorithms for signal filtering and by use of higher quality electrodes.

IX VSEBINA 1 UVOD... 1 2 SNEMANJE SIGNALOV EKG IN ZASNOVA KARDIOGRAFOV... 3 3 ZASNOVA STROJNE OPREME... 7 3.1 ZAHTEVE IN SPECIFIKACIJE... 7 3.2 MIKROELEKTRONSKO VEZJE ZA MERJENJE EKG-SIGNALA... 8 3.3 MIKROKRMILNIŠKO VEZJE... 23 4 ZASNOVA PROGRAMSKE OPREME... 27 4.1 ZAHTEVE IN SPECIFIKACIJE... 27 4.2 PROGRAMSKE REŠITVE... 27 4.3 POSEBNE RUTINE ZA OBDELAVO PODATKOV... 33 5 PREVERJANJE STROJNIH IN PROGRAMSKIH REŠITEV... 35 5.1 FUNKCIONALNI PREIZKUS... 35 5.2 PRIKAZI MERITEV SIGNALOV EKG V NESTANDARDNIH ODVODIH... 39 6 SKLEP... 43 7 VIRI, LITERATURA... 44 8 PRILOGE... 45 8.1 SEZNAM SLIK... 45 8.2 SEZNAM PREGLEDNIC... 45 8.3 NASLOV ŠTUDENTA... 46 8.4 KRATEK ŽIVLJENJEPIS... 46

X UPORABLJENE KRATICE EKG elektrokardiogram AD pretvornik analogno-digitalni pretvornik DA pretvornik digitalno-analogni pretvornik PGA programirani ojačevalnik (ang. Programmable Gain Amplifier) RLD povratni signal na desni nogi (ang. Right Leg Drive) WCT osrednja priključna točka po Wilsonu (ang. Wilson Central Terminal) SPI serijsko vodilo (ang. Serial Peripherial Interface Bus) SCLK ura, ki jo generira gospodar (ang. Serial Clock) CS izbirna linija (ang. Chip Select) SS izbirna linija sužnja (ang. Slave Select) MUX multiplekser (ang. Multiplexer) AVDD pozitivna analogna napajalna napetost AVSS negativna analogna napajalna napetost DVDD pozitivna digitalna napajalna napetost DGND negativna digitalna napajalna napetost oz. ozemljitev (ang. Digital Ground) RMS koren povprečja kvadratov (ang. Root Mean Square) IN1P pozitivna elektroda prvega analognega vhodnega kanala IN1N negativna elektroda prvega analognega vhodnega kanala MISO vhod gospodarja, izhod sužnja (ang. Master Input Slave Output)

XI MOSI izhod gospodarja, vhod sužnja (ang. Master Output Slave Input) CPOL polariteta urinega signala pri protokolu (ang. Clock Polarity) CPHA faza urinega signala (ang. Clock Phase) BGA polje okroglih priključkov, vrsta ohišja za elektronska vezja (ang. Ball Grid Array) TQFP tanko štiristransko plosko ohišje (ang. Thin Quad Flat Pack) 0x označuje šestnajstiški zapis števila 0b označuje dvojiški zapis števila fsps število zajetih vzorcev na sekundo (ang. Samples Per Second) f CLK frekvenca delovanja vezja ADS1298 (ang. Frequency of Clock), ki znaša 2,048MHz VREFP pozitivna referenčna napetost, ki jo uporablja analogni del vezja VREFN negativna referenčna napetost, ki jo uporablja analogni del vezja USB univerzalno serijsko vodilo (ang. Universal Serial Bus) CAN omrežje krmilnikov (ang. Controler-Area Network) PC osebni računalnik (ang. Personal Computer)

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 1 1 UVOD Kardiovaskularne bolezni so med najpogostejšimi vzroki smrti in v svetovnem merilu vsako leto terjajo 17,1 miljonov življenj [1]. Vzrok so predvsem pomanjkanje fizične aktivnosti, nekakovostna prehrana, alkohol, tobak ter okoljski in dedni vzroki. Kronične oblike kardiovaskularnih bolezni lahko vodijo v zmanjšanje kakovosti življenja, nižjo delovno storilnost ter negativno vplivajo na zdravje celotnega telesa. Elektrokardiografija je eno izmed osnovnih diagnostični orodij v zdravstvu, saj omogoča hiter in relativno natančen vpogled v električno aktivnost srca ter zaznavanje morebitnih predpatoloških ali patoloških sprememb na srčni mišici. Na osnovi izmerjenega elektrokardiograma (EKG) lahko izkušen kardiolog postavi diagnozo ter predpiše ustrezno terapijo. V splošnem je merjenje EKG-signala za pacienta relativno preprosto, vendar je treba na telo namestiti vsaj štiri, pri kliničnih preiskavah pa deset elektrod, s pomočjo katerih se zaznava električna aktivnost srca [2]. Včasih se pod elektrode nanese še poseben gel, ki izboljša stik med kožo in elektrodami, med meritvijo pa mora pacient nepremično ležati, saj vsako krčenje mišic in posledično generirana elektromiografska napetost, moti meritve EKG-signala.[3]. Zaradi navedenih razlogov je merjenje EKG-signala v nekontroliranih razmerah relativno težavno, saj je natančna namestitev elektrod praktično nemogoča, uporaba gela nepraktična in le redko je oseba popolnoma mirna. Namen diplomske naloge je raziskati možnost merjenja signala EKG na čimbolj nemoteč način in z minimalnim številom elektrod, ki bi bile postavljene na nestandardnih merilnih točkah (delih telesa) in po možnosti na čim krajših medsebojnih razdaljah. Zato bomo načrtovali in izdelali elektronsko vezje, ki bo omogočalo zajemanje EKG-signala z ustrezno vzorčevalno frekvenco ter vizualno analizo elektrokardiograma. Nato bomo izvedli vrsto poskusov, na osnovi katerih se bomo lahko odločili ali hipoteza, da je mogoče EKG-signal izmeriti zadovoljivo tudi na nestandarden način, drži ali ne.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 2 Diplomsko delo je sestavljeno iz osmih poglavij. Za uvodnim sledi opis razvoja kardiografov skozi zgodovino ter njihova zasnova. Prav tako je opisana problematika merjenja EKG-signalov ter osnovni principi. V tretjem poglavju je opisana zasnova strojne opreme, podrobna razlaga funkcionalnosti, ki jih opravljata mikrokrmilnik in analognodigitalni (AD) pretvornik ter utemeljitev, kaj nas je vodilo k izdelavi tovrstne zasnove. Prav tako so opisane splošne lastnosti ter notranja arhitektura mikrokrmilnika in AD pretvornika. V četrtem poglavju so razložene programske rešitve, ki skrbijo tako za krmiljenje AD pretvorbe kot za prenos in obdelavo signalov. Ker je rešitev sestavljena iz strojnih in programskih komponent, smo se v petem poglavju podrobno posvetili testiranju in preverjanju pravilnosti delovanja vseh elementov rešitve, saj bi morebitno napačno ali pomanjkljivo delovanje imelo bistven vpliv na kakovost zajetih signalov ali njihovo napačno interpretacijo. Sledi prikaz meritev EKG-signala v nestandardnih odvodih. Na koncu ovrednotimo meritve nestandardnih odvodov EKG-signala, kakor smo jih izmerili v poskusih z izdelanim elektronskim vezjem.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 3 2 SNEMANJE SIGNALOV EKG IN ZASNOVA KARDIOGRAFOV Elektrokardiografija se ukvarja z merjenjem in s spremljanjem električne aktivnosti srca skozi čas, in to s pomočjo elektrod, ki so nameščene na površini telesa, običajno na prsnem košu [2]. Rezultati meritev se izrišejo v grafični obliki na papir ali računalniški zaslon, kar imenujemo elektrokardiogram. Velikost EKG-signala je reda velikosti nekaj milivoltov, zato so začetki elektrokardiografije tesno povezani z razvojem elektrotehnike, ki je omogočila ojačanje in merjenje šibkih napetosti. Nizozemski zdravnik in elektrofiziolog William Einthoven je na začetku dvajsetega stoletja skonstruiral strunski galvanometer [5], kot je prikazan na sliki 1, in z njegovo pomočjo zaznal električno aktivnost srca v dovolj visoki ločljivosti, da so bili rezultati klinično uporabni. Galvanometer je bil sestavljen iz nekaj metrov dolge, s srebrom prevlečene steklene strune ter močnih elektromagnetov. Ko je šibek tok stekel skozi struno, je zaradi elektromagnetnega polja struna pričela nihati. Nihanje se je projiciralo na premikajočo se fotografsko ploščo, ki je zabeležila elektrokardiogram. Z uravnavanjem napetosti strune je bilo možno nastaviti občutljivost. Na paciente, ki so jim merili EKGsignal, niso namestili elektrod, kot jih poznamo danes, ampak so sedeli in imeli levo nogo ter obe roki v vedrih z osoljeno vodo, ki je izboljšala prevodnost. Vedra so služila kot elektrode, ki prevajajo tok iz kože do strune. Slika 1: Strunski galvanometer in William Einthoven

