Измерение сопротивления кожи человека на постоянном токе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новосибирский государственный технический университет

Кафедра систем сбора и обработки данных

Курсовой проект

по дисциплине «Системы сбора и обработки данных»

Измерение сопротивления кожи человека на постоянном токе

Новосибирск, 2014



Содержание

Введение

1. Зависимость сопротивления кожи от внешних воздействий

2. Методики измерения сопротивления кожи

3. Схемы подключения электродов при измерении сопротивления тела человека

4. Требования к разрабатываемому прибору

5. Структурная схема разрабатываемого устройства

6. Характеристики блоков измерительного устройства

7. Программное обеспечение прибора

Заключение

Список использованной литературы



Введение

В электрофизиологических исследованиях важное внимание уделяется изучению электрических явлений в живом организме, которые проявляются, в частности, в изменении так называемых пассивных электрических свойств биологических тканей: импеданса, проводимости, емкости, диэлектрической проницаемости. Любые функциональные и патологические изменения в исследуемых системах и органах сказываются на параметрах электрических сигналов, которые являются результатом электрофизиологических исследований. [1] измерительный сопротивление кожа электрод

Электрическое сопротивление различных тканей тела человека неодинаково: кожа, кости, жировая ткань, сухожилия и хрящи имеют относительно большое сопротивление, а мышечная ткань, кровь, лимфа и особенно спинной и головной мозг -- малое. По сравнению с другими тканями кожа обладает очень большим удельным сопротивлением, которое является главным фактором, определяющим сопротивление тела человека в целом. [2]

Строение кожи имеет сложную структуру, в которой можно выделить два основных слоя: эпидермис и дерму, каждый из которых, в свою очередь состоит из нескольких слоев. Основной вклад в электрическое сопротивление кожи вносит наружный слой эпидермиса - роговой слой.

Сопротивление кожи, следовательно, и тела в целом резко уменьшается при повреждении ее рогового слоя, наличии влаги на ее поверхности, интенсивном потовыделении и загрязнении.

В инженерно-психологических и медико-биологических исследованиях, особенно при оценке уровня психоэмоциональной напряженности оператора (пациента), широко применяются электрофизиологические показатели состояния человека. Так, кожно-гальваническая реакция (КГР) широко используется для изучения вегетативной нервной системы, определения особенностей психофизиологических реакций и исследования черт личности. [3]



1. Зависимость сопротивления кожи от внешних факторов

В ходе многочисленных исследований было выявлено, что стационарная разность потенциалов кожи равна 10-20 мВ на расстоянии 1 см между электродами. При раздражении могут наблюдаться колебания до 100 мВ и более. Сопротивление «плавает» в зависимости от времени суток и от состояния тела человека (истощение, усталость, сытость, стресс). Установлено, что сопротивление кожи колеблется в пределах от 10 КОм до 2 МОм. Так, по данным Вальтера, СК лица и тыла кисти находится в пределах от 10 до 20 Ком, кожа бедра - 2 МОм, ладони и подошвы - от 200 КОм до 2 МОм. По мнению Е.Н.Брюкина, электрическое сопротивление кожи (ЭСК) в различных местах тела колеблется в пределах 0,08-2,5 МОм. Р.И.Утямышев считает, что СК варьирует от 2 до 200 КОм. Сопротивление человеческого тела постоянно и находится в пределах от 5 кОм до 12,5 кОм; редко оно бывает несколько выше или ниже. [4]

Также немаловажным является влияние различных внешних факторов на изменение значения сопротивления кожи, а, следовательно, на внесение дополнительных погрешностей в результат измерения.

Повреждение рогового слоя-- порезы, царапины, ссадины и другие микротравмы могут снизить сопротивление тела человека до значения, близкого к значению его внутреннего сопротивления (500-700 Ом), что безусловно увеличивает опасность поражения человека током.

Увлажнение кожипонижает ее сопротивление даже в том случае, если влага обладает большим удельным сопротивлением. Так, например, увлажнение сухих рук сильно подсоленной водой, снижает сопротивление тела на 30-50%, а дистиллированной водой-на 15-35%. Объясняется это тем, что влага, попавшая на кожу, растворяет находящиеся на ее поверхности минеральные вещества и жирные кислоты, выведенные из организма вместе с потом и кожным салом, и становится более электропроводной. При длительном увлажнении кожи наружный слой ее разрыхляется, насыщается влагой, в результате чего сопротивление его почти полностью утрачивается. Таким образом, работа сырыми руками или в условиях, вызывающих увлажнение каких-либо участков кожи, создает предпосылки для тяжелого исхода в случае попадания человека под напряжение.

