Преимущества цифровой передачи ЭКГ

Значительно более серьезные трудности обусловлены собственно передачей сигнала по линии, которая проектировалась совсем для других целей. Поясним: полоса пропускания телефонной линии (вместе с телефонным аппаратом) ограничена снизу именно в том диапазоне, в котором и находится сигнал электрокардиограммы. Поэтому исторически сложился следующий способ передачи: ЭКГ сигнал модулирует частоту несущей, которая находится в полосе пропускания линии. Демодулятор на приемном конце преобразует частотно модулированный сигнал в обычную ЭКГ. Такое решение на определенном этапе развития техники было совершенно оправданным и, конечно, правильным. Однако этот способ передачи также не свободен от многих недостатков, с которыми приходилось мириться. Основные недостатки таковы:

 
В первую очередь - передача с помощью ЧМ есть аналоговая передача, которая по определению ухудшает соотношение сигнал/шум в переданной электрокардиограмме. Т.к. это положение скрывается в рекламе фирм, производящих транстелефонные электрокардиографы, рассмотрим ситуацию несколько подробнее. Примем к сведению, что телефонная линия имеет ненулевой уровень собственных шумов. Кроме того, в ней присутствуют разнообразные виды эхо-сигналов, фазовое дрожание частоты несущей, помехи, связанные с сетевой наводкой и целая группа других паразитных эффектов. Дополнительно необходимо учитывать изменение коэффициента передачи линии с течением времени, что связано с третьим состоянием механических соединителей. Это означает, что помехи являются не только аддитивными, но и мультипликативными. Крайним случаем мультипликативной помехи со стопроцентной глубиной модуляции будет кратковременный разрыв связи, что также не редкость, особенно на отечественных линиях. Не будем приводить доказательств, что линия может сделать все, что угодно, просто примем это утверждение в качестве предела, к которому стремится результат по мере увеличения выборки (количества передач ЭКГ).

 
В то же время соотношение сигнал/шум при ЧМ передаче тем лучше, чем больше величина девиации  частоты несущей. Это означает, что весьма малым отклонениям пера электрокардиографа соответствуют большие изменения частоты.

 
Но телефонная линия имеет ограниченную полосу пропускания. И обеспечить девиацию частоты несущей выше определенного предела с учетом требуемого динамического диапазона сигнала ЭКГ невозможно. Поэтому принимается некоторое типичное значение девиации 40 или 100 Гц/мВ.
В результате, вклад шумов телефонной линии в сигнал ЭКГ будет определяться некоторым коэффициентом, величина которого детерминирована алгоритмом работы системы. Проще говоря - если в телефонной линии есть шум, помеха и т.п., то они с этим коэффициентом будут добавлены к переданной электрокардиограмме. И никакая фильтрация не сможет полностью разделить истинный сигнал и добавленную к нему помеху т.к. они существуют одновременно в одном канале связи и их спектры частично перекрываются.

 
При этом совершенно неважно, с каким качеством регистрирует ЭКГ периферическое устройство. Даже при идеальном усилении и оцифровке в передающем устройстве электрокардиограмма на приемном конце системы будет загрязнена шумами, просочившимися в сигнал из телефонной линии. Это положение не действует  в единственном случае - если телефонная линия идеальна. Но, как говорил академик Моисеев: "ничего оптимального в природе нет, разве что миниюбка на максиж..е - максимум эффекта при минимуме затрат".

 
С учетом реального положения с телефонными линиями (особенно на постсоветских просторах) можно понять, почему импортные приборы (а все они используют такой метод передачи) не слишком распространены в нашем телефонном пространстве - в лучшем случае работают два раза из трех. В "цивилизованных" странах телефонные линии много лучше, поэтому таких проблем и не возникает. В нашем же случае (по закону Мерфи) самый тяжелый инфаркт случится в отдаленном селе с самой отвратительной телефонной линией. И доктор, который должен принять решение, не будет слушать рассказов о просачивании шумов линии, особенностях модуляции и т.п.
Оптимисты, впрочем, полагают, что все эти проблемы уже  в прошлом, и связаны только с древностью технических решений, а современная цифровая передача с помощью стандартных модемов решает абсолютно все вопросы, и говорить здесь не о чем. Блажен, кто верует, тепло ему на свете, но на наших телефонных линиях иногда и простое получение электронной почты - проблема.

 
Есть и еще один очень важный критерий. Для реальной работы необходим "однозвонковый" вариант аппаратуры. Т.е. поговорили, передали электрокардиограмму, проконсультировали, и все это в пределах одного звонка, без всяких переключений, настроек, наборов номера и т.п. Это требование реальной ургентной работы. 
Таким образом, наилучшим для доктора вариантом следует признать отработанную систему  передачи ЭКГ по акустическому каналу, но с цифровой передачей. Только в этом случае будут решены вопросы простоты и универсальности при отсутствии помех, обусловленных низким качеством телефонной линии.

 
Такое требование легко выдвинуть, но трудно выполнить. В первую очередь потому, что требуется разработка специализированного модема с исключительно высокой помехоустойчивостью, способного работать при низких соотношениях сигнал/шум и повышенных сопротивлениях линии. Кроме того, требование передачи по акустическому каналу мобильной связи требует корректного прохождения формируемого прибором цифрового сигнала через вокодер, который невозможно отключить. И, конечно, самое неприятное заключается в том, что вследствие задержки, обусловленной вокодером, невозможно обеспечить квитирование при передаче, допустимым является лишь чистый симплекс.

