Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время, несмотря на интенсивное развитие электронных и компьютерных технологий в ряде областей народного хозяйства не хватает приборов, которые удовлетворяют требованиям потребителя и имеют доступную цену. Не составляют исключения и такая область науки как медицина, которой отведена первостепенная роль в жизни общества.

По состоянию медицинского приборостроения наша промышленность значительно отстает от ведущих фирм производителей данной техники. Медицинские учреждения испытывают потребность в кардиографах, рентгеновском оборудовании и других приборах. Практически отсутствует аппаратура для исследования функций вестибулярного аппарата для больниц областного и районного уровней, результатом чего является неуклонная динамика роста заболеваний в данной области.

Все больше ученых приходит к мнению о том, что несовершенство методик исследования вестибулярной системы связано не со сложностью строения вестибулярной системы, а с несовершенством самой методологии исследования, основанной на количественной оценке вестибуло-соматических, вестибуло-сенсорных и вестибуло-вегетативных реакциях.

Целью данного дипломного проекта является анализ устройств нистагмографии и построение на их базе прибора для диагностики вестибулярного аппарата, который был бы ориентирован на отечественного потребителя медицинских услуг, в частности в дипломном проекте разрабатывается усилитель биопотенциалов а так же устройство для преобразования и хранения информации их схемотехническое и конструкционное решение.

1. Исследование вестибулярного анализатора

нистагмография прибор диагностика вестибулярный

План обследования больного с подозрением на патологию вестибулярного анализатора включает следующие мероприятия:

1. Выявление типичных жалоб (головокружение, тошнота, рвота, нарушение походки).

2. Выявление спонтанного нистагма.

3. Проведение указательных проб.

4. Выявление адиодохокинеза.

5. Исследование походки.

6. Испытание в позе Ромберга.

7. Проведение калорической, вращательной, отолитовой и фистульной проб.

Нистагм - быстро повторяющиеся движения глазных яблок (дрожание глаз).

Вестибулярный нистагм имеет важное значение для топической диагностики и отражает динамические изменения, происходящие в ЦНС и на периферии. Нистагм можно исследовать у больного независимо от тяжести состояния, даже в коме.

Посредствам вестибулоглазодвигательных связей, происходящих в заднем продольном пучке, вестибулярные импульсы достигают глазных мышц. Таким образом, происходят рефлекторные сочетанные отклонения глаз в результате чего направления взгляда не меняется при перемене положения головы, осуществляется нистагмом и компенсаторная установка глаз. Механизм вестибулярного нистагма тесно связан с механизмом движения глазных яблок. Эта связь осуществляется через сложную систему заднего продольного пучка. Часть его волокон связывает систему вестибулярных ядер с ядрами глазодвигательного и отводящего нервов.

Вестибулярный нистагм подразделяют на спонтанный, который всегда является признаком патологического процесса на любом участке рефлекторной дуги, осуществляющей вестибулярный нистагм, и искусственно вызванный, выявляемый при помощи калорической пробы или вращения [1].

Выявление спонтанного нистагма. Для выявления спонтанного нистагма сидящий перед врачом больной фиксирует взгляд на пальце врача, находящемся на расстоянии 30 см. Больного просят следить за перемещением пальца врача в разные стороны и в разных плоскостях, не поворачивая головы. При раздражении лабиринта или при поражении мозжечка, области задней черепной ямки возникает непроизвольное быстрое перемещение глазных яблок -- спонтанный нистагм.

Вестибулярный нистагм в отличие от других типов спонтанного подергивания глазных яблок имеет две скорости: в одну сторону глазные яблоки смещаются быстро (быстрый компонент), в противоположную -- медленнее (медленный компонент). Быстрый компонент нистагма указывает, на какой стороне находится перераздраженный лабиринт.

Различают три степени нистагма: I степень -- нистагм появляется при взгляде в сторону перераздраженного лабиринта; II степень -- нистагм появляется не только при взгляде в сторону перераздраженного лабиринта, но и сохраняется при взгляде прямо; III степень - нистагм наблюдается при взгляде в сторону «здорового» уха, т. е. в сторону медленного компонента нистагма.

Нистагм бывает мелко-, средне- и крупноразмашистым.

По плоскости нистагм бывает горизонтальным, вертикальным, ротаторным -- в зависимости от плоскости, в которой находится раздраженный полукружный канал.

Помимо спонтанного нистагма, можно исследовать искусственно вызванный, экспериментальный нистагм, который также характеризует состояние рецепторного аппарата полукружных каналов и преддверия.

Пальце-носовая проба. Сидящий перед врачом испытуемый разводит в стороны руки и сначала при открытых глазах, а затем при закрытых старается дотронуться указательными пальцами рук до кончика своего носа. В случае перераздражения правого лабиринта больной будет промахиваться обеими руками влево, и сторону медленного компонента нистагма. При раздражении левого лабиринта больной промахивается обеими руками в сторону правого уха.

В отличие от поражения лабиринта при патологии в задней черепной ямке промахивание будет только одной рукой, соответствующей стороне локализации процесса в задней черепной ямке [1].

Пальце-пальцевая проба. Сидящий перед врачом испытуемый держит руки на своих коленях. Врач держит руки над руками испытуемого, указательные пальцы врача выставлены вперед. Испытуемый, поднимая с колен руки. с открытыми глазами старается дотронуться своими указательными пальцами указательных пальцев врача. Затем это же движение испытуемый выполняет с закрытыми глазами. В норме промахивания не бывает, а при патологии одного из лабиринтов испытуемый будет обеими руками промахиваться в сторону медленного компонента нистагма. При патологии в задней черепной ямке наблюдаются промахи только одной рукой, соответствующей стороне очага поражения.

Испытание устойчивости в позе Ромберга. Испытуемый стоит, плотно сомкнув носки и пятки, обе руки вытянуты вперед, пальцы растопырены, глаза сначала открыты, затем закрыты. При выключении зрительного контроля определения положения тела в пространстве перераздраженный лабиринт будет направлять неодинаковые импульсы к скелетной мускулатуре, и это приводит к характерным изменениям положения тела.В случае перераздражения правого лабиринта руки испытуемого и его туловище будут отклоняться влево, он может занять позу «дискобола».