Загрязнение кожиразличными веществами, в особенности хорошо проводящими ток (металлическая или угольная пыль, окалина и т.п.), сопровождается снижением ее сопротивления, подобно тому как это наблюдается при поверхностном увлажнении кожи. Кроме того, токопроводящие вещества, проникая в выводные протоки потовых и сальных желез, создают в коже длительно существующие токопроводящие каналы, резко понижающие ее сопротивление. Таким образом, токарь по металлу, шахтер и лица других специальностей, у которых руки загрязняются токопроводящими веществами, подвержены большей опасности поражения током, чем лица, работающие чистыми руками.

Влияние места приложения электродов на сопротивление тела человека

Место приложения электродов оказывает влияние потому, что сопротивление кожи у одного и того же человека неодинаково на разных участках тела. Кроме того, различным (хотя и в незначительных пределах) оказывается и внутреннее сопротивление за счет изменения длины пути тока по внутренним тканям организма. Разница в значениях сопротивления кожи на разных участках тела объясняется рядом факторов, в том числе:

а) различной толщиной рогового слоя кожи;

б) неравномерным распределением потовых желез на поверхности тела;

в) неодинаковой степенью наполнения кровью сосудов кожи.

Наименьшим сопротивлением обладает кожа лица, шеи, рук на участке выше ладоней и в особенности на стороне, обращенной к туловищу, подмышечных впадин, тыльной стороны кисти руки.

В Институте неврологии АМН СССР в качестве нормы приняты следующие показатели для ЭСК (в килоомах); лоб - 10, шея - 35, ладонь - 20, живот - 525, бедро - 525, колени - 400. [4]

Влияние значения тока на сопротивление тела человека

Увеличение тока,проходящего через тело человека, сопровождается усилением местного нагрева кожи и раздражающего действия на ткани. Это в свою очередь вызывает рефлекторно, т. е. через центральную нервную систему, быструю ответную реакцию организма в виде расширения сосудов кожи, а следовательно, усиление снабжения ее кровью и повышение потоотделения, что и приводит к снижению сопротивления кожи в этом месте.

Зависимость сопротивления тела человека от значения приложенного напряжения.

Повышение напряженияU_h,приложенного к телу человека, вызывает уменьшение в десятки раз полного сопротивления тела человекаz_hкоторое в пределе приближается к наименьшему значению сопротивления внутренних тканей тела (примерно 300 Ом). Многочисленные опыты подтверждают характер этой зависимости, хотя значения сопротивлений, полученные при замерах разными авторами, обычно сильно различаются. Объясняется это главным образом разными условиями опытов (которые производились с животными и трупами людей и лишь в пределах безопасных токов-- с живыми людьми), а также индивидуальными особенностями испытуемых.

Уменьшениеz_hс ростом приложенного напряжения происходит в основном за счет уменьшения сопротивления кожи и объясняется ростом тока, проходящего через кожу, и пробоем рогового слоя кожи под влиянием приложенного напряжения.

Пробой рогового слоя кожи возможен, если напряженность возникшего в нем электрического поля превысит его пробивную напряженность,равную, как показывают опыты, 500--2000 В/мм. Поскольку сопротивление рогового слоя резко преобладает над сопротивлением всей остальной цепи тока в теле человека, с некоторым приближением можно считать, что напряжение, подведенное к телу человека, практически целиком прикладывается к роговому слою (точнее, к двум последовательно включенным слоям). При этом допущении нетрудно определить напряжение, которое, будучи приложено к телу человека вызывает пробой рогового слоя, т.е. пробивное напряжениеU_пр, В,

Где d_р--толщина рогового слоя, мм.

Так, приd_p=0,05 мм иЕ_пр=500 -2000 В/мм получим:U_пр=50 - 200В.

Следовательно, пробой рогового слоя кожи возможен при напряжении около 50В и выше. Исследования подтверждают это предположение. В частности, опыты, проведенные над трупами людей, показали, что напряжение около 200 В всегда вызывает пробой наружного слоя кожи.

Влияние рода и частоты тока на сопротивление тела человека

Опыты показывают, что сопротивление тела человека постоянному току больше, чем переменному любой частоты. Приf=0сопротивление имеет наибольшее значение, с ростом частотыz_hуменьшается (за счет уменьшения емкостного сопротивления) и в пределестановится равным внутреннему сопротивлению телаR_В.

