手頃な価格のオープンソースECGおよび呼吸測定システムであるBiosignalPI

3.1。組み込みプラットフォーム

過去10年間で、マイクロエレクトロニクスの開発により、より小さく、より速く、より手頃な計算プラットフォームが提供されてきました。柔軟性がBiosignalPIの主な制約であるため、選択した組み込みプラットフォームは、ハードウェアとソフトウェアのモジュール開発の可能性を提供するはずです。モジュール式のハードウェア開発は、Arduinoプロジェクトで行われているようにマイクロコントローラーベースのシステムで行うことができます[11]。ただし、Linuxなどのオペレーティングシステムに基づくシステムは、より高度な柔軟性を提供できるため、マイクロコントローラーのファームウェア開発と比較して、この種の開発に適しています。いくつかのコンパクトなシングルボードコンピューターが導入され、過去5年間で人気を博しています。ラズベリーPI（RPI）とビーグルボーンブラック。このプロジェクトでは、ARMプロセッサを搭載したクレジットカードサイズのシングルボードコンピュータであるRPI [12]が選択されました。図1を参照してください。RPIはRaspberryFoundationによって開発されました。競合他社よりもRPIを選択した主な理由は、手頃な価格と、膨大な量のプロジェクト、シールド、チュートリアルを備えた活発なオープンソースコミュニティでした。

RPIには3つのモデルがあります。 A、B、最近はB +。すべてのモデルが同じCPUとGPUを使用しますが、違いはRAMサイズとポートにあります。当初は手頃な価格のコンパクトなコンピューターとして設計されており、コンピューターサイエンスの研究で学生をサポートしています。ただし、汎用入出力ポート（GPIO）の存在により、多くの組み込みプロジェクトの開発に人気のあるプラットフォームになりました。このプロジェクトで使用されるタイプのモデルBは、イーサネットポート、2つのUSBポートと1つのHDMIポート、オーディオおよびビデオ出力を提供します。 700 MHzのCPU、GPU、512 MBのRAM、SDカードスロットを備えています。 RPIは、RaspbianなどのいくつかのLinuxディストリビューションをサポートしています。 RaspberryPIハードウェア用に最適化されたDebianベースのディストリビューション。 Linuxオペレーティングシステムで実行されるため、プログラミング言語はとにかく制限されていませんが、Python、C / C ++、およびJavaがRPIコミュニティで最も人気があります。最近、RPIはSimulinkでもサポートされており、コーディングせずに組み込みプログラミングの概念を学習する新しい方法が可能になります[13]。 LighttpdやApacheなどの軽量Webサーバー、特定のアプリケーション用のSQLite、MySQLなどのデータベースサーバーを簡単にセットアップできます。

3.2。心電図および胸腔生体インピーダンスアナログフロントエンド

前述のように、ECGおよび呼吸モニタリングシステムは、BiosignalPIの開発における最初の例として選択されています。呼吸は、生体インピーダンスの測定を介して、つまり胸部に小さな電流を注入し、対応する電圧降下を感知することによって記録できます。吸入中、胸部は拡張し、空気が肺を満たすと、電流の導電性表面が増加するにつれて生体インピーダンスが増加します。呼気中、生体インピーダンスは再び減少します[14]。 ECGと胸腔の生体インピーダンスの取得は、個別の電子部品のみの使用から完全に統合されたアナログフロントエンドまで、いくつかのアプローチを通じて行うことができます。統合されたフロントエンドは、サイズと消費電力を削減するだけでなく、リードオフ検出やAAMI EC11、AAMI EC38、IEC 60601-1、IEC60601-2-などの医療規格への準拠などの幅広い追加機能も提供します。 25、IEC60601-2-27およびIEC60601-2-51。 ECGフロントエンドの主な競合相手は、Analog DevicesのADAS1000-X [15]とTexasInstrumentsのADS129X [16]です。どちらのシリーズもほぼ同等の仕様です。 ADS1298は、1つのチップで8チャネルのECG信号を提供でき、最大5チャネルのADA1000と比較して、よりコンパクトでわずかに安価な12リードECGデバイスの開発に適しています。それにもかかわらず、主にADS1298RがNFBGAパッケージでのみ利用可能であるため、ADAS1000（ADAS）がこの作業で選択されました。プロトタイピングでは手動での取り付けが重要になる可能性があり、ADASのLQFPパッケージはNFBGAパッケージよりもはるかに扱いやすいです。

ADASは、最大128 kHzのサンプルレートを提供でき、携帯型の電池式デバイス、ベッドサイドの患者モニタリング、携帯型テレメトリ、および家庭用モニタリングシステムに適しています。 ADASチップをギャングモードで使用して、より多くのECGチャネルを提供できます[15]。この作業では、1つまたは2つのADAS1000BSTZ（つまり、すべての機能を含む5チャネルバージョン）をマスターおよびオプションのスレーブとして使用して、バージョンAおよびBでそれぞれ8〜12リードのECGを提供します。または、より手頃なバージョンのADAS1000-2BSTZをスレーブチップとして使用することもできます。このチップはLQFP64ピンパッケージで使用されます。図2を参照してください。LQFP64パッケージの手動はんだ付けは比較的難しく、ある程度の経験と高度なはんだ付けスキルが必要です。

通常、12リードECGは9つの電極と右脚ドライブ（RLD）を使用します。手足に接続された3つの電極。右腕（RA）、左腕（LA）、左脚（LL）、およびV1-V6という名前の残りの6つの電極は、胸の明確な位置に配置されます。表1は、典型的な12リードECGシステムの構成をまとめたものです。 aVR、aVL、およびaVFリードの計算は、ADASによって行われるのではなく、後続の処理の一部として計算する必要があります。 V1およびV2チャネルは、ECG入力として、または他の測定を実行するための補助入力として機能するように構成できます。