Исследование походки. В силу тех же причин изменяется походка испытуемого. В пустом помещении испытуемый с закрытыми глазами и вытянутыми вперед руками должен пройти по прямой линии. В случае перераздражения правого лабиринта больной отклоняется влево.

Фланговая походка. С закрытыми глазами испытуемый двигается в стороны, постепенно приставляя одну ногу к другой. При поражении лабиринта фланговая походка не нарушается, тогда как при поражении моз-жечка она бывает невыполнима в сторону очага поражения.

Калорическая проба

а - положение головы больного при проведении пробы, б--положение ампул наружных (горизонтальных) полукружных каналов по отношению к простой ножке канала. Стрелки указывают движение эндолимфы.

Искусственная нагрузка на лабиринт. Калорическая проба (1.1 ). Принцип калорической пробы основан на физическом свойстве молекул жидкости перемещаться вверх или вниз под влиянием согревания или охлаждения данной жидкости [1]. Например, чтобы исследовать латеральный полукружный канал, необходимо придать голове испытуемого такое положение, чтобы ампула этого канала была вверху по отношению к гладкому концу канала. В этом случае молекулы эндолимфы будут подниматься кверху и отклонять прозрачный купол в сторону преддверия (при согревании эндолимфы) или опускаться в сторону гладкого конца полукружного канала и отклонять прозрачный купол также к гладкому концу полукружного канала (при охлаждении эндолимфы).

В первом случае нистагм возникнет в сторону испытуемого уха, во втором -- в сторону противоположного уха, поэтому для проведения калорической пробы необходимо запрокинуть голову испытуемого назад (для исследования латерального полукружного канала), наклонить голову к противоположному от испытуемого уха плечу (для исследования заднего полукружного канала).

Жидкостью, вызывающей охлаждение или согревание эндолимфы, может быть вода, вводимая в наружный слуховой проход (холодная --ниже температуры тела, горячая--выше). Обычно используют заведомо холодную и горячую жидкость температуры 30--44 °С. Жидкость в количестве 100 мл вводят по задневерхней стенке обычно в течение 20 с. Калорический нистагм в норме может появиться через 5--10с, наблюдаться в течение 60-- 120с. Необходимо сравнение реакции лабиринтов с обеих сторон. Нистагм может быть более длительным, что свидетельствует о перевозбуждении лабиринта, или укороченным при его угнетении [1].

Вращательная проба. Эта проба вызывает более резкую нагрузку на лабиринт. На специальном кресле с ручным или электрическим приводом вращают испытуемого с такой скоростью, чтобы кресло сделало 10 оборотов в течение 20с. Затем резко останавливают кресло, что влечет за собой толчок эндолимфы в одном лабиринте в сторону преддверия, в другом -- от преддверия к гладкому концу канала. Регистрируется «поствращательный» нистагм, который характеризуется направлением (вправо, влево), степенью (1---Ш), скоростью (быстрый, медленный), амплитудой (мелко , средне- и крупноразмашистый), временем, в течение которого он наблюдается, а также отклонение туловища, вегетативные реакции. которые сопровождают нистагм (1.2 ).

Исследуемый сидит в стуле с поручнями, голова наклонена книзу на 30° так, чтобы латеральные полукружные каналы с обеих сторон находились в плоскости вращения.

Механизм возникновения поствращательного нистагма

П - правый лабиринт; Л - левый лабиринт

Кресло начинают вращать справа налево. В начале движения эндолимфа в правом канале «отекает» из ампулы и увлекает за собой прозрачный купол, также отклонив его в сторону гладкого конца латерального полукружного канала. Фиксируемый в этот момент нистагм направлен в сторону левого уха, так как в левом ухе толчок эндолимфы направлен к ампуле, а в правом--от ампулы. По законам, сформулированным Эвальдом (1892), следует, что быстрый компонент нистагма бывает направлен в ту сторону, где эндолимфа движется к преддверию (ампулофугально) [1]. Отток эндолимфы от преддверия вызывает нистагм в противоположную сторону (ампулофугально). Если после 10 равномерных вращений кресла резко остановить его движение и попросить исследуемого выпрямиться и следить за указательным пальцем врача, то можно видеть подергивание глазных яблок вправо. Это происходит потому, что эндолимфа в правом лабиринте, набрав скорость движения после остановки кресла, по инерции будет продолжать движение в правом ухе в сторону ампулы, а в левом ухе -- от ампулы. Происходит суммирование реакций, наблюдается поствращательный нистагм вправо.

Через пять минут отдыха проводится вращение слева направо, и нистагм будет направлен влево. Симметричность или асимметричность реакций по всем показателям даст возможность судить о функциональном состоянии (угнетение или перевозбуждение) каждого лабиринта.

О степени реактивности каждого лабиринта говорят и выраженность вегетативных реакций, потливость, тошнота, ощущение головокружения, степень отклонения головы и туловища в сторону медленного компонента нистагма [1].

Фистульная проба У больных вследствие деструктивного процесса костной капсулы лабиринта возникают условия, когда протирание уха или усиление давления воздуха в наружном слуховом проходе и барабанной полости сопровождаются давлением на перепончатый лабиринт. Это встречается при разрушении латерального, самого наружного по отношению к среднему уху, канала. Сгущая или разрежая воздух в наружном слуховом проходе с помощью резинового баллона и оливы, закрывающей слуховой проход, можно вызвать нистагм: при нагнетании воздуха -- в сторону исследуемого уха, при отсасывании -- в сторону противоположного уха. Это обусловлено также движением эндолимфы (как в опыте Эвальда).

Нистагм, как паралич, имеет в своей основе центральный или местный генез. Развитие нистагма может быть обусловлено поражениями мозжечка, моста, продолговатого мозга, второй лобной извилины, пластинки крыши (четверохолмия), гипофиза и некоторых других отделов большого мозга в следствие воспалительных и опухолевых процессов или сосудистых расстройств. С другой стороны, он может возникнуть в связи с низким зрением обоих глаз в следствие помутнений, аномалий оптических сред и изменений сосудистой оболочки, сетчатки и зрительного нерва.

При поражениях центральных отделов нервной системы возникают кортикальные, вестибулярные, диэнцифальные, истерические, а также другие виды нистагма [3]. Повреждения периферического отдела зрительного или слухового анализатора вызывают оптический и лабиринтный нистагмы.