Зависимость сопротивления тела человека от площади электродов

Площадь электродовSоказывает непосредственное влияние на полное сопротивление тела человека: чем большеS, тем меньшеz_h.Рис. 3 подтверждает эту зависимость. Вместе с тем он показывает, что с ростом частоты зависимостьz_hотSуменьшается, и при частоте 10 - 20 кГц влияние площади электродов утрачивается полностью. Из выражений для расчета z_hтакже видно, что при больших частотах, например 10 - 20 кГц, первое слагаемое под корнем приобретает значение, близкое к нулю,az_hстановится равнымR_В.

Влияние длительности протекания тока на сопротивления тела

Длительность протекания тока заметно влияет на сопротивление кожи, а следовательно, наz_hв целом за счет усиления со временем кровоснабжения участков кожи под электродами, потовыделения и т. п. Опыты показывают, что при небольших напряжениях (до 20 - 30 В) за 1- 2 мин сопротивление понижается обычно на 10 - 40% (в среднем на 25%), а иногда и больше. При увеличении напряжения, а следовательно, при росте тока через тело человека сопротивление тела снижается быстрее, что объясняется, по-видимому, более интенсивным воздействием на кожу тока большего значения. [5]

Так, например, замеры, произведенные в США во время одной электрической казни, показали, что сопротивление тела человека, равное 800 Ом в момент включения под напряжение 1600 В, снизилось через 50 с до 516 Ом, т. е. на 35%. [4]

Влияние параметров окружающей среды на сопротивление кожных покровов человека

Физические раздражения,возникающие неожиданно для человека: болевые (уколы и удары), звуковые, световые и пр. - могут вызвать на несколько минут снижение сопротивления тела на 20 - 50%.

Уменьшение или увеличение парциального давления кислородав воздухе по сравнению с нормой соответственно снижает или повышает сопротивление тела человека. Следовательно, в закрытых помещениях, где парциальное давление кислорода, как правило, меньше, опасность поражения током при прочих равных условиях выше, чем на открытом воздухе.

Повышенная температура окружающего воздуха(30 - 45⁰С) или тепловое облучение человека вызывает некоторое уменьшение значения полного сопротивления тела человека, даже если человек находится в этих условиях кратковременно (несколько минут), и при этом не наблюдается усиления потовыделения. Одной из причин этого может быть усиление снабжения сосудов кожи кровью в результате расширения их, что является ответной реакцией организма на тепловое воздействие.

Влияние различных внешних факторов вносит дополнительные погрешности в измерения сопротивления тела. Необходимо максимально устранить внешние факторы, влияющие на состояние кожи исследуемого (температура, влажность, повреждения и загрязнения рогового слоя); оптимально подобрать амплитудные характеристики измерительных токов, длительность исследования, подобрать форму и размер электродов.

2. Методики измерения сопротивления кожи

Можно четко выделить два метода регистрации кожно-гальванических реакций: по Тарханову (регистрация электрических потенциалов кожи) и по Фере (регистрация электрического сопротивления кожи). Оба метода, как показатели состояния организма, дают идентичные результаты, только латентный период изменения сопротивления кожи несколько выше, чем при изменении потенциалов кожи.

Методы исследования электрической активности кожи.

Фере	Тарханов
Активный (с внешним источником поля)	Пассивный
Наложение электродов непосредственно на кожу испытуемого (контактные)
Экзосоматический	Эндосоматический
Измерение сопротивления или электропроводимости	Измерение электрических потенциалов кожи

Качественные характеристики методов измерения КГР

Характеристики	Методы измерения КГР
	Пассивный (Тарханов)	Активный (Фере)
Возмущающее воздействие на объект исследования	Слабое	От слабого до сильного
Помехоустойчивость	Плохая	Хорошая
Информативность	Состояние поверхности кожи, величина электродного потенциала, состояние подкожной	Состояние поверхности кожи, состояние подкожной структуры.
Техническая реализация	Сложная (фильтрация, обработка и выделение полезного сигнала, масштабирование, преобразование).	Простая (формирование измерительного сигнала масштабирование, преобразование).