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 4 Tako so dobili tri točke meritev (obe roki in leva noga), ki se uporabljajo še danes in so znane pod imenom Einthovenov trikotnik. Prvi galvanometer je zahteval vodno hlajenje, pet operaterjev za upravljanje, tehtal pa je blizu 300 kilogramov. Za odkritje je Einthoven leta 1924 prejel Nobelovo nagrado za medicino [7]. Einthoven je tudi prvi opisal odklone, ki jih je opazil na kardiogramu, in jih poimenoval valovi P, Q, R, S in T (slika 2). Slika 2: Električna aktivnost ob posameznem srčnem utripu s poimenovanimi EKG-valovi Pocenitev mikroprocesorjev ter razvoj algoritmov za avtomatično prepoznavanje vzorcev in analizo signalov je omogočil, da sodobni kardiograf ne le beleži in izpisuje signal EKG, ampak ga je sposoben tudi delno interpretirati [6], izpisati diagnozo ter opozoriti na morebitne patološke spremembe na srčni mišici. Nakaže tudi, kje se spremembe nahajajo, kar olajša delo kardiologa. Primer sodobnega šestnajstkanalnega kardiografa PageWriter TC70 podjetja Philips je na sliki 3.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 5 Slika 3: Sodoben 16-kanalni kardiograf Philips PageWriter TC-70 Kardiografi so zasnovani iz naslednjih blokov (slika 4): - vhodne analogne stopnje, kjer se signal ojača, praviloma s pomočjo instrumentacijskega ojačevalnika. Pomembno je, da je ojačevalnik nizkošumni in da ima visokoimpedančni vhod (vsaj 10 MΩ), saj imamo opravka s šibkimi signali; - izolacijskega dela: morebitno nepravilno delovanje vezja bi lahko ustvarilo visoke napetosti ali tokove, ki bi bili nevarni za pacienta, zato so vhodne stopnje od človeka galvansko ločene in zaščitene pred medicinsko nevarnimi napetostmi; - AD pretvorbe: poskrbi za pretvorbo analognega signala v digitalnega; - filtriranja: odstrani neželene komponente in šum iz EKG-signala. Ločimo dve vrsti neželenih signalov: zunanje elektromagnetne motnje, ki jih povzroča električno omrežje in različne električne naprave, kar pogosto zaznamo kot močan šum s frekvenco 50 Hz, ter notranje, ki izvirajo iz samega pacienta in motijo EKG-signal. To so predvsem elektromiografske napetosti, ki so posledica krčenja mišic in dihanja. S pomočjo ozkega zapornega filtra se dajo odstraniti motnje 50 Hz, s kombinacijo nizkega in visokega sita pa elektromiografski šum ter druge elektromagnetne motnje iz okolice. Filtriramo tako analogne kot digitalne signale, torej po AD pretvorbi, vendar zaradi večje prilagodljivosti vse več dela prepuščamo digitalnim filtrom;

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 6 - digitalnega dela, ki je sestavljen iz mikroprocesorja in mikrokrmilnika ter skrbi za celo množico funkcij, kot so: digitalno filtriranje signala, shranjevanje zajetih podatkov v pomnilnik ali zbirke, izvajanje algoritmov za analizo rezultatov in avtomatično diagnostiko ter za prikaz zajetih podatkov na zaslonu. Slika 4: Zasnova kardiografa in povezava z opazovano osebo Vhodna stopnja kardiografa je povezana z elektrodami, ki skrbijo za prenos šibkega signala s površine kože do vezja. Obstaja več vrst elektrod, pogosto uporabljene so samolepilne za enkratno uporabo ter vakumske za večkratno uporabo, ki so vidne na sliki 5. Slika 5: Primera EKG-elektrod

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 7 3 ZASNOVA STROJNE OPREME 3.1 Zahteve in specifikacije Ker želimo meriti signal EKG v nenadzorovanih razmerah, mora potekati meritev čim bolj preprosto, hitro ter z minimalnim številom elektrod. Uporbiti želimo le dve elektrodi, ki bi bili na telesu postavljeni na čim krajši razdalji. Elektrodi morati biti suhi, brez uporabe gela ali sredstev za zniževanje upornosti kože. Omogočati morata zaznavanje signala EKG, tudi ko pride le do krajšega stika opazovane osebe z njima in ko razmere niso nadzorovane (recimo v domačem bivalnem okolju). Zaradi izpolnitve zgoraj opisanih zahtev smo se odločili za zasnovo in izdelavo lastnega razvojnega okolja, ki ga je možno preprosto razširiti, ima dovolj kapacitete za shranjevanje in obdelavo meritev, omogoča grafičen prikaz zajetih podatkov in ni preveč zahtevno za izvedbo. V ta namen smo pripravili arhitekturo, kot je prikazana na sliki 4. Slika 6: Prikaz arhitekture našega razvojnega okolja

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 8 Strojna oprema je sestavljena iz 24-bitnega AD pretvornika ADS1298 proizvajalca Texas Instruments, ki skrbi za pretvorbo zajetega signala, mikrokrmilnika PIC32MX, ki nadzoruje zajem podatkov, ter osebnega računalnika, kjer se podatki grafično prikazujejo in obdelajo. Prednost ADS1298 sta predvsem visoka 24-bitna ločljivost AD pretvorbe in vgrajeni programirni ojačevalnik, kar zmanjša število elektronskih komponent in poenostavi delo. Programska oprema je sestavljena iz razvojnega okolja MPLAB IDE proizvajalca Microchip, s katerim smo programirali mikrokrmilnik, in različnih orodij, kot sta matlab in realterm. 3.2 Mikroelektronsko vezje za merjenje EKG-signala Kot smo razložili v prejšnjem podpoglavju, smo se odločili, da bomo izdelali lastno vezje za merjenje EKG-signalov. Zasnovali smo ga z namenskim mikrokrmilnikom ADS1298, ki ga proizvaja firma Texas Instruments. Gre za 24-bitni, 8-kanalni analogno-digitalni pretvornik (AD) tipa delta-sigma, ki je sposoben sočasnega zajemanja podatkov iz vseh osmih kanalov. Vgrajen ima programirani ojačevalnik (ang. Programmable Gain Amplifier PGA), interni oscilator, ki zagotavlja uro za delovanje digitalnega dela vezja, ter interni vir referenčne napetosti za AD pretvornik. ADS1298 se od običajnih AD pretvornikov razlikuje po tem, da ima vgrajena vezja, ki so specifična za zajemanje EKG-signalov. Te so: zaznavanje prisotnosti srčnega spodbujevalnika, zaznavanje nepriključenih elektrod, vgrajen ojačevalnik za povratni signal na desni nogi (ang. Right Leg Drive RLD) in vezje za osrednjo priključno točko po Wilsonu (ang. Wilson Central Terminal WCT). Namenjen je predvsem prenosnim elektrokardiografom, ki se napajajo iz baterij, zato ima nizko porabo. Shema ADS1298 je prikazana na sliki 5. Pomembnejše lastnosti vezja Texas Instruments ADS1298: - vrsta vezja: AD pretvornik vrste sigma-delta z nastavljivim ojačanjem in filtri za zajemanje signalov EKG; - ločljivost: 24 bitov; - število kanalov: 8 paralelnih s sposobnostjo sočasnega zajemanja vzorcev; - hitrost zajemanja podatkov: od 250 vzorcev do 32 tisoč vzorcev na sekundo;