Лечение нистагма затруднительно, а часто и безуспешно. Все усилия направляют на устранение общей причины, его вызвавшей, что является уделом многих специалистов.

2. Электроды для снятия корнеоретинального потенциала

Биоэлектрические потенциалы (биотоки) - электрические явления, наблюдаемые в живых клетках в покое и при физиологической деятельности. Возникновение в живых клетках электрических потенциалов и обуславливаемых ими биотоков связано с физико-химическими свойствами клеточных мембран и компонентов цитоплазмы (аминокислот, белков, ионов). Между наружной поверхностью клетки существует всегда разность потенциалов, которая создается в силу различной концентрации ионов калия, натрия, хлора внутри и вне клетки и различной проницаемости для них клеточной мембраны. При возбуждении живой клетки происходит изменение исходного мембранного потенциала за счет изменения проницаемости мембраны и перемещения ионов. Эти процессы могут происходить в очень короткие интервалы времени и называться «током действия». Величина его может достигать 120 мВ. Для определения биотоков от отдельных клеток организма используют специальные, в нашем случае, посеребренные электроды диаметром 7-8 мм, накладываемые на кожу периорбитальной области. В частности, для регистрации горизонтальных перемещений глаз (горизонтального нистагма) активные электроды фиксируются у наружных краев глазницы. Нейтральный (заземляющий) электрод обычно изготовляют больших размеров (20*30 мм) и укрепляют на лбу, переносице или на коже предплечья [2].

Чтобы обеспечить прочную и быструю фиксацию посеребрянных электродов к коже мы предлагаем электроды, для удобства наложения которых и проведения последующих измерений, применяется полумаска в виде очков выполненная из светонепроницаемого материала с вмонтированными в нее электродами, она закрепляется на голове пациента и на электроды подается питающее напряжение.

3. Методика электронистагмографии

Дю Буа-Реймон и другие авторы (Гольмгрен, 1865, 1866, 1870, 1871; Дьюар и Мак-Кендрик, 1873; Эдриан и Меттьюс, 1927, и др.) установили, что наружный слой сетчатки, т. е. слой колбочек и палочек, обладает отрицательным потенциалом, в то время как внутренний слой сетчатки, состоящий из нервных волокон, имеет положительный электрический заряд [4].

Аналогично внутреннему слою сетчатки все остальные окулярные структуры и периокулярные ткани по отношению к наружному слою сетчатки заряжены положительно, однако распределение потенциала в периокулярной зоне оказывается неравномерным. Благоприятная ориентация некоторых ретинальных структур, способных проводить ток в одном направлении, обусловливает максимум потенциала покоя между передним и задним полюсами глаза, т. е. в направлении, совпадающем со зрительной линией. Поэтому изменение положения зрительной линии относительно сагиттальной или горизонтальной плоскости приводит к различному распределению потенциала в периокуляпных тканях; возникающая при этом между различными участками периокулярной области разность потенциалов может быть усилена и зарегистрирована в виде характерных осциллограмм.

На 1.3 показана зависимость направления электрического тока от положения зрительной линии. В позиции А зрительная линия совпадает с сагиттальной плоскостью. Передние и задние полюса глазных яблок (1) расположены на одинаковом расстоянии от датчиков, следовательно, омическое сопротивление между источником ЭДС (сетчаткой) и регистрирующими электродами симметрично, поэтому разность потенциалов между электродами равна 0.

Распределение корнеоретинального потенциала при различных положениях зрительной линии

А --взгляд прямо; В -- взгляд вправо; С -- взгляд влево; 1 -- глазные яблок; 2-- угол отклонения, 3 -- зрительная линия; 4-- электроды, mA -- регистрирующий прибор.

На приведена схематическая модель рассматриваемой системы. Источник ЭДС изображен в виде элемента Е1; омическое сопротивление периокулярных тканей представлено в виде переменных сопротивлений R1 И R 2.

Точки 1 и 2 изображают датчики, укрепленные у наружных углов глаз. При повороте системы (глазного яблока) в направлении, указанном стрелкой а, ползунки сопротивлений сместятся в направлении, указанном стрелками b, и равновесие в системе нарушится: сопротивление между положительным полюсом и датчиком 2, равно как и сопротивление между отрицательным полюсом и датчиком 1, уменьшится. следовательно, между датчиками возникнет разность потенциалов, соответствующая углу поворота глазных яблок.



Электрическая схема распределения глазного потенциала

Направление тока, показанное сплошными стрелками на 1.3. В, С изменяется одновременно изменением поворота глаз. Величина тока зависит, от угла между зрительной линией (пунктирные стрелки) и сагиттальной плоскостью.

Регистрируемая разность потенциалов подвержена индивидуальным колебаниям, зависящим от величины потенциала и непостоянства омического сопротивления кожи и более глубоко расположенных периокулярных тканей. Так, величина сопротивления между датчиками диаметром в 6 мм колеблется от 5 до 25кОМ. Сопротивление электродов обычно соответствует 8-- 10 кОм.

Снижение этого сопротивления приводит к увеличению полезного сигнала и уменьшению шумов усиливающего устройства [4].

Уменьшение сопротивления достигается оптимальным выбором конструкции датчиков, материала, из которого они изготовляются, способа их наложения и т. д. Однако при выборе даже самых оптимальных условий регистрируемая разность потенциалов, возрастая по абсолютному показателю, сохраняет значительную индивидуальную вариабельность. Например, при повороте глазных яблок на 20° разность потенциалов у разных лиц колеблется, по нашим данным, от 150 до 900мкВ. В этих условиях вычисление амплитуды нистагма и его угловой скорости медленного компонента становится возможным лишь при условии проведения калибровки нистагма, вносящей поправку на индивидуальные различия регистрируемого потенциала.

Как известно, вестибулярный глазной нистагм состоит из двух фаз -- быстрой и медленной [4]. На 1.5 показано, каким образом формируется осциллограмма нистагмического цикла, состоящего из быстрого и медленного компонентов.

Формирование нистагмического цикла

б --угол отклонения глазного яблока, am --медленная фаза, тс -- быстрая фаза, ab - время медленной фазы, bc - время быстрой фазы, А и В-- позиции глазного яблока.