В 1967 году в СССР появилась идея прибора под названием «Биометр», которая была предложена кандидатом физико-математических наук В.Г.Адаменко и выдающимися русскими исследователями биологических полей живых объектов С.Д.Кирлиан и В.Х.Кирлиан. Биометр представляет собой микроамперметр с электродами в виде металлических трубок (медной и алюминиевой). Когда человек охватывает руками электроды, цепь замыкается. При этом между электродами, сделанными из разнородных металлов, возникает контактная разность потенциалов, фиксируемая в микроамперах. Показания биометра дают количественную характеристику уровня активации (состояние нервной системы, характеризующее уровень ее возбуждения и способность к ответной реакции), меняющегося в связи с эмоциональным возбуждением. Обычно чем выше эмоциональное возбуждение, тем больше стрелка микроамперметра отклоняется вправо от нуля. Однако такой прибор недостаточно чувствителен, чтобы регистрировать мгновенные изменения показаний.

Наиболее удачная разработка в этой области - аппарат для регистрации кожно-гальванической реакции, сконструированный В.Мэтисоном в 1952 году и названный электропсихометр. Он позволяет отмечать весьма незначительные по величине и по времени отклонения сопротивления тела испытуемого. С некоторыми модификациями этот аппарат широко применяется до настоящего времени.

Параллельно развивалась электродиагностика функциональных систем организма, основанная на понимании электромагнитной природы процессов человеческого организма. Р.Фолль доказал существование взаимосвязи биологически активных точек на теле человека с его внутренними органами. В 1953 году Р.Фолль совместно с инженером Ф.Вернером разработали новый метод электроакупунктурной диагностики и применили ее в клинической практике. Согласно Р.Фоллю, каждому органу присуща только ему свойственная частота колебаний, или вибрация. Искажение естественной частоты колебаний влечет за собой возникновение заболеваний и патологий органов. Воздействуя током особой частоты на биологически активные точки тела, можно определить состояние каждого органа.

3. Схемы подключения электродов при измерении сопротивления тела человека

Аппаратура для биоимпедансных измерений ориентирована на получение специфической информации о внутренней структуре биологического объекта, выражаемой в величинах электропроводности.

Постоянный ток и инфранизкочастотный диапазон (до 10 Гц) чаще всего используют при определении состояний кожного покрова, включая рефлекторные зоны человека и БАТ.

Биоимпедансные измерители используются в режиме преобразования. Чаще всего величина импеданса преобразуется в величину электрического напряжения, которая подвергается дальнейшей обработке.

Биоимпедансные измерительные преобразователи (БИИП) подразделяются на контактные и бесконтактные.

Контактные БИИП представляют собой совокупность электродов, которые накладываются на исследуемый участок биообъекта. По методу измерения такие БИИП делятся на двухэлектродные (биполярные) и четырехэлектродные (тетраполярные).

Биполярные, работающие на постоянном токе широко применяются при исследованиях электрокожного сопротивления, включая регистрацию активной составляющей БАТ.

При биполярной методике накладывают 2 электрода, один из которых является одновременно и токовым и измерительным, другой - только токовым.

Фактически это преобразователь типа сопротивление-напряжение. При проектировании таких измерителей следует учитывать, что измерение сопротивления сопровождается пропусканием тока в измерительной цепи через биообъект. При этом величины токов должны выбираться так, чтобы не оказывать заметного влияния на функционирование биообъекта, искажая тем самым информативную ценность измеряемого показателя и не вызывать соответствующих тепловых и болевых ощущений. Например, при измерении параметров сопротивления БАТ рекомендуется работать с измерительным током 1ч5 мкА. В методике по Реодораку этот ток берут равным 200 мкА. В некоторых работах предлагается значение измерительного тока порядка десяток наноампер. При этом диапазоне измерений, сопротивление лежит в пределах 0ч10⁶ Ом. При расчетах величины измерительного тока в реографах исходят из того, что его величина не должна вызывать раздражающего действия, причем считается, что оценку раздражающего действия тока лучше всего проводить не по силе тока, а по его плотности

,

где s - площадь контакта электрода с поверхностью ткани в см², i - сила тока в мА. [7]

Биполярные БИИП надежны и просты в изготовлении, но обладают рядом недостатков, обусловленных методической погрешностью вследствие повышенной чувствительности к электропроводности приэлектродных зон.

Четырехэлектродные БИИП более помехоустойчивы к паразитным модуляциям электрического сопротивления приэлектродной зоны. На рисунке 5 показана эквивалентная схема подключения тетраполярного БИИП к биообъекту.

Генератор напряжения подключен к паре электродов. Ток, проходя через биообъект, создает падение напряжения на сопротивлении биообъекта, часть которого регистрируется второй парой электродов. Изменение импеданса биооъекта приводит к изменению падения напряжения на регистрирующей паре электродов.