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 9 - dušenje motenj (ang. Common Mode Rejection Ratio CMRR): -115 db; - šum: 4 Vpp pri frekvenci 150 Hz in ojačanju 6; - digitalni vmesnik: SPI-kompatibilen; - vgrajen programirani ojačevalnik (PGA) z nastavljivim ojačanjem: 1, 2, 3, 4, 6, 8 in 12; - vgrajen vhodni multiplekser za analogne signale: 8 kanalov; - vgrajen oscilator s frekvenco 2,048 MHz in vir referenčne napetost 2,4 V ali 4 V; - vgrajen testni signali, ki omogočajo preverjanje pravilnosti delovanja vezja; - število registrov: 26; - nizka poraba: 0,75 mw/kanal; - ohišje: BGA-64 ali TQFP-64. Slika 7: Shema ADS1298

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 10 Pred snemanjem analognih signalov moramo izvesti točno določeno proceduro oz. zaporedje ukazov ob vklopu, nato moramo sprogramirati registre, s katerimi opredelimo način delovanja vezja, tj. parametre za AD pretvorbo, vhodni multiplekser in obnašanje vezja, šele nato lahko sprožimo pretvorbo analognih signalov v digitalni zapis. Zunanji nadzor nad vezjem za snemanje EKG bomo vzpostavili z mikrokrmilnikom PIC32MX, ki je povezan z ADS1298 po vodilu SPI. Mikroelektronsko vezje ADS1298 za snemanje EKG-signalov sestoji iz več podsklopov, ki jih podrobneje opisujemo v nadaljevanju. To so: - vhodni multiplekser, - AD pretvornik vrste sigma-delta, - nizkofrekvenčni filter, - vhodna stopnja z elektrodami, - vodilo SPI in - pomembnejši nadzorni registri. Vhodni multiplekser Na sliki [8] je prikazan vhodni multiplekser (ang. Input Multiplexer IM) za en kanal. ADS1298 ima osem tovrstnih blokov, enega za vsak kanal. Konfiguriranje vhodnega multiplekserja se opravi s pisanjem ustreznih vrednosti treh najpomembnejših bitov (ang. Most Significant Bit MSB) v register CHn, pri čemer n pomeni številko izbranega vhodnega kanala. Dodatno se uporablja še registrer CONFIG3, ki omogoča krmiljenja signala desne noge (RLD). Ta funkcionalnost v diplomski nalogi ni bila uporabljena, saj za nemoteče merjenje EKG v nenadzorovanih razmerah ni smiselna.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 11 Slika 8: Vhodni multiplekser Analogni vhodi na ADS1298 lahko opravljajo različne funkcije, npr. na vhod lahko priključimo običajne elektrode, ga uporabimo kot referenco za RLD, ali morda nanj pripeljemo zunanje ali notranje generiran testni signal. Zaradi večnamenskosti vsakega posameznega vhoda je potreben relativno kompleksen vhodni multiplekser. Z omenjenimi tremi biti lahko izbiramo povezave, ki so opisane v preglednici 1. Preglednica 1: Možnosti vhodnih povezav multiplekserja Biti 2, 1, in 0 v registrih CHn Opis 000 normalen vhod 001 vhod je kratko sklenjen 010 uporabljen za meritve RLD 011 meritve analognih in digitalnih napajalnih napetosti vezja 100 temperaturni seznor 101 testni signal 110 RLD_DRP uporabljen za meritve RLD, nastavi pozitivno elektrodo za povratno zanko 111 RLD_DRN uporabljen za meritve RLD, nastavi negativno elektrodo za povratno zanko

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 12 Možnosti vhodnega multiplekserja, ki smo jih uporabili pri programiranju vezja za nestandardno snemanje EKG, so (povzeto po preglednici 1): - 000 vhod deluje kot običajen analogni vhod, na katerega smo priključili elektrode, funkcijski generator ipd.; - 001 vhodni multiplekser znotraj samega vezja sklene pozitiven in negativen priključek izbranega kanala. Uporabili smo ga predvsem za meritve osnovnega šuma vezja ter prisotnosti enosmerne napetostne komponente (ang. Offset). Vhodne priključke bi lahko v kratek stik sklenili tudi sami s pomočjo elektrod, vendar bi s tovrstnim pristopom povečali možnost vpliva zunanjega elektromagnetnega šuma, saj bi povezovalni kabli do elektrod lahko delovali kot antene; - 011 preusmeri referenčne napetosti na vhodne kanale. Pri nastavitvi ojačanja 1 je na kanalih 1, 2, 5, 6, 7 in 8 srednja napetost med pozitivno analogno (AVDD) in negativno analogno napajalno napetostjo (AVSS), kar da vrednost (AVDD- AVSS)/2, na kanalih 3 in 4 pa je pozitivna digitalna napajalna napetost DVDD/4. V našem primeru so bile izmerjene vrednosti 1,6204 V ter 0,80249 V. Ta funkcija je uporabna predvsem za preverjanje delovanja vezja, saj vsako odstopanje referenčnih napetosti pomembno vpliva na meritve in lahko nakaže na napako v vezju; - 100 preusmeri na izbrani kanal senzor temperature, ki je vgrajen v samem vezju. S pomočjo formule smo napetost iz senzorja spremenili v stopinje Celzija in tudi na ta način preverjali pravilno delovanje; - 101 na vhod se pripelje pravokotni testni signal, ki je interno generiran. Nastavimo lahko njegovi amplitudo in frekvenco. To nastavitev smo precej uporabljali, saj je olajšala preverjanje pravilnega delovanja vezja.več o tem v poglavju XXX, kjer je opisano preizkušanje strojne in programske opreme. - 110 in 111 v povezavi s krmiljenjem signala desne noge omogoča, da nastavimo pozitivno ali negativno elektrodo za povratno zanko. Te možnosti v diplomski nalogi nismo uporabili.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 13 AD pretvornik vrste sigma-delta in nizkofrekvenčni filter AD pretvornik vrste sigma-delta je sestavljen iz dveh delov: sigma-delta modulatorja in nizkopasovnega sita [8]. Modulator sigma-delta prevzorči analogni signal z mnogo višjo frekvenco (64-krat in več), kot je pasovna širina signala, in na izhodu generira zaporedje digitalnih pulzov, ki so pulzno-frekvenčno modulirani (ang. Pulse Frequency Modulation PFM). Frekvenca pulzov je sorazmerna napetosti, ki jo merimo. Čim višja je napetost, z višjo frekvenco se pojavljajo pulzi. Dobljeni signal ima bistveno večjo pasovno širino od osnovnega signala, ki jo z nizkofrekvenčim decimacijskim filtrom zmanjšamo na dvakratno pasovno širino. Osnovni namen nadvzorčenja je zmanjšanje kvantizacijskega šuma in posledično izboljšanje ločljivosti AD pretvorbe [9]. Sigma-delta modulator v ADS1298 je dvostopenjski [4], hitrost modulacije je lahko f CLK /4, torej 512 khz ali f CLK /8 = 256 khz, odvisno od nastavitve registra CONFIG1, ki je podrobno opisan v poglavju 3.2. Sledi nizkofrekvenčni filter, izpeljan iz galvničnega filtra, ki zaduši visoke frekvence in pretvori niz bitov v vzporedni tok bitov. Lomna frekvenca je odvisna od hitrosti vzorčenja. Čim višja kot je vzorčevalna frekvenca, tem višja je lomna frekvenca. Vgrajeni sigma-delta AD pretvornik omogoča hitrosti vzorčenja do 32 k vzorcev/s in ločljivost največ 24 bitov, vendar ne pri najvišjih hitrostih. Odvisnost vzorčevalne frekvence in ločljivosti prikazuje preglednica 2. Preglednica 2: Odvisnost vzorčevalne frekvence in ločljivosti vzorčevalna frekvenca [k vzorcev/s] do 8 ločljivost 24 bitov 16 19 bitov 32 17 bitov