В позиции А электрическая ось глаза расположена в сагиттальной плоскости, разность потенциалов равна нулю. При повороте глазного яблока в течение времени, измеряемом отрезком ab, на угол б, разность потенциалов линейно возрастет до величины, измеряемой амплитудой тb. Чем больше время, в течение которого достигается угол , тем меньше угловая скорость поворота глазного яблока в фазе медленного компонента, тем более пологий вид имеет осциллограмма нистагма на участке am. Чем больше угол и неизменном времени его достижения, тем больше угловая скорость поворота глазных яблок в фазе медленного компонента, тем более круто восходит отрезок am к вершине треугольника атс. Далее, по завершении медленной фазы глазные яблоки совершают скачок в исходную позицию в течение времени, измеряемого отрезком bc. Эта фаза нистагма протекает в значительно более короткий срок, и на нистагмограммах отрезки тс кажутся вертикально нисходящими (или восходящими) и параллельными между собой.

Если движение глазного яблока совершается в противоположную сторону, то вершина треугольника атс направлена книзу, а отрезок тс быстрой фазы будет восходящим.

Таким образом, на основании перечисленных свойств осцилляции нистагменного цикла, мы имеем возможность регистрировать два его основных показателя: амплитуду и время ее достижения в медленной фазе.

4. Обоснование актуальности

Технические проблемы, сложившиеся на сегодняшний день в области регистрации биофизических параметров человека, связаны с тем, что средства ориентированы, в основном, на исследования и диагностику в области кардиологии, нейрохирургии, сосудистых заболеваний и при других давно известных патологиях. В то же время, если участковому врачу приходится столкнуться с тяжелыми или запущенными формами заболевания вестибулярного аппарата, то выбор аппаратуры для диагностики здесь крайне ограничен. Длительное время оценку нистагма производили визуальным способом. Для этого пациенту нужно было следить глазами, не поворачивая головы, за перемещением некоторого предмета, например пальцем исследователя, и правильность постановки диагноза зависела только от компетентности врача. В отдельных случаях пациенту приходится проходить специальное обследование в профильных лечебных учреждениях и институтах, что в настоящее время затруднительно для большинства больных. Известны также ситуации необъективных выводов и диагнозов при проведении экспертиз и отборе кондедатов на работы или службу, связанную с повышенными вестибулярными нагрузками. Очень важно, например, своевременно выявить патологию у призывников при прохождении медицинской комиссии в военкоматах, где практически отсутствуют какие-либо средства диагностики, и все зависит от профессиональных качеств врачей-специалистов.

Следовательно, при разработки нового анализатора нистагма необходимо ориентироваться на создание недорогого прибора простого в эксплуатации, позволяющего получать данные именно на уровне ЛОР кабинетов, районных поликлиник и больниц, медперсонал которых должен обладать необходимыми медицинскими знаниями и техническими навыками. На текущем этапе становления здравоохранения на Украине актуально именно раннее выявление заболеваний вестибулярного анализатора для дальнейшего эффективного лечения в амбулаторных или клинических условиях [5]. При этом необходимо твердо знать, что сами методики, способы лечения пациентов уже известны, но существуют технические и материальные препятствия для их успешного применения начиная с медицинских учреждений самого низшего уровня.

5. Обзор существующих устройств для электронистагмографии

Приборы, предназначенные для регистрации и анализа основных параметров нистагма, могут быть использованы при вестибуллометрии а так же для исследования и диагностики в области оторингологии, неврологии, нейрохирургии, при профессиональном отборе.

Одним из ранее разработанных отечественных электронистагмографов является «Салют-1» (1.6). Он позволяет производить запись спонтанного нистагма с открытыми и закрытыми глазами, а так же вращательного, калорического, позиционного, прессорного нистагма [6]. Основным в комплекте является одноканальный электрокардиограф, имеющий два блока питания - аккумуляторный и сетевой. Усиление корнеоретинального потенциала, поступающего на электрокардиограф, осуществляется пред усилителем переменного тока с постоянной времени 2с. Для удобства наложения электродов применяется полумаска с вмонтированным в нее калибратором .Он состоит из транспортира, укрепленного горизонтально в центре верхнего края оправы и снабженного тремя радиальными стержнями с миниатюрными источниками света. Питание лампочек осуществляется по проводам, идущим от дистанционного пульта, снабженного батарейкой, кнопочными переключателями. Запись спонтанного нистагма с открытыми и закрытыми глазами в темноте обеспечивается перекрытием поля зрения шторкой, фиксированной на полумаске.

Прибор для электронистагмографии

Этот прибор был одной из первых попыток наших инженеров и врачей анализировать нистагм. В то время не существовало специальных приборов для нистагмографии и диагностику проводили на базе электрокардиографов или электроэнцифалографов. Далее работая в этом направлении харьковскими инженерами, на заводе «Коммунар» был создан уже электронистагмограф - «Рапан-1», который в 90-хгодах был одним из лучших приборов, позволяющих решать проблему диагностики вестибулярного аппарата и в виду точности проводимого анализа, простоты эксплуатации, и сравнительно невысокой стоимости [7].

Структурная схема прибора «Рапан -1» приведена на 1.7. Где, 1-датчик корнеоретинального потенциала; 2-усилитель; 3-регистрирующее устройство; 4-согласователь по напряжению; 51…5n-пороговые устройства; 61…6n-формирователи; 7-элемент ИЛИ; 8,14,16-элемент И; 9-счетчик суммарной амплитуды нистагма; 10-блок дешифраторов; 11-блок индикации; 12-элемент НЕ; 13-триггер; 15-счетчик количества нистагменных циклов; 17-генератор; 18-счетчик интервалов времени; 19-переключатель режимов; 20,21-ключи; 22-блок определения полярности; 23-одновибратор; 24-дополнительный счетчик; 25-дополнительный формирователь импульсов; 26-печатающее устройство.

Структурная схема прибора «Рапан -1»

Но к сожалению во время стремительного развития информационных и компьютерных технологий регистрация сигналов при помощи термопечати теряет свою актуальность, в наше время самописцы заменяются персональными компьютерами, которые позволяют не только более точно регистрировать и отображать потенциал, но и сразу же проводить анализ данных и в некоторых случаях даже ставить диагноз.