Для измерения сопротивления кожи человека на постоянном токе наиболее часто применяется биполярная схема подключения электродов. Биполярная схема не лишена недостатков, о которых уже упоминалось, однако, существенным преимуществом ее является меньшее количество физических линий, соединяющих пациента и прибор. За счет этого можно при том же числе линий увеличить число каналов измерения вдвое.

4. Требования к разрабатываемому прибору

Разрабатываемый прибор предназначен для измерения сопротивления кожи человека на постоянном токе.

Данный вид исследования не оценивает какие-либо жизненно важные показатели работы организма человека. Наиболее часто данный вид исследования применяется для оценки психофизиологических реакций пациента и исследования биологически активных точек (БАТ). Благодаря сильному влиянию психоэмоционального состояния человека на величину его кожного сопротивления, данная методика нашла широкое применение в полиграфии.

Измеряемые физические величины и их параметры:

· Снимаемые сигналы имеют амплитуду единицы милливольт.

· Амплитуда синфазной помехи (50 Гц) может достигать десятков вольт.

· Выходное сопротивление источника сигнала - сотни килом.

· Величина постоянных токов - от 10 мкА до 250 мкА.

· Диапазон измеряемых входных напряжений составляет ±1,65В

Требования к приборам и оборудованию:

· Расширение диапазона выходных напряжений до ±10 В

· Высокий коэффициент общего усиления (до 1000).

· Наличие средств подавления синфазной помехи (уровень подавления помехи не менее 90дБ).

· Высокое входное сопротивление усилителя (100МОм - 1ГОм).

· Наличие гальванической изоляции пациента от сети переменного тока и цепей с высокими потенциалами.

· Чувствительность прибора должна быть не ниже 0,01 Ома.

· Необходимо сопряжение с компьютером и наличие соответствующего ПО для работы с оборудованием.

5. Структурная схема разрабатываемого устройства

Для реализации была выбрана двухэлектродная система, поскольку именно она наиболее применима для решения данного класса задач.

Генератор тока - генерирует постоянный ток малой амплитуды, которым осуществляется воздействие на биологический объект для проведения измерений.

Усилитель необходим для доведения регистрируемой разности потенциалов до уровня, необходимого для дальнейшей обработки.

Фильтр низких частот необходим, чтобы ограничить спектр снимаемого сигнала, и, тем самым, устранить помехи и наводки.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует измеренное значение в двоичный код, необходимый для дальнейшей обработки.

Буфер FIFO необходим для непрерывной буферизации измеренных данных. Он работает по принципу «первый вошел - первый вышел». Размеры буфера должны бать подобраны с учетом числа каналов, частоты сбора данных в каждом канале и частоты обмена данными с ПК, таким образом, чтобы не был потерян ни один отсчет измеренного сигнала.

Устройство сопряжения с ПК должно обеспечивать подключение измерительного устройства через выбранный интерфейс (необходим драйвер устройства с определенным протоколом обмена данными).

Компьютерная обработка включает в себя вычисление сопротивления кожи по измеренному напряжению и известному току; индикацию и хранение полученных данных.

Для упрощения процесса разработки архитектуры прибора, программного обеспечения и улучшения параметров совместимости с ПК, было решено разрабатывать данное устройство на базе многофункционального модуля сбора данных National Instrument.

6. Выбор элементной базы

Блок электродов. Для регистрации сигнала будем использовать 2 электрода, один из которых является одновременно и токовым и измерительным, другой - только токовым. Электроды фиксируют на соответствующем участке тела, где целесообразно измерить сопротивление кожи.

Достаточная точность медицинских измерительных приборов невозможна без электродов с хорошими эксплуатационными показателями и низким уровнем шумов.

В общем случае погрешности, вызванные «подэлектродными явлениями» могут быть разделены на 2 основные группы:

- погрешности биопотенциалов, вызванные изменением кожно-электродного импеданса;

- погрешности вследствие наличия контактных и поляризованных потенциалов электродов.

Для уменьшения влияния этих явлений на точность измерения биопотенциалов применяются малополяризующиеся электроды или так называемые обратимые, в которых металл контактирует со своими труднорастворимыми соединениями.

В разрабатываем приборе будем использовать электрографический хлорсеребряный электрод (такие электроды получили наибольшее распространение). Хлорсеребряный электрод состоит из серебра и хлорида серебра Ag-AgCl, помещённых в раствор, сожержащий ионы хлорида, чаще хлорида натрия или калия.