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 14 Vhodna stopnja z elektrodami Analogni vhod v AD1298 je polno diferencialen, zato lahko pri stopnji ojačanja 1 vhod niha med VREFP in VREFN, v našem okolju med -2,4 V do 2,4 V. Za elektrode smo uporabili kakovostne samolepilne srebro-kloridne elektrode znamke RedDot proizvajalca Philips, ki so namenjene za enkratno uporabo. Na vezje smo jih priključili z namenskimi EKG-kabli, ki so oklopljeni. Oklop smo priključili na ozemljitev in s tem zmanjšali šum, ki se inducira iz okolice. Vodilo SPI Serijsko vodilo (ang. Serial Peripherial Interface Bus SPI) uporablja sinhroni serijski protokol, namenjen povezavi perifernih naprav z računalnikom. Deluje v načinu polnega dipleksa (ang. full duplex), torej lahko naprave hkrati pošiljajo in sprejemajo podatke. Princip komunikacije je gospodar-suženj, torej gospodar prvi pošlje podatkovni paket. Na vodilu je lahko priključenih več naprav oz. sužnjev, zato se mora gospodar odločiti, s katero napravo bo komuniciral. Izbira je izvedena s pomočjo izbirne linije (ang. Chip Select) CS, ki je pogosto poimenovana tudi SS (ang. Slave Select). Shemo povezave gospodarja in sužnja prikazuje slika 9. Slika 9: Shema povezave gospodar-suženj

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 15 Na sliki 9 pomenijo oznake linij naslednje: SCLK ura, ki jo generira gospodar (ang. Serial Clock), MOSI izhod iz gospodarja na vhod sužnja (ang. Master Output Slave Input), MISO vhod gospodarja iz sužnjevega izhoda (ang. Master Input Slave Output), SS izbira sužnja. V splošnem komunikacija prek SPI poteka na naslednji način: gospodar izbere napravo s pomočjo linije SS, ki jo postavi na logično 0. Nato začne oddajati urin signal SCLK, ki narekuje hitrost izmenjave podatkov. Pri vsaki periodi SCLK se zgodi naslednje: - gospodar pošlje sužnju en bit preko MOSI in suženj ga prebere, - suženj pošlje gospodarju en bit preko svoje linije MISO in gospodar ga prebere. Čeprav morda suženj nima za gospodarja nobenih podatkov, ampak le čaka na njegove ukaze, ali morda gospodar čaka na podatke od sužnja, je nujno, da se oba koraka branja in pisanja zgodita v vsakem ciklu ure SCLK, saj protokol SPI ne pozna koncepta»samo branje«oz.»samo pisanje«. V tem primeru lahko gospodar oz. suženj pošlje po vodilu poljubne bite, saj se ignorirajo. V vsakem ciklu se zgodita tako branje kot pisanje. Gospodar vedno pošilja urin signal, katerega frekvenca mora biti enaka ali manjša od maksimalne frekvence, ki jo podpira suženj. Pri protokolu SPI sta zelo pomembni polariteta in faza ure SLCK. Polariteta ure nam pove, ali je bazna vrednost signala ure 0 ali 1, kot opisuje slika 10. Če je polariteta 0, potem bo signal ure v stanju mirovanja, torej ko ni oddaje urnih pulzov, enak 0. Če je polariteta enaka 1, bo v stanju mirovanja signal SCLK enak 1.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 16 Slika 10: Prikaz faze pri protokolu SPI v odvisnosti od CPHA Faza oz. CPHA nam pove, v katerem trenutku se podatki zajemajo in pošijajo. Če je CPHA=0, potem se podatki zajemajo ob prehodu ure iz nizkega v visok nivo ter pošiljajo ob prehodu iz visokega v nizki nivo, pri CPHA=1 obratno. Pri ADS1298 znaša maksimalna frekvenca SCLK 20 MHz, najnižja načeloma ni predpisana, vendar je omejena s številom kanalov, ki jih zajemamo, ter hitrostjo vzorčenja. Če nastavimo frekvenco SCLK prenizko, se lahko zgodi, da bo naslednji vzorec pripravljen za branje, preden bomo do konca prebrali trenutnega, kar privede do izgube vzorcev. Pri diplomskem projektu smo uporabili kar maksimalno frekvenco 20 MHz in tovrstnih težav ni bilo. ADS1298 uporablja nastavitve CPOL=0 in CPHA=1, kar je znano tudi pod imenom SPI-način 1. V našem primeru mora gospodar, torej mikrokrmilnik PIC32MX, inicializirati vodilo SPI na ustrezne vrednosti, sicer komunikacija z ADS1298 ni možna, saj suženj ne more sam nastaviti parametrov za komunikacijo. Pri tem smo imeli kar nekaj težav, saj protokol SPI ni zelo natančno definiran, in potrebovali smo več poskusov, da smo uspeli najti pravilne nastavitve. Pri tem smo si pomagali z osciloskopom, s pomočjo katerega smo opazovali predvsem liniji SCLK ter MSIO. Pri protokolu SPI smo opazili še občutljivost na»odvečne«urine cikle na vodilu, če je npr. ob prenosu osmih bitov bilo poslano šestnajst SCLK ciklov namesto osem, kar je povzročilo, da je ADS1298 zašel v neznano stanje in komunikacija se je ustavila.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 17 To težavo smo odpravili s ponovno izbiro čipa, oz. preklopom linije CS, kar je povzročilo resinhronizacijo vodila SPI. Več o težavah pri izdelavi vezja je opisano v poglavju 5.1. Če bi vezje v celoti napajali iz baterij in bi bil cilj kar najmanjša poraba toka ter maksimalna avtonomija, bi bilo zniževanje frekvence ure za komunikacijo smiselno, vendar to presega zahteve te diplomske naloge. Pomembnejši registri Kot je razvidno iz preglednice 3, ima ADS1298 32 registrov. Vseh pri izdelavi diplomske naloge nismo potrebovali, saj smo uporabljali le manjši del funkcionalnosti vezja. Možnosti, kot so krmiljenje signala desne noge, zaznavanje slabega stika elektrod in uporaba osrednje priključne točke po Wilsonu, nismo uporabili, zato so spodaj opisani le najpomembnejši registri. Natančnejši opis najdete v tehnični dokumentaciji vezja [4].