 
Однако, реализация всех этих требований позволяет получить результат, не слишком отличающийся от желаемого. Единственное, чем пришлось пожертвовать при разработке прибора - скорость передачи. Так как положения Шеннона отменить невозможно (несмотря на развитие цифровых технологий), скорость передачи отстает от реального времени. Передача одной 12-канальной 20-секундной электрокардиограммы занимает около полутора минут. Это время, по мнению пользователей, можно признать допустимым.

 
Разумеется, компетентный инженер обнаружит погрешность в этих рассуждениях - не рассмотрен вопрос об эффективности компандера, и вообще умалчивается о его применении в описываемой системе. Вопрос важный. Так как компандирование ЭКГ допустимо только в неискажающем варианте, ничего подобного стандартному косинусному преобразованию или, упаси боже, вейвлету, применять нельзя. Доктор за один искаженный  дополнительный пик на электрокардиограмме может с полным основанием предъявить очень серьезную претензию. Поэтому было принято решение использовать адаптивную дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию и ничего более. Недостатки сжатия трансформировались в повышенное время передачи и, в сущности, - все.
Рассмотрим некоторые технические аспекты такого решения более подробно. Подключим к реальной телефонной линии системы аналоговой и цифровой передачи и сравним получаемые результаты.

 
Будем считать, что на идеальной или просто очень хорошей линии приборы работают примерно идентично. Но для моделирования всех возможных помех необходимо исследовать такое множество вариантов, что объем работы, станет запредельным. Поэтому ограничимся помехой в виде аддитивного белого гауссова шума (АБГШ и кратковременным разрывом линии. Предварительно просмотрим осциллограммы реальной телефонной линии при подаче частотно модулированных и цифровых сигналов.

 

Рис.1 Качественная телефонная линия в режиме молчания (слева), линия с аддитивным белым шумом, обусловленным пределом дальности действия радиотелефона (справа).

     

Рис.2 Аналоговая ЧМ передача ЭКГ по телефонной линии  (слева) и цифровая передача в формате "Телекард" (справа).

  

Рис.3 Частотные искажения при передаче, обусловленные нелинейностью АЧХ тракта радиотелефон/телефонная линия (слева)  и нелинейные искажения на линии и перерыв передачи (справа).

 
Разумеется, осциллограммы телефонной линии не дают полного представления о процессах, происходящих во время передачи. Поэтому для более детального анализа используем специальную программу цифрового осциллографа и спектроанализатора реального времени.
 

Рис. 4. Передача ЭКГ  в формате "Телекард" из Кливленда (США) в Харьков. Благодаря хорошим каналам телефонной связи практически отсутствуют искажения в линии, спектр тональных посылок  имеет один легко обнаруживаемый максимум. (На рисунке: график сверху - осциллограмма телефонной линии, справа - спектроанализатор, работающий в режиме сжатых спектральных областей, снизу - индикатор уровня сигнала в линии, дешифрованная ЭКГ - в центре).

 

 

Рис 5. Передача ЭКГ по каналам мобильной связи с выходом на городскую АТС г. Киев, Украина.

 
Обратите внимание на искажения на осциллограмме и результаты спектрального анализа. Тем не менее, в формате "Телекард" ЭКГ передается без сбоев.
Рассмотрим приближенную к реальной ситуацию: уровень шума в линии недопустимо высок, и на время 0.3 секунды связь прервалась вообще. Подключим к данной линии цифровую ("Телекард") и аналоговую системы передачи ЭКГ по телефону. Результаты представлены на следующей иллюстрации.

 

Рис. 6. Принятая ЭКГ в аналоговом формате передачи данных (стрелкой отмечен момент перерыва связи). Высокочастотный шум подавлен специальными фильтрами, которые рекламируются как последнее слово в транстелефонной ЭКГ многими фирмами.

 

Рис. 7. Та же электрокардиограмма. Цифровой формат передачи. Отмеченный стрелкой разрыв связи компенсирован системой коррекции данных.

 

В заключение можно, конечно, сообщить, что цифровая система демонстрирует значительные преимущества перед аналоговыми. Однако, такой вывод сродни утверждению "Волга впадает в Каспийское море". Наиболее существенное замечание будет звучать несколько иначе - данная цифровая система передачи ЭКГ обеспечивает неискаженную передачу электрокардиограммы и удовлетворяет диагностическим требованиям врача.

 
В настоящее время по оценке международных экспертов в области транстелефонной электрокардиографии, "Телекард" является единственной системой в мире, способной работать в цифровом режиме по любым голосовым каналам связи, обеспечивая качество ЭКГ пациентов, не уступающее серийным образцам стационарной электрокардиографической аппаратуры. При этом не требуются ни карманные компьютеры, ни коммуникаторы, ни модемы.

 
Разумеется, разработанные технологии позволяют использовать для передачи ЭКГ любые устройства голосовой связи - радиотелефоны, мобильные телефоны, радиоудлинители, радиостанции любого частотного диапазона, а самое главное - любые сельские коммутаторы.

---