В качестве электродов будем использовать одноразовые электроды Ref4009 австрийской фирмы Swaromed типа кнопка. Твердый гель, основа - вспененный полиэтилен, диаметр 50 мм, Датчик Ag/AgCl [11].

Для соединения электродов с многофункциональной платой сбора данных можно применить кабели типа F 5399. Такой кабель представляет собой провод с двойной экранировкой длинной 120 см, без защиты от дефибриляции, с соединениями типа “кнопка” [12].

Усилитель. Блок усиления может быть сконструирован на операционных усилителях. Применение специализированных инструментальных усилителей способствует снижению затрат, уменьшению размеров устройства и экономии времени разработчика. Идеальный усилитель биопотенциалов должен иметь бесконечно большое входное сопротивление, полностью подавлять помехи от силовой сети, быть нечувствительным к потенциалам поляризации и помехам, лежащим за пределами полосы частот полезного сигнала. Он не должен вносить собственные шумы, частотные и нелинейные искажения в рабочей полосе частот и в динамическом диапазоне полезного сигнала.

Инструментальный усилитель обладает следующими характеристиками:

• постоянный коэффициент усиления, не зависящий от времени, частоты и амплитуды входного сигнала, сопротивления нагрузки, температуры и влажности;

• бесконечный коэффициент подавления синфазного напряжения и изменений напряжения питания;

• нулевые входное и выходное напряжения смещения и дрейфа этих смещений;

• нулевой выходной импеданс при любых амплитудах сигнала, отдаваемого усилителем в нагрузку. [8]

Первый каскад, состоящий из усилителей и , усиливает дифференциальный сигнал в

раз, и коэффициент передачи для синфазного напряжения равен 1. Следовательно, дифференциальный сигнал увеличивается на выходах и без увеличения синфазного сигнала. Второй каскад, выполненный на ОУ в дифференциальном включении, усиливает дифференциальный сигнал в раз. Такая схема имеет более высокий входной импеданс и обеспечивает большее усиление и лучший коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) по сравнению со схемами на одном или двух ОУ. Кроме того, величина КОСС менее чувствительна к точности подбора резисторов.

Дифференциальный коэффициент усиления:

.

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за разбаланса резисторов):



.

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за конечного значения КОСС усилителя А₃):

.

Общий КОСС измерительного усилителя в наихудшем случае (при сложении и ):

.

Видно, что этот измерительный усилитель обладает очень хорошими параметрами, однако его недостатком является сложность конструкции (использование трех ОУ). [9]

Рассчитаем параметры усилителя. Дифференциальный сигнал на входе имеет амплитуду мВ. Пусть на выходе усилителя будет сигнал амплитудой ±5 В, значит, что дифференциальный коэффициент усиления должен быть равен 1000.

При расчете номиналов резисторов необходимо иметь в виду, что промышленность выпускает детали определенных номиналов, на которые и следует ориентироваться. В случае, если среди выпускаемых промышленностью резисторов не найдется необходимых, подбирают резистор с помощью последовательного или параллельного соединения. Сказанное относится и к конденсаторам.

Для электрокардиографа необходимо максимальное подавление синфазной помехи. Обычно применяют R2=R3, R4=R6, R5=R7. Для простоты расчетов выберем R4=R5=R6=R7.

Пусть кОм, а R2=R3=500 кОм. Тогда дифференциальный коэффициент усиления будет равен

,

что очень близко к необходимому. При этом погрешность задания коэффициента усиления равна 0,1%.

Фильтр нижних частот.

Фильтр низких частот должен ограничить сверху спектр сигнала. Причем в данном случае частотная характеристика может плавно спадать с увеличением частоты. Поэтому целесообразно использовать ФНЧ первого порядка:

Передаточная функция:

.

Коэффициент передачи в полосе пропускания:

.

Частота среза:



.

Рассчитаем этот фильтр. Выберем частоту среза 20 Гц, емкость конденсатора 0,1 мкФ. Тогда

Ом.

Ом.

Аналогово-цифровой преобразователь.

На основе статьи Ю. Балашова “Аналого-цифровые преобразователи в приборах регистрации биопотенциалов” мною было выбрано сигма-дельта АЦП второго порядка.