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 18 Preglednica 3: Preglednica registrov ADS1298

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 19 Naziv registra: ID Naslov: 00h biti[7.. 5] vrnejo družino, kateri pripada vezje: 000 rezervirano, 011 rezervirano, 100 vezje pripada družini ADS129x, 101 rezervirano, 110 vezje pripada družini ADS129xR, 111 rezervirano; bit 4 vedno vrne 1; bit 3 vedno vrne 0; biti [2..0] vrnejo število kanalov naprave: 000 4 kanalni ADS1294 ali ADS1294R, 001 6 kanalni ADS1296 ali ADS1296R, 010 8 kanalni ADS1298 ali ADS1298R, 011 rezervirano, 111 rezervirano. V našem primeru smo morali iz registra ID prebrati vrednost 0x92, kar pravilno identificira vezje ADS1298. Branje identifikacijskega registra je bil prvi preprost test, ali vezje deluje pravilno. Več o testiranju vezja je zapisano v poglavju 5. Naziv registra: CONFIG1 Naslov: 01h bit 7 nastavitev visoke ločljivosti zajemanja ali varčnega načina. Če izberemo visoko ločljivost, znaša modulacijska frekvenca sigma-delta modulatorja f CLK /4, pri varčnem načinu pa f CLK /8:

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 20 0 varčni način, nižja ločljivost zajemanja, 1 visoka ločljivost zajemanja. Uporabljali smo visoko ločljivost; bit 6 kadar imamo več vezij ADS1298, omogoča marjetično povezovanje in usklajeno delovanje: 0 marjetično povezovanje omogočeno, 1 marjetično povezovanje onemogočeno. Te možnosti nismo uporabili; bit 5 omogoča preusmeritev internega oscilatorja na nožico CLK (torej izhod), pod pogojem, da je nožica CLKSEL povezana na logično enico. Ta možnost je uporabna za uskladitev ur med različnimi elektronskimi komponentami: 0 izhod oscilatorja na nožico CLK je onemogočen, 1 izhod oscilatorja na nožico CLK je omogočen; biti 4..3 morajo biti nastavljeni na 0; biti 2..0 nastavitev hitrosti vzorčenja analognih signalov v številu vzorcev na sekundo (ang. Samples per Second) SPS. Hitrost je odvisna tudi od bita 7, ki določa, ali vzorčimo v visoki ločljivosti ali varčnem načinu. Za naše potrebe je zadoščala hitrost 500 Hz in 1000 Hz v visoki ločljivosti. Opis bitov: BITI 2..0 vzorčevalna frekvenca pri visoki ločljivosti [k vzorcev/s] vzorčevalna frekvenca v varčnem načinu [k vzrocev/s] 000 32 16 001 16 8 010 8 4 011 4 2 100 2 1 101 1 0,5 110 0,5 0,25 111 se ne uporablja se ne uporablja

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 21 Naziv registra: CONFIG2 Naslov: 02h biti 7..6 morajo biti nastavljeni na 0; bit 5 shema rezanja WCT. Te možnosti nismo uporabili: 0 frekvenca rezanja je spremenljiva, 1 frekvenca rezanja je konstantna; bit 4 določi vir testnega signala: 0 - testni signal je zunanji oz. pripeljan na nožici TESTP_PACE_OUT1 ter TESTP_PACE_OUT2, 1 testni signal je interno generiran znotraj vezja; bit 3 mora biti nastavljen na 0; bit 2 določi amplitudo testnega/kalibracijskega signala: 0 amplituda znaša 1 mv, 1 amplituda znaša 2 mv; biti 1..0 določijo frekvenco testnega/kalibraciskega signala: 00 puls pri f CLK /2 21, kjer je f CLK frekvenca delovanja vezja in znaša 2,048 MHz, 01 puls pri f CLK /2 21, 10 ni uporabljeno, 11 enosmerna napetost. Naziv registra: CONFIG3 Naslov: 03h bit 7 določi, ali je interni izravnalnik referenčne napetosti vključen ali izključen. Ker smo uporabili interni generator referenčne napetosti, smo izravnalnik vključili: 0 izravnalnik je izključen, 1 izravnalnik je vključen; bit 6 mora biti nastavljen na 1;

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 22 bit 5 določi referenčno napetost VREFP, ki jo ustvari interni generator. Ker smo imeli napajalno napetost 3 V, smo za referenčno napetost lahko uporabili 2,4 V: 0 VREFP je nastavljen na 2,4 V, 1 VREFP je nastavljen na 5 V. Zahteva napajalno napetost vsaj 5 V; bit 4 omogoči merjenje RLD. Te možnosti nismo uporabili; bit 3 določi vir referenčnega signala RLD. Te možnosti nismo uporabili: 0 vir je zunanji, 1 vir je notranji; bit 2 določi stanje RLD izravnalnika. Te možnosti nismo uporabili: 0 RLD izravnalnik je izključen, 1 RLD izravnalnik je vključen; bit 1 določi zaznavanje slabega stika elektrod za RLD. Te možnosti nismo uporabili: 0 zaznavanje je izključeno, 1 zaznavanje je vključeno; bit 0 določi status RLD elektrod. Te možnosti nismo uporabili: 0 RLD je povezan, 1 RLD ni povezan. Naziv registra: CHnSET, kjer n označuje številko analognega vhodnega kanala od 1 do 8 Naslov: od 05h do 0Ch bit 7 določi, ali je kanal vključen ali izključen: 0 normalno delovanje, kanal je vključen, 1 kanal je izključen;. biti 6..4 določajo ojačanje programirnega ojačevalnika PGA: 000 ojačanje je 6, 001 ojačanje je 1,

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 23 010 ojačanje je 2, 011 ojačanje je 3, 100 ojačanje je 4, 101 ojačanje je 8, 110 ojačanje je 12; bit 3 vedno mora biti 0; biti 2..0 določi konfiguracijo vhodnega multiplekserja in posledično kateri signal bo pripeljan na vhod kanala. Vhodni multiplekser je podrobneje opisan v poglavju X: 000 normalen vhod elektrod, 001 vhod je kratko sklenjen. Uporabno za merjenje šuma ali enosmerne komponente napetosti, 010 uporabljeno za meritve RLD v povezavi z bitom RLD_MEAS. Te možnosti nismo uporabili, 011 na vhod se usmerijo napajalne in referenčne napetosti. Uporabno za preverjanje pravilnosti delovanja napajalnega dela vezja. Na kanalih 1, 2 in od 5 do 8 je napetost enaka (AVDD-AVSS)/2, na kanalih 3 in 4 pa DVDD/4, 100 temperatura internega senzorja, 101 testni signal pravokotne oblike, 110 nastavi pozitivno elektrodo kot krmilnik RLD. Te možnosti nismo uporabili, 111 nastavi negativno elektrodo kot krmilnik RLD. Te možnosti nismo uporabili. 3.3 Mikrokrmilniško vezje Za mikrokrmilniško vezje smo izbrali razvojno ploščico PIC32MX Ehtehernet Starter Kit podjetja Microchip. Omogoča hiter razvoj aplikacij, saj so na ploščici vgrajene vse elektronske komponente, ki jih mikrokrmilnik potrebuje za delovanje. Ker smo ADS1298 želeli povezati z razvojno ploščico po vodilu SPI, smo potrebovali dostop do posameznih nožic, zato smo uporabili še razširitveno ploščico Starter Kit I/O Expansion Board.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 24 Ta se poveže z razvojno ploščico s posebnim konektorjem proizvajalca Hirose Electric in omogoči dostop do skoraj vseh nožic. Razširitvena ploščica ima še dodatne stabilizirane vire napajanja 3,3 V, 5 V in 9 V, kar je bilo koristno pri testiranju vezja. Osnovne lastnosti razvojne ploščice PIC32MX Ehtehernet Starter Kit [10]: - zmogljiv mikrokrmilnik PIC32MX795F512L, - USB-mikrokrmilnik PIC32MX440F512H, ki omogoča razhroščevanje ter povezljivost z osebnim računalnikom, - vgrajeni kristalni oscilator s frekvenco 8 MHz, - vgrajena tri stikala in tri svetleče diode (ang. Light Emmiting Diode LED), ki jih lahko poljubno programiramo, - vtičnica RJ-45 ethernet, ki omogoča povezljivost po protokolu ethernet, - regulator napetosti 3,3 V, - priloženo razvojno okolje MPLAB IDE. Več o tem sledi v poglavju 5.1. Nekatere pomembnejše lastnosti mikrokrmilnika PIC32MX795F512L: - frekvenca ure: 80 MHz, - 512 kb pomnilnika za programe in 12 kb za zagonsko rutino, - 128 kb pomnilnika za podatke, - po 1 priključek USB, ethernet in CAN, - podpora za štiri SPI-module, - pet nožic za zunanje prekinitve, - šestnajst AD pretvornikov s hitrostjo vzorčenja 10 MHz, - interna oscilatorja za 8 MHz in 32 khz. Povezava ADS1298 in mikrokrmilnika PIC32MX Najprej smo z vodilom SPI povezali mikrokrmilnik PIC32MX in ADS1298. To smo opravili tako, da smo nožice SDI1, SDO1 in SCK1 iz mikrokrmilnika PIC32MX povezali z nožicami DIN, DOUT in SCLK pri ADS1298, kar je prikazano na sliki 11.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 25 Slika 11: Povezava elektronskih vezij ADS1298 in PIC32MX