В последнее время в Западных странах метод электронистагмографии вытесняется более новым направлением: видеонистагмографией. Электроды заменяются на инфракрасные CCD камеры, что обеспечивает бесконтактное получение изображения глаз. Этот метод имеет ряд и других преимуществ, но такие приборы стоят очень дорого, из-за чего медицинские учреждения нашей страны просто не в состоянии оснастить ими ЛОР кабинеты рядовых районных поликлиник.

В связи с этим по-прежнему остро стоит проблема с техническим решением диагностики вестибулярного аппарата, необходимость в современном и недорогом оборудовании.

Прибор разрабатываемый в данном дипломном проекте представляет собой нистагмограф на базе персонального компьютера. Пациент надевает на голову маску, в которую встроены посеребренные электроды. Они фиксируют движения глаз и передают их на монитор с последующим компьютерным обсчетом. Преимущества этого метода, очевидны: точная фиксация горизонтальных, вертикальных и вращательных движений глаз, компьютерная обработка данных в режиме реального времени, отсутствие артефактов, большая экономия времени для исследования, абсолютно точный обсчет, ведение базы данных пациентов. Для анализа данных в распоряжении имеются модули программного обеспечения.

6. Синтез структурной схемы прибора

Синтез электронистагмографа сводится к определению оптимальной в некотором смысле структуры и в конечном счете построение его принципиальной схемы. Здесь под оптимальной понимается структура нистагмографа, позволяющая наиболее точно и информативно снимать параметры нистагма. Структурная схема прибора приведена в приложении А.

Прибор содержит датчик корнеоретинального потенциала, предварительный усилитель, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), персональный компьютер (ПК).

Для снятия разности потенциалов между роговицей и сетчаткой глаза мы используем датчик корнеоретинального потенциала: в нашем случае это посеребрянные электроды, для удобства наложения которых и проведения последующих измерений применяется полумаска в виде очков выполненная из светонепроницаемого материала с вмонтированными в нее электродами, она закрепляется на голове пациента и на электроды подается питающее напряжение. Поскольку снимаемые биоэлектрические сигналы очень малы (порядка 5мкВ), а для дальнейшей обработки сигнала необходим сигнал порядка нескольких вольт то возникает необходимость в усилении. Для этого мы используем предварительный усилитель, состоящий из трех прецизионных усилителей с коэфициентом усиления 100 каждый. Вследствие этого на выходе ОУ получаем сигнал 5В, что достаточно для подачи его на вход десятиразрядного аналоглво-цифрового преобразователя где аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код. Сформированный на выходе АЦП код записывается в оперативно запоминающее устройство, по окончанию измерений (по 60 для каждого глаза) информация может быть программно считана с ОЗУ. При помощи программного обеспечения по измеренным, за каждые 10 секунд нистагменной реакции, значениям амплитуды нистагма, количества нистагменных толчков и медленных фаз вычисляет среднюю амплитуду нистагма и среднюю угловую скорость медленной фазы. На экране монитора мы получаем электронистагмограмму, которая отображает следующую информацию:

- количество нистагменных толчков;

- среднюю амплитуду нистагма;

- среднюю угловую скорость медленной фазы;

- продолжительность латентного периода;

- продолжительность нистагменной реакции;

- время медленной фазы.

По полученным графикам и значениям вычислений врач может поставить диагноз.

7. Синтез принципиальной электрической схемы

Принципиальная электрическая схема биоусилителя

Для графического отображения нистагма на экране персонального компьютера, необходимо устройство усиления, благодаря которому впоследствии можно будет с определенной дискретностью показать изменения корнеоретинального потенциала.

Поскольку сигнал снимаемый с электродов является аналоговым, а для вывода информации на монитор ПК необходим цифровой код, то в данном случае возникает необходимость в применении аналогово-цифрового преобразователя. Так как используемая дискретность порядка 400 точек, применим десятиразрядный АЦП, этим требованиям удовлетворяет АЦП серии 1113ПВ1, которому необходим входной сигнал 5В.

Снимаемый биосигнал очень мал, от 5мкВ, его необходимо усилить без искажения, в то время как слабые электрические сигналы сопровождаются значительным уровнем синфазных, температурных и других помех. Усилитель, используемый для этих целей, должен обладать не только очень большими значениями коэффициентов усиления (более 5-10В) и подавления синфазного сигнала, но и малым напряжением смещения нуля (не более 0,5 мВ) и дрейфом, малыми уровнями шумов, большим входным сопротивлением. Для построения биоусилителя, который способен с большой точностью фиксировать эти параметры, обычно используется два-три ОУ общего применения с несколькими высокоточными хорошо подобранными по температурным коэффициентам резисторами для цепей ООС поскольку погрешность схемы в значительной степени будет зависеть от их температурного коэффициента.

Выбор был сделан в пользу измерительного усилителя состоящего из трех микросхем - прецизионных усилителей К140УД13, построенных на КМОП структурах. Он имеет КU=10 при Кос.сф= -90 дБ и Uсм=0,05 мВ.

После первого ОУ для «установки 0» вводим дополнительную цепь из резисторов R9, R10, R11.

Так же в схеме используем два светодиода АЛ307АМ которые показывают с какого глаза снимаются показания.

Описание работы принципиальной электрической схемы устройства обработки и анализа информации

Схема электрическая принципиальная состоит из блока преобразования и обработки данных получаемых с биоусилителя.

Устройство для записи и хранения информации состоит: из пускового устройства выполненного на микросхемах DD1.1, DD2, DD1.2, DD3.1, резисторах - R1, R2, кнопках SA1, SA2, DD3.2, DD5.

Устройство для преобразования аналоговой информации в цифровую (АЦП) выполнено на микросхемах DD4.1, DA1, резисторах R3, R4.

Устройство записи информации (ОЗУ) выполнено на микросхемах DS1, DD3.4, DD1.3.

Счетчик адреса для записи информации выполнен на микросхемах DD6, DD7.

Устройство для связи измерительного устройства с ПК выполнено на микросхемах DD8, DD9, DD10, DD3.3, DD4.2.

Устройство подключается к датчику через разъем XS1, и ПК через XS2.

Схема работает следующим образом:

Перед началом работы с помощью кнопки «сброс» микросхемы DD2, DD6, DD7 устанавливаются в исходное состояние при этом на прямом выходе триггера DD2 устанавливается низкий уровень сигнала, который через второй вход микросхемы DD1.2 блокирует прохождение импульсов от тактового генератора.