Основным принципом сигма-дельта (У-Д) АЦП является усреднение результатов измерения на большом интервале времени для уменьшения погрешности, вносимой шумами, и увеличения разрешающей способности. У-Д АЦП имеет преимущества перед другими интегрирующими АЦП. Линейность характеристики - АЦП выше, так как его интегратор работает в узком динамическом диапазоне, и нелинейность переходной характеристики усилителя (на котором построен интегратор) сказывается значительно меньше. Емкость конденсатора интегратора У-Д АЦП значительно меньше (десятки пФ), и конденсатор может быть изготовлен прямо на кристалле СБИС. У-Д АЦП практически не имеет внешних элементов, что существенно сокращает площадь, занимаемую им на плате, и снижает уровень шумов. Большинство интегральных сигма-дельта АЦП имеют развитую аналоговую и цифровую часть, встроенный контроллер. Это позволяет реализовать режимы автоматической установки нуля и самокалибровки полной шкалы, хранить калибровочные коэффициенты и передавать их по запросу внешнего МПУ. У-Д АЦП широко применяют в измерительных устройствах, где требуется большой динамический диапазон при низкой скорости выдачи отсчетов.

В У-Д АЦП аналоговый сигнал квантуется с низким разрешением на частоте, превышающей максимальную частоту спектра сигнала. Используя методику передискретизации (процесса шумообразования в - модуляторе) в сочетании с цифровой фильтрацией, можно значительно повысить разрядность.

Использование многоразрядных У-Д АЦП в приборах регистрации биопотенциалов позволяет "передвинуть" проблемы конструирования, связанные с буферными усилителями, фильтрами и другими вспомогательными устройствами, в область высоких частот, вследствие высокой тактовой частоты (реальной частоты квантования) АЦП. У-Д архитектура допускает снижение требований к аналоговым фильтрам низкой частоты, подавляющим помехи вне рабочей полосы, ограничиваясь в большинстве случаев RC-звеном 1-го порядка. [13]

Исходя из выше сказанного и технических требований к измерителю временных интервалов ЭКГ сигнала, можно сказать, что данный вид АЦП подходит для разрабатываемого прибора.

Расчет параметров АЦП

1. Разрядность - число бит, используемых для представления аналогового сигнала. Чем больше разрядность устройства, тем на большее число частей система делит рабочий диапазон АЦП, и, следовательно, можно зафиксировать меньшее изменение сигнала. Т.е. разрядность определяет точность измерения.

В результате равномерного квантования мгновенное значение непрерывной величины х представляют в виде конечного числа m ступеней квантования:



соответствующих определённым состояниям (уровни электрических потенциалов и т. п.) квантующего устройства с погрешностью квантования Д_к, т. е. погрешностью, возникающей в результате отнесения значений измеряемой величины к ближайшему значению известной величины в процессе квантования. Максимально возможное значение погрешности квантования определяется значением ступени квантования, т. е.

Погрешность преобразования цифрового измерительного устройства выражается в виде 2-членной формы представления:

где с и d - это безразмерные коэффициенты, выраженные в процентах (даны в техническом задании), а х_max - предел измерения.

где д_max=с/100 (при х=х_max). Для расчета нашего АЦП взяли д_max=0.05%

Для конкретного цифрового измерительного прибора (в частности АЦП) между пределом измерения х_max и шагом квантования существует зависимость:



где n - количество двоичных разрядов или разрядность АЦП.

Учитывая два последних выражения для шага квантования, можно записать:

Откуда разрядность АЦП определяется следующим образом:

[17]

Следовательно, число разрядов равно 11.

2. Расчет частоты дискретизации

Частота дискретизации является одной из основных характеристик АЦП. При проведении дискретизации сигнала очень широко используется теорема В. А. Котельникова: любая непрерывная функция х(t) с ограниченным (0ё f_в) спектром частот полностью определяется своими дискретными значениями, отсчитанными через интервалы времени

Дt=1/(2f_в)

т. е. при частоте отсчётов (дискретизации по времени)

f_д?1/Дt=2f_в [18].



Частота дискретизации определяется исходя из fв, где fв - верхняя частота ограниченного спектра входного сигнала.

Следовательно, исходя из технических требований, частота дискретизации должна быть выше 40 Гц, так как верхняя частота спектра исследуемого сигнала равно 20Гц.

3. Рабочий диапазон - минимальный и максимальный уровни аналогового сигнала, при которых АЦП может преобразовывать его в цифровую форму. Поэтому вы можете подобрать рабочий диапазон, наиболее подходящий для данного сигнала с тем, чтобы воспользоваться всеми преимуществами максимального разрешения для точного измерения сигнала. Так как в нашем случае максимально ожидаемое значение на входе АЦП равно 5 В, то целесообразно выбрать рабочий диапазон от 0 - 5В.