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 26 Nožico RB14, ki je na na razširitveni ploščici označena kot PMA1, smo uporabili kot izbirno linijo, s pomočjo katere izbiramo ADS1298, RB15 (PMA0) pa smo uporabili kot prekinitveno linijo, s pomočjo katere ADS1298 sporoča mikrokrmilniku, da ima pripravljene podatke. Več o programskih rešitvah je opisano v poglavju 4.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 27 4 ZASNOVA PROGRAMSKE OPREME 4.1 Zahteve in specifikacije Programsko opremo lahko razdelimo na dva dela: pogramsko kodo znotraj mikrokrmilnika PIC32MX in programsko opremo na osebnem računalniku. Programska koda znotraj mikrokrmilnika mora skrbeti za konfiguriranje ADS1298, nadzor AD pretvorbe in prenašanje podatkov na osebni računalnik preko vmesnika USB. Programska oprema na osebnem računalniku mora zajete podatke prikazovati v realnem času, jih shraniti in po potrebi obdelati. Iz navedenih razlogov smo se odločili, da bomo uporabili tako lastne rešitve kot komercialne in odprtokodne programe, kot so matlab, realterm ter livegraph. 4.2 Programske rešitve Preden lahko ADS1298 začnemo uporabljati za vzorčenje signalov EKG, moramo opraviti inicializacijo ter s pomočjo pisanja v registre nastaviti konfiguracijo in zagnati pretvorbo, kakor je prikazano na sliki 12.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 28 Slika 12: Inicializacija in konfiguracija ADS1298 Za inicializacijo in konfiguriranje poskrbi mikrokrmilnik PIC32MX, ki po vodilu SPI pošlje ustrezne operacijske kode. Te ADS1298 razume in jih izvede. Opisane so v preglednici 4. Zaradi večje preglednosti in lažjega razumevanja bomo v nadaljevanju sledili diagramu in opisovali programske rešitve. Spodaj opisane operacijske kode smo v okolje MPLAB IDE vključili v obliki procedur. Uporabili smo programski jezik C++. V nadaljevanju so procedure zapisane v obliki psevdokoda.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 29 Preglednica 4: Operacijske kode ADS1298 ukaz opis prvi zlog drugi zlog WAKEUP prebudi vezje iz stanja pripravljenosti 0x02 STANDBY preide v stanje pripravljenosti 0x04 RESET ponovno zažene vezje 0x06 START zažene/sinhronizira AD pretvorbo 0x08 STOP ustavi AD pretvorbo 0x10 RDATAC začne neprekinjeno vzorčenje 0x0A podatkov SDATAC ustavi neprekinjeno vzorčenje 0x11 podatkov RDATA vzorčenje podatkov na 0x12 zahtevo RREG prebere n registrov začenši z 0b001r rrrr 000n nnnn registrom na naslovu r WREG piše v n registrov začenši z 0b010r rrrr 000n nnnn registrom na naslovu r

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 30 Osnovni psevdokodi za delo z vezjem ADS1298 Inicializacija ob vklopu 1. Počakamo 1 sekundo, da se napetost stabilizira. 2. Postavimo CLKSEL=1 ter počakamo, da se oscilator prebudi. 3. Postavimo priključka PWDN =1 ter RESET =1. 4. Počakamo 1 sekundo na reset ob vklopu. 5. Pošljemo ukaz RESET (0x06) ter počakamo vsaj 18 urnih period. Vezje se prebudi v načinu neprekinjene pretvorbe podatkov in s privzetimi vrednostmi registrov. Potrebna je konfiguracija registrov, ki je opisana v nadaljevanju. Pisanje registrov za konfiguracijo vezja Pogoj: vezje mora že imeti opravljeno začetno inicializacijo ob vklopu. Seznam registrov in njihove funkcije so natančneje opisani v poglavju 3.2. 1. Pošljemo ukaz SDATAC (0x11) za prenehanje neprekinjene AD pretvorbe. 2. Pošljemo dva 8-bitna zloga za ukaz WREG (Write REGister): (0b010r rrrr ter 0b000n nnnn), kjer r predstavlja začetni register, n pa za 1 manj, kot je število registrov, v katere bomo pisali. Primer: 0b01000001 0b00000000 zahteva pisanje v register št. 1 (CONFIG1). 3. Na vodilo SPI pošljemo n-1 zlogov, ki predstavljajo konfiguracijo registrov. Primer: 0b10000110 konfigurira register CONFIG1 oz. nastavi hitrost vzorčenja 500 vzorcev na sekundo. 4. Pošljemo ukaz RDATAC (0x12), ki ponovno zažene neprekinjeno AD pretvorbo.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 31 Branje zajetih podatkov Ko je ADS1298 v načinu neprekinjene konverzije, na vodilo SPI nepretrgoma pošilja podatke v naslednjem zaporedju: statusni register ter digitalne vrednosti vzrocev z vsakega posameznega analognega kanala od 1 do 8. Vzorci so dolgi 24 bitov, zato so prebrani podatki z vseh osmih kanalov dolgi 24 + 8 24 = 216 bitov. Stanje digitalnih linijah SPIvodila oz. soodvisnost signalov ob branju enega zajetega vzorca je prikazano na sliki 13. Slika 13: Branje enega vzorca preko vodila SPI Posamezni analogni kanal lahko s pisanjem v ustrezni register izključimo, vendar ostane izhodni format podatkov enak, prav tako dolžina, le da je vrnjena vrednost za izključeni kanal vedno 0. Četudi je kakšen kanal izključen, moramo vedno prebrati podatke v dolžini 216 bitov. 1. Pošljemo ukaz RDATAC (0x10), ki začne neprekinjeno branje vzorcev 2. for (i=0; i<9;i++) // statusni register+8 kanalov=9 for (j=0;j<3;j++) // vsak kanal ima tri zloge=24 bitov beremo z vodila SPI en zlog ADS1298 sporoči, da so podatki pripravljeni za branje, tako da postavi digitalni izhod DRDY na vrednost 0. Ta izhod smo uporabili kot prekinitveno linijo do mikrokrmilnika PIC32MX. Prekinitvena rutina (v nadaljevanju podrobeje opisana) prebere podatke iz ADS1298 preko vodila SPI.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 32 Branje registrov Pogoj: vezje mora že imeti opravljeno začetno inicializacijo ob vklopu. 1. Pošljemo ukaz SDATAC (0x11) za prenehanje neprekinjene AD pretvorbe. 2. Pošljemo dva 8-bitna zloga za ukaz RREG (0b001r rrrr ter 0b000n nnnn), kjer r predstavlja začetni naslov registra in n za 1 manj, kot je število registrov, ki jih bomo prebrali. Primer: 0b00100000 0b00000000 zahteva branje prvega registera ID (št. 0, ki vsebuje identifikacijsko številko za družino in vrsto vezja. Podrobnejši opis najdete v poglavju 3.3), 3. Preberemo n-1 zlogov z vodila SPI, ki predstavljajo vsebino registrov. Za zgornji primer bi bil vrnjen zlog 0x92, kar identificira čip ADS1298. Prekinitvena rutina za zajemanje podatkov Kot je že bilo opisano, ADS1298 preko nožice DRDY sporoči, da so vzorčeni podatki pripravljeni za branje. Nožico DRDY smo povezali z nožico RB15 na PIC32MX, ki je splošnonamenski vhod oz. izhod, katerega je možno programirati kot prekinitveno linijo, kar smo tudi naredili. Psevdokod za prekinitveno rutino: 1. počisti prekinitveno zastavico; 2. postavi nožico RB14, ki je povezana s CS na ADS1298, na 0; 3. prebere 216 bitov z vodila SPI; 4. pretvori surove podatke v napetost (podrobneje opisano v nadaljevanju); 5. pošlje prebrane podatke na vodilo USB (podrobneje opisano kasneje); 6. postavi nožico RB14 na 1; 7. izhod iz prekinitvene rutine.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 33 Rutina za prenos podatkov preko vodila USB na PC PIC32MX se z osebnim računalnikom povezuje preko vodila USB, vendar se računalniku predstavi kot navidezni komunikacijski kanal, ki posnema serijski priključek, t. i. virtualna serijska vrata (ang. virtual COM port). Na ta način je prenos poenostavljen, saj smo na osebnem računalniku za prebiranje in shranjevanje zajetih podatkov lahko uporabili odprtokodni program realterm [12]. Po priključitvi PIC32MX na vodilo USB je treba izvesti inicializacijo, prenesti opisnike za USB, ki PIC32MX predstavijo kot vitrualna serijska vrata, in nastaviti prekinitvene rutine za prenos podatkov. Po inicializiaciji se ob sproženi prekinitvi prične prenos zajetih podatkov. 4.3 Posebne rutine za obdelavo podatkov Pred prenosom podatkov iz PIC32MX na osebni računalnik smo podatke spremenilitako, da so njihove vrednosti ustrezale napetosti. Ker so podatki shranjeni v dvojiškem komplementu, smo jih najprej spremenili v desetiško obliko, nato pa izačunali napetost po naslednji formuli: kjer je U napetost v voltih, d pa podatek, ki lahko zavzame vrednosti od -2 23 do 2 23-1. Program za ogled podatkov na osebnem računalniku Program livegraph [12] je napisan v programskem jeziku java in omoča branje in izrisovanje podatkov iz tekstovnih datotek v realnem času. Program smo uporabili v kombinaciji s programom realterm, ki je opravljal vlogo shranjevanja podatkov, medtem ko je livegraph podatke izrisoval. Rešitev se je izkazala kot zelo uporabna.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 34 Primer izrisa je prikazan na sliki 14, na kateri so vidni utrip srca (z večjo amplitudo na sredini) ter izrazite motnje s frekvenco 50 Hz. Slika 14: Primer izrisa EKG-signala s pomočjo programa livegraph