При проведении измерения ПК по отношению к измерительному устройству должен находится в состоянии ожидания, для этого на контакте разъема XS2 (управление от МП) должен быть установлен уровень логической «1»; этот сигнал позволяет при прохождении тактовых импульсов с выхода DD1.2 через DD4.1на вход «Гашение преобразования» АЦП DA1, а так же позволяет подключить к адресным схемам DS1 (ОЗУ) через входы А мультиплексоров DD6, DD7, а так же DD10 перевести в третье состояние, тем отключить шину измерительного устройства от ПК.

После сигнала «Пуск» который создается с помощью кнопки SA2 разрешается прохождение импульсов от генератора через первый вход микросхемы DD1.2 и первый вход микросхемы DD4.1, которые поступают на вход «Гашение и преобразование» АЦП. Эти же импульсы поступают на счетный вход счетчика адреса (DD6, DD7). Поступившие на вход АЦП импульсы запускают процесс преобразования, поступившего аналогового сигнала. По окончанию преобразования на выходе «Готовность» АЦП формируется сигнал, который позволяет через DD3.4, DD1.3 записать сформированный на выходе АЦП цифровой код в ОЗУ, таким образом выполняется одно измерение для одного глаза.

В счетчике адресов младший разряд через мультиплексор DD9 подключен к старшему адресному разряду ОЗУ. Поскольку в измерительном устройстве предусмотрен поочередный съем информации с правого и левого глаза, то подключение младшего разряда счетчиков адресов к старшим адресным разрядам ОЗУ позволяет записать измерительную информацию от каждого глаза в два отдельных блока ОЗУ, то есть когда на вход «Гашение преобразования» АЦП поступает второй импульс (измерительная информация на аналоговом входе АЦП поступает со второго глаза) который поступит на счетный вход счетчика адресов, то полученный второй адрес на входе ОЗУ будет отличаться старшим разрядом, младшие же разряды, как и при первом измерении, будут иметь нулевой адрес. При поступлении третьего импульса на вход «Гашение преобразования» АЦП старший разряд ОЗУ опять обнуляется, а младший разряд в адресе изменится на единицу; это позволит второе измерение от одного и того же глаза записать во второй адрес ОЗУ и так далее.

Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не будет проведены по 60 измерений для каждого глаза. После этого с помощью логической микросхемы DD3.5, DD5 будет сформирован сигнал автоматического «Сброса» который через второй вход микросхемы DD1.1 сбросит триггер DD2 и установит на втором входе DD1.2 запрещающий уровень сигнала, что позволит прекратить подачу тактирующих импульсов на вход «Гашение преобразования» АЦП. Об окончании процесса измерений свидетельствует погасший светодиод VD1.

Сформированный сигнал автоматического сброса через микросхему DD1 сбросит счетчик адреса DD6, DD7 в исходное состояние, подготовив их для следующего процесса измерений.

По окончанию процесса измерений накопленная в ОЗУ информация может быть программно считана с ПК. Для этого ПК должен сформировать сигнал инициализации (сигнал управления) с уровнем логической «1». Этот сигнал дополнительно блокирует прохождение тактовых импульсов на вход «Гашение преобразования » АЦП а так же позволит подключить шину адреса ОЗУ через вторые каналы мультиплексоров DD8, DD9 к адресной шине ПК, а так же через шину данных ОЗУ подключить шинный формирователь DD10 к шине данных ПК. После этого информация может быть переписана в ПК.

8. Обоснование выбора элементной базы

Микросхема К140УД13

Микросхема представляет собой прецизионный предварительный усилитель постоянного тока с дифференциальными входами, построенного по схеме модулятор - демодулятор (МДМ). Изготовлен по МОП - технологии [8]. Содержит 39 интегральных элементов. Имеет низкое значение входных токов и температурного дрейфа напряжения смещения нуля. Корпус типа 301.8-2. Масса не более 1,5г

Типовая схема включения К140УД13

Назначение выводов:1 - общий; 2 - вход инвертирующий; 3 - вход неинвертирующий; 4 ,7 - напряжение питанияUп; 5 - демодулятор; 6 - выход; 8 - емкость генератора.

Микросхема К1113 ПВ1

Микросхема представляет собой функционально законченный 10-разрядный аналогово - цифровой преобразователь, сопрягаемый с микропроцессором [9]. Обеспечивает преобразование как однополярного (униполярного) напряжения в диапазоне 0…9,95В,. так и биполярного напряжения в диапазоне 4,975В в параллельный двоичный код. В состав ИС входят ЦАП, компаратор напряжения, регистр последовательного приближения (РПП), источник опорного напряжения (ИОП), генератор тактовых импульсов(ГТИ), выходной буферный регистр с тремя состояниями схемы управления. Выходные каскады с тремя состояниями позволяют считывать результат преобразования непосредственно на шину данных микропроцессора. По уровням входных и выходных логических сигналов сопрягаются с ТТЛ схемами. В ИС выходной ток ЦАП сравнивается с током входного резистора от источника сигнала и формируется логический сигнал. Стабилизация разрядных токов ЦАП осуществляется встроенным ИОН. Тактирование РПП обеспечивается импульсами встроенного ГТИ с частотой следования 300…400кГц. Установка РПП в исходное состояние и запуск его в режим преобразования производятся по внешнему сигналу «гашение и преобразование». По окончанию преобразования АЦП вырабатывает сигнал «готовность данных» и информация из РПП поступает на цифровые входы через каскады с тремя состояниями. Для применения необходимы только два источника питания и регулировочные резисторы. Изготовлены по биполярной технологии. Содержат 805 интегральных элементов. Металлокерамический корпус типа 238.18-1,масса не более 2,5г.

Назначение выводов: 1 - девятый разряд; 2 - восьмой разряд; 3 - седьмой разряд; 4 - шестой разряд; 5 - пятый разряд; 6 - четвертый разряд; 7- третий разряд; 8 - второй разряд; 9 - первый разряд; 10 - напряжение питания(Uп1 ); 11 - гашение и преобразование; 12 - напряжение питания (-Uп2); 13 - аналоговый; 14 - аналоговый «земля»; 15 - управление сдвигом нуля; 16 - цифровая «земля»; 17 - готовность данных; 18 - десятый разряд (младший), .