Сбор данных будет производиться с помощью многофункциональной платы сбора данных DAQ-2208 ADLink Technology. Она имеет программируемый коэффициент усиления (х200) и 12 разрядное АЦП, что соответствует характеристикам разрабатываемого прибора. Кроме того, в эту плату встроен буфер памяти FIFO объемом 1024 байта и она поддерживает 2-битную PCI шину 3.3 В или 5 В.[14] Эти блоки упрощают передачу данных в компьютер.

Тем самым одно такое многофункциональное устройство заменяет сразу же 4 блока функциональной схемы: усилитель, АЦП, регистр памяти FIFO и устройство сопряжения.

7. Программное обеспечение прибора

Программное обеспечение было разработано в среде National Instruments LabVIEW.

Функции программного обеспечения прибора:

· выбор амплитуды измерительного тока;

· синхронный запуск генерации измерительного тока и измерения напряжения;

· сбор данных, вычисление искомого параметра;

· хранение и визуализация регистрируемых значений сопротивления.



Заключение

В ходе разработки были приобретены практические навыки создания медицинских приборов. Произведены расчеты различных блоков обработки сигналов, а также произведен подбор принципиальных элементов схемы.

Разработанный прибор вместе с ПО может быть практически реализован и применяться на практике.



Список использованной литературы

1. Боголюбов В.М. Общая физиотерапия. Учебник / В.М. Боголюбов, Г.Н Пономаренко. - 3-е изд., перераб. - М., СПб., 1998. - 480 с., ил.

2. Кожное сопротивление [Электронный ресурс]// Яндекс.Словари . - URL:http://slovari.yandex.ru/~%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%9E%D1%85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B0%20%D1%82%D1%80%D1%83%D0%B4%D0%B0/%D0%9A%D0%BE%D0%B6%D0%BD%D0%BE%D0%B5%20%D1%81%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5/ (дата обращения: 30.03.14)

3. Электрокожное сопротивление как показатель состояния человека [Электронный ресурс]// Дмитрий Петров. - URL: http://www.medlinks.ru/article.php?sid=8356 (дата обращения: 02.04.14)

4. Калашников В.Н. Электрическое сопротивление кожи как индикатор психофизиологического состояния человека. - URL: http://www.osoznanie.biz/info/concept_gar.pdf (дата обращения: 02.04.14)

5. Гарнагина Н.Е. Безопасность и охрана труда Учебное пособие для вузов. - СПб: МАНЭБ, 2001. - 279 с.

6. Левшина Е.С., Новицкий П.В., Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. Пособие для вузов. - Л., Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. - 320 с., ил.

7. Попечителев Е.П., Кореневский Н.А. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника. Учебное пособие. - М., Высшая школа, 2002. - 471 с.

8. Кореневский Н.А., Попечителев Е.П., Филист С.А. Проектирование электронной медицинской аппаратуры для диагностических и лечебных воздействий: Монография. - Курск, Курская городская типография, 1999. - 537 с.

9. Кореневский Н.А., Попечителев Е.П. Узлы и элементы медицинской техники. Учебное пособие для студентов вузов. - Курск, Курск. гос. техн. ун-т, 2009. - 426 с.

10. Пейтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях - М.: ВИНОМ, 1994 - 352 с.

11. SWAROMED REF 4009 [Электронный ресурс] // Комус Импекс: медицинские расходные материалы. М., URL: http://www.komus-med.ru/catalog/6275/12102/ (Дата обращения: 10.04.2014).

12. Кабель пациента для ЭКГ [Электронный ресурс] // Вилорд: расходные материалы и оборудование для медицины и косметологии. M., URL: http://www.velord.ru/?Id=432 (Дата обращения: 10.04.2014).

13. Сигма-дельта АЦП [Электронный ресурс]// Факультет "Радиофизики и Компьютерных технологий Белорусского государственного университета",Минск, URL: http://www.rfe.by/media/kafedry/kaf4/publication/chudovski/AD-DA/AC-DC-05.pdf (Дата обращения: 25.04.2014).

14. Высокоскоростные устройства сбора данных и управления: [Электронный ресурс]// Индустриальные технологии.Н., URL:http://www.i-techno.ru (Дата обращения: 10.04.2014).

15. Трэвис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех. 4 е издание, переработанное и дополненное- М.: ДМК Пресс, 2011.

16. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru

...