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 35 5 PREVERJANJE STROJNIH IN PROGRAMSKIH REŠITEV 5.1 Funkcionalni preizkus Testiranje vezja je potekalo v več fazah. Najprej je bilo treba izdelati prototipno vezje, da smo lahko preizkusili osnovno delovanje, in nato vezje postopno izboljševati. Nekaj težav je predstavljalo dejstvo, da je čip ADS1298 pakiran v ohišje tipa TQFP (ang. Thin Quad Flat Pack) in ima 64 nožic, med katerimi je 0,5 mm razdalje. Ta vrsta ohišja omogoča večjo stopnjo integracije in posledično manjše vezje kot npr. ohišja tipa DIL (ohišje z dvovrstnimi kontakti, ang. dual in-line package). Ker je v takšnem vezju neposreden dostop do nožic nepraktičen, tudi neposredno spajkanje ni možno. Zato smo ga namestili na t. i. razširitveno ploščico (ang. breakout board), ki omogoča dostop do nožic preko standardnih priključkov z rastrom 2,54 mm (slika 15). Te smo nato preko ploščatih kablov povezali z običajno razvojno ploščico, na katero smo namestili vse potrebne pasivne komponente. Slika 15: ADS1298 je prispajkan na razširitveno ploščico

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 36 Preverjanje napajanja Najprej je bilo treba vezju zagotoviti napajalno napetost. ADS1298 ima ločena vira napajanja za digitalni in analogni del vezja. Digitalni del vezja deluje pri napetostih od 1,65 V do 3,5 V, analogni od 2,7 V do 5,25 V. Za začetek smo napajali tako analogni kot digitalni del vezja napajali z z dvema baterijama z napetostjo 1,5 V. Nato smo na prototipno ploščico povezali vse pasivne komponente, kot je prikazano na sliki X; to so predvsem ločilni kondenzatorji in kondenzatorji za tokovno črpalko v ADS1298. Sprva smo vezje priključili na baterijsko napajanje, ki je zagotavljalo 3 V za digitalni del ter +3 V in -3 V za analogni del vezja. Žal vezje ni delovalo, zato je sledilo iskanje vira napake. Preverili smo, ali je prišlo do kratekega stika med napajalnimi linijami, nato napajalne napetosti, vendar so vse meritve bile znotraj pričakovanih. Sledilo je merjenje izhodnih nožic z osciloskopom Textronix TDS1002. Ugotovili smo, da je linija DRDY konstantno na logičnem nivoju 1, torej ADS1298 ni oprvljal AD pretvorbe, kot bi moral. Na drugih izhodih nismo zaznali česarkoli nenavadnega, nobena digitalna linija ni pošiljala na izhod podatkov. Obstajala je še možnost, da ADS1298 ne pošilja podatkov na izhod, ker na vodilu SPI ni urinih impulzov SCLK, ki skrbijo za sinhronizacijo, ali da vezje pričakuje zunanji oscilator, ki bo zagotavljal urine pulze za vezje na nožici CLK. A tudi ko smo na vodilo pripeljali urine impulze, ni prišlo do izboljšave. Prišli smo do sklepa, da je mikroelektronsko vezje pokvarjeno, zato smo nov čip ADS1298 naspajkali na novo razširitveno ploščico. Napajanje ADS1298 smo priključili kar na napajalno linijo 3,3V z razvojnega modula PIC32MX, tako za analogni kot digitalni del. V tej konfiguraciji je vezje delovalo brez težav. To smo najprej opazili z osciloskopom na izhodu DRDY, kjer je bil prisoten pulz s frekvenco 250 Hz, s čimer je ADS1298 sporočal, da ima pripravljene podatke iz AD pretvorbe. Ponovno smo izmerili vse napajalne napetosti in na ta način potrdili, da je napajanje ADS1298 izvedeno pravilno.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 37 Preizkušanje komunikacije SPI Sledilo je povezovanje ADS1298 in PIC32MX preko vodila SPI. ADS1298 ima linije SPI poimenovane nekoliko nestandardno, zato smo povezave prikazali v preglednici 5. ADS1298 DOUT DIN SCLK PIC32MX MISO MOSI SCLK Preglednica 5: Povezava vodila SPI med PIC32MX in ADS1298 Potrebna je bila še povezava linije DRDY pri ADS1298 z večnamensko linijo RB15 pri PIC32MX in linije CS pri ADS1298 z linijo RB14 pri PIC32MX. Linije SS nismo uporabili, ampak smo se odločili za ročno oz. programsko krmiljenje CS preko linije RB15. Sledilo je programiranje mikrokrmilnika PIC32MX v okolju MPLAB. Najprej smo opravili inicializacijo vodila, izbrali frekvenco SCLK 20MHz, poslali inicializacijske nize na ADS1298 ter sproti na osciloskopu preverjali, ali na električnem nivoju vse deluje pravilno. Žal se ADS1298 ni odzival, saj je bila polarizacija ure napačno nastavljena. Opazili smo, da je privzeta dolžina besede za protokol SPI nastavljena na 32 bitov, ADS1298 je zahteval 8-bitno. Treba je bilo upoštevati še zakasnitev, ki mora preteči med časom, ko mikrokrmilnik izbere ADS1298 s pomočjo linije CS, in trenutkom, ko prične pošiljati urine impulze SCLK. Zakasnitev mora znašati vsaj 7 ns. K temu je treba dodati še čas od trenutka, ko mikrokrmilnik izda ukaz, npr. branje registrov, do trenutka, ko prične brati podatke z vodila. Ta znaša vsaj 4 urine periode. Napisali smo programske zakasnitev in uspešno smo prebrali register ID, ki je z vsebino 0x92 pravilno identificiral vrsto in družino čipa ADS1298.