Условно графическое обозначение К1113ПВ1

Электрические параметры микросхемы

Номинальное напряжение питания:

UП1………………………………………………………………….5В5%

UП2…………………………………………………………-15В5%

Напряжение смещения нуля……………………………-0,3…+0,3% ПШ

Выходное напряжение ………………………………………0,4 - 2,4В

Ток потребляемый в режиме «гашения»:

UП1…………………………………………………………….10мА

UП2…………………………………………………………….18мА

Входной ток………………………………………………-40…+40мкА

Ток утечки на выходе………………………………………-40…+40мкА

Время преобразования…………………………………………….30мкс

Микросхема КР580ВА86

Микросхема представляет собой двунаправленный 8 - разрядный неинвертирующий шинный формирователь с тремя состояниями на выходе (рис 4.3) ИС служит буферным устройством в схемах микропроцессорных систем и осуществляют связь микропроцессора с периферийными устройствами ввода -вывода информации. Наличие состояния с высоким выходным импедансом позволяет нагрузить группу таких микросхем на одну нагрузку. ИС обладает повышенной нагрузочной способностью [10]. Содержат 567 интегральных элементов. Корпус типа2140.20 - 1,масса не более 4г.

Условно-графическое обозначение КР580ВА86

Назначение выводов:1 - вход/выход А0; 2 - вход/выход А1; 3 - вход/выход А2; 4 - вход/выход А3; 5 - вход/выход А4; 6 - вход/выход А5; 7 - вход/выход А6; 8 - вход/выходА 7; 9 - вход разрешения выхода ОЕ; 10 - общий; 11 - вход направления передачи Т; 12 - вход/выход В7; 13 - - вход/выход В6; 14 - - вход/выход В5;15 - вход/выход В4; 16 - вход/выход В3; 17 - вход/выход В2; 18 - вход/выход В1; 19 - вход/выход В0; 20 - напряжение питания.

Электрические параметры микросхемы

Номинальное напряжение питания ……………………………5В10%

Выходное напряжение низкого уровня:

по выходам А при /=32мА……………………………………..0,45В

по выходам В при /=16мА……………………………………..0,45В

Выходное напряжение высокого уровня:

по выходам А при /=-5мА………………………………………2,4В

по выходам В при /=-1мА……………………………………….2,4В

Ток потребления ……………………………………………….....160мА

Входной ток низкого уровня ……………………...……………|-0.2|мА

Входной ток

высокого уровня……………………………………………50мА

Время задержки на выходе

относительно входа…………………………30нс

Время задержки выхода относительно

разрешения выхода……………………………………………..10…30нс

Время установления сигнала направления

передачи относительно разрешения выхода……………………18нс

Счетчик К1533ИЕ5.

Микросхема ИЕ5 ( 4.4) состоит из четырех триггеров JK, которые внутренне соединены для образования счетчика-делителя на 2 и 8. Установочные входы обеспечивают прекращение счета и одновременно возвращают все четыре триггера в состояние низкого уровня (на входы R (0)1, R(0)2 -- подают высокий уровень). Так как выход Q1 внутренне не соединен с последующими триггерами, то можно осуществ|ить два независимых режима работы [11]. При (использовании микросхемы как 4-разрядного двоичного счетчика входные счетные импульсы поступают на вход С1. Одновременное деление на 2, 4, 8 и 16 выполняется по выходам Q1, Q2, Q3, Q4, как показано в таблице истинности (табл. 4.1). При использовании микросхемы как 3-разрядного двоичного счетчика счетные импульсы поступают на вход С2. Триггер А можно использовать как двоичный элемент для деления на 2.

Таблица истинности

Схема включения К1533 ИЕ5

Мультиплексор 1533КП11

Мультиплексор КП11 включает четыре мультиплексора, организованных для мультиплексирования двух каналов в один, с общим дешифратором адреса и входом выбора. Мультиплексоры КП11, КП13 обеспечивают прямую передачу информации. Мультиплексоры КП11 и КП14 имеют выключенное состояние выхода Логические структуры и режим работы приведены на рисунке соответственно [11].

Схема контроля четности ИП2 обнаруживает ошибку, если на ее вход поступает код с четностью, отличной от той, которая признается правильной для данного устройства. Контроль четности широко распространен при выполнении большинства операций обработки данных, включая сложение, вычитание, сдвиг и поразрядное исключающее ИЛИ. Микросхема, реализующая функцию нечетно-четного блока четности разрядностью 8 бит, является универсальной. Схема работает следующим образом. На информационные входы подается число в двоичном коде. Первый уровень элементов исключающее ИЛИ суммирует попарно и инвертирует два разряда двоичного кода. Следующий уровень элементов исключающее ИЛИ суммирует попарно результаты предыдущей операции суммирования и инвертирования. Третий уровень, представляющий собой один элемент исключающее ИЛИ, вырабатывает сигнал 1 или 0 в зависимости от четности подаваемого сигнала

Условно графическое обозначение К1533КП11

КР1533ЛИ1 Четыре логических элемента 2И.

Аналог - SN74ALS08

Микросхема содержит четыре идентичных логических элемента со стандартными активными выходами; выполняющих Булевые функции Y=D1*D2 или Y=D1+D2 в положительной логике [11].



Условно-графическое обозначение КР1533ЛИ1

Данная микросхема имеет следующие параметры:

-входное напряжение 0,5-2,5В;

-входной ток 20мА;

-ток потребления 2,4-4,0мА;

-время задержки распространения сигнала 10-14нс;

-емкость входа - не более 5 пФ;

-допустимо кратковременное воздействие напряжения питания до 7В.

-допустимо значение статического потенциала - 200В.

КР1533ЛН1 Шесть логических элементов НЕ.

Аналог SN74LS04A

Микросхема содержит шесть идентичных логических элементов со стандартными логическими входами, выполняющих Булевую функцию Y=D.

Данная микросхема имеет:

-входное напряжение 0,5-2,5В;

-входной ток 20мА;

-ток потребления 1,1-4,2мА;



Условно-графическое обозначение КР1533ЛН1

-время задержки распространения сигнала 8-11нс;

-емкость входа - не более 5 пФ;

-допустимо кратковременное воздействие напряжения питания до 7В.

-максимальное время фронта нарастания и время фронта спада входного импульса -не более 1мкс.