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 38 Uspešno branje je bilo šele prvi korak, saj je bilo treba zagotoviti še pravilno pisanje v ADS1298. Sprogramirali smo rutino, ki je v registre zapisala izbrano vsebino, nato registre prebrala in vsebini primerjala. Do sprememb ni prišlo, torej je bila zapisana vsebina enaka prebrani. Hoteli smo še test, ki bi na električnem nivoju potrdil delovanje vezja, zato smo nastavili peti bit v registru CONFIG1, kar od AD1298 zahtevala, naj vklopi interni oscilator ter impulze usmeri na izhodni priključek CLK, hkrati pa nastavili priključek CLKSEL na 1, tako da smo dovoli izhod na CLK. Z osciloskopom smo na izhodu CLK izmerili pravokotni signal s frekvenco 2 MHz in tako potrdili pravilnost delovanja pri branju registrov in pisanju v njih po protokolu SPI. Preverjanje AD pretvorbe ADS1298 ima vgrajen interni generator testnih signalov, ki ga lahko uporabimo pri preverjanju delovanja celotnega sistema. Nastaviti je možno amplitudo in frekvenco. S pomočjo vhodnega multiplekserja lahko testni signal preusmerimo na poljubni analogni vhodni kanal ali pa ga preusmerimo na zunanja priključka TESTP_PACE_OUT1 in TESTN_PACE_OUT2. Na ta način lahko ob vklopu naprave preverjamo pravilnost delovanja tako ADS1298 kot morebitnih zunanjih komponent, kar je dobrodošla možnost. V diplomskem projektu nismo preverjali zunanjih naprav. Preizkušali smo tako, da smo register CONFIG2 nastavili na vrednost 0x10, torej vklopili interno generiranje testnega signala s frekvenco 0,97 Hz ter in z amplitudo 1 mv. Izris podatkov je pokazal pravilno pravokotno obliko signala, le na nekaterih delih je bilo opaziti rahel šum, kar smo pripisali motnjam s frekvenco 50 Hz iz električnega omrežja. Sledilo je preverjanje osnovnega šuma vezja in enosmernega odmika napetosti, ki smo ga izvedli tako, da smo s pomočjo vhodnega multiplekserja interno kratko sklenili pozitiven in negativen priključek pri prvem kanalu ter nastavili ojačanje PGA na 1. V register CH1 smo zapisali vrednosti 0x11 in vzočili signal s frekvenco 500 vzorcev/s pet sekund, torej smo zajeli 2500 vzorcev. Iz podatkov smo izračunali odmik enosmerne komponente napetosti, ki je znašal 4,05708 10-4 V, in koren povprečja kvadratov (ang. Root Mean Square), ki je znašal 2,06 10-6 V, kar se ujema s specifikacijami proizvajalca [4].

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 39 Z opisanimi preizkusi in zračuni smo potrdili, da AD pretvorba deluje pravilno in da je nivo šuma znotraj specifikacij proizvajalca. Test z baterijo oz. virom enosmerne napetosti Na koncu smo izmerili še enosmerni vir napetosti, za kar smo uporabili kar baterijo z napetostjo 1,5 V. Meritev je pokazala napetost 1,6504 V, kar smo potrdili še z multimetrom. Nato smo elektrodi na bateriji zamenjali in meritev je pokazala -1,65 V. 5.2 Prikazi meritev signalov EKG v nestandardnih odvodih Prve meritve so bile precej frustrirajoče, saj je bilo v zajetih podatkih videti le šum. Po dolgotrajnem iskanju napake smo opazili, da vezje ADS1298 ni bilo pravilno ozemljeno, saj ni imelo skupne mase z mikrokrmilnikom. Po odpravi napake se je šum nekoliko zmanjšal, vendar še vedno nismo uspeli posneti signala EKG. Za elektrodi smo uporabili žice različnih debelin, ki smo jih prijeli med prste, zato smo pomislili, da je morda vzrok težavam slab stik med kožo in elektrodami. Prste smo nato omočili s fiziološko raztopino, ki je izboljšala prevodnost, saj vsebuje proste ione, vendar rezultat ni bil bistveno drugačen. Nato smo se lotili lastne izdelave elektrode, za kar smo uporabili kar bakrene kovance za 5 centov, na katere smo prispajkali priključke za žice. Elektrode smo dodatno obdelali v blagi citronski kislini, ki je odstranila vrhnjo plast oksidacije, saj ta poslabša prevodnost bakra. Ponovno smo uporabili fiziološko raztopino, kazalca leve in desne roke naslonili na elektrode in se lotili meritev. Meritev tudi tokrat ni bila uspešna. Po ponovnem premisleku smo sklepali, da je možen vir šuma napajalnik prenosnika, ki je priključen na omrežno napetost 220 V. Prenosnik smo izključili iz omrežja in ADS1298 napajali iz dveh baterij z napetostjo 1,5 V. Šum je bil bistveno nižji. Razliko pripisujemo stikalni arhitekturi napajalnika za prenosnik, ki je neprimerna uporabo v občutljivih analognih vezij. Po nekajurnem preizkušanju nam je končno prvič uspelo izmeriti signal EKG, ki je prikazan na sliki 16. Kot smo kasneje ugotovili, je bil predpogoj za merjenje EKG-signala popolno mirovanje, saj je vsako gibanje generiralo elektromiografsko napetost predvsem pa šlabše stike med kožo in elektrodami, zato so motnje preglasile signal.

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 40 Ker meritve nismo uspeli zanesljivo ponoviti, smo idejo o bakrenih elektrodah opustili in uporabili elektrodi znamke RedDot proizvajalca 3M, s pomočjo katerih smo brez težav opravili nadaljnje meritve. Pri naslednjem poizkusu smo elektrode postavili na levo in desno ramo. Rezultat je bil podoben kot pri meritvah na prstih in je prikazan na sliki 17. Slika 16: Meritev signala EKG z bakrenimi elektrodami, na katere so pritisnjeni prstikazalci Slika 17: Meritve signala pri elektrodah na levi in desni rami

Meritve nestandardnih odvodov signalov EKG Stran 41 Nato smo elektrodi poskušali nastaviti na komolec in zapestje desne roke ter izvesti meritev, vendar smo zaznali le prekomerni šum 50 Hz, kot je prikazano na sliki18. Slika 18: Meritve signala pri elektrodah na komolcu in zapestju desne roke Meritev smo nato filtrirali v matlabu s pomočjo Butterworthovega filtra sedmega in petega reda ter lomno frekvenco 5 in 10 Hz, vendar signala EKG nismo zaznali. Slika 19: Meritev kratkotrajnega stika leve in desne roke z elektrodama