КР1533ЛА3 Четыре логических элемента 2И-НЕ

Аналог SN74ALS00A

Микросхема содержит четыре логических элемента со стандартными активными выходами, Булевые функции Y=D1*D2 или Y=D1+D2 в положительной логике.

Условно графическое обозначение КР1533ЛА3

Данная микросхема имеет следующие параметры:

-входное напряжение 0,5-2,5В;

-входной ток 20мА;

-ток потребления 0,85-3,0мА;

-время задержки распространения сигнала 8-11нс;

-допустимо значение статического потенциала - 200В;

-собственные резонансные частоты микросхем до 20кГц отсутствуют.

КР1533ЛА1 Два логических элемента 4И-НЕ

Микросхема содержит два логических элемента со стандартными активными входами [11].

Условно-графическое обозначение КР1533ЛА1

Данная микросхема имеет следующие параметры:

Номинальное напряжение питания 5В;

Входное напряжение 0,5-2,5В;

Входной ток низкого уровня |-0.2мА|;

Время задержки при включении 25нс;

Емкость входа 5пФ.

9. Расчет некоторых узлов операционных усилителей

Расчет инвертирующего усилителя

Типовая схема инвертирующего усилителя показана на 5.1



Схема инвертирующего усилителя

Передаточная функция усилителя [12]

Uвых=-K(p)UвхU0 вых,

где в первом приближении

К(р)=;

;

U0вых=(1+)Uсм+,

во втором приближении

К(р)=;

;

U0вых=,

где Кп, Uш, Ку, Uсм, IвхОУ, IвхОУ, ZвхОУ, ZвыхОУ - параметры ОУ; Еп - девиация напряжения питания ОУ; || - знак параллельного соединения элементов; Rс - выходное сопративление источника сигнала.

Входное сопративление Rвх=R1.

Входной импенданс

Zвых=,

Ку;

- граничная частота ОУ по уровню 0,7Ку0; ZвыхОУ - выходное сопротивление разомкнутого ОУ; Ку0 - коэффициент усиления ОУ на частоте =0.

Поскольку сопротивление резистора R2 и дрейф нуля усилителя находятся в прямо пропорциональной зависимости, то при расчете усилителя при всех равных условиях необходимо стремится к выбору минимальной величины резистора R2, которая ограничена снизу максимально допустимым выходным током ОУ. Для большинства случаев можно принять 10, где , , - максимально допустимые значения резистора R2 ограниченного допустимыми значениями напряжения смещения нуля. В нашем случае современных ОУ эта величина находится в диапазоне 100кОм…1Мом. При увеличении сопротивления резисторов R1 и R2 ухудшаются динамические характеристики и помехоустойчивость усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Отличительной особенностью схемы неинвертирующего усилителя, показанной на рисунке 6.2 является то, что здесь ОУ работает с синфазными сигналами, что вызывает дополнительные погрешности передаточной функции [13].

Схема неинвертирующего усилителя

Передаточная функция усилителя

Uвых=-K(p)UвхU0 вых,

где в первом приближении

К(р)=;

;

U0вых=(1+)Uсм+,

во втором приближении

U0вых=

Из выражения 5.11 следует, что коэффициент передачи усилителя не может быть меньше единицы. Кроме того, согласо выражению 5.13, напряжение смещения нуля зависит от уровня входного сигнала.

Входной импеданс

Zвх=R3+RвхОУ+(1+Ку+)

Выходной импеданс

Zвых=

Максимальный уровень входного сигнала ограничен допустимым синфазным напряжением ОУ

При одинаковых коэффициентах передачи К полоса пропускания неинвертирующего усилителя примерно в (1-К) раз больше полосы пропускания инвертирующего усилителя.

Схему неинвертирующего усилителя можно так же построить путем последовательного включения двух инвертирующих усилителей. Основным преимуществом такого усилителя является работа ОУ без синфазных сигналов.

Передаточная функция такого усилителя

Uвых=K1K2Uвх,

где К1, К2 - коэффициент передачи 1-го и 2-го инвертирующего усилителя соответственно; U0вых1, U0вых2 - напряжение смещения нуля 1-го и 2-го инвертирующего усилителя соответственно.

Если коэффициенты обоих усилителей равны, то полоса пропускания рассчитывается по следующей формуле:

=,

где - полоса пропускания одного усилителя без ООС; К=К1К2 - коэффициент передачи составного усилителя.

10. Моделирование схемы

11. Трасcировка платы

Произведем трассировку платы в программе сквозного проектирования OrCAD. Результаты проектирования приведены на 7.1.

Трассировка платы

12. Оценка надежности по внезапным эксплуатационным отказам

Внезапные эксплуатационные отказы (ВЭО) представляют собой внезапные отказы полноценной по надежности аппаратуры, возникающие в период нормальной эксплуатации.

ВЭО обусловлены чисто случайными факторами, такими как скрытые внутренние дефекты, которые не могут быть выявлены установленной системой технологического контроля.

Появление таких отказов принципиально неустранимо и равновероятно во времени:

0 = const.

В основу расчета положен принцип определения показателей надежности системы по характеристикам надежности комплектующих элементов, что позволяет вести расчет в процессе проектирования аппаратуры, исходя из надежности элементов и узлов.

Экспоненциальный закон надежности известен как:

,

где t - интервал времени для которого рассчитывается надежность.

Средняя наработка на отказ определяется как:

С учетом выражения (8.2) экспоненциальный закон надежности можно представить в виде:

p(t)= exp(-t/Tср)

Некоторые принятые допущения позволяют использовать теорему умножения вероятностей

где pi(t) - вероятность безотказной работы i-го элемента;

N - число комплектующих элементов.

Подставив выражение (8.1) и сгруппировав равнонадежные элементы, получим

,

где 0j - интенсивность отказов j-группы;

Nj - число элементов j-группы;

m - число равнонадежных групп.

Для определения надежности срабатывания блока определения длительности стимула принимаем: t=1000, M=5; M1-интегральные микросхемы, N=21; M2-резисторы, N=20; M3-конденсаторы, N=15; M4-диоды, N=5; М5-транзисторы, N=2

= exp(-10001,3610-6) = 0,89.

Полученные значения надежности срабатывания светодиода удовлетворяет известным нормам.

Размещено на Allbest